Области применения систем линейных уравнений

Системы уравнений: история, понятия

Система уравнений — это условие, состоящее в одновременном выполнении нескольких уравнений относительно нескольких (или одной) переменных.

Решением системы уравнений называется упорядоченный набор чисел — значений неизвестных, при подстановке которых каждое уравнение системы обращается в верное равенство.

Системой линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) называется система вида:

$$left<begin a_ cdot x_+a_ cdot x_+ldots+a_ cdot x_=b_ \ a_ cdot x_+a_ cdot x_+ldots+a_ cdot x_=b_ \ ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots . . \ a_ cdot x_+a_ cdot x_+ldots+a_ cdot x_=b_ endright.$$

Упорядоченный набор значений $left<x_^, x_^, ldots, x_^right>$ называется решением системы, если при подстановке в уравнения все уравнения превращаются в тождество.

Видео:Решение системы уравнений методом Крамера 2x2Скачать

Решение системы уравнений методом Крамера 2x2

История систем уравнений

Задачи, соответствующие современным задачам на составление и решение систем уравнений с несколькими неизвестными, встречаются еще в вавилонских и египетских рукописях II века до н.э., а также в трудах древнегреческих, индийских и китайских мудрецов. В китайском трактате «Математика в девяти книгах» словесно изложены правила решения систем уравнений, были замечены некоторые закономерности при решении.

Видео:Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.Скачать

Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.

Основные понятия и применения

Система может состоять из алгебраических уравнений, линейных алгебраических уравнений, нелинейных уравнений, дифференциальных уравнений.

Методы решения системы уравнений зависят от типа системы. Например, решения систем линейных алгебраических уравнений хорошо известны ( метод Крамера, метод Гаусса, матричный метод, метод итераций и т.д.). Для нелинейных же систем общего аналитического решения не найдено, они решаются разного рода численными методами. Аналогично дело обстоит и с системами дифференциальных уравнений.

Системы линейных уравнений широко используются в задачах экономики, физики, химии и других науках.

Решение систем линейных алгебраических уравнений — одна из основных задач вычислительной линейной алгебры. Хотя задача решения именно системы линейных уравнений сравнительно редко представляет самостоятельный интерес для прикладных задач, но от умения эффективно решать данные системы часто зависит сама возможность математического моделирования самых разнообразных процессов с применением ЭВМ. Значительная часть численных методов решения различных (в особенности — нелинейных) задач включает в себя решение систем линейных уравнений как элементарный шаг соответствующего алгоритма.

Видео:Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvyСкачать

Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvy

Основы математического моделирования систем и процессов (стр. 2 )

Области применения систем линейных уравненийИз за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5

Области применения систем линейных уравнений

В каждом из перечисленных случаев в различной степени сказывается влияние таких ранее не учтенных факторов, как сила сопротивления воздуха, притяжение Луны, Солнца, убывание плотности атмосферы с высотой, вращение Земли, ветер, по-разному дующий на разных высотах, фактическое отличие формы Земли от шара (она является телом более сложной геометрической формы).

Проблема 3. Определение уровня детализации исследуемого объекта.

Любая физическая система представляет собой совокупность элементов. Каждый элемент в свою очередь можно расчленить на подэлементы. Процесс расчленения теоретически может быть бесконечным. Задача исследователя – выбрать оптимальный уровень детализации моделируемого объекта. Уровень детализации определяется целью моделирования и степенью знаний о свойствах элементов объекта.

Детализацию целесообразно производить до такого уровня, на котором для каждого элемента можно определить зависимость параметров выходных сигналов от параметров входных сигналов. Стремление повысить уровень детализации приводит к чрезмерной громоздкости модели и резкому увеличению ее размерности.

3-й этап. Формирование математической модели, т. е. запись модели в формализованном виде:

все соотношения записывают в аналитической форме;

логические условия выражают в виде систем неравенств;

случайные процессы заменяют их типовыми моделями.

4-й этап. Исследование математической модели. Инструментами исследования являются численные и аналитические методы.

5-й этап. Анализ результатов моделирования с последующим выводом об адекватности модели либо о необходимости ее доработки, либо о ее непригодности.

1.3.4. Классификация математических моделей

Математические модели можно классифицировать по форме их представления (рис. 1.10). За основу второй классификации (рис. 1.11) взят характер модели.

