Нахождение экстремальных значений оперативной характеристики контроля качества строительных изделий

Полный текст

При решении задач контроля качества строительных изделий по количественному признаку [1; 8] возникает проблема нахождения экстремальных значений функции Zn,k(m, 8), представляющей собой оперативную характеристику контроля [7; 9]. Известно [2], что она имеет вид Zn,k(m, 8) = 1 (u1+u2) = B f0 2k 1n-2е -n 1]2 2 {Ф[-(и2 + 1k)√n]Ф[(и1 + 1k)√n]}d1 ≡ l(81, 82), (1) где B = n-1 2 n 2 2 ; Г n-1 2 Г(х) - гамма-функция; 2 8i = Ф(иi); i = 1,2; Xn-m m-Xb 1 x -t и1 = 2 ; и = 8 ; Ф(х) = f е 8 √2тr -00 2 dt; η - случайная величина, распределенная по закону; Хи - квадрат с (n 1) степенью свободы; m - математическое ожидание; 82 - дисперсия; (n, k) - план контроля [2]. Как важное обстоятельство отметим [10], что характеристика Zn,k(m, 8) зависит от параметров m и 8 через функции и1 и и2, которые входят в формулу (1) не в виде комбинации Ф(и1) + Ф(и2) = q. Поэтому в случае двухстороннего ограничения на контролируемый параметр оперативная характеристика Zn,k(m, 8) не однозначно определяется долей q негодных изделий в партии, а зависит еще от параметров распределения m и 82. В качестве контролируемого параметра в строительной индустрии подразумевается любой признак, по которому характеризуется надежность строительного изделия. Если бы в технических условиях на параметр Х было наложено одностороннее ограничение, например Х > ХН, то Zn,k(q) однозначно определялось бы заданием q. В самом деле, полагая в формуле (1) ХЬ = ∞, получим и2 = -∞, 82 = Ф(-∞) = 0, q = 81 = Ф(и1), и1 = иq и 00 n 2 0 Zn,k(m, 8) = B f 1n-2е-21] Ф[-(иq + 1k)√n] d1 = Zn,k(q). Так как при двухстороннем ограничении на параметр вероятность приемки партии с уровнем качества q зависит от параметров распределения m и 8, то при определении плана контроля (n, k) необходимо вместо Zn,k(q) использовать нижнюю и верхнюю границы Здесь Zn,k(q) = min (m,8)EQ Zn,k(q) = max (m,8)EQ ХН m Zn,k(m, 8), Zn,k(m, 8). m ХЬ = m, 8 0: Ф 8 + Ф 8 = q . В настоящей статье сделана попытка найти в явном виде экстремальные значении функции l(81, 82). Итак, перейдем к исследованию функции l(81, 82) на экстремум. Заметим, что Zn,k(q) = min (81+82)=8 l(81, 82), Zn,k(q) = max (81+82)=8 l(81, 82), 8 = {(81, 82): 0 ::; 8i ::; , i = 1,2, 81 + 82 = q}. Нахождение экстремумов функции l(81, 82) проведем по общепринятой классической схеме. Заменим переменную 82 через 81. Тогда получим Z = min 0 81 q l(81,q 81),Z = max 0 81 q l(81,q 81). Используя очевидные соотношения 2 2 dи1 = √2тr еu1 , dи2 = -√2тr еu2 , 2 d81 после ряда преобразований находим 2 d81 sign dl(81,q 81) d81 -1 2 = signфn(и1, и2), -nx2( 1 1 ) (u1+u2) фn(и1, и2) = хn-2е 2 0 k2 n-1 х (n-1) nх )2 (n-1) nх )2 х [е- 2 (u2+n-1 е- 2 (u1+n-1 ] dх. (2) Нетрудно проверить, что -фn(и1, и2) = фn(и1, и2) и фn(и1, и2) = 0 (3) при и1 = и2. В силу формулы (3) достаточно исследовать знак функции фn(и1, и2) при и1 < и2 для определения signфn(и1, и2) на всем диапазоне изменения и1 и и2. Рассмотрим отдельный случай n = 2. Тогда формула (2) может быть записана так: где G2(х) = е(1-k 1 -2)x2 2 1 2 0 2 2 1 2 ф (и , и ) = fА G (х)H (х, и , и )dх, (4) ; H2(х, и1, и2) = h2(х, и2) h2(х, и1); 2 i 2 h (х, и ) = е(2x+ui)2 ; i = 1,2; А = 1 2 (и1+ и2). Оценить знак функции ф2 позволяет следующая лемма. Лемма Ӏ. Пусть функции f и g заданы на интервале [а, Ь],f 0 и с Ь тогда fа fdх = fс с fdх ,С Е]а, Ь[, (5) Ь fа gfdх > fс если q - строго убывающая функция. gfdх, (6) Доказательство непосредственно следует из теоремы о среднем. Действительно, с с gfdх = g(х1) fdх , х1Е]а, С[, а а Ь Ь fdх = g(х2) fdх , х2Е]а, Ь[. с с Поскольку g(х1) > g(х2), то из условия (5) следует неравенство (6). Следствие Ӏ. Если в условиях леммы Ӏ функция g строго возрастающая, то вместо неравенства (6) будет справедливо противоположное неравенство: с Ь gfdх < gfdх. а с В справедливости этого замечания можно убедиться, умножив неравенство (6) на (-Ӏ) и заменив функцию g на -g. Применим лемму Ӏ для оценки функции ф2. Заметим вначале, что при и1 < и2 А H2(х, и1, и2) = (> 0, х < , 2 А = 0, х = , 2 А l< 0, х > 2 , и А 2 А тr и2 и1 А h2(х, и2)dх = h2(х, и1)dх = 2 [Ф Ф(и2)], 2 0 2 А 2 А тr и1 и2 А h2(х, и1)dх = h2(х, и2)dх = 2 [Ф Ф(и1)]. 2 0 2 Вычитая из первого уравнения второе, получаем А 2 А H2 dх = H2 dх. А А 2 А Положим в Лемме Ӏ а = 0, С = 2 ,Ь = А,g = G2 и А f(х) = H2(х),х ::; 2 , А -H2(х),х > 2 . Очевидно, введенные функции удовлетворяют условиям Леммы Ӏ. Следовательно, А А 2 ф2 = G2 H2dх + G2 H2dх > 0, А 0 2 если G2 - строго убывающая функция, а это возможно, лишь когда k < 1. Если G2 - строго возрастающая функция (k > 1), то в силу следствия Ӏ ф2(и1, и2) < 0. При k = 1 функция G2 = 1, а значит ф2 = 0. Таким образом, при n = 2 и и1 < и2 dl(81,q 81) > 0, k < 1, = 0, k = 1, d81 < 0, k > 1. Тем самым установлено, что оперативная характеристика контроля при k < 1 имеет минимум и максимум соответственно в точках (81 = 0, 82 = q) и 1 2 (8 = 8 = q). При (k > 1) отмеченные точки минимума и максимума меняются 2 местами. Запишем выражение оперативной характеристики в этих экстремальных точках. Полагая в формуле (1) n = 2, (81 = 0, 82 = q), т.е. и1 = -∞, и2 = иq, получаем 2 00 2 Zn,k(q) = е-1] Ф[-(иq + k1)√2]d1. √тr 0 q 1 2 При n = 2, 81 = 82 = 2, т.е. и1 = и2 = иq формула (1) принимает вид Итак, 1 2 -ku Zn,k(q) = √тr 2 q е-1]2 0 1 2Ф [иq + k1] √2 d1. 2 Z2,k(q) = 2 √тr -1u f е-1] 00 2 0 Ф[-(иq q + k1)√2]d1, k ::; 1, (7) 0 1 2Ф [ иq + k1 √2] d1, k 1. 