4. Nelineární rovnice o jedné neznámé praktické příklady. jaro 2012



Podobné dokumenty
Nerovnice s absolutní hodnotou

(a) = (a) = 0. x (a) > 0 a 2 ( pak funkce má v bodě a ostré lokální maximum, resp. ostré lokální minimum. Pokud je. x 2 (a) 2 y (a) f.

2.8.9 Parametrické rovnice a nerovnice s absolutní hodnotou

Tvorba trendové funkce a extrapolace pro roční časové řady

Kapitola 7: Integrál. 1/14

3.2.4 Podobnost trojúhelníků II

( ) Neúplné kvadratické rovnice. Předpoklady:

Kvadratické rovnice pro učební obory

INŽENÝRSKÁ MATEMATIKA LOKÁLNÍ EXTRÉMY

2.7.2 Mocninné funkce se záporným celým mocnitelem

( ) ( ) ( ) 2 ( ) Rovnice s neznámou pod odmocninou II. Předpoklady: 2715

1.3.1 Kruhový pohyb. Předpoklady: 1105

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Kvadratické rovnice pro studijní obory

3. Souřadnicové výpočty

Dopravní úloha. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie FEM UO Brno

( ) Kreslení grafů funkcí metodou dělení definičního oboru I. Předpoklady: 2401, 2208

= musíme dát pozor na: jmenovatel 2a, zda je a = 0 výraz pod odmocninou, zda je > 0, < 0, = 0 (pak je jediný kořen)

4.6.6 Složený sériový RLC obvod střídavého proudu

Asymptoty grafu funkce

M - Rovnice - lineární a s absolutní hodnotou

Číselné soustavy Ing. M. Kotlíková, Ing. A. Netrvalová Strana 1 (celkem 7) Číselné soustavy

1.1.1 Kvadratické rovnice (dosazení do vzorce) I

9.2.5 Sčítání pravděpodobností I

Praktikum II Elektřina a magnetismus

Úlohy 22. ročníku Mezinárodní fyzikální olympiády - Havana, Cuba

Pingpongový míček. Petr Školník, Michal Menkina. TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

KVADRATICKÉ ROVNICE A NEROVNICE (včetně řešení v C)

UŽITÍ DERIVACÍ, PRŮBĚH FUNKCE

1 Průběh funkce. Pomůcka pro cvičení: 1. semestr Bc studia Průběh funkce - ruční výpočet

Téma 10: Podnikový zisk a dividendová politika

Učební dokument FUNKCE. Vyšetřování průběhu funkce. Mgr. Petra MIHULOVÁ. 4.roč.

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Dualita v úlohách LP Ekonomická interpretace duální úlohy. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie FEM UO Brno

Řešení: ( x = (1 + 2t, 2 5t, 2 + 3t, t); X = [1, 2, 2, 0] + t(2, 5, 3, 1), přímka v E 4 ; (1, 2, 2, 0), 0, 9 )

E-ZAK. metody hodnocení nabídek. verze dokumentu: QCM, s.r.o.

Jemný úvod do numerických metod

Matematická analýza III.

SPOLEHLIVOST KONSTRUKCÍ & TEORIE SPOLEHLIVOSTI část 2: Statistika a pravděpodobnost

IMPORT A EXPORT MODULŮ V PROSTŘEDÍ MOODLE

Kvantové počítače algoritmy (RSA a faktorizace čísla)

2.7.1 Mocninné funkce s přirozeným mocnitelem

Téma 8. Řešené příklady

NELINEÁRNÍ ROVNICE. Numerické metody, kterými se budeme zabývat jsou založeny na iteračních principech.

1. Kruh, kružnice. Mezi poloměrem a průměrem kružnice platí vztah : d = 2. r. Zapíšeme k ( S ; r ) Čteme kružnice k je určena středem S a poloměrem r.