Области применения систем линейных уравнений

Области применения систем линейных уравнений

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В ФОРМЕ

СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ

2.1. Области применения

Исследование некоторых физических систем приводит к математическим моделям в форме систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Иногда СЛАУ появляются в процессе математического моделирования как промежуточный шаг (этап) в решении более сложной задачи. Есть значительное число научно-технических задач, в которых математические модели сложных нелинейных систем посредством дискретизации или линеаризации сводятся к решению СЛАУ.

Примеры задач, использующих математические модели в форме СЛАУ:

1) при проектировании и эксплуатации электротехнических устройств требуется проведение расчета и анализа их работы в стационарных режимах. Задача сводится к расчету эквивалентных схем, в основе которого лежит формирование и решение СЛАУ;

2) при построении математической модели, связывающей функциональной зависимостью некоторые параметры x, y исследуемого объекта на основании полученных в результате эксперимента данных Области применения систем линейных уравнений, где i = 1,2,3, . ,n (задачи аппроксимации данных);

3) при исследовании процессов в системах, математические модели которых строятся в классе дифференциальных уравнений в частных производных. В результате разностной аппроксимации исходной модели при определенных условиях приходят к математическим соотношениям в форме СЛАУ;

4) сущность многих физических процессов математически отображается с помощью интегральных уравнений. Ввиду сложности решения многих из них исследователь предпочитает свести задачу к решению модели в форме СЛАУ, используя известные методы аппроксимации.

5) исследование систем автоматического регулирования в установившемся режиме приводит во многих случаях к статическим моделям в форме СЛАУ.

Система линейных уравнений порядка n имеет вид:

Области применения систем линейных уравнений Области применения систем линейных уравнений(2.1)

или в векторно-матричной форме:

Области применения систем линейных уравнений(2.2)

где Области применения систем линейных уравнений– вектор свободных членов;

Области применения систем линейных уравнений– вектор неизвестных;

A – матрица коэффициентов системы, размером Области применения систем линейных уравнений.

2.2. Методы решения

Методы решения СЛАУ делятся на две группы: прямые (точные) и итерационные (приближенные).

Прямые методы позволяют получить решение за конечное число шагов. Итерационные методы построены по принципу многократного вычисления последовательных приближений, сходящихся к искомому решению.

Прямые методы целесообразно использовать для решения систем сравнительно небольшой размерности с плотно заполненной матрицей (матрицей, имеющей малое количество нулевых элементов). Итерационные методы предпочтительнее в задачах большой размерности со слабо заполненными матрицами.

К прямым методам относятся метод определителей, метод Гаусса и его модификации, метод LU-разложения, матричный метод и др. К разряду итерационных методов принадлежат метод простой итерации, метод Зейделя.

Видео:Решение системы линейных уравнений с двумя переменными способом подстановки. 6 класс.Скачать

Решение системы линейных уравнений с двумя переменными способом подстановки. 6 класс.

2.2.1. Прямые методы

2.2.1.1. Метод Гаусса

Решение СЛАУ осуществляется в два этапа (прямой и обратный ход)

Прямой ход. Исходная система (2.1) путем последовательных преобразований приводится к треугольному виду. Это достигается последовательным исключением неизвестных Области применения систем линейных уравненийиз уравнений. В результате получается эквивалентная система:

Области применения систем линейных уравнений Области применения систем линейных уравнений(2.3)

Обратный ход. С помощью подстановки Области применения систем линейных уравненийв предпоследнее (n-1)-е уравнение системы (2.3) вычисляется Области применения систем линейных уравнений. Подстановкой Области применения систем линейных уравненийи Области применения систем линейных уравненийв (n-2)-е уравнение определяют Области применения систем линейных уравнений. Таким же образом последовательно определяют неизвестные Области применения систем линейных уравнений.

П р и м е р 14. Решить систему с тремя неизвестными методом Гаусса:

Области применения систем линейных уравнений Области применения систем линейных уравнений(2.4)

Прямой ход. Первое уравнение из системы (2.4) разделим на 3:

Области применения систем линейных уравнений(2.5)

Из второго уравнения исключим неизвестное Области применения систем линейных уравненийДля этого ко второму уравнению прибавим преобразованное первое уравнение, умноженное на (–2). Получим:

Области применения систем линейных уравнений(2.6)

Области применения систем линейных уравнений(2.7)

Разделим уравнение (2.7) на Области применения систем линейных уравнений. Получим:

Области применения систем линейных уравнений. (2.8)

Из третьего уравнения системы (2.4) исключим Области применения систем линейных уравнений. Для этого из третьего уравнения вычтем первое преобразованное (2.5):

