17493

Методи наближеного розв’язання рівнянь в редакторі Excel

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 3 Методи наближеного розвязання рівнянь в редакторі Excel Мета роботи: навчитися знаходити корені рівняння за допомогою редактора Excel визначати точність знайденого розвязку. Загальні положення про корені рівняння та точність знайденого розвяз

Украинкский

2013-07-01

364.5 KB

58 чел.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 3

Методи наближеного розвязання рівнянь в редакторі Excel

Мета роботи: навчитися знаходити корені рівняння за допомогою редактора Excel, визначати точність знайденого розвязку.

Загальні положення про корені рівняння та точність знайденого розвязку

Редактор Excel дозволяє достатньо просто розвязувати алгебраїчні рівняння. Перш ніж приступати до пояснення методів розв’язування рівнянь в Microsoft Excel згадаємо, що відповідно математиці називається розв’язком рівняння. Корінь рівняння це таке значенне аргументу, яке повертає функцію в нуль. Розвязати рівняння – значить знайти точне значення кореня. В математиці прийнято називати точним розвязком рівняння таке, яке може бути представлено у вигляді формул. Прикладом такої формули є, накприклад, формула для розвязання квадратичного рівняння :

   .

Тільки для дуже обмеженого діапазону функцій існують методики точного розвязання. Однак, чисельне значення кореня не завжди може бути визначено точно. Наприклад, рівняння  не має точного чисельного значення корня. Таким чином, розвязання рівняньце визначення чисельних значень корня із заданою наперед точністю. В математиці для задання точності домовляються, до якого знаку після коми будуть виконувати пошук рішення. Так, наприклад, для  точного розвязку не існує, але можна записати, що наближено . Ми можемо вважати це наближеним точним розвязком, якщо домовимося, що якщо при двох послідовних операціях обчислення  наступне обрахування буде відрізнятися від попереднього на якусь дуже малу величину . Наприклад, нехай попередньо встановимо . Відповідно, за такої постановки:

         – не є корнем рівняння

       – не корень уравнения, т.к

            поки ще більше

………………

Тобто за вибраної нами умови будемо вважати, що знайдений  і є точний розвязок.

Якщо  - рівняння, а  - функція, то із визначення ясно, що корінь рівняння – це таке число, за якого функція стає рівною нулю – тобто перетинає вісь . Нижче на рис. 1. показаний графік функції . З графіка видно, що в діапазоні значень () він перетинає вісь  двічі, тобто рівняння  має, принаймні, два корені.   

Графічний метод пошуку коренів рівняння

Перш за все необхідно побудувати графік функції, і тоді можна легко побачити наявність коренів та їх кількість. З графіка видно, що рівняння  має два корені: графік перетинає вісь  в двох точках.

Графічний метод визначення коренів є оцінкою в першому наближенні розвязання рівняння. 

Рис. 1. Графік функції

 Для більш точного визначення коренів можна збільшити масштаб вісі  та виділити в збільшеному масштабі області вісь , де графік функції перетинає її, як показано на рис. 2.

              а)                                                                     б)

Рис. 2. а) Наближення кореня рівняння; б) зміни масштабу графіка

 З останнього графіка (б) ясно, що один із коренів знаходиться в інтервалі 0;2. Подальша зміна масштабу может дозволити ще більш уточнити значення шуканого кореня.

а)                                                                              б)

Рис. 3. Уточнення наближеного значення кореня

З рис. 3,б видно, що наближене значення кореня знаходиться в інтервалі . Такий розвязок вже є досить хорошим наближенням. Значення функції за вказаних значеннях кореня , відповідно, дорівнюють , . Аналогічно можна отримати і значення другого кореня.

Графічний метод розвязання рівняння дозволяє наочно отримати  уявлення про наявність коренів та визначити наближені значення коренів.

Важливо відзначити, що при надто малому масштабі побудови графіка можно втратити графічне зображення. Наприклад, на стадії дроблення інтервалу значень (як на рис. 3, б) можна не отримати графічного зображення. Така ситуація може виникнути, якщо крок по  вибраний достатньо великим, наприклад, рівним 1. Для того, щоб отримати більш точне графічне зображення слід вибрати більш дрібний крок по .  

Однак, графічний метод, як це видно з прикладу не дає достатньої точності розвязання рівняння. Для більш точного розвязку рівняння, як відомо, потрібно задавати точність, яку необхідно досягти. 

