- •Новые информационные технологии
- •Часть 3. Основы математики и математическое моделирование Учебное пособие
- •Введение
- •Глава 1. Основы компьютерной математики
- •1.1. Математика и ее средства
- •1.1.1. Аксиоматический метод и структуры математики
- •1.1.2. Компьютерная математика как часть математики
- •1.1.3. Классификация средств компьютерной математики
- •1.1.4. Структура систем компьютерной математики
- •1.1.5. Обзор систем компьютерной математики
- •1.2. Система компьютерной математики Mathcad
- •1.2.1. Состав системы Mathcad и ее запуск
- •1.2.2. Основы работы с системой Mathcad 2001
- •1.2.3. Работа с текстовым редактором
- •1.2.4. Работа с формульным редактором
- •1.2.5. Операции вывода и присваивания
- •1.2.6. Шаблоны математических операторов и символов
- •1.2.7. Ошибки и прерывание вычислений
- •1.3. Простые типы данных
- •1.3.1. Числовые данные
- •1.3.2. Вещественные числа и их форматы
- •1.3.3. Комплексные числа
- •1.3.4. Строковые данные
- •1.3.5. Символьные данные и выражения
- •1.4. Сложные типы данных
- •1.4.1. Множества и подмножества
- •1.4.2. Массивы
- •1.4.3. Векторы и матрицы
- •1.5. Константы, переменные, операторы и функции
- •1.5.1. Числовые константы
- •1.5.2. Строковые константы
- •1.5.3. Переменные
- •1.5.4. Операторы
- •1.5.5. Выражения и функции
- •1.6. Основы графической визуализации вычислений
- •1.6.1. Понятия об основных геометрических объектах
- •1.6.2. Построение графиков функций одной переменной
- •1.6.3. Построение графиков поверхностей
- •1.7. Средства программирования в системе Mathcad
- •1.7.1. Задание операторов пользователя
- •1.7.2. Задание программных модулей
- •1.7.3. Особенности применения программных модулей
- •Методические указания
- •10 Главных вопросов
- •Глава 2. Основы математических вычислений
- •2.1. Вычисление сумм и произведений
- •2.1.1. Вычисление сумм
- •2.1.2. Вычисление произведений
- •2.1.3. Вычисление пределов
- •2.3. Вычисление производных и интегралов
- •2.3.1. Определение производной и полного дифференциала
- •2.3.2. Вычисление производных
- •2.3.3. Определение интегралов
- •2.3.4. Вычисление интегралов
- •2.4. Решение уравнений и систем уравнений
- •2.4.1. Простое линейное уравнение и его решение
- •2.4.2. Решение систем линейных уравнений
- •2.4.5. Поиск всех корней степенного многочлена()
- •2.4.6. Решение систем нелинейных уравнений()
- •2.4.7. Реализация итерационных вычислений
- •2.5. Решение дифференциальных уравнений()
- •2.5.1. Основные понятия о дифференциальных уравнениях()
- •2.5.2. Решение систем оду()
- •2.5.3. Решение оду с помощью функции odesolve()
- •2.5.4. Решение жестких систем оду()
- •2.6. Решение задач оптимизации и линейного программирования
- •2.6.1. Основные понятия оптимизации
- •2.6.2. Пример оптимизации раскроя железного листа
- •2.6.3. Поиск минимума тестовой функции Розенброка
- •2.6.4. Функции maximize и minimize системы Mathcad
- •2.7. Разложение функций в ряды
- •2.7.1. Определение рядов Тейлора и Маклорена
- •2.7.2. Разложение в ряд Тейлора в системе Mathcad
- •2.7.3. Ряды Фурье()
- •2.7.4. Быстрые прямое и обратное преобразования Фурье()
- •2.7.5. Примеры преобразований Фурье()
- •2.7.6. Альтернативные преобразования Фурье()
- •2.8. Табличная интерполяция и аппроксимация
- •2.8.1. Теоретические основы интерполяции и экстраполяции
- •2.8.2. Интерполяция и аппроксимация по общей формуле Лагранжа
- •2.8.3. Полиномиальная интерполяция и аппроксимация
- •2.8.4. Кусочно-линейная и сплайновая аппроксимации в Mathcad
- •2.9. Статистическая обработка данных
- •2.9.1. Эксперименты, события и другие понятия статистики
- •2.9.2. Решение задач комбинаторики
- •2.9.3. Дискретные и непрерывные случайные величины
- •2.9.4. Законы распределения и статистические функции Mathcad
- •2.9.5. Регрессия и метод наименьших квадратов
- •2.9.6. Выполнение линейной регрессии в среде Mathcad
- •2.9.7. Полиномиальная регрессия в Mathcad
- •2.9.8. Проведение нелинейной регрессии()
- •2.9.9. Экстраполяция и предсказание
- •2.9.10. Сглаживание данных
- •Методические указания
- •10 Главных вопросов
- •Глава 3. Основы математического моделирования
- •3.1. Основные понятия моделирования
- •3.2. Основные виды моделей и их свойства
- •3.2.1. Основные виды моделей
- •3.2.2. Основные свойства моделей
- •3.3. Цели, принципы и технология моделирования
- •3.3.1. Цели моделирования
- •3.3.2. Основные принципы моделирования
- •3.3.3. Технология моделирования
- •3.3.4. Основные методы решения задач моделирования
- •Оценка обусловленности вычислительной задачи – еще одно обязательное требование при выборе метода решения и построении математической модели.