Области применения систем линейных уравнений(2.9)

Области применения систем линейных уравнений(2.10)

Разделим уравнение (2.10) на Области применения систем линейных уравнений:

Области применения систем линейных уравнений, (2.11)

Области применения систем линейных уравнений Области применения систем линейных уравнений(2.12)

Из третьего уравнения системы (2.12) исключим неизвестное Области применения систем линейных уравнений. Для этого к третьему уравнению прибавим второе:

Области применения систем линейных уравнений(2.13)

или Области применения систем линейных уравнений, (2.14)

откуда выразим Области применения систем линейных уравнений: Области применения систем линейных уравнений.

Тогда эквивалентная система в треугольном виде примет вид:

Области применения систем линейных уравнений Области применения систем линейных уравнений(2.15)

Обратный ход. Подставим значение Области применения систем линейных уравненийво второе уравнение системы (2.15) и найдем Области применения систем линейных уравнений. Подстановкой значений Области применения систем линейных уравненийи Области применения систем линейных уравненийв первое уравнение найдем Области применения систем линейных уравнений.

Если квадратная матрица Области применения систем линейных уравненийлинейной системы

Области применения систем линейных уравнений(2.16)

имеет отличные от нуля главные диагональные миноры, т. е.

Области применения систем линейных уравнений(2.17)

то она может быть разложена на произведение двух треугольных матриц – нижней Области применения систем линейных уравненийс ненулевыми диагональными элементами и верхней – Области применения систем линейных уравненийс единичными диагональными элементами

Области применения систем линейных уравнений(2.18)

Поэтому матричное уравнение (2.16) можно заменить уравнением:

Области применения систем линейных уравнений(2.19)

Введем вектор вспомогательных переменных Области применения систем линейных уравненийТогда уравнение (2.19) можно записать в виде системы двух векторно-матричных уравнений:

Области применения систем линейных уравнений(2.20)

Таким образом, решение системы (2.16) сводится к последовательному решению двух систем с треугольными матрицами типа (2.3) или (2.15), из которых неизвестные определяются последовательной подстановкой.

Математически это выражается так: из первого уравнения системы (2.20) определяется вектор Области применения систем линейных уравнений:

Области применения систем линейных уравнений, (2.21)

после чего из второго уравнения системы (2.19) вычисляется вектор Области применения систем линейных уравнений:

Области применения систем линейных уравнений. (2.22)

Обратные матрицы Области применения систем линейных уравненийи Области применения систем линейных уравненийсуществуют, т. к. определители треугольных матриц L и U, вычисляемые как произведения их диагональных элементов, отличны от нуля.

Метод LU-разложения – это фактически метод Гаусса, выраженный в векторно-матричной форме, отличающийся от классического варианта способом хранения матриц.

2.2.1.3. Матричный метод

Если для системы Области применения систем линейных уравненийвыполняется условие невырожденности матрицы A

Области применения систем линейных уравнений, (2.23)

то решение этой системы можно представить в виде:

Области применения систем линейных уравнений, (2.24)

где Области применения систем линейных уравнений– обратная матрица.

2.2.2. Итерационные методы

2.2.2.1. Метод простых итераций

Исходная система уравнений (2.1) приводится к виду:

Области применения систем линейных уравнений Области применения систем линейных уравнений(2.25)

Области применения систем линейных уравнений Области применения систем линейных уравнений(2.26)

Задав начальные (нулевые) приближения для искомых неизвестных:

Области применения систем линейных уравнений(2.27)

подставляем их в правую часть системы (2.26). Получаемые при этом в левой части системы значения Области применения систем линейных уравненийпредставляют собой первые приближения:

Области применения систем линейных уравнений, (2.28)

где Области применения систем линейных уравнений

Подставив первые приближения Области применения систем линейных уравненийв правую часть системы (2.26), в левой ее части получим вторые приближения − Области применения систем линейных уравнений:

Области применения систем линейных уравнений. (2.29)

Таким образом, итерационный процесс описывается соотношениями:

Области применения систем линейных уравнений Области применения систем линейных уравнений(2.30)

Полученные в результате последовательности итераций приближения: Области применения систем линейных уравненийсходятся к истинному решению системы (2.1), в том случае, если для коэффициентов системы (2.26) выполняется хотя бы одно из условий:

Области применения систем линейных уравнений; (2.31)

Области применения систем линейных уравнений. (2.32)

Вычисления продолжают до тех пор, пока не будет выполнено условие:

Области применения систем линейных уравнений(2.33)

где Области применения систем линейных уравнений– заданная точность.

