Законы Ланчестера
Часть серии о |
Война ( контур ) |
---|
![]() |
Законы Ланчестера представляют собой математические формулы для расчета относительной численности вооруженных сил . Уравнения Ланчестера представляют собой дифференциальные уравнения, описывающие временную зависимость сил двух армий A и B как функцию времени, при этом функция зависит только от A и B. [ 1 ] [ 2 ]
В 1915 и 1916 годах во время Первой мировой войны М. Осипов [ 3 ] : vii – viii и Фредерик Ланчестер независимо друг от друга разработали серию дифференциальных уравнений , чтобы продемонстрировать соотношение сил между противостоящими силами. [ 4 ] Среди них так называемый линейный закон Ланчестера (для древнего боя ) и квадратичный закон Ланчестера (для современного боя с применением оружия дальнего действия, такого как огнестрельное оружие).
По состоянию на 2017 год модифицированные варианты уравнений Ланчестера продолжают составлять основу анализа во многих боевых симуляциях армии США. [ 5 ] а в 2016 году в отчете корпорации RAND были рассмотрены с учетом этих законов вероятный исход в случае вторжения России в прибалтийские страны – Эстонию, Латвию и Литву. [ 6 ]
Линейный закон Ланчестера
[ редактировать ]Например , в древнем бою между фалангами солдат с копьями один солдат мог сражаться только с одним другим солдатом одновременно. Если каждый солдат убивает и убивает ровно одного другого, то количество солдат, оставшихся в конце битвы, представляет собой просто разницу между большей армией и меньшей, при условии идентичного оружия.
Линейный закон распространяется и на неприцельный огонь по оккупированной противником территории. Скорость истощения зависит от плотности доступных целей в целевой зоне, а также от количества стреляющих орудий. Если две силы, занимающие одну и ту же территорию и использующие одно и то же оружие, будут беспорядочно стрелять в одну и ту же целевую область, они оба понесут одинаковую частоту и количество потерь, пока меньшая сила в конечном итоге не будет уничтожена: тем выше вероятность любого одного выстрела. попадание в большую силу уравновешивается большим количеством выстрелов, направленных в меньшую силу.
Квадратный закон Ланчестера
[ редактировать ]Закон квадратов Ланчестера также известен как закон N-квадратов .
Описание
[ редактировать ]Благодаря тому, что огнестрельное оружие поражает друг друга напрямую при прицельной стрельбе на расстоянии, они могут атаковать несколько целей и получать огонь с разных направлений. Скорость истощения теперь зависит только от количества стреляющих из оружия. Ланчестер определил, что мощь таких сил пропорциональна не количеству имеющихся у них подразделений , а квадрату числа подразделений. Это известно как закон квадратов Ланчестера.
Точнее, закон определяет потери, которые стрелковая группа нанесет за определенный период времени, по сравнению с потерями, нанесенными противостоящей силой. В своей базовой форме закон полезен только для прогнозирования результатов и потерь в результате истощения сил. Это не относится к целым армиям, где тактическое развертывание означает, что не все войска будут задействованы постоянно. Это работает только тогда, когда каждый юнит (солдат, корабль и т. д.) может убить только один эквивалентный юнит за раз. По этой причине закон не распространяется на пулеметы, артиллерию с неуправляемыми боеприпасами и ядерное оружие. Закон требует допущения, что потери накапливаются с течением времени: он не работает в ситуациях, когда противоборствующие войска убивают друг друга мгновенно, либо стреляя одновременно, либо одна сторона делает первый выстрел и наносит множественные потери.
Обратите внимание, что квадратичный закон Ланчестера не применим к технологической силе, а только к числовой силе; поэтому для компенсации N-кратного уменьшения количества требуется увеличение качества в N-кратном размере.
Примеры уравнений
[ редактировать ]Предположим, что две армии, красная и синяя, вступают в бой друг с другом. Красный стреляет в Синего непрерывным потоком пуль. Тем временем Синий стреляет в Красного непрерывным потоком пуль.
Пусть символ А обозначает количество солдат Красных сил. Каждый из них имеет наступательную огневую мощь α , которая представляет собой количество солдат противника, которое он может вывести из строя (например, убить или ранить) в единицу времени. Аналогично, у Синих есть солдаты B , каждый из которых обладает наступательной огневой мощью β .
Квадратный закон Ланчестера рассчитывает количество солдат, потерянных с каждой стороны, с помощью следующей пары уравнений. [ 7 ] Здесь dA/dt представляет собой скорость изменения количества красных солдат в конкретный момент. Отрицательное значение указывает на потери солдат. Точно так же дБ/дт представляет собой скорость изменения количества синих солдат.