- •3.3.5. Контроль правильности модели
- •3.4. Задачи моделирования полета камня
- •3.4.1. Постановка задачи моделирования
- •3.4.2. Концептуальная формулировка задачи
- •3.4.3. Построение математической модели
- •3.4.4. Выбор метода решения
- •3.4.5. Программная реализация модели на эвм
- •3.4.6. Проверка адекватности модели
- •3.4.7. Анализ результатов моделирования
- •Методические указания
- •10 Главных вопросов
- •Глава 4. Практика математического моделирования
- •4.1. Моделирование процессов на основе известных формул
- •4.1.1. Моделирование изменения параметров атмосферы
- •4.1.2. Моделирование закона Мура
- •4.1.3. Моделирование преодоления самолетом звукового барьера
- •4.2. Моделирование на основе конечно-разностных методов
- •4.2.1. Моделирование Броуновского движения частиц
- •4.2.2. Моделирование диффузии
- •4.2.3. Моделирование торможения автомобиля()
- •4.2.4. Моделирование падения парашютиста()
- •4.2.5. Моделирование генератора на туннельном диоде()
- •4.2.6. Моделирование развития и угасания эпидемии
- •4.3. Моделирование колебательных систем
- •4.3.1. Анализ линейной колебательной системы
- •4.3.2. Анализ нелинейной колебательной системы Ван дер Поля
- •4.3.3. Моделирование системы Дафинга с внешним воздействием
- •4.3.4. Хаос и моделирование аттрактора Лоренца()
- •4.4. Моделирование рассеивания альфа-частиц()
- •4.5. Моделирование биологических и экономических систем
- •4.5.1. Модель системы «хищник-жертва» Лотки-Вольтерра
- •4.5.2. Модель системы «хищник-жертва» с логистической поправкой
- •4.5.3. Модель системы «хищник-жертва» Холлинга-Тэннера
- •4.5.4. Моделирование замкнутой экономической системы
- •4.6. Моделирование на основе линейного программирования
- •4.6.1.Оптимальные экономико-математические модели
- •4.6.2. Решение задач максимизации объема продукции
- •4.6.3. Решение задач минимизации ресурсов
- •4.6.4. Решение транспортной задачи
- •4.6.5. Задачи целочисленного программирования с булевыми переменными
- •4.7. Сетевые модели в оптимизации управленческих решений
- •4.7.1. Задача поиска кратчайшего пути
- •4.7.2. Задача о распределении потоков в сетях
- •4.8. Обработка и моделирование сигналов и изображений
- •4.8.1. Основы спектрального метода моделирования сигналов
- •4.8.2. Спектральное моделирование на основе точных формул интегрирования()
- •4.8.3. Улучшенное спектральное моделирование дискретных сигналов()
- •4.8.4. Вейвлеты - новый базис представления сигналов()
- •4.8.5. Вейвлет-преобразования()
- •4.8.6. Примеры вейвлет-обработки сигнала - временного ряда()
- •4.8.7. Анализ сигналов по вейвлет-спектрограммам
- •4.9. Обработка изображений
- •4.9.1. Средства обработки изображений
- •4.9.2. Обработка монохромных изображений
- •4.9.3. Обработка цветных изображений
- •4.9.4. Функции для работы с файлами и матрицами рисунков
- •4.9.5. Вейвлет-компрессия рисунков в пакете Wavelet Extension Pack
- •4.10.1. Подготовка к работе с матричной лабораторией matlab
- •4.10.2. Имитационное моделирование и расширение Simulink
- •Методические указания
- •10 Главных вопросов
- •Список литературы
- •Глава 1. Основы компьютерной математики 4
- •Глава 2. Основы математических вычислений 50
- •Глава 3. Основы математического моделирования 105
- •Глава 4. Практика математического моделирования 122
1.1.3. Классификация средств компьютерной математики
Компьютерная математика, как новое научное направление на стыке математики и информатики, зародилась совсем недавно - в начале 80-х годов ХХ века. Она включает в себя средства математического обеспечения компьютеров, входящие в микропроцессоры и математические сопроцессоры, и программные средства для автоматизированного решения широкого класса математических задач.