2.2.2.2. Метод Зейделя

Метод Зейделя – модификация метода простых итераций, обеспечивающая ускорение сходимости итерационного процесса к истинному решению системы за счет следующего приема.

Уточненное значение Области применения систем линейных уравнений, полученное из первого уравнения системы (2.26) вводится во второе уравнение системы и используется для вычисления Области применения систем линейных уравнений. Затем уточненные значения Области применения систем линейных уравнений, Области применения систем линейных уравненийвводятся в третье уравнение системы (2.26) и используются для вычисления Области применения систем линейных уравнений. Таким образом, k-е приближение Области применения систем линейных уравненийбудет определяться через уточненные в процессе k-й итерации значения Области применения систем линейных уравнений. Следовательно, итерационный процесс, реализуемый в методе Зейделя, может быть выражен соотношениями:

Области применения систем линейных уравнений Области применения систем линейных уравнений(2.34)

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В ФОРМЕ НЕЛИНЕЙНЫХ

АЛГЕБРАИЧЕСКИХ И ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ УРАВНЕНИЙ

3.1. Пример формирования модели

Области применения систем линейных уравненийП р и м е р 15. Моделируемый объект – нелинейная цепь постоянного тока (рис. 3.1). R2 – нелинейное сопротивление.

По закону Кирхгофа

Области применения систем линейных уравнений(3.1)

Нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) элемента R2 аппроксимируем выражением:

Области применения систем линейных уравнений(3.2)

Сделаем подстановку выражения (3.2) в уравнение (3.1):

Области применения систем линейных уравнений(3.3)

Области применения систем линейных уравнений(3.4)

Области применения систем линейных уравненийf(i)

Соотношение f(i) = 0 представляет собой математическую модель электрической цепи в форме нелинейного алгебраического уравнения относительно тока i. Решение этой модели позволит определить ток i в цепи при заданных значениях U и R1.

Исследование объектов различной физической природы в установившемся режиме часто приводит к статическим моделям в форме нелинейных алгебраических уравнений.

Алгебраическое уравнение Области применения систем линейных уравненийможет содержать только алгебраические функции, в которых над переменной x производятся арифметические операции, возведение в степень с рациональным показателем и извлечение корня. Например:

Области применения систем линейных уравнений(3.5)

Области применения систем линейных уравнений(3.6)

В некоторых задачах моделирование приводит к трансцендентному уравнению.

Трансцендентным называется уравнение, в состав которого входят трансцендентные функции: показательная, логарифмическая, тригонометрические функции, возведение в иррациональную степень. Например:

Области применения систем линейных уравнений(3.7)

Области применения систем линейных уравнений(3.8)

3.2. Базовые понятия

Уравнение с одним неизвестным x в общем случае имеет вид:

где z(x) и g(x) — функции, определенные на некотором числовом множестве X, называемом областью допустимых значений уравнения.

Другая форма записи уравнения с одним неизвестным имеет вид:

где f(x) = z(x) – g(x) получается в результате переноса функции g(x) в левую часть уравнения (3.9).

Всякое значение x*, которое при подстановке в уравнение (3.10) обращает его в числовое равенство, а функцию f(x) — в ноль, т. е. такое, что

Области применения систем линейных уравнений, (3.11)

называется корнем уравнения, или нулем функции f(x).

Решить уравнение – значит найти все его корни (решения) или доказать, что уравнение не имеет корней.

Для алгебраических уравнений число корней известно заранее. Каждое алгебраическое уравнение степени n имеет в множестве комплексных чисел n корней с учетом кратности.

3.3. Методы решения

Аналитическое (явное) решение, т. е. решение в виде готовой формулы, выражающей неизвестное x через параметры уравнения, можно получить только для ограниченного круга уравнений, например формулы для вычисления корней квадратного (аx2+bx+c=0) и кубического (x3+px+q=0) уравнений. Решение некоторых простейших трансцендентных уравнений может быть получено в аналитической форме с использованием степенных рядов, непрерывных дробей и т. д.

В большинстве случаев найти явное решение уравнения очень сложно или невозможно. Кроме того, использование аналитических формул для решения большинства уравнений не может обеспечить получение точного значения корня, поскольку коэффициенты уравнения являются приближенными величинами, определенными в результате измерений. Поэтому задача отыскания точного значения корня теряет смысл.

