{"id":484,"date":"2013-05-27T13:50:31","date_gmt":"2013-05-27T18:50:31","guid":{"rendered":"http:\/\/ebixio.com\/blog\/?p=484"},"modified":"2013-05-27T15:20:55","modified_gmt":"2013-05-27T20:20:55","slug":"484","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/ebixio.com\/blog\/2013\/05\/27\/484\/","title":{"rendered":"From Acceleration to Displacement"},"content":{"rendered":"<p><\/p>\n<p>Recently I was trying to double integrate a sinusoidal acceleration (ex: a frog leaping forward) and was a bit puzzled at first why double integrating the <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7c7f5df64d40bfc90dfccf424296ef26_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"41\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> wave resulted in no displacement after an integral number of cycles:<\/p>\n<p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 86px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (1) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-98179e561afbce77d31b7b2e27f00c71_l3.png\" height=\"86\" width=\"256\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\" &#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#110;&#97;&#114;&#114;&#97;&#121;&#42;&#125; &#118;&#40;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#116;&#41;&#32;&#100;&#116;&#32;&#38;&#61;&#38;&#32;&#45;&#92;&#99;&#111;&#115;&#40;&#116;&#41;&#32;&#92;&#92; &#100;&#40;&#116;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#32;&#45;&#92;&#99;&#111;&#115;&#40;&#116;&#41;&#32;&#100;&#116;&#32;&#38;&#61;&#38;&#32;&#45;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#116;&#41; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#110;&#97;&#114;&#114;&#97;&#121;&#42;&#125; \" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>\n<p>Everybody knows that integrating once gives you velocity, and integrating twice gives you displacement (or position). But if that&#8217;s the case, why is the displacement (<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c20f5a326eb0a176a45de9b2d1f36a11_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#45;&#115;&#105;&#110;&#40;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"57\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>) above sinusoidal? Shouldn&#8217;t the frog be moving forward instead of back and forth?<\/p>\n<p>It turns out my calculus was rusty enough to where I missed one very obvious fact. In the process I learned the distinction between a <em>multiple (or double) integral<\/em>, which is an integral taken over different variables (ex: <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d893b7612503b645d839b31e7c47a30d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#105;&#110;&#116;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#32;&#102;&#40;&#120;&#44;&#32;&#121;&#41;&#32;&#100;&#120;&#92;&#32;&#100;&#121;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"125\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/>) and a <em>repeated integral<\/em> which is taken multiple times over the <em>same<\/em> variable. What I missed was the difference between an <em>indefinite<\/em> integral (shown above) and a <em>definite<\/em> integral (shown below).<\/p>\n<p>So let&#8217;s make the problem a little more generic and add amplitude and frequency component to our acceleration signal, and then see what happens to it as we integrate it twice. We&#8217;ll start with an acceleration signal defined as:<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0fa9ddc337357ff596c78c3cee93efa6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#32;&#61;&#32;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#42;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"114\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/><\/p>\n<p>and we&#8217;ll integrate it twice over the interval start..end (<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b391d09e54cef211e9b6da53dcdf9db_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#115;&#46;&#46;&#101;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"26\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>) to see what we get.<\/p>\n<p>For the first integration we have:<\/p>\n<p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 88px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (2) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-64d2367c5af14a8ac35463e1ce48bd12_l3.png\" height=\"88\" width=\"359\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\" &#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125; &#86;&#95;&#123;&#116;&#32;&#61;&#32;&#101;&#125;&#32;&#61;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#115;&#125;&#94;&#123;&#101;&#125;&#32;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#116;&#41;&#32;&#100;&#116;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#99;&#111;&#115;&#40;&#99;&#116;&#41;&#125;&#123;&#99;&#125;&#92;&#98;&#105;&#103;&#103;&#124;&#95;&#123;&#115;&#125;&#94;&#123;&#101;&#125;&#32;&#92;&#92; &#38;&#61;&#32;&#45;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#99;&#111;&#115;&#40;&#99;&#101;&#41;&#125;&#123;&#99;&#125;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#99;&#111;&#115;&#40;&#99;&#115;&#41;&#125;&#123;&#99;&#125; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125; \" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>\n<p>So that allows us to calculate the velocity at any point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3df25395f02a27df74cd57b87abb88e9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#32;&#116;&#32;&#61;&#32;&#101;&#32;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"38\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> after the starting time <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ae1901659f469e6be883797bfd30f4f8_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#115;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Now we want to integrate a second time to get the displacement. To avoid confusion with the <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b391d09e54cef211e9b6da53dcdf9db_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#115;&#46;&#46;&#101;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"26\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> interval used for the first integration, we&#8217;ll use <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-40b1832506932d23394b6772ec3c2a21_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#103;&#46;&#46;&#104;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"29\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> as the integration interval this time around. To simplify things, let&#8217;s also rename the integration constant (time independent) term <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-57acf32c288083045c136fa9be8b660a_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#99;&#111;&#115;&#40;&#99;&#115;&#41;&#125;&#123;&#99;&#125;&#32;&#92;&#101;&#113;&#117;&#105;&#118;&#32;&#109;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"25\" width=\"92\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/>.