Основным программным продуктом компьютерной математики стали системы компьютерной математики (СКМ) [5-10]. Их можно (достаточно условно) подразделить на 7 основных классов:
Системы для численных расчетов.
Табличные процессоры.
Матричные системы.
Системы для статистических расчетов.
Системы для специальных расчетов.
Системы для аналитических расчетов (компьютерной алгебры).
Универсальные системы.
Каждая из СКМ имеет определенные свойства, которые необходимо учитывать при решении конкретных математических задач.
Благодаря реализации СКМ на ПК они доступны педагогам и ученым, студентам и школьникам, причем не только в коллективном, но и в индивидуальном их применении. СКМ используются в университетах и вузах, школах и колледжах (особенно с математическим уклоном). Велика роль таких систем и в автоматизации научно-технических расчетов, и в математическом моделировании различных явлений, систем и устройств.
1.1.4. Структура систем компьютерной математики
Каждая СКМ может иметь нюансы в своей архитектуре или структуре. Тем не менее можно прийти к выводу, что современные универсальные СКМ имеют следующую типовую структуру:
Библиотеки
Ядро ИнтерфейсСправочная система
Пакеты расширения
Центральное место занимает ядро системы. Оно представляет собой множество встроенных функций и процедур, представленных в машинных кодах и обеспечивающих достаточно представительный набор встроенных быстрых команд, функций и операторов системы. Роль ядра особенно велика в системах символьной математики, где в ядре хранятся многие сотни, а то и тысячи правил аналитических преобразований математических выражений.
Интерфейс дает пользователю возможность обращаться к ядру со своими запросами и получать результат решения на экране дисплея. Интерфейс современных систем символьной математики базируется на средствах операционных систем Windows и имеет все их возможности: перемещаемые и масштабируемые окна документов, диалоговые и информационные окна, кнопки управления, общение с периферийными устройствами и так далее. В принципе он мало отличается от интерфейса офисных программ пакета Microsoft Office. Нередко интерфейс СКМ обеспечивает возможность задания и редактирования библиотечных модулей и пакетов расширения систем.
Функции и процедуры, включенные в ядро, выполняются предельно быстро. С этой точки зрения в ядро было бы выгодно включать как можно больше вычислительных средств. Однако это поневоле приводит к замедлению поиска нужных средств из-за возрастания их числа, увеличению времени загрузки ядра и к другим нежелательным последствиям. Поэтому объем ядра ограничивают, но к нему добавляют библиотеки более редких процедур и функций, к которым обращается пользователь, если в ядре не обнаружена нужная процедура или функция. Некоторые системы допускают модернизацию библиотек и их расширение силами опытных пользователей.
Кардинальное расширение возможностей СКМ и их адаптация к решаемым конкретными пользователями задачам достигается за счет пакетов расширения систем. Эти пакеты, как правило, пишутся на собственном языке программирования той или иной системы, что делает возможным их подготовку обычными пользователями. Пакеты расширения могут поставляться и в виде электронных книг, посвященных тем или иным направлениям применения математики.
Справочная система обеспечивает получение оперативных справок по любым вопросам работы с системами компьютерной математики с примерами такой работы. Она содержит и многочисленный гипертекстовый справочный материал - математические и физические таблицы, формулы для нахождения производных и интегралов, алгебраические преобразования и т. д. Ядро, библиотеки, пакеты расширения и справочная система современных СКМ аккумулируют знания в области математики, накопленные за многие тысячелетия ее развития, и обеспечивают их быстрое представление пользователю. Это соответствует их назначению в роли экспертных систем.