Ставится задача – определить приближенное значение корня уравнения с заданной точностью.

Приближенное решение математических задач лежит в основе численных методов.

3.3.1. Особенности численных методов решения

3.3.1.1. Этапы численного решения нелинейного уравнения

Численное решение уравнения f(x) = 0 (речь идет о действительных корнях) проводят в два этапа:

1) отделение корней, т. е. отыскание таких достаточно малых отрезков в области допустимых значений x, в которых содержится только один корень;

2) уточнение корней, т. е. вычисление корней с заданной точностью.

Области применения систем линейных уравнений3.3.1.2. Отделение корней

Рассмотрим несколько способов отделения корней.

С п о с о б 1 – по графику функции y = f(x).

приближенно определяется как абсцисса точки пересечения графика с осью Оx (рис. 3.2). Устанавливаются границы a и b отрезка, в пределах которого заключен только один корень x*.

С п о с о б 2 – уравнение f(x) = 0 заменяют равносильным:

Области применения систем линейных уравнений. (3.13)

Строят графики функций Области применения систем линейных уравненийи Области применения систем линейных уравнений

Приближенное значение корня определяют как абсциссу точки пересечения этих графиков.

Например: отделим корень уравнения

Области применения систем линейных уравнений(3.14)

Области применения систем линейных уравненийдля области значений аргумента x > 0.

Преобразуем уравнение (3.14) к виду:

Области применения систем линейных уравнений(3.15)

где Области применения систем линейных уравнений

Строим графики (рис. 3.3) и находим приближенно x* и отрезок Области применения систем линейных уравнений.

С п о с о б 3 – по таблице значений функции f(x) на интересующем интервале изменения аргумента x. Например, представим таблицу (табл.3.1) значений функции

Области применения систем линейных уравнений. (3.16)

Из данных табл. 3.1 видно, что корень уравнения существует и его следует искать на отрезке [7,0; 10,0], так как значения функции на концах этого отрезка имеют разные знаки.

Таблица значений функции

С п о с о б 4 – аналитический метод отделения корней, который базируется на знании следующих свойств функции:

а) если функция Области применения систем линейных уравненийнепрерывна на отрезке Области применения систем линейных уравненийи принимает на концах этого отрезка значения разных знаков, то внутри отрезка Области применения систем линейных уравненийсуществует по крайней мере один корень уравнения Области применения систем линейных уравнений;

б) если функция Области применения систем линейных уравненийнепрерывна и монотонна на отрезке Области применения систем линейных уравненийи принимает на концах отрезка значения разных знаков, а производная Области применения систем линейных уравненийсохраняет постоянный знак внутри отрезка, то внутри этого отрезка существует корень уравнения Области применения систем линейных уравненийи притом единственный.

Функция Области применения систем линейных уравненийназывается монотонной в заданном интервале, если при любых Области применения систем линейных уравненийиз этого интервала она удовлетворяет условию Области применения систем линейных уравнений(монотонно возрастающая функция)

или Области применения систем линейных уравнений(монотонно убывающая функция).

Необходимым и достаточным условием монотонности функции в заданном интервале является выполнение для всех внутренних точек этого интервала условия Области применения систем линейных уравненийили Области применения систем линейных уравнений

Зная свойства функции Области применения систем линейных уравнений, можно сделать вывод о характере графика Области применения систем линейных уравнений, что может существенно облегчить процесс отыскания корней. Продемонстрируем это для непрерывной и монотонной на отрезке Области применения систем линейных уравненийфункции Области применения систем линейных уравнений, которая принимает на концах отрезка значения разных знаков, имеет во всех точках интервала первую и вторую производные Области применения систем линейных уравненийи Области применения систем линейных уравнений, сохраняющие постоянный знак (рис. 3.4).

3.3.1.3. Уточнение корней

Рассмотрим несколько численных методов уточнения корней, применяемых для решения как алгебраических, так и трансцендентных уравнений. Эти методы относятся к разряду итерационных.

Итерационный процесс состоит в последовательном шаг за шагом уточнении начального приближения x0 искомого корня. Каждый шаг такого метода называется итерацией.

Области применения систем линейных уравнений

В результате реализации итерационного метода получают последовательность приближенных значений корня Области применения систем линейных уравненийЕсли эти значения с увеличением n приближаются к истинному значению корня x*, то говорят, что итерационный процесс сходится.

