Слайд 1Тема 3
Элементы математического моделирования
Слайд 2МОДЕЛЬ -
это материальный или идеальный объект, который в процессе познания
замещает объект-оригинал, сохраняя его некоторые важные для данного исследования черты.
Слайд 3МОДЕЛЬ НУЖНА:
1) для того, чтобы понять, как устроен конкретный объект;
2)
для того, чтобы научится управлять объектом;
3) для прогноза динамики состояний
объекта.
Слайд 4МОДЕЛИРОВАНИЕ – процесс построения и исследования модели с целью познания
объекта
Слайд 5Виды моделирования
Экспериментальный
метод
Теоретический
метод
Слайд 6Материальное моделирование
Модель воспроизводит геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики изучаемого
объекта
Слайд 7Физическое и аналоговое моделирование
При физическом моделировании объект заменяется увеличенной или
уменьшенной копией с последующим перенесением свойств модели на объект на
основе теории подобия.
Аналоговое моделирование основано на аналогии процессов и явлений, имеющих различную физическую природу, но одинаково описываемых формально.
Слайд 9Интуитивное моделирование
Основано на интуитивном представлении об объекте, не поддающемся формализации
или не нуждающемся в ней.
Пример: жизненный опыт человека как интуитивная
модель окружающего мира.
Слайд 10«Подлинной ценностью является, в сущности, только интуиция. Для меня не
подлежит сомнению, что наше мышление протекает, в основном, минуя символы,
и к тому же бессознательно» (А. Эйнштейн)
Слайд 11Знаковое моделирование
использует в качестве моделей знаковые системы: схемы, графики, чертежи,
формулы, наборы символов и т.д.
Оно включает в себя также совокупность
законов, по которым с этими системами и их элементами можно оперировать.
Слайд 12МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ -
важнейшая разновидность знакового моделирования, при котором исследование
объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики, с использованием
математических методов.
Слайд 13ЭТАПЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Построение модели
Решение математической задачи,
к которой приводит модель
Интерпретация
результатов
Коррекция и модернизация модели
1
2
3
4
Слайд 14Этап построения модели – перевод с языка конкретной науки на
язык математики
1. Формируются основные вопросы о поведении исследуемой системы, на
которые с помощью модели требуется получить ответ.
2. Из множества законов, управляющих поведением системы учитываются те, влияние которых существенно при поиске ответов на поставленные вопросы.
3. В дополнение к ним, если это необходимо, формулируются правдоподобные гипотезы о функционировании системы.
4. Законы и гипотезы записываются в форме математических соотношений.
1
Слайд 15Этап решения математической задачи
На этом этапе важную роль приобретает математический
аппарат и вычислительная техника.
Выявляется информация, которая в постановке задачи содержалась
в скрытой форме.
2
Слайд 16Этап интерпретации результатов
На этом этапе осуществляется обратный перевод с языка
математики на язык конкретной науки.
Выясняется, какой смысл имеет полученное решение,
согласутся ли они с фактической информацией из соответствующей предметной области.
3
Слайд 17Этап коррекции и модернизации модели
Если окажется, что результаты расчетов противоречат
фактам, следует вернуться к построенной модели с целью коррекции.
Необходимость пересмотра
модели возникает и в том, случае, если появляются новые данные об изучаемых объектах.
4
Слайд 18Функция как математическая модель процесса
Функция – одно из основных понятий
математики, выражающее зависимость одних переменных величин от других.
Слайд 19ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Функцией f(x) называется правило, которое каждому элементу х из
множества Х ставит в соответствие единственный элемент у из множества
Y.
Х – область определения
Y – область значений
Слайд 20Характеристическое свойство функциональных зависимостей:
существование не более одного значения зависимой величины.
Слайд 21Способы задания функций
табличный (с помощью таблицы) (нельзя задать непрерывную
функцию, неограниченную функцию);
словесный (описанием);
аналитический (с помощью
формулы);
графический (с помощью графика) тоже не позволяет задать неограниченную функцию или функцию на неограниченной области определения.
Слайд 23Линейная функция
Линейная функция
y=kx+b – линейная комбинация прямой пропорциональности и константы
Слайд 24Примеры величин, связанных линейной зависимостью
Пример 1. Зависимость пути или координаты
материальной точки от времени при равномерном прямолинейном движении
Слайд 25Пример процесса, в котором линейная функция используется как модель: равномерное
прямолинейное движение
Ситуация:
Автомобиль, выехавший из пункта А, в настоящее время находится от
него в 50 км. На каком расстоянии x от А будет находиться автомобиль через t ч, если он будет двигаться в том же направлении со скоростью 60 км/ч?