Решение этих уравнений показывает, что:
- Если α = β , т.е. обе стороны имеют одинаковую огневую мощь, победит сторона, у которой в начале битвы больше солдат;
- Если A = B , то есть обе стороны имеют одинаковое количество солдат, победит сторона с большей огневой мощью;
- Если A > B и α > β , то победит Красный, а если A < B и α < β , победит Синий;
- Если A > B, но α < β , или A < B , но α > β , выигрышная сторона будет зависеть от того, больше или меньше отношение β / α квадрата отношения A / B . Таким образом, если численность и огневая мощь неравны в противоположных направлениях, для победы требуется превосходство в огневой мощи, равное квадрату численного превосходства; или, говоря по-другому, эффективность армии возрастает пропорционально квадрату числа людей в ней, но только линейно с их боеспособностью.
Первые три из этих выводов очевидны. Последний из них - происхождение названия «квадратный закон».
Отношение к модели залпового боя
[ редактировать ]Уравнения Ланчестера связаны с более поздними уравнениями модели залпового боя , но имеют два основных отличия.
Во-первых, исходные уравнения Ланчестера образуют модель с непрерывным временем, тогда как основные уравнения залпа образуют модель с дискретным временем. В перестрелке пули или снаряды обычно выпускаются в больших количествах. Каждый снаряд имеет относительно низкий шанс поразить цель и наносит относительно небольшой урон. Таким образом, уравнения Ланчестера моделируют артиллерийский огонь как поток огневой мощи, который с течением времени постоянно ослабляет силы противника.
Для сравнения: крылатые ракеты обычно запускаются в относительно небольших количествах. Каждый из них имеет высокую вероятность поражения цели и несет относительно мощную боеголовку. Следовательно, имеет смысл моделировать их как дискретный импульс (или залп) огневой мощи в модели дискретного времени.
Во-вторых, уравнения Ланчестера включают только наступательную огневую мощь, тогда как уравнения залпа включают также и оборонительную огневую мощь. Учитывая их малые размеры и большое количество, перехват пуль и снарядов в перестрелке нецелесообразен. Для сравнения, крылатые ракеты могут быть перехвачены (сбиты) ракетами класса «земля-воздух» и зенитными орудиями. Поэтому важно включить такую активную защиту в модель ракетного боя.
Закон Ланчестера в использовании
[ редактировать ]Законы Ланчестера использовались для моделирования исторических сражений в исследовательских целях. Примеры включают атаку Пикетта пехоты Конфедерации против пехоты Союза во время битвы при Геттисберге 1863 года , [ 8 ] 1940 года Битва за Британию между британскими и немецкими военно-воздушными силами, [ 9 ] и Курская битва . [ 10 ]
В современной войне, чтобы принять во внимание, что в той или иной степени часто применяются как линейные, так и квадратные, используется показатель степени 1,5. [ 11 ] [ 12 ] [ 3 ] : 7-5–7-8 Законы Ланчестера также использовались для моделирования партизанской войны . [ 13 ]
Были предприняты попытки применить законы Ланчестера к конфликтам между группами животных. [ 14 ] Примеры включают тесты на шимпанзе. [ 15 ] и муравьи . Применение шимпанзе было относительно успешным. Исследование австралийских мясных муравьев и аргентинских муравьев подтвердило закон квадратов. [ 16 ] исследование огненных муравьев не подтвердило закон квадратов. [ 17 ]
Параметры Гельмбольда
[ редактировать ]Параметры Гельмбольда предоставляют быстрые, краткие и точные числовые показатели, надежно основанные на исторических данных, для сравнения сражений с точки зрения их ожесточенности и степени, в которой сторона имела преимущество. Хотя их определение смоделировано на основе решения дифференциальных уравнений Закона квадратов Ланчестера, их числовые значения полностью основаны на начальной и конечной силе противников и никоим образом не зависят от действительности Закона квадратов Ланчестера как модели истощения во время войны. ход боя.
Используемое здесь решение квадратичного закона Ланчестера можно записать как: где время с начала битвы, и представляют собой выжившие части сил атакующего и обороняющегося в данный момент времени , – параметр интенсивности Гельмбольда, параметр преимущества защитника Хелмбольда, - продолжительность боя, и – параметр горечи Гельмбольда.