3.3.1.3.1. Метод половинного деления (дихотомии, бисекции)

Пусть дано уравнение

Области применения систем линейных уравнений(3.17)

где функция Области применения систем линейных уравненийнепрерывна и монотонна на отрезке Области применения систем линейных уравненийи имеет на концах отрезка разные знаки:

Области применения систем линейных уравнений(3.18)

Области применения систем линейных уравненийТребуется найти корень Области применения систем линейных уравненийуравнения (3.17) с точностью до Области применения систем линейных уравненийГрафик функции Области применения систем линейных уравненийпредставлен на рис. 3.5.

Рассмотрим суть и этапы реализации метода половинного деления.

1) Отрезок Области применения систем линейных уравненийделим пополам и определяем середину отрезка:

Области применения систем линейных уравнений(3.19)

2) Вычисляем значение функции в точке Области применения систем линейных уравненийЕсли Области применения систем линейных уравнений, то Области применения систем линейных уравненийявляется корнем уравнения. Если Области применения систем линейных уравненийто поиск корня продолжается на одном из двух полученных отрезков – Области применения систем линейных уравненийили Области применения систем линейных уравнений. Следует выбрать тот отрезок, на концах которого функция Области применения систем линейных уравненийпринимает значения противоположных знаков. В данном случае (см. рис. 3.5) выбираем отрезок Области применения систем линейных уравнений, так как для него выполняется условие: Области применения систем линейных уравненийДля того чтобы сохранить в дальнейших расчетах единое обозначение Области применения систем линейных уравненийтекущего отрезка, на котором ведется поиск корня на данном шаге вычислений, необходимо параметру b присвоить новое значение Области применения систем линейных уравнений: b = Области применения систем линейных уравнений. С точки зрения геометрической интерпретации (см. рис. 3.5) это означает, что правая граница исходного отрезка точка b переносится в точку Области применения систем линейных уравненийа оставшаяся за пределами точки Области применения систем линейных уравненийчасть графика дальше не рассматривается.

Видео:Решение системы уравнений методом Крамера.Скачать

Решение системы уравнений методом Крамера.

Презентация на тему «Применение систем линейных уравнений для решения прикладных задач»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

«Актуальность создания школьных служб примирения/медиации в образовательных организациях»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Области применения систем линейных уравнений

Описание презентации по отдельным слайдам:

Области применения систем линейных уравнений

ГПОУ «Донецкий политехнический колледж» Применение систем линейных уравнений для решения прикладных задач. Прелодаватель математики Низамова И . В. Донецк 2018

Области применения систем линейных уравнений

Математика – царица наук Карл Фридрих Гаусс

Области применения систем линейных уравнений

Системы линейных уравнений широко используются в задачах экономики, физики, электротехники, программирования и других наук.

Области применения систем линейных уравнений

Уравнение называется линейным, если оно содержит переменные только в первой степени и не содержит произведений переменных. Система линейных уравнений с n переменными:

Области применения систем линейных уравнений

Числа aij (i=1,2,…,m, j=1,2,…,n) называются коэффициентами при переменных, а bi (i=1,2,…,m) – свободными членами. Решение системы уравнений — это последовательность чисел (k1, k2, . kn), которая является решением каждого уравнения системы, т.е. при подстановке в это уравнение вместо переменных x1, x2. xn дает верное числовое равенство.

Области применения систем линейных уравнений

Система, имеющая хотя бы одно решение, называется совместной; система, не имеющая ни одного решения — несовместной. Методы решения: По формулам Крамера; Исключение неизвестных ( метод Гаусса); С помощью обратной матрицы.

Области применения систем линейных уравнений

Метод Крамера Если главный определитель системы то система имеет единственное решение, которое можно найти по формулам Крамера: где –определитель, полученный из главного заменой i-того столбца столбцом свободных членов.

Области применения систем линейных уравнений

Метод Гаусса Это метод последовательного исключения переменных, когда с помощью элементарных преобразований система уравнений приводится к равносильной системе треугольного вида, из которой последовательно, начиная с последних (по номеру), находятся все переменные системы. Расширенная матрица содержит вместе с коэффициентами при неизвестных свободные члены системы уравнений.

Области применения систем линейных уравнений

Матричный метод Cистему линейных уравнений записывают в матричной форме: AX = B, где A — основная матрица системы; B — столбец свободных членов; X — столбцы решений системы; Матричное уравнение умножают слева на A–1 (матрицу, обратную к матрице A). Так как A− 1A = E, то X = A -1B. Метод применим, если определитель системы не равен 0.