STEREOMETRIE. Vzdálenost bodu od přímky. Mgr. Jakub Němec. VY_32_INOVACE_M3r0113

KONSTRUKČNÍ ÚLOHY ŘEŠENÉ UŽITÍM MNOŽIN BODŮ

Semestrální práce NÁVRH ÚZKOPÁSMOVÉHO ZESILOVAČE. Daniel Tureček zadání číslo 18 cvičení: sudý týden 14:30

Šablona pro zadávání otázek pro přijímací řízení pro akademický rok 2008/2009

{ } Kombinace II. Předpoklady: =. Vypiš všechny dvoučlenné kombinace sestavené z těchto pěti prvků. Urči počet kombinací pomocí vzorce.

Lokální a globální extrémy funkcí jedné reálné proměnné

Klientský formát POHLEDÁVKY platný od

Řešení: a) Označme f hustotu a F distribuční funkci náhodné veličiny X. Obdobně označme g hustotu a G distribuční funkci náhodné veličiny Y.

Kapitola I - Množiny bodů daných vlastností I.a Co je množinou všech bodů v rovině, které mají od daných dvou různých bodů stejnou vzdálenost? I.

Bezpečnostní úschovné objekty

a) Slovní úlohy o směsích b) Slovní úlohy o pohybu c) Slovní úlohy o společné práci

LABORATORNÍ CVIČENÍ Elektrotechnika a elektronika

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Poznámky k verzi. Scania Diagnos & Programmer 3, verze 2.27

Vzdělávací oblast: Matematika a její aplikace. Obor vzdělávací oblasti: Seminář z matematiky. Ročník: 7. Poznámky

PROCESNÍ INŽENÝRSTVÍ cvičení 4

Numerické metody a programování. Lekce 7

Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

7. DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCÍ DVOU PROMĚNNÝCH Definiční oblasti Úlohy k samostatnému řešení... 83

Rovnice s neznámou pod odmocninou a parametrem

Funkce více proměnných

Obsah. x y = 1 + x y = 3x y = 2(x2 x + 1) (x 1) x 3. y = x2 + 1 x y =

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Numerické metody jednorozměrné minimalizace

65. ročník matematické olympiády Řešení úloh klauzurní části školního kola kategorie B

PROCESY V TECHNICE BUDOV 3

Definice z = f(x,y) vázané podmínkou g(x,y) = 0 jsou z geometrického hlediska lokálními extrémy prostorové křivky k, Obr Obr. 6.2.

Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

Soustavy lineárních rovnic

INMED Klasifikační systém DRG 2014

Motivace, zvyšování energie lidstva a smysl života

Maturitní okruhy z matematiky školní rok 2007/2008

Svobodná chebská škola, základní škola a gymnázium s.r.o. pochopení pojmů a výpočtů objemů a obvodů

IS BENEFIT7 POKYNY PRO VYPLNĚNÍ ZJEDNODUŠENÉ ŽÁDOSTI O PLATBU EX-ANTE ZÁLOŽKA ŽÁDOST O PLATBU

Matice a maticová algebra, soustavy lineárních rovnic, kořeny polynomu a soustava nelin.rovnic

Cenový a hodnotový počet 2

VYTÁPĚNÍ - cvičení č.2 Výpočet potřeby tepla a paliva Denostupňová metoda

Využití EduBase ve výuce 2

1 Typografie. 1.1 Rozpal verzálek. Typografie je organizace písma v ploše.

KIV/ZI Základy informatiky. MS Excel maticové funkce a souhrny

Paradigmata programování 1


Výsledky testování školy. Druhá celoplošná generální zkouška ověřování výsledků žáků na úrovni 5. a 9. ročníků základní školy. Školní rok 2012/2013

Dovednosti/Schopnosti. - samostatně vyhledává postupy stanovení totožnosti a čistoty kyseliny vinné v ČL. Chemikálie:

Jaké jsou důsledky použití kulového ventilu jako regulačního ventilu?

Internetová agentura. Předimplementační analýza webu

Matematika 9. ročník

UŽITÍ DERIVACÍ, PRŮBĚH FUNKCE

Zvyšování kvality výuky technických oborů

MONOTÓNNOST FUNKCE. Nechť je funkce f spojitá v intervalu I a nechť v každém vnitřním bodě tohoto intervalu existuje derivace f ( x)

JAK BY SJEDNOCENÍ DPH NA 17.5% DOPADLO

ALGEBRA LINEÁRNÍ, KVADRATICKÉ ROVNICE

Výukový materiál zpracovaný v rámci projektu EU peníze školám

DUM 11 téma: Nástroje pro transformaci obrázku

Základy. analýzy hlavních komponent a multivariačních regresních metod pro spektrální analýzu

ax + b = 0, kde a, b R, přímky y = ax + b s osou x (jeden, nekonečně mnoho, žádný viz obr. 1.1 a, b, c). Obr. 1.1 a Obr. 1.1 b Obr. 1.