Если известны начальная и конечная силы двух сторон, можно найти параметры , , , и . Если продолжительность боя также известно, то можно решить . [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
Если, как это обычно бывает, достаточно мала, чтобы гиперболические функции можно было без существенной ошибки заменить разложением их в ряд до членов первой степени , и если мы примем следующие сокращения для дробей потерь то имеют место следующие приближенные соотношения: [ 21 ] Что является своего рода «средним» (в частности, средним геометрическим ) долей потерь, что оправдывает использование его в качестве показателя ожесточенности боя.
Заметим здесь, что для статистических работ лучше использовать натуральные логарифмы параметров Гельмбольда. Мы будем называть их в очевидных обозначениях , , и .
Основные выводы
[ редактировать ]См. Хелмбольд (2021):
- Параметры Гельмбольда и статистически независимы, т. е. измеряют отдельные особенности боя. [ 22 ]
- Вероятность победы защищающегося P(Dwins) связана с параметром преимущества защищающегося посредством логистической функции P(Dwins) = 1 / (1 + exp(-z)), где z = -0,1794 + 5,8694 * logmu. . [ 23 ] Эта логистическая функция почти точно кососимметрична относительно logmu = 0, возрастая от P(Dwins) = 0,1 при logmu = -0,4, через P(DWins) = 0,5 при logmu = 0, до P(Dwins) = 0,9 при logmu = +0,4. Поскольку вероятность победы зависит от параметра преимущества Гельмбольда, а не от соотношения сил, ясно, что соотношение сил является худшим и ненадежным показателем победы в бою.
- Хотя преимущество обороняющегося сильно варьируется от одного сражения к другому, в среднем оно практически постоянно с 1600 года н.э. [ 24 ]
- Большинство других параметров сражения (в частности, первоначальная численность войск, начальное соотношение сил, количество потерь, соотношение потерь, продолжительность боя и расстояния, пройденные атакующим) менялись настолько медленно с 1600 года н.э., что только самые проницательные наблюдатели могли бы это заметить. обратите внимание на любые изменения в их номинальной 50-летней военной карьере. [ 25 ]
- Горечь ( ), доли потерь ( и в приведенных выше обозначениях) и интенсивность ( ) также медленно менялся до 1939 года н.э. Но с тех пор они пошли по поразительно более крутой кривой снижения. [ 26 ]
Некоторые наблюдатели заметили аналогичное снижение потерь после Второй мировой войны на уровне войн, а не сражений. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]
См. также
[ редактировать ]- Война на истощение
- Уравнения Лотки – Вольтерра аналогичная математическая модель динамики хищник-жертва
- Маневренная война
- Аналогичная математическая модель множителя Петри для сексизма
- Льюис Фрай Ричардсон
- Кроме боевой модели
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ланчестер Ф.В., Математика в войне в мире математики, Vol. 4 (1956) Изд. Ньюман-младший , Саймон и Шустер , 2138–2157 гг.; антологизирован из книги «Самолеты на войне» (1916).
- ^ Дэвис, Пол К. (1995). «Уравнения Ланчестера и системы оценок». Агрегация, дезагрегация и правила 3:1 в наземном бою . Корпорация Рэнд. дои : 10.7249/MR638 .
- ^ Перейти обратно: а б Осипов, М. (1991) [1915]. «Влияние численного состава участвующих войск на их потери» Влияние Численности Сражающихся Сторонъ На Ихъ Потери (PDF) . Царско-Русский журнал «Военный сборник» Военный Сборник . Перевод Хелмбольда, Роберта; Рем, Аллан. Агентство анализа концепций армии США. Архивировано (PDF) из оригинала 4 ноября 2021 года . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Ригге, Стаффан; Франсен, Амэ; Вигг, Ларс (сентябрь 1995 г.). «Ланчестерская теория боя и некоторые связанные с ней темы» (PDF) . НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОБОРОНЫ.
- ^ Кристиан, майор Джошуа Т. (23 мая 2019 г.). Исследование соотношений сил (PDF) . Форт Ливенворт, Канзас: Колледж командования и генерального штаба армии США.
Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов армии США .
- ^ Дэвид А. Шлапак и Майкл В. Джонсон, Усиление сдерживания на восточном фланге НАТО (Санта-Моника, Калифорния: RAND Corporation, 2016)
- ^ Тейлор Дж.Г. 1983. Ланчестерские модели войны, тома I и II. Американское общество исследования операций.
- ^ Армстронг MJ, Содергрен SE, 2015, Отражение обвинения Пикетта: математическое моделирование поля битвы Гражданской войны, Ежеквартальный журнал социальных наук.
- ^ Маккей Н., Прайс C, 2011, Безопасность в цифрах: идеи концентрации истребительной защиты Королевских ВВС от Ланчестера до битвы за Британию, History 96, 304–325.