Ответ будет выражаться линейной функцией вида x = 60 t + 50 .
Слайд 26Пример процесса, в котором линейная функция используется как модель: равномерное
прямолинейное движение
Слайд 27Примеры величин, связанных линейной зависимостью
Пример 2. Затраты на оплату услуг,
предоставляемых по тарифу.
Ситуация: Оплата мобильной связи по тарифу, включающему
фиксированную плату за лимитированное количество услуг (месячная абонентская плата) и повременную оплату за каждую минуту разговора сверх лимита.
Слайд 28Сумма в рублях q, вносимая абонентом за пользование мобильной связью
за месяц:
q=a + b t
a –месячная абонентcкая плата, b –
стоимость одной минуты разговора сверх лимита (в рублях), t – время разговоров (в минутах).
Слайд 29Примеры величин, связанных квадратичной зависимостью
Слайд 30Примеры величин, связанных обратной зависимостью
Слайд 31Свойства функций
Четность и нечетность
Периодичность
Монотонность (промежутки возрастания и убывания)
Экстремумы (точки максимума
и минимума)
Слайд 32Четные и нечетные функции
Нечётная функция — функция, меняющая значение на противоположное
при изменении знака независимой переменной (график ее симметричен относительно начала координат).
Чётная
функция — функция, не изменяющая своего значения при изменении знака независимой переменной (график ее относительно оси ординат).
Ни чётная, ни нечётная функция (функция общего вида) — функция, не обладающая симметрией. В эту категорию относят функции, не подпадающие под предыдущие 2 категории.
Слайд 33Периодичность
Периодическая функция ― функция повторяющая свои значения через некоторый регулярный интервал аргумента,
то есть не меняющая своего значения при добавлении к аргументу
некоторого фиксированного ненулевого числа (периода функции) на всей области определения.
Слайд 34Производная функции
Скорость изменения функции при изменении аргумента определяется производной.
Производной называют
предел отношения приращения функции к приращению аргумента, если приращение аргумента
стремиться к 0.
Слайд 35Производная и монотонность функции
Слайд 36ТОЧКИ ЭКСТРЕМУМА (МИНИМУМА И МАКСИМУМА)
1. Если функция имеет экстремум в
некоторой точке, то ее производная в этой точке равна нулю
или не существует.
2. Если производная при переходе через такую точку меняет знак с «+» на «-», то это точка максимума, а если с«-» на «+», то это точка минимума.
Слайд 39ЗАДАЧИ на отыскание наибольших и наименьших значений функции.
1. Выявить
оптимизируемую величину, то есть величину наибольшее или наименьшее значение которой
надо найти. Обозначить ее буквой y или какой-либо другой, в соответствии с ситуацией задачи (S – площадь, V – объем, v – скорость и т.д.).
Слайд 40ЗАДАЧИ на отыскание наибольших и наименьших значений функции
2. Одну из
неизвестных величин принять в качестве независимой переменной и ввести соответствующее
обозначение (х, t и т.д.).
3. Установить границы изменения независимой переменной, исходя из условия задачи.
Слайд 41ЗАДАЧИ на отыскание наибольших и наименьших значений функции
4. Выразить оптимизируемую
величину через независимую переменную, то есть представить ее как функцию
независимого аргумента (у=f(x), v=f(t), S=f(r) и т.д.). Для составления функции используются данные условия, известные законы и соотношения для величин.
Слайд 42ЗАДАЧИ на отыскание наибольших и наименьших значений функции
5. Исследовать полученную
функцию на экстремум на промежутке, соответствующем границам изменения независимой переменной
(см.п.2) по следующему алгоритму
Слайд 43Алгоритм отыскания наибольшего и наименьшего значения функции
1) найти производную функции;
2)
найти точки, в которых производная равна 0 или не существует;
3)
вычислить значения функции в этих точках, а также на концах промежутка, отобрать из них наибольшее и наименьшее.
Слайд 44ЗАДАЧИ на отыскание наибольших и наименьших значений функции
6. Интерпретировать полученный
результат для конкретной задачи, поставленной в условии.
ЗАДАНИЕ: соотнесите этапы алгоритма
решения задач на отыскания экстремума с этапами моделирования. Все ли этапы представлены?