Transkript:

1/22 4. Nelineární rovnice o jedné neznámé praktické příklady Aleš Křenek jaro 2012

2/22 K sestavení kluzného ložiska uložení ocelové mostní konstrukce je třeba na místě zasunout čep o vnějším průměru 313 mm do náboje o stejném vnitřním průměru. Sestavení probíhá s podchlazeným čepem, díky tepelné roztažnosti materiálu je menší a ložisko lze sestavit. Bezpečné zmenšení průměru je 0.37 mm. Na jakou teplotu je třeba čep podchladit, předpokládáme-li teplotu prostředí 20 C?

3/22 koeficient tepelné roztažnosti oceli α závisí na teplotě výpočet tedy není zcela triviální v rozmezí ±200 C je poměrně přesně vyjádřen funkcí α(t ) = at 2 + bt + C kde a = 8.27 10 11, b = 2.21 10 8, c = 1.17 10 5 koeficienty získány regresí (proložením křivky) experimentálních dat metodu regrese budeme probírat později

4/22 poloměr po zchlazení počítáme pro T 0 r x = r 0 (1 T α(t 0 ))(1 T α(t 0 T ))... = r 0 (1 T α(t 0 ) T α(t 0 T ) + ( T ) 2 α(t 0 )α(t 0 T ))... vedlo by na netriviální diferenciální rovnici protože α(t ) 1, T 1, lze nelineární členy zanedbat dostáváme zjednodušení r x = r 0 (1 ˆα(T x )) kde ˆα(T x ) = a budeme řešit rovnici ˆα(T x ) = r 0 r x r 0 T0 T x α(t )dt

5/22 řešená funkce f (T x ) = ˆα(T x ) r [ 0 r x a = r 0 3 T 3 + b ] T0 2 T 2 + ct r 0 r x T x r 0 potřebujeme = a 3 (T 3 0 T 3 x) + b 2 (T 2 0 T 2 x) + c(t 0 T x ) r 0 r x r 0 separaci správného kořene zvolit vhodnou numerickou metodu

5/22 řešená funkce f (T x ) = ˆα(T x ) r [ 0 r x a = r 0 3 T 3 + b ] T0 2 T 2 + ct r 0 r x T x r 0 potřebujeme = a 3 (T 3 0 T 3 x) + b 2 (T 2 0 T 2 x) + c(t 0 T x ) r 0 r x r 0 separaci správného kořene zvolit vhodnou numerickou metodu koeficient u T 3 x je kladný (a bylo záporné) pro T x také f (T x ) pro T x také f (T x )

6/22 derivace řešené funkce f (T x ) = at 2 x bt x c f (T x ) má jedno lokální minimum a jedno maximum v bodech, kde f (T x ) = 0 numericky stabilní výpočet? druhá přednáška ;-) b = 2.21 10 8, D = 6.60 10 8 je OK při nepřesném určení by mohla Newtonova metoda zabloudit, viz dále vypočtené extrémy T 1 = 265.544 f (T 1 ) = 0.000867609 T 2 = 532.775 f (T 2 ) = 0.00614507

7/22 dva nesmyslné kořeny T < T 1 a T + > T 2 nemají fyzikální význam T + čep se při vysokých teplotách začne smršt ovat T při nízkých teplotách se začne znovu roztahovat obojí důsledkem aplikace regresní křivky mimo rozsah hodnot, ze kterých byla určena skutečný kořen v intervalu [T 1, T 2 ] funkce je spojitá, kořen je právě jeden dokonalá separace umíme jednoduše počítat derivaci navíc je na (T 1, T 2 ) derivace nenulová Newtonova metoda je ideální

8/22 numerická stabilita výpočtu f (T ) a f (T ) rozsah T řádově ve stovkách členy polynomu v řádech 10 5 10 2 raději použijeme typ double potenciální problém Newtonovy metody f (T ) 0 nenastane díky známým vlastnostem funkce

