НИРС / НИРС ЛР№1 Отчет
.pdfМинистерство 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