2 k √тr f2 е-1]2 2 Верхняя граница Z2,k(q) записывается формулой (7), только условия k ::;1 и k 1 необходимо поменять местами. Поскольку при k = 1 функция ф2 = 0, то имеют место следующие тождества: (u1+u2) -1 2 2 е-(2 {Ф[-(и + ()√2] Ф[(и1 + ()√2]d(} = 0 00 q = е-(2 Ф[-(и + ()√2]d( = 0 2 q = е-(2 1 2Ф [ иq + ( √2] d(, где 0 2 q = Ф(и1) + Ф(и2). Рассмотрим теперь случай n > 2. Докажем следующее утверждение. Теорема Ӏ. При и1 < и2 фn(и1, и2) > 0 для всех k < k∗, где -1 2 k∗ = n + 1 . (n 2) [1 (и +и )] 1. 1 2 1 2 Доказательство. Очевидно, А ф2(и1, и2) = Gn (х)Hn(х, и1, и2)dх, 0 2 где Gn(х) = хn-2е-yx ; Hn(х, и1, и2) = hn(х, и2) hn(х, и1); 1 nx )2 n 1 1 hn(х, иi) = ехр [2 (n 1)(иi + n-1 ] ; i = 1,2; у = 2 . k2 n-1 Нетрудно проверить, что при и1 < и2 > 0, 0 ::; < n-1 А, n n-1 Hn(х) l а n-1 n А = 0, х = < 0, х > А, n n-1 А; n А (8) hn (х, и2)dх = hn (х, и1)dх, n-2 n А n-1 n А n-1 n А А hn (х, и1)dх = hn (х, и2)dх. n-2 n А n-1 n А Из последующих двух уравнений получаем, что n-1 n А А Hn dх = Hn dх. n-2 n А n-1 n А Исследуем теперь функцию Gn. Заметим вначале, что у > 0 ∀kЕ[0, k∗]. Функция Gn строго возрастает на интервале ]0, Х∗[ и убывает на интервале 1 ]Х∗, ∞[. Х∗ = [(n-2)]2. Непосредственной проверкой можно убедиться в том, что 2y Х∗ < (n-2) А ∀kЕ[0, k∗]. Следовательно, на интервале [n-1 А, А] функция G n n n строго возрастает. В силу формулы (8) имеем А фп(и1, и2) > fn-2 n А GпНп dх. (9) Оценим знак интервала в неравенстве (9) с помощью леммы Ӏ. Положим п 2 ɑ = п и А, с = п 1 п А, Ь = А, g = Gп п 1 f(х) = Нп(х),х � -Нп(х),х > l А, п п 1 А. п Введение функций f и g удовлетворяет условию следствия Ӏ. Поэтому фп > 0. Доказательство окончено. Из теоремы Ӏ получаем следующий результат. Следствие ІӀ. При п > 2 n 2 о Zп,k(q) = B f (п-2е2 q Ф[-(иq + k(}√п]d(, (10) 1 2 пcf2 Zп,k(q) = B-ku (п-2е2 о {1 2Ф [(иq + k() √пj} d(, 2 q для всех kE[0, k∗ ], где ∗ п 2 1 1 -2 kq = ( (п 2) иq + 2 ) . п 1 Доказательство непосредственно следует из теоремы Ӏ и того факта, что функция (и1 + и2)2 достигает минимального значения на множестве {и1, и2: Ф(и1) + Ф(и2) = q} в точке и1 = и2 = иq. 2 Заключение. Таким образом, формулы (10) позволяют значительно упростить вычисления планов контроля (п, k) при двухстороннем допуске контролируемого параметра, характерного для конкретного строительного изделия.

Об авторах

Надежда Михайловна Чиганова

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: chiganovanm.mgsu@gmail.com

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной математики, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Область научных интересов: оценка качества и надежности изделий, планирование испытаний, интервальная оценка показателей надежности строительных изделий

Ярославское шоссе, 26, Москва, Россия, 129337

Список литературы