Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

6-Методы оптимизации / Методы оптимизации / [A._I._Plis,_N._A._Slivina]_Mathcad_2000._Matemati(BookFi.org)

.pdf
Скачиваний:
144
Добавлен:
17.03.2015
Размер:
30.14 Mб
Скачать

Внимание! Файл получен с помощью ссылки, расположенной в каталоге сайта ITBookZ.ru.

Описание сайта:

На сайте Вы найдёте много электронных книг, которые можно бесплатно скачать для ознакомления, без регистрации! Сайт полезен человеку, так или иначе занятому в IT сфере, т.е. работающему с компьютером.

Темы электронных книг:

Программирование

1C

САПР

Графика, Дизайн, 3D

Операционные системы

Железо

WEB-Дизайн

Создание игр

MS Office

Математика

Сети

Мультимедиа

Базы данных

Журналы IT тематики.

Безопасность

И многое другое!

Море электронных книг по компьютерной тематике! Постоянное пополнение!

Заходите, выбирайте и скачивайте!

ITBookZ.ru

Авторское право:

Данная книга предоставлена исключительно для ознакомительных целей и должна быть удалена с вашего компьютера или любого иного носителя информации сразу после поверхностного ознакомления с содержанием.

Копируя и сохраняя данную книгу, Вы принимаете на себя всю ответственность, согласно действующему международному законодательству, а именно закону об авторском праве и смежными с ним законами.

Публикация данного документа не преследует за собой никакой коммерческой выгоды, а является рекламой бумажного аналога.

Правообладателям:

Все авторские права сохраняются за правообладателем. Если Вы являетесь автором данного документа и хотите дополнить его или изменить, уточнить реквизиты автора или опубликовать другие документы, пожалуйста, свяжитесь с нами через форму обратной связи на сайте. Мы будем рады услышать ваши пожелания и принять меры по устранению недоразумений.

С уважением, Администрация ITBookZ.ru

УДК 681.3:51(076.5) ББК 22.1с51я73
i Плис А.И., Сливина Н.А., 1999

УДК 681.3:51 (076.5)

ББК 22.1с51я7Э

П38

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Кафедра прикладной математики

Московского государственного института электроники и математики (технический университет)

М.И. Шабунин.

доктор педагогических наук, профессор Издание осуществлено при финансовой поддержке

Научно-технической компании

ГЕММА-М

Плис А.И., Сливина Н.А.

П38 Mathcad: математический практикум для экономистов и инженеров: Учеб. пособие. -М.: Финансы и статистика, 1999. - 656 с.: ил.

ISBN 5-279-02155-5

Пособие представляет собой сборник заданий по стандартному курсу высшей математики для экономических и некоторых инженерных специальностей. Задания включают постановку задачи, краткое описание математического метода ее решения, анализ результатов вычислений. Примеры содержат все необходимые рекомендации по работе с математической моделью и пакетом.

Для студентов экономических и инженерных вузов, преподавателей математики, научных работников, пользователей компьютеров, применяющих математические методы в практической работе.

2404000000 - 014 П ———————————

145 - 98

010 (01) - 99

ISBN 5-279-02155-5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Введение в Mathcad

 

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1. Что такое Mathcad?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

1.2. Основные характеристики Mathcad

 

 

 

 

 

 

15

 

1.3. Начало работы в среде Mathcad

 

 

 

 

 

 

 

 

19

 

1.4. Простейшие вычисления и операции в Mathcad

 

 

 

 

22

 

Простейшие

 

арифметические

 

вычисления

(23).

Определение

пе-

 

ременной

и ее значения. Вычисление значений выражений,

со-

 

держащих

переменные

(25).

 

Определение

и

вычисление

значения

 

функции в точке. Построение

 

таблицы

значений

функции

(26).

По-

 

строение

декартова

графика

 

функции

 

(27).

Сохранение

рабочего

 

документа

в

файле

на

диске

 

(28). Открытие нового рабочего

до-

 

кумента (29). Чтение рабочего документа из файла на диске (29).