Области применения систем линейных уравнений

Проверка домашнего задания Решить систему линейных уравнений всеми известными методами

Области применения систем линейных уравнений

Применение систем линейных уравнений для решения прикладных задач. Цель занятия: формировать умение составлять системы линейных уравнений по текстовому условию задачи; закрепить применение методов Крамера и Гаусса решения систем линейных уравнений.

Области применения систем линейных уравнений

Доклад №1. Задача по электротехнике Два источника постоянного тока соединены параллельно, имеют E1=11,5 B, r1=2,5 Oм, E1=16,5 B, r1=6 Oм, и нагрузочный резистор сопротивлением Rн=30 Oм. Определить значения и направление токов через источники и нагрузку.

Области применения систем линейных уравнений

В соответствии со вторым законом Кирхгофа Для контура, включающего в себя два источника и имеем: Для контура с источником и сопротивлением нагрузки при обходе по часовой стрелке имеем: Подставив числовые данные, получим:

Области применения систем линейных уравнений

Первое уравнение умножим на 6 и сложим со вторым и третьим. Получим: второе уравнение умножим на (-6) и сложим с третьим. Получим: Отсюда

Области применения систем линейных уравнений

Доклад №2. Из Москвы в Казань необходимо перевезти оборудование трех типов: I типа — 95 ед., II типа — 100 ед., III типа — 185 ед. Для перевозки оборудования завод может заказать три вида транспорта. Количество оборудования каждого типа, вмещаемого на определенный вид транспорта, приведено в таблице. Установить, сколько единиц транспорта каждого вида потребуется для перевозки этого оборудования. Тип оборудования Количество оборудования Т1 Т2 Т3 I 3 2 1 II 4 1 2 III 3 5 4

Области применения систем линейных уравнений

Пусть x ‒ количество единиц I-ого вида транспорта, y ‒ количество единиц II-ого вида транспорта, z ‒ количество единиц III-его вида транспорта. Тогда Решим систему уравнений методом Крамера: Δ = =12+12+20-3-30-32=-21 ; Δх = =380+740+500-185-950-800=-315; х = = 15;

Области применения систем линейных уравнений

Δу = =1200+570+740-300-1110-1520=-420; у = = 20; Δz = =555+600+1900-285-1500-1480=-210; Z = = 10. Ответ: Транспорта I-ого вида использовано 15 единиц, II-ого вида 20 единиц, а III-го вида 10 единиц.

Области применения систем линейных уравнений

Доклад №3. Из некоторого листового материала необходимо выкроить 360 заготовок типа А, 300 заготовок типа Б и 675 заготовок типа В. При этом можно применять три способа раскроя. Количество заготовок, получаемых из каждого листа при каждом способе раскроя, указано в таблице: Найти количество листов материала, раскраиваемых соответственно первым, вторым и третьим способами. Тип заготовки Способ раскроя 1 2 3 А 3 2 1 Б 1 6 2 В 4 1 5

Области применения систем линейных уравнений

Обозначим через x, y, z количество листов материала, раскраиваемых соответственно первым, вторым и третьим способами. По условию задачи составим систему уравнений:

Области применения систем линейных уравнений

Ответ: первым способом раскраивается 90 листов, вторым – 15, третьим – 60.

Области применения систем линейных уравнений

Доклад №4. Частным лицом куплены три пакета акций общей стоимостью 485 ден. ед., причем акции первой группы куплены по 5 ден. ед. за акцию, второй – по 20, третьей – по 13. Через месяц стоимость акций первой, второй и третьей групп составила соответственно 6, 14 и 19 ден. ед., а стоимость всего пакета была 550 ден. ед. Еще через месяц они стоили по 8, 22 и 20 ден. ед. соответственно, а весь пакет стоил 660 ден. ед. Cколько акций каждой группы было куплено?

Области применения систем линейных уравнений

Пусть акции I-ой группы было куплено х штук, акций II-ой группы y штук, акций III-ей группы z штук. Согласно условию задачи имеем: Решим систему уравнений методом Крамера: Δ = = = 1400+3040+1716-1456-2090-2400=210;

Области применения систем линейных уравнений

= = 135800+250800+157300-120120-202730-220000=1050; = = 55000+73720+51480-57200-62700-58200=2100; = = 46200+88000+64020-54320-60500-79200=4200; x = = 5; y = = 10; z = = 20; Ответ: Акций I-й группы было куплено 5 штук, акций II-ой группы было куплено 10 штук, акций III-ей группы было куплено 20 штук.