Розвязання рівняння в редакторі Excel за допомогою режиму “Формула” (комбінований метод)

Розвязання рівняння за допомогою режиму “Формула” подібно тому, яке ми розглядали за графічного розвязання рівняння. 

Розвязання починаємо з побудови графіка для того, щоб впевнитися в тому, що дане рівняння має корені. Одночасно при побудові графіка перевіряємо, скільки коренів може мати рівняння. На цьому етапі визначаємо інтервали визначення коренів з точністю до одиниць.

         

Рис. 4. Графік функції 

З графіка беремо в першому наближенні: , . Виділяємо на листі Excel комірки для розвязання рівняння. Нехай це будуть комірки А1 і В1. В комірку А1 записуємо початкове значення інтервалу, в якому знаходиться перший корінь, тобто 0. Вибираємо крок зміни . Нехай крок  буде 0.5. В комірку А2 записуємо наступне значення . Методом протягування заповнюємо комірки в стовпчику А до значення . В комірку В1 записуємо формулу для функції .                                                                                                           

Методом протягування копіюємо формулу з комірки В1 в останні комірки стовпчика В. Отримаємо наступний результат:

З  фрагмента листа Excel видно, що переход через 0 функції  відбувається на інтервалі , тобто шуканий корінь  знаходиться в інтервалі  (рис. 5).

                                                                                                                                

Рис. 5. Наближений розв’язок рівняння

Далі подрібнюємо інтервал  і виконуємо  автоматичні обчислення значень функції.

В другому наближенні отримаємо результат показаний на рис. 6.      

З рис. 6, видно, що друге наближення дало інтервал для кореня (рис. 6).  

Рис. 6. Наближений розвязок рівняння

Отримане наближення вже є досить хорошим розвязком рівняння. Проте з фрагменту обчислень видно, що функція на межах інтервалу змінюється суттєво (від  до ).

Подальші уточнення кореня будемо вести так, щоб значення функції як можна щоб , де . Нехай .

Рис.7. Наближений розвязок рівняння методом послідовних наближень

Розвязок знайдений, оскільки виконується умова: .

Розвязання рівняння в редакторі Excel в автоматичному режимі

Програма Excel дозволяє знаходити корені нелінійних рівнянь в автоматичному режимі.

Для цього в меню команд міститься команда “Подбор параметра”:

Строка команд►Сервис►Подбор параметра. За виклику цієї команди Excel перебирає по спеціальному алгоритму числа і підставляє їх послідовно у формулу, яка написана в деякій комірці таким чином, щоб в цій комірці ьуло отримано задане число.

Розвязання починаємо з побудови графіка для того, щоб впевнитися, що дане рівняння має корені. Одночасно при побудові графіка перевіряємо, скільки коренів може мати рівняння. На чьому етапі визначаємо інтервали знаходження коренів з точністю до одиниць.

В комірці В1 записуємо рівняння .                                                      В комірці А1 записуємо перше наближення кореня корня (наприклад, в нашому випадку 0).

Викликаємо діалогове вікно меню:

Строка команд►Сервис►Подбор параметра. 

Отримаємо вид вікна як показано на рис. 8.

Рис. 8. Контекстне меню “Подбор параметра”

Розвязання рівняння показане на наступному рисунку.

Рис. 9. Розвязання нелінійного рівняння  в автоматичному режимі

Завдання на лабораторну роботу:

  1.  Заповнити таблицю даних, використовуючи автоматичне заповнення; 
  2.  Виділити діапазон даних для наступної побудови графіка;
  3.  Побудувати графік за існуючими даними таблиці;
  4.  Знайти корені рівняння троьома методами при заданому ;
  5.  Знайти похибку результатів різних методів.

Контрольні запитання:

  1.  Що таке точний розвязок рівняння?
    1.  Умова точного розвязку;
    2.  Методи пошуку коренів рівняння;
    3.  В чому полягає графічний метод пошуку коренів?
    4.  В чому полягає комбінований метод пошуку коренів?
    5.  В чому полягає автоматичний метод пошуку коренів?


Вар
іанти завдань для лабораторної роботи 3:

знайти корені рівняння за допомогою графічного, комбінованого та автоматичного методів в редакторі Excel, визначати точність знайденого розвязку.