9/22 Průběh výpočtu funkcí rtnewt požadovaná absolutní přesnost 10 3 nemá smysl více, vstupní data (koeficienty a, b, c) jsou méně přesné a jak budeme při stavbě mostu chladit čep na takhle přesnou teplotu? T f(t) f (T) 133.615-0.00263873-1.31765e-05-66.6454-0.000221398-9.85981e-06-89.1-8.66255e-06-9.07435e-06-90.0546-1.68088e-08-9.03911e-06-90.0564-6.3964e-14-9.03904e-06 v následujícím kroku už bylo dosaženo požadované přesnosti výsledek je -90.056 C

10/22 Artisté připravují nové vystoupení. Na začátku se jeden z nich zachytí rukama i nohama v kruhové konstrukci o průměru 180 cm a další konstrukci vykoulí na plošinu. Je třeba, aby se na konci tohoto pohybu původně nejvyšší bod kruhové konstrukce dotýkal plošiny a byl ve stejné výšce jako na začátku. Jaká je potřebná délka a sklon plošiny?

11/22 β R α β Rα

12/22 označíme R poloměr kruhu α úhel otočení kruhu (v radiánech) β úhel naklonění plošiny délka pohybu kruhu po plošině je Rα z naznačeného čtyřúhelníku odečteme α + β = π (další dva úhly jsou pravé) tan β 2 = R Rα z toho vyplývá řešená rovnice tan β 2 = 1 π β tedy f (β) = (π β) tan β 2 1 = 0

13/22 separace kořene β je ostrý úhel, tj. β (0, π 2 ) řešení je právě jedno z geometrické podstaty problému formulací rovnic jsme nepřidali falešný kořen dáme si práci s exaktním důkazem nebo to rovnou zkusíme pro jistotu ověříme f (0) = 1 f (π/2) = 0.5707963 numericky nebezpečná by byla až oblast β π vedla by na součin typu 0 pohybujeme se v bezpečné vzdálenosti budeme předstírat, že neumíme spočítat derivaci ukážeme metodu sečen, Riddersovu, a Brentovu

14/22 Metoda sečen, požadovaná absolutní přesnost 10 4... n beta f(beta) 1 +0.0000000-1.0000000 2 +1.5707963 +0.5707963 3 +0.7853982-0.0240323 4 +1.1780972 +0.3119657 5 +0.9817477 +0.1544612 6 +0.8835729 +0.0679638 7 +0.8344855 +0.0226702 8 +0.8099419-0.0005027 9 +0.8222137 +0.0111281 15 +0.8105171 +0.0000445 16 +0.8104212-0.0000467 počínaje třetím krokem výpočet vždy ve středu intervalu pomalá konvergence

15/22 Riddersova metoda, požadovaná absolutní přesnost 10 4 n beta f(beta) 1 +0.0000000-1.0000000 2 +1.5707963 +0.5707963 3 +0.7853982-0.0240323 4 +0.8103685-0.0000968 5 +1.1905824 +0.3213144 6 +0.8104702-0.0000001 7 +1.0005263 +0.1704016 (8) +0.8104702 4. první iterační výpočet 5. půlení intervalu mezi 2. a 4. 6. další iterace 7. půlení mezi 5. a 6. 8. výsledek, už je v toleranci

16/22 Brentova metoda, požadovaná absolutní přesnost 10 4 n beta f(beta) 1 +0.0000000-1.0000000 2 +1.5707963 +0.5707963 3 +1.0000000 +0.1699574 4 +0.7931377-0.0165737 5 +0.8115179 +0.0009960 6 +0.8104759 +0.0000054 7 +0.8104259-0.0000422 (8) +0.8104759 počítá primárním způsobem, nedošlo na bezpečné půlení intervalů srovnatelně rychlá konvergence s Riddersem při větší požadované přesnosti se liší ± o jeden krok

17/22 všechny metody se v rámci požadované tolerance shodují rychlost konvergence dle očekávání zdvojnásobení požadované přesnosti zdvojnásobí počet kroků půlení intervalů Riddersova metoda