- ^ Лукас, Томас В.; Тёркес, Тёркер (2004). «Подгонка уравнений Ланчестера к Курской и Арденнской битвам: Уравнения Ланчестера для Курской и Арденнской битв» . Логистика военно-морских исследований (NRL) . 51 (1): 95–116. дои : 10.1002/nav.10101 . hdl : 10945/44169 . S2CID 4809135 .
- ^ Гонка за скоростью: мысли о войне двадцать первого века Ричарда Э. Симпкина
- ^ ФАУЛЕР, ЧАРЛЬЗ А. «БЕРТ» (1 марта 2006 г.). «Асимметричная война: учебник для начинающих» .
- ^ Дейчман, С.Дж. (1962). «Ланчестерская модель партизанской войны» . Исследование операций . 10 (6): 818–827. дои : 10.1287/опре.10.6.818 . ISSN 0030-364X . JSTOR 168104 .
- ^ Клифтон, Э. (2020). Краткий обзор применения моделей боя Ланчестера у животных, не являющихся людьми. Экологическая психология, 32, 181–191. doi:10.1080/10407413.2020.1846456
- ^ Уилсон, М.Л., Бриттон, Н.Ф., и Фрэнкс, Н.Р. (2002). Шимпанзе и математика боя. Труды Королевского общества B: Биологические науки, 269, 1107–1112. doi:10.1098/rspb.2001.1926
- ^ Лимбери, Сэмюэл Дж. (2023). «На сложных полях сражений сильные солдаты предпочитают большие армии в войне социальных животных» . ПНАС . 120 (37): e2217973120. Бибкод : 2023PNAS..12017973L . дои : 10.1073/pnas.2217973120 . ПМК 10500280 . ПМИД 37639613 . Проверено 18 сентября 2023 г.
- ^ Плауз, NJR, и Адамс, ES (2005). Эмпирическая проверка квадратичного закона Ланчестера: смертность во время сражений с огненным муравьем Solenopsis invicta. Труды Королевского общества B: Биологические науки, 272, 1809–1814. doi:10.1098/rspb.2005.3162
- ^ Хелмбольд 1961a .
- ^ Хелмбольд 1961b .
- ^ Helmbold 2021 , стр. Приложение А.
- ^ Helmbold 2021 , стр. 14–16, приложение А.
- ^ Хелмбольд 2021 , стр. 18–19.
- ^ Хелмбольд 2021 , стр. 17–18.
- ^ Хелмбольд 2021 , стр. 20, 68–69.
- ^ Helmbold 2021 , стр. 20, приложение C.
- ^ Helmbold 2021 , стр. 21, приложение C, часть 4.
- ^ Ласина, Бетани и Нильс Петтер Гледич (2005) «Мониторинг тенденций в глобальных боях: новый набор данных о боевых смертях», Journal of Population (2005) 21: 145-166
- ^ Ласина, Бетани, Нильс Петтер Гледич и Брюс Рассетт (2006) «Снижение риска смерти в бою», International Studies Quyarterly 50 (3), 673-680
- ^ Лацина, Бетани и Нильс Петтер Гледич, (2012) Журнал разрешения конфликтов 57 (6) 1109-1127
- ^ Ласина, Бетани и Нильс Петтер Гледич, (2012) «Убыль войны реальна: ответ Годесу и Прайсу», Журнал разрешения конфликтов
Библиография
[ редактировать ]- Чарнецкий, Йозеф. Закон N-квадрата: исследование одной из математических теорий, лежащих в основе линкора-дредноута и военно-морского вооружения мира
- Дюпюи, полковник Теннесси (1979). Числа, предсказания и война . Макдональд и Джейн.
- Хелмбольд, Роберт Л. (14 февраля 1961a). Параметры Ланчестера для некоторых сражений последних двухсот лет . Документ для сотрудников CORG CORG-SP-122.
- Хелмбольд, Роберт Л. (1961b). «Уравнения Ланчестера, исторические сражения и военные игры». Материалы восьмого симпозиума Общества исследования военных операций, 18–20 октября 1961 г.
- Хелмбольд, Роберт Л. (12 мая 2021 г.). Ключ к победе: машинное обучение на уроках истории . ISBN 9781668525289 .
- Ланчестер, Фредерик В. (1916). Самолеты в войне .
- Боевые модели Найла Дж. Маккея Ланчестера , Mathematics Today , 2006, том 42/5, страницы 170–173.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Надрать задницу цифрами: законы Ланчестера» , колонка Эрнеста Адамса в «Блокноте дизайнера» в Gamasutra. веб-журнале