  1.  ;
  2.  ;
  3.  ;
  4.  ;
  5.  ;
  6.  ;
  7.  ;
  8.  ;
  9.  ;
  10.  .

11

PAGE  4

0 < x<2

0 < x<50

1.291 < x< 1.292

1.25 < x< 1.5

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79618. КОНЦЕПЦИЯ ЧАСТНОПРАВОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТНОШЕНИЙ ПО ПОВОДУ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ 99 KB
  Причиной для написания настоящей статьи послужила непрекращающаяся дискуссия о месте и значении частноправовых средств в регулировании общественных отношений по поводу природы. Особенность природы состоит в том, что она не имеет собственно вещный характер в абсолютном смысле этого слова...
79619. ГЕОГРАФИЯ ПРЕСТУПНОСТИ: ВОПРОСЫ ТЕОРИИ И РЕГИОНАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СИБИРИ 84.5 KB
  Одной из наиболее актуальных и трудноразрешимых проблем общественной жизни в РФ остается проблема преступности: ее уровня структуры темпов роста. Не случайно подчеркивается что даже при достаточно позитивных изменениях в динамике и структуре преступности криминальная ситуация в России остается сложной.
79620. К ВОПРОСУ О МЕТОДИКЕ ПРЕПОДАВАНИЯ КРИМИНОЛОГИИ: СТУДЕНЧЕСКИЙ ОПЫТ – 3 118.5 KB
  Сегодня мы представляем на ваш суд пример апробирования еще одной из форм преподавания, реализованной в ходе изучения криминологии студентами 4 курсов дневных бюджетного и коммерческого отделений Юридического института ИГУ. Назовем ее условно «Криминологический КВН».
79621. МОГУЩЕСТВО ЮРИДИЧЕСКОЙ НАУКИ РОССИЙСКОЙ ПРИРАСТАТЬ БУДЕТ…СИБИРЬЮ?! 40.5 KB
  Что касается иркутской конференции, то сразу оговоримся, что в рамках данной статьи мы не будем говорить о ней, поскольку сама эта тема заслуживает отдельной статьи. Напомним также, что такие конференции проводятся в Юридическом институте Иркутского государственного университета уже давно...
79622. КРИМИНАЛЬНАЯ КУЛЬТУРОЛОГИЯ. ЧАСТЬ 1. МАСС-МЕДИА 196 KB
  Неоднократно высказывавшееся положение о том что средства массовой информации в результате переноса информации оказывают широкий спектр общего воздействия на ее получателей дают возможность для их подробного криминологического исследования.
79623. К ВОПРОСУ О МЕТОДИКЕ ПРЕПОДАВАНИЯ КРИМИНОЛОГИИ: СТУДЕНЧЕСКИЙ ОПЫТ– 4 117 KB
  Основными участниками игры, как Вы поняли, стали три команды — «соперницы» (с одной стороны, бюджетное отделение, с другой стороны, коммерческое отделение, представленное в этом году сразу двумя командами). Были проведены многочисленные репетиции.
79624. ИСТОРИЧЕСКИЕ И СОЦИАЛЬНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗУЧЕНИЯ ПРЕСТУПНОСТИ КРУПНОГО ГОРОДА ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ 161.5 KB
  Иркутская область являясь субъектом Российской федерации входит в состав Восточно-Сибирского района. Имея 22 города в том числе 5 городов с населением свыше 100 тысяч человек большое количество поселков городского типа и население численностью 28 млн.
79625. ЗАМЕТКИ О РАЗВИТИИ ПРЕДМЕТНЫХ ДЕЙСТВИЙ В РАННЕМ ДЕТСТВЕ 81 KB
  Исследованию психологических механизмов возникновения предметных действий у детей в истории детской психологии не очень повезло. Несмотря на чрезвычайную теоретическую и практическую значимость этой проблемы, ее изучение только начинается.
79626. К ПРОБЛЕМЕ ПЕРИОДИЗАЦИИ ПСИХИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ В ДЕТСКОМ ВОЗРАСТЕ 167 KB
  Проблема периодизации психического развития в детском возрасте является фундаментальной проблемой детской психологии. Ее разработка имеет важное теоретическое значение поскольку через определение периодов психического развития и через выявление закономерностей переходов от одного периода...