Области применения систем линейных уравнений

Карл Фридрих Гаусс Карл Фридрих Гаусс родился 30 апреля 1777 г. Гаусс с детства проявлял все признаки гениальности. Главный труд всей своей жизни, «Арифметические исследования», юноша закончил ещё в 1798 г. В 1799 г. Гаусс заочно защищает диссертацию. Самым знаменитым трудом, проделанным Карлом Фридрихом Гауссом, была работа под названием «Теория движения небесных тел». Именно в ней ученый предложил теорию возмущения орбит. Знаменитая теорема алгебры, термин «гауссова кривизна», основы дифференциальной геометрии вошли в основу фундаментальных математических законов.

Области применения систем линейных уравнений

Габриэль Крамер Габриэль Крамер родился 31 июля 1704 года в Женеве (Швейцария) в семье врача. Уже в детстве он опережал своих сверстников в интеллектуальном развитии и демонстрировал завидные способности в области математики. В 18 лет он успешно защитил диссертацию. Талантливый учёный написал множество статей на самые разные темы: геометрия, история, математика, философия. В 1730 году он опубликовал труд по небесной механике. Крамер является одним из создателей линейной алгебры. В работе «Введение в анализ алгебраических кривых» Крамер строит систему линейных уравнений и решает её с помощью алгоритма, названного позже его именем – метод Крамера.

Области применения систем линейных уравнений

Закрепление нового материала. Задача №1. Рассчитать сложную электрическую цепь, если E1=246 B, R1=0,3 Ом, E2=230 B, R2=1 Ом, R3=24 Ом, RВТ1= RВТ2=0.

Области применения систем линейных уравнений

Задача №2. Предприятием по производству бытовой техники в 1 квартале выпущено 4000 вентиляторов, 2000 миксеров и 6000 электрочайников на общую сумму 23 млн рублей. Во 2 квартале выпущено 3000 вентиляторов, 1000 миксеров и 4000 электрочайников на общую сумму 15,6 млн рублей. В 3 квартале выпущено 1000 вентиляторов, 3000 миксеров и 1000 электрочайников на общую сумму 7,8 млн рублей. Найти стоимость одного вентилятора, одного миксера и одного электрочайника.

Области применения систем линейных уравнений

Рефлексия Выберите смайлик, характеризующий ваше состояние на занятии.

Области применения систем линейных уравнений

Домашнее задание. Если ширину производственной прямоугольной площадки увеличить на 4 м, а ее длину уменьшить на 2 м, то ее площадь увеличится на 32 ; если же ширину уменьшить на 3 м, а длину увеличить на 1 м, то ее площадь уменьшится на 39 . Найдите длину и ширину площадки.

📹 Видео

Базисные решения систем линейных уравнений (01)Скачать

Базисные решения систем линейных уравнений (01)

Решение системы линейных уравнений графическим методом. 7 класс.Скачать

Решение системы линейных уравнений графическим методом. 7 класс.

Решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

Решение системы уравнений методом Гаусса

13 Исследование систем линейных уравненийСкачать

13  Исследование систем линейных уравнений

Cистемы уравнений. Разбор задания 6 и 21 из ОГЭ. | МатематикаСкачать

Cистемы уравнений. Разбор задания 6 и 21 из ОГЭ.  | Математика

МЕТОД ГАУССА 😉 #егэ #математика #профильныйегэ #shorts #огэСкачать

МЕТОД ГАУССА 😉 #егэ #математика #профильныйегэ #shorts #огэ

Лекция 13. Исследование систем линейных уравнений. Теорема Кронекера — Капелли.Скачать

Лекция 13. Исследование систем линейных уравнений. Теорема Кронекера — Капелли.

Совместные и несовместные, определенные и неопределенные системы линейных уравненийСкачать

Совместные и несовместные, определенные и неопределенные системы линейных уравнений

Системы линейных уравнений (метод Гаусса)Скачать

Системы линейных уравнений (метод Гаусса)

10. Метод Крамера решения систем линейных уравнений.Скачать

10. Метод Крамера решения систем линейных уравнений.

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решений

Как решают уравнения в России и США!?Скачать

Как решают уравнения в России и США!?

Лекция 12. Системы линейных уравненийСкачать

Лекция 12. Системы линейных уравнений

Исследование систем линейных уравнений на совместностьСкачать

Исследование систем линейных уравнений на совместность
Поделиться или сохранить к себе: