- •А.Г.Семенов
- •Математические модели в инженерной практике
- •Учебное пособие для студентов механических специальностей
- •Заочной формы обучения
- •I. Оглавление
- •I. Оглавление 4
- •II. Рабочая программа курса "математические модели в инженерной практике"
- •III.Лекционный курс
- •3.1. Основные понятия математического моделирования
- •3.2. Решение нелинейных алгебраических уравнений
- •3.3. Решение систем линейных алгебраических уравнений
- •3.4. Исследование сеточных функций
- •3.5. Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений
- •3.6. Моделирование процессов, приводящих к дифференциальным уравнениям в частных производных
- •3.7. Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •3.8. Краевые задачи для уравнений в частных производных
- •3.9. Численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.
- •3.9. Оптимизационные модели. Основные понятия и определения
- •3.10. Схема решения задач оптимизации
- •3.11. Численные методы решения задач безусловной одномерной оптимизации
- •3.12. Многомерная безусловная оптимизация
- •3.13. Условная оптимизация при решении инженерных задач
- •3.14. Линейное программирование
- •Анализ полученного решения:
- •3.15. Обработка экспериментальных данных
- •IV. Лабораторные работы
- •4.1. Работа 1:Табулирование функций.
- •Табулирование функции одной переменной.
- •Табулирование функции двух переменных
- •4.2.Работа 2: Решение трансцендентных алгебраических уравнений
- •Метод половинного деления интервала
- •Метод последовательных приближений (итераций)
- •3. Использование модуля "Подбор параметра"
- •4.3. Работа 3. Решение систем линейных алгебраических уравнений
- •1. Метод простых итераций
- •2. Применение модуля "Поиск решения"
- •4.4. Работа 4: Решение задач линейного программирования
- •4.5. Работа 5. Обработка экспериментальных данных
- •V. Контрольные работы
- •5.1. Контрольная работа № 1
- •5.2. Контрольная работа № 2
- •VI. Вопросы к зачету
- •VII.Библиографический список.
Анализ полученного решения:
1. Анализируя график можно получить информацию о том, какие ресурсные ограничения являются существенными, а какие таковыми не являются. В нашем случае ограничение
x1 + 2x2 10
находится вне области допустимых решений, значит, является несущественным и при дальнейших исследованиях его можно не учитывать. Остальные ограничения существенны.
2. В оптимальной точке неравенства переходят в точные равенства, следовательно, соответствующие им ресурсы используются полностью (такие ресурсы называются лимитирующими).
3. Подставляя оптимальные значения параметров в оставшиеся ограничения, получим возможность видеть, что одна единица оборудования C и три – оборудования B свободны и можно распорядиться ими по своему усмотрению.
3.15. Обработка экспериментальных данных
Пусть
в результате эксперимента получена
таблица, в которой
- значения независимой переменной,
-
значения исследуемой функции.
X: |
x1 |
x2 |
… |
xi |
... |
xn |
Y: |
y1 |
y2 |
… |
yi |
... |
yn |
Поскольку измерения ведутся с той или иной погрешностью, точки (xi, yi) не укладываются на гладкую кривую даже если искомая зависимость Y(X) является гладкой. В общем случае, между этими точками можно провести бесчисленное множество различных гладких кривых, однако, если задать дополнительные условия, то можно получить единственную кривую. Чаще всего условия задаются в виде требования расположения кривой среди точек таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений этой кривой от экспериментальных данных была наименьшей. Построение такой кривой и определение алгебраической формулы выражаемой ею функции называется аппроксимацией экспериментальных данных по методу наименьших квадратов.
Предполагаемую функциональную зависимость назовём эмпирической и обозначим через F(x) . Как уже указано, её аналитическое выражение подбирается так, чтобы величина
(60)
была наименьшей.
Решение поставленной задачи осуществим в два этапа. На первом этапе подберём подходящую эмпирическую формулу и запишем её в общем виде через неизвестные параметры a, b и т.д. На втором этапе определим численные значения этих параметров.
Подбор эмпирической формулы начинается с построения графика по результатам проведённого эксперимента. На график наносятся экспериментально найденные точки (xi, yi). Затем по виду набора точек, путём сравнения его с графиками известных зависимостей таких, как:
1. y = a + bx - линейная функция
2. y = abx - показательная функция
3. y = a + bln x - логарифмическая функция
4. y = axb - степенная функция
5. y = a +b/x - гиперболическая функция
6. y = aebx - экспоненциальная функция
7. y
= ax
+ bx +c
- полином второй степени
- выбирается общий вид эмпирической формулы.
Процесс нахождения параметров эмпирических зависимостей продемонстрируем на примере линейной зависимости
Y = A + BX . (61)
Отклонения этой функции от экспериментальных значений yi в каждом узле xi равны
Ei = yi - A – Bxi.. (62)
Из квадратов отклонений составим функционал
. (63)
Выберем неизвестные A и B такими, при которых этот функционал принимает наименьшее значение. Необходимые условия минимума функционала S:
(64)
Полученная система содержит два уравнения и две неизвестные величины A и B. Для решения приведём систему к виду:
(65)
Решив её (с использованием правила Крамера), найдем:
,
(66)
.
Параметры в других зависимостях могут быть найдены аналогичным путём. Однако гораздо проще сначала привести зависимость к линейной, а затем воспользоваться только что выведенными формулами.
Продемонстрируем этот процесс на примере зависимости y = axb.
Прологарифмировав, получим ln y = ln a + bln x. Обозначив:
B = b; Y = ln y; A = ln a; X = ln x,
получим
Y = A + BX .
С учетом этих обозначений формулы для расчёта коэффициентов A и B примут вид:
,
(67)
.
Возвращаясь к первоначальным переменным, будем иметь: b = B, a = eA. Определив значение a, и, подставив a и b в исходную формулу, получим её конкретный вид. Значение А отдельно можно было и не вычислять, а сразу воспользоваться формулой
. (68)
Для выбора из нескольких аппроксимационных зависимостей лучшей нужно определить их параметры; затем для каждой зависимости вычисляется величина:
, (69)
где
- экспериментальные значения (исходные
данные в таблице);
-
значения, рассчитанные с помощью той
или иной аппроксимационной функции;
n - число экспериментальных точек;
m – количество параметров в формуле.
Величина
называется выборочной дисперсией или
критерием Гаусса. Согласно принципу
оценки по критерию Гаусса наилучшей
функциональной зависимостью будет та,
при которой величина
минимальна.