 

 

 

 

1.5. Меню Mathcad

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

 

1.6. Панели инструментов Mathcad

 

 

 

 

 

 

 

 

41

 

1.7. Режим справки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

46

 

1.8. Решение задач элементарной математики в Mathcad .

 

 

52

 

Преобразование

алгебраических

 

выражений

(53).

Определение,

 

построение

таблиц

значений

и

 

графиков

функций

(56).

Символьное

 

решение уравнений и систем (58).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Задачи линейной алгебры

 

 

 

 

 

 

 

 

60

2.1. Используемые инструменты Mathcad

 

 

 

 

 

 

60

2.2. Действия с матрицами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

67

 

Основные

матричные

операции

(67).

 

Транспонирование.

Вычисле-

 

ние обратной матрицы. Ортогональные

матрицы

(70).

Вычисление

 

степени матрицы. Некоторые специальные матрицы (73).

 

 

 

 

 

2.3. Определители и их свойства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

75

 

Вычисление определителей (75). Решение системы линейных алге-

 

 

 

 

браических уравнений по формулам Крамера (78).

 

 

 

 

 

 

2.4. Системы линейных алгебраических уравнений

 

 

 

 

 

81

 

Матричная

форма

записи

линейных

систем.

Решение

матричных

 

уравнений

(81). Решение линейной системы методом

Гаусса (83).

 

Решение

системы

линейных

 

алгебраических

уравнений

методом

простых итераций (86).

4 Оглавление

2.5. Общая теория линейных систем

 

 

 

 

 

 

 

 

89

 

Однородные системы линейных алгебраических уравнений (90).

Неоднородные системы линейных алгебраических уравнений (95).

 

 

 

2.6. Линейное пространство. Основные понятия

 

 

 

 

 

 

98

 

Базис

и

размерность

линейного

пространства.

Координаты

век-

тора

в

заданном

базисе

(99).

Исследование

линейной

зависимости.

Ранг матрицы (102). Ортонормированные базисы и

ортогональные

матрицы (105).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.7. Элементарная теория линейных операторов

 

 

 

 

 

109

 

Линейный

оператор

и

его

матрица.

Переход

к

другому

бази-

су (109). Образ и ядро линейного оператора

(112). Собственные

значения и собственные векторы линейного оператора (115).

 

 

 

 

 

2.8. Матричные вычисления в экономических задачах

 

 

 

 

 

119

 

Модель

межотраслевого

баланса

Леонтьева.

Вычисление

совокуп-

ного выпуска по заданному спросу (119). Цены

в

системе

межотра-

слевых связей (126). Простейшая модель экспорта и импорта (128).

Линейная модель международной торговли (131).

 

 

 

 

 

 

 

2.9. Геометрическое решение задачи линейного программирования 133

2.10. Решение переопределенных систем ..

 

 

 

 

 

 

139

 

Проекции на подпространство и метод наименьших квадратов (139).

Аппроксимация эмпирических

данных

методом

наименьших

ква-

дратов (143).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Задачи математического анализа

 

 

 

 

 

 

148

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1. Используемые инструменты Mathcad

 

 

 

 

 

 

148

 

Определение функций и построение графиков

(148). Вычисление

пределов (153). Дифференцирование (154). Интегрирование (156).

Суммирование рядов (157).

Разложение

функций

по

формуле

Тейлора (157).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Сходимость числовых последовательностей

 

 

 

 

 

159

 

3.3. Предел функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

166

 

Предел функции в точке (166). Бесконечно малые функции.

 

 

 

 

 

Сравнение бесконечно малых (169).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. Классификация точек разрыва. Поведение функции на

 

 

 

границах области определения

 

 

 

 

 

 

 

173

 

Непрерывность и разрывы функции. Классификация разрывов (173).

 

 

 

Непрерывные функции. Свойства непрерывных функций (176).

 

 

 

 

3.5. Производная и ее вычисление

 

 

 

 

 

 

 

 

179

 

Односторонние производные (180). Геометрический смысл производной (183).

5

3.6. Исследование функций и построение графиков

 

 

186

Вертикальные

и

наклонные

асимптоты (186).

Исследование

функ-

ции с помощью производной (189). Исследование функции с

ис-

пользованием второй производной (191).