<\/p>\n<p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 98px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (3) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bf3a77e422710ba30f29c5dbcba02de2_l3.png\" height=\"98\" width=\"547\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\" &#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125; &#68;&#95;&#123;&#116;&#32;&#61;&#32;&#104;&#125;&#32;&#61;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#103;&#125;&#94;&#123;&#104;&#125;&#32;&#45;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#99;&#111;&#115;&#40;&#99;&#101;&#41;&#125;&#123;&#99;&#125;&#32;&#43;&#32;&#109;&#92;&#32;&#100;&#101;&#32;&#38;&#61;&#32;&#45;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#101;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#43;&#32;&#109;&#101;&#32;&#92;&#98;&#105;&#103;&#103;&#124;&#95;&#123;&#103;&#125;&#94;&#123;&#104;&#125;&#32;&#92;&#92; &#38;&#61;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#091;&#32;&#109;&#104;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#104;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#093;&#32;&#45;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#091;&#32;&#109;&#103;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#103;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#093; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125; \" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>\n<p>Since both integrations are over the same intervals, we know that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b2d7aabe266d35d23e8d444a2419dc38_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#103;&#32;&#92;&#101;&#113;&#117;&#105;&#118;&#32;&#115;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"41\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-010962e74cab94a0dd15fc66341d8a17_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#104;&#32;&#92;&#101;&#113;&#117;&#105;&#118;&#32;&#101;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"42\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Now substitute everything back in and simplify:<\/p>\n<p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 180px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (4) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a56b2230a2b58f068f49180dac6d255b_l3.png\" height=\"180\" width=\"366\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\" &#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125; &#68;&#95;&#123;&#116;&#32;&#61;&#32;&#101;&#125;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#091;&#32;&#109;&#104;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#104;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#093;&#32;&#45;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#091;&#32;&#109;&#103;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#103;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#093;&#32;&#92;&#92; &#38;&#61;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#091;&#32;&#109;&#101;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#101;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#093;&#32;&#45;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#091;&#32;&#109;&#115;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#115;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#093;&#32;&#92;&#92; &#38;&#61;&#32;&#109;&#40;&#101;&#45;&#115;&#41;&#92;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#101;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#115;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#92; &#38;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#99;&#111;&#115;&#40;&#99;&#115;&#41;&#125;&#123;&#99;&#125;&#32;&#40;&#101;&#45;&#115;&#41;&#92;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#101;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#115;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125; \" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p>\n<p>If we want to take into account the phase of the signal, we start with:<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4db93619041acdbb81aebb4ebfe88724_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\" &#65;&#32;&#61;&#32;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#116;&#32;&#43;&#32;&#112;&#41; \" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"129\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/><\/p>\n<p>and end with:<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4e433712e8f21134910ef6b5b9c3cbf1_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\" &#68;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#99;&#111;&#115;&#40;&#99;&#115;&#43;&#112;&#41;&#125;&#123;&#99;&#125;&#32;&#40;&#101;&#45;&#115;&#41;&#92;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#101;&#43;&#112;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#97;&#32;&#92;&#115;&#105;&#110;&#40;&#99;&#115;&#43;&#112;&#41;&#125;&#123;&#99;&#94;&#50;&#125; \" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"26\" width=\"354\" style=\"vertical-align: -7px;\"\/><\/p>\n<p>So there you have it. The result of integrating a sinusoidal acceleration twice on the interval <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ebixio.com\/blog\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8b391d09e54cef211e9b6da53dcdf9db_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#115;&#46;&#46;&#101;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"26\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> in order to arrive at the displacement.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Recently I was trying to double integrate a sinusoidal acceleration (ex: a frog leaping forward) and was a bit puzzled at first why double integrating the wave resulted in no displacement after an integral number of cycles: Everybody knows that integrating once gives you velocity, and integrating twice gives you displacement (or position). 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