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

НИРС / НИРС ЛР№1 Отчет

.pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
27.04.2015
Размер:
741.93 Кб
Скачать

Министерство образования Российской Федерации ФГОУ ВПО Поволжский государственный технологический университет

Кафедра РТиМБС

Отчет по лабораторной работе №1

Основы системы компьютерной математики MathCAD

по дисциплине Научно-исследовательская работа студентов

Выполнил: студент РСК-21 Рахмаев А.О.

Проверил: ст. преподаватель Охотников С.А.

Йошкар-Ола, 2013

Оглавление

 

Отчет по лабораторной работе №1 MathCAD ................................................................

2

Введение .....................................................................................................................

2

Выполнение ........................................................................................................................

3

Часть1 Работа с текстовым и формульным редактором ................................................

3

Часть 2 Решение систем линейных алгебраических уравнений ...................................

5

Часть 3 Численное решение нелинейных уравнений.....................................................

7

Часть 4 Численное решение систем нелинейных уравнений ........................................

8

Часть 5 Определение наибольшего и наименьшего значения функции ....................

10

Часть 6 Построение графиков функции ........................................................................

11

Часть 7 Обработка экспериментальных данных...........................................................

12

Часть 8 Приближенное решение дифференциальных уравнений ..............................

15

Часть 9 Построение поверхностей заданных в явном виде в декартовой системе

 

координат .....................................................................................................................................

16

Часть 10 Построение поверхностей в сферических и цилиндрических системах

 

координат .....................................................................................................................................

17

Заключение.......................................................................................................................

18

Список использованной литературы .............................................................................

19

1

Отчет по лабораторной работе №1

MathCAD

Цель

Получение навыков работы с формулами, текстом.

Получение навыков решения систем линейных алгебраических уравнений с использованием различных подходов и команды приложения.

Получение навыков работы с функциями для решения нелинейных уравнений Получение навыков работы с системами нелинейных уравнений.

Получение навыков построения графиков функций, заданных в различной форме,

средствами MathCAD.

Получение навыков работы при решении задач линейного программирования.

Изучение средств MathCAD для решения задач обработки экспериментальных данных.

Получение навыков решения дифференциальных уравнений с использованием встроенных функций MathCAD.

Введение

Работа состоит из десяти частей из отдельных темы основ пользования MathCAD.

Части включают в себя теорию по теме, и практически выполненной задание ,которое распределялось по варианту. Вариант этой работы девятый.

2

Выполнение

Часть1 Работа с текстовым и формульным редактором

Теория

Эта часть включает в себя выполнение 10 заданий связанных с выполнением

символьных вычислений над выражениями, с применением встроенных комментариев.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Практика

 

 

 

 

 

Задание 1. Упростить

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2x

 

x

 

10

 

 

107

1

3 x 3 x

 

1

3

упрощает к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 x 1

 

 

 

3x

3

27 (9 x

1)

27

 

 

 

 

 

 

 

Задание 2. Раскрыть скобки и привести подобные

x (z 2)2 4z (x 2 z) расширяется до

4 x x z2 8 z2 приведением подобных

4 x x z2 8 z2

 

выдавать

 

Задание 3. Разложить на множители

a2 b a b2 2a b c b2 c a2 c b c2 Разложением

a2 b a2 c a b2 2 a b c b2 c b c2

на множители

 

выдавать

 

Задание 4. Упростить

a

3

b

3

 

упрощает к

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a a b b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 5. Раскрыть скобки и привести подобные

 

 

x (z 1)2

2 z (x z) расширяется до

x x z2

2 z2

приведением

x x z2 2 z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

подобных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

выдавать

 

 

 

 

 

Задание 6. Разложение на простейшие дроби

 

 

 

 

x2 3x 7

 

 

расширяется до

x2 3 x 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

3

4

x 1

 

 

 

(x 1)

x x

1

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 x

 

 

 

 

7

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3 x4 x 1

x3 x4 x 1

x3 x4 x 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

расширяется до

 

 

 

 

 

 

Задание 7. Упростите выражение

 

Никакого выражения не задано, посему пропускаем.

 

 

 

 

Задание 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

4 x (x

 

 

2

 

 

расширяется до

3

2

2

2

 

x (z 2)

 

4 z (x 2 z)

4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 x

32 x

x z

68 x 8 z

приведением подобных выдавать

 

 

 

 

4 x3 32 x2 x z2 68 x 8 z2

 

 

 

 

Задание 9. Разложение на простейшие дроби

 

 

 

 

2

 

 

 

(2 x)

 

расширяется до

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 6x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 5 x 4

 

 

 

 

 

(x 1)

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

3

4

x

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x 1

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

расширяется до

5 x

 

 

 

 

4

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3 x4 x 1

 

x3 x4 x 1

 

x3 x4 x 1

 

 

 

 

Задание 10. Разложение на множители

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

2

2

2

 

 

2

 

 

2

 

 

 

разложением на множители выдавать

a b a b

2a b c b c

a c a c

 

b c

c

c a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2 b a2 c a b2 2 a b c 2 a c2 b2 c b c2 c

4

Часть 2 Решение систем линейных алгебраических уравнений

Теория

В MathCAD есть возможность решать СЛАУ. В Математике существует как минимум три метода решения СЛАУ, а именно: матричный, метод Крамера и метод Гаусса. Все эти методы возможно применять и в среде MathCAD.