 

 

 

 

3.7. Кривая на плоскости

 

 

 

 

 

195

Кривые

на

плоскости,

заданные в

декартовых

координатах

(195).

Кривые

на плоскости, заданные параметрически

(199).

Кривые на

плоскости, заданные в полярных координатах (201).

 

 

 

3.8. Формула Тейлора

 

 

 

 

 

 

203

3.9. Функции одной переменной в экономических задачах 208

 

 

Функции

спроса.

Равновесная

цена

(208). Функции спроса.

За-

висимость

спроса

от

дохода

(211).

Максимальная прибыль

(214).

Средние

и

предельные

показатели

(216). Эластичность

экономиче-

ских функций (218).

3.10. Неопределенный интеграл. Интегрирование заменой

 

переменной

 

221

3.11. Определенный интеграл

226

Определение и

вычисление определенного интеграла (226).

Фор-

мула Ньютона

— Лейбница. Интегрирование заменой

перемен-

ной (229).

 

 

3.12. Несобственные интегралы

 

 

 

233

Интеграл

как

функция

верхнего

предела

(233).

Несобственные

интегралы

по

неограниченному

промежутку

(236).

Несобственные

интегралы от неограниченных функций (238).

 

 

3.13. Числовые ряды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

240

Основные понятия. Ряды с неотрицательными членами (240).

 

 

 

Знакопеременные ряды (248).

 

 

 

 

 

 

 

 

3.14. Разложение элементарных функций в ряд Тейлора

 

 

250

3.15. Разложение функций в ряд Фурье

 

 

 

 

 

254

Сходимость

ряда

 

Фурье.

 

Явление

Гиббса

(254).

Приближение

функций.

Минимальное

свойство

коэффициентов

Фурье

(260).

Зависимость

скорости

сходимости ряда Фурье

от

гладкости

функ-

ции (262). Ряд Фурье на произвольном отрезке (267).

 

 

 

 

 

3.16. Функции многих переменных. Основные понятия

 

 

 

 

269

Графики

 

функций

 

двух

переменных.

Линии

уровня.

Локальные

экстремумы (269). Частные производные.

Производная

по

напра-

влению. Градиент. Производные высших порядков (275).

 

 

 

 

3.17. Формула Тейлора для функции многих переменных .

 

 

279

Формулы Тейлора и Маклорена. Аппроксимация функции много-

 

 

 

членом (279). Локальный экстремум (283).

 

 

 

 

 

 

3.18. Функции многих переменных в экономических задачах

 

288

Производственные

функции

 

(288).

Эластичность

 

производствен-

ной

функции

(эластичность

выпуска)

(292).

Производственная

функция

Кобба —

Дугласа

(293).

Производственная

функция

CES

(функция с постоянной эластичностью замещения) (295).

6 Оглавление

Глава 4. Обыкновенные дифференциальные

 

 

 

 

 

 

уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

298

4.1. Используемые инструменты Mathcad

 

 

 

 

 

 

298

Решение

задачи

Коши

для

дифференциального

уравнения

перво-

го порядка (301). Решение

 

задачи

Коши

для

дифференциальных

уравнении

высших

порядков

(302). Решение задачи Коши

для

нор-

мальной

системы

дифференциальных

 

уравнений

(303).

Решение

задачи

Коши

для

жесткой

 

системы

(304).

Построение

интеграль-

ных

и

фазовых

кривых

 

автономной

 

системы

(305).

 

Построение

векторного поля автономной системы (306).

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Дифференциальные уравнения первого порядка

 

 

 

308

Уравнение с разделяющимися переменными (309). Численное ре-

 

 

 

шение задачи Коши методом Рунге — Кутты (312).

 

 

 

 

 

4.3. Уравнения высших порядков. Системы дифференциаль-

 

 

 

ных уравнений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

315

4.4. Линейные дифференциальные уравнения

 

 

 

 

 

321

Принцип суперпозиции (321).

 

Линейные

однородные

уравнения с

постоянными

коэффициентами.

 

Общее

 

решение

(323).

Линейные

неоднородные

уравнения

с

 

постоянными

коэффициентами.

Общее

решение. Метод подбора (327).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.5. Жесткие системы. Решение дифференциальных уравне-

 

 

 

ний методом матричной экспоненты

 

 

 

 

 

 

330

4.6. Автономные системы на плоскости

 

 

 

 

 

 

338

Фазовая

плоскость,

фазовые

кривые (339). Точки покоя

линейной

автономной

системы

(343).

 

Векторное

поле

автономной

систе-

мы

(348)

Устойчивые

решения.

Предельные

циклы.

Фазовые

портреты нелинейных систем (353).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.7. Динамические системы в экономических задачах

 

 

 

356

Динамика популяций. Уравнения Вольтерра — Лотка

(356).

Урав-

нения

Вольтерра —

Лотка

с

логистической

поправкой

 

(361).

Мо-

дель Холдинга — Тэннера (364). Выравнивание цен (367).

 

 

 

 

Глава 5. Теория вероятностей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

370

5.1. Функции и инструменты Mathcad

 

 

 

 

 

 

370

5.2. Случайные величины. Функции распределения

 

 

 

374

Функция распределения случайной величины (375). Наиболее рас-

пространенные распределения дискретных случайных величин (377).

 

 

 

5.3. Предельные распределения для биномиального распреде-

 

 

 

 

ления .............................

384

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема

Пуассона

(384).

Локальная

теорема

Муавра

Лапла-

са

(385).

Интегральная

теорема

Муавра—Лапласа

(387).

Теорема

Бернулли (389).

 

 

 

 

 

 

 

7

5.4. Непрерывные случайные величины

 

 

 

 

 

391

Наиболее распространенные распределения непрерывных случай-

 

 

ных величин (391). Квантили (402).

 

 

 

 

 

 

5.5. Совместные распределения нескольких случайных

 

 

величин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

403

Многомерные

случайные

величины

 

Функции

распределения

мно-

гомерных

случайных

величин

(403).

Независимость

случайных

величин (406).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.6. Условные распределения случайных величин

 

 

408

Условные распределения дискретных случайных величин (408). Ус-

 

 

ловные распределения непрерывных случайных величин (413).

 

 

5.7. Функции от случайных величин

 

 

 

 

 

419

Плотность вероятности суммы двух случайных величин (422).

 

 

Более сложные функции от случайных величин (424).

 

 

 

5.8. Числовые характеристики случайных величин

 

 

427

Математическое

ожидание

случайной

 

величины

(427).

Дисперсия

случайной

величины

(429).

Моменты

 

(431). Эксцесс (435).

Сред-

нее гармоническое и среднее геометрическое случайных

 

величин,

принимающих только положительные значения (437).

 

 

 

5.9. Числовые характеристики двумерных случайных

 

 

 

величин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

438

Математическое ожидание (439). Дисперсия (441). Условное мате-

 

 

матическое ожидание (443). Ковариация (453). Корреляция (456).

 

 

Глава 6. Задачи математической статистики

 

 

 

 

462

6.1. Используемые инструменты Mathcad

 

 

 

 

462

Ввод и

вывод

 

файлов

данных

(462).

Функции

вычисления

выбо-

рочных

характеристик

(464).

Построение

эмпирических

распреде-

лений

(466).

Моделирование

выборок

из

стандартных распределе-

ний (468).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.2. Основные задачи статистики. Выборки. Гистограммы.

 

 

Полигоны частот

 

 

 

 

 

 

 

469

Эмпирические

распределения

и

числовые

характеристики

 

(470).

Числовые характеристики выборки (476).

Оценка

функции

рас-

пределения (479).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.3. Точечные оценки параметров распределений

 

 

 

486

Точечные

оценки

математического

ожидания

(486).

Точечные

оценки

дисперсии

(489).

Точечная

оценка вероятности

 

собы-

тия (491). Точечная

оценка

параметров

равномерного

распреде-

ления (492).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.4. Методы получения точечных оценок

 

 

 

 

 

495

Метод

максимального

правдоподобия

для

дискретной

 

случайной

величины

(495).

Метод

максимального

правдоподобия

для

непре-

рывной случайной величины (498).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

6.5. Интервальное оценивание параметров нормально рас-

 

 

пределенной случайной величины

 

 

 

 

 

505

Доверительные

интервалы

для

математического

ожидания

(506).

Доверительный

интервал

для

дисперсии

(508).

 

Доверительный

интервал

для

параметров

пуассоновского распределения (511). До-

верительный

интервал

для

вероятности (514). Доверительный ин-

тервал для коэффициента корреляции (515).

 

 

 

 

 

 

6.6. Проверка статистических гипотез о параметрах нор-

 

 

 

мально распределенной случайной величины

 

 

 

519

Проверка

 

гипотезы

о

числовом

значении

математического

ожи-

дания при

известной

дисперсии

(521).

Проверка

гипотезы о

числовом

 

значении

 

математического

ожидания

при

неизвестной

дисперсии

 

(526).

Проверка

гипотезы

о

числовом

значении

дис-

персии

(529).

Проверка

гипотезы

о

равенстве

математических

ожиданий

 

при

известных

дисперсиях

 

(532).

Проверка гипотезы

о равенстве математических ожиданий распределений

при

равных

неизвестных дисперсиях (535).

 

 

 

 

 

 

 

 

6.7. Линейная регрессия

 

 

 

 

 

 

 

 

538

6.8. Элементы дисперсионного анализа

 

 

 

 

 

 

549

Однофакторный дисперсионный анализ (549). Двухфакторный

 

дисперсионный анализ (556).

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение. Варианты заданий

 

 

 

 

 

 

 

564

Глава 2 ............................

 

 

 

 

 

564

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3 ............................

 

 

 

 

 

589

 

 

 

 

 

 

 

Глава 4 ............................

 

 

 

 

 

617

 

 

 

 

 

 

 

Глава 5 ............................

 

 

 

 

 

627

 

 

 

 

 

 

 

Глава 6 ............................

 

 

 

 

 

640

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

 

 

 

 

654

 

 

 

 

 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Чрезвычайная простота интерфейса Mathcad сделала его

одним из

самых популярных и безусловно самым распространенным

в студенче-

ской среде математическим пакетом. Он предоставляет пользователю

обширный

набор

инструментов

для реализации

графических, аналити-

ческих

и численных

методов решения математических задач на ком-

пьютере.

 

Выполняя

рутинные или несущественные (в контексте изу-

чаемого

раздела)

операции, пакет

позволяет студенту,

не

владеющему

в полной

мере техникой математических преобразований, самостоя-

тельно

выполнить громоздкие вычисления, решить содержательные

задачи,

приобрести

устойчивые навыки решения прикладных задач.

При этом

учащийся

общается

с

вычислительной

средой

на

уровне по-

нятий, идей, общих подходов и за небольшое время может рассмотреть самостоятельно много примеров. Эти свойства общения со средой особенно важны для развития творческого, критического и независимого мышления, поскольку учащийся может всесторонне исследовать новые

объекты, выделить общие закономерности

и

сформулировать

обобща-

ющие утверждения на основе собственных наблюдений.

 

Пакет

Mathcad

можно использовать

как

средство модернизации

курсов, как

среду

для общения учащегося

с

преподавателем,

как сред-

ство контроля и самоконтроля, как инструмент помощи учащемуся при самостоятельной работе. При создании учебных курсов Mathcad помогает преподавателям подготовить динамичные яркие иллюстрации,

перенести

акценты на

концептуальные аспекты изучаемых проблем,

обогатить

курс

примерами, возникающими

в различных

областях нау-

ки и

практики,

которые обычно

не

рассматриваются

в

учебных курсах

из-за их сложности.

Лекционные

демонстрации

можно

подготовить

таким

образом,

что

каждый

учащийся

получит

столько

примеров,

сколько именно ему необходимо для понимания существа вопроса. Для одного и того же раздела можно подготовить самые различные по объему, форме и глубине учебные курсы.

Предлагаемая читателю книга представляет собой сборник компьютерных занятий в среде Mathcad по стандартному курсу (с включением некоторых специальных разделов) высшей математики для инженерных и экономических вузов. Часть занятий целиком отводится экономическим приложениям.