Матричный метод основа на матричной форме записи СЛАУ, и нахождение решения как вектора произведения обратной матрицы коэффициентов и матрицы свободных членов. Вычисление вектора неизвестных осуществляется при помощи встроенной функции lsolve(А,В).

Метод Крамера полностью повторяет обычных алгоритм нахождение решения СЛАУ через миноры и определитель.

5

Практика

По варианту выбраны матрица коэффициентов и матрица свободных членов.

 

0.040

0.032

0.500

0.350

 

2.481

A

0.020

0.200

0.053

0.200

B

1.182

0.850

0.267

0.089

0.208

 

8.520

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.023

0.405

0.067

0.200

 

 

2.205

Метод Крамера

ORIGIN 1

 

0.040

0.032

0.500

0.350

A

0.020 0.200

0.053

0.200

0.850

0.267

0.089

0.208

 

 

 

 

 

 

0.023 0.405 0.067 0.200

A 7.384 10 3

A1 A

A2 A

A1 1 B

A2 2 B

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

A1

0.058

2

 

A2

0.042

x1

1

7.829

x2

2

5.704

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.481

B

1.182

 

8.520

 

 

 

 

 

 

2.205

Проверка условия существования решения.

A3 A

 

Формирование матриц для

 

 

A3 3 B

вычислений.

3

 

A3

 

 

 

 

 

 

3

 

Нахождение решений

x3

4.025

 

 

 

 

 

Метод Гаусса

ORIGIN 1

 

Матрицы коэффициентов и свободных членов

 

0.040

0.032

0.500

0.350

 

2.481

A

0.020

0.200

0.053

0.200

B

1.182

0.850

0.267

0.089

0.208

 

8.520

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.023

0.405

0.067

0.200

 

 

2.205

 

 

0.04

0.032

0.5

0.35

2.481

Обобщенная матрица

 

 

0.02

0.2

0.053

0.2

1.182

Ar augment(A B)

Ar

 

 

0.85

0.267

0.089

0.208

8.52

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.023 0.405

0.067

0.2

2.205

 

 

1

0

0

0

7.829

Ag rref (Ar)

0

1

0

0

5.704

 

0

0

1

0

4.025

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

0

1

0.078

 

 

 

 

 

 

 

7.829

x submatrix(Ag 1 4 5 5)

 

 

5.704

 

4.025

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.078

Ступенчатый вид обобщенной матрицы Решение, которое соответствует решения,

полученному при использовании метода Крамера.

6

Часть 3 Численное решение нелинейных уравнений

Теория

MathCAD позволяет использовать итерационные методы решения, которые особо полезны при нахождении неизвестных в нелинейных уравнениях. Для нахождения решения таких уравнений в MathCAD есть встроенная функция root. Которая позволяет решать простейшие уравнения у которых в правой часть ноль с заданной точностью.

Практика

Заданы коэффициенты кубического полинома:

a3 5

 

a2 32

a1 34

 

a0 8

 

F(x) a3 x3 a2 x2 a1 x a0

 

 

 

 

Сам полином

x 0

 

x1 root(F(x) x) 0.377

 

 

 

 

Его решения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(x)

 

 

i 1

 

x 1 1 i

 

 

 

 

 

x2 root

 

 

 

x

0.577

 

 

x x1

 

 

 

 

F(x)

 

 

 

x1=0,377

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3 root

 

 

x

7.354

 

 

 

 

 

(x x1) (x x2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2=0,577

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3=-7,354

7

Часть 4 Численное решение систем нелинейных уравнений

Теория

Решение систем нелинейных уравнений осуществялется с помощью вычислительного блока, который запускается с помощью служебного слова given. Этот блок имеет следующую структуру:

Given

уравнения

ограничения

выражения с помощью функций find и miner

Find отличается от miner, тем что find находит реальное решение, а miner

ближайшее, уменьшая среднеквадратичную погрешность.

Практика

10

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 x2

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x 2

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

0

1

2

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

x

 

 

3

 

 

Рисунок 1. Парабола и прямая

блок вычисления и составим систему:

Выбрана система {

.

Для неё построен график (см.рис.1).

Заметно что точек пересечения две.

Первая лежит в промежутке от -1 до 0, а

вторая от 1 до 2 по иксам. По первому решению системы найдем точку меньше нуля, а во втором решении оставшуюся.

Перед вычислительным блоком укажем начальные значения точек, чтобы переменные были определены. Откроем

x 0

 

 

y 0

 

 

Задание переменных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

given

 

 

 

 

 

 

 

Открываем блок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3x 2

Уравнения

 

 

 

y

 

3x

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

Find(x y)

0.457

Получили координаты

 

 

y0

0.628

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 x0

 

0.418

3 x0 2 0.628

Выполняем

проверку,

которая

подтверждает

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

правильность

решения.

Осталось

рассмотреть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

вторую точку. Для которой зададим новые начальные условия, для икса возьмем 3.

x 3

y 0

 

 

 

Given

 

 

 

 

y

 

3 x2 y

 

3x 2

 

 

 

 

x1

minerr(x y)

1.457

y1

6.372

 

 

 

Получились две точки (х0;у0) и (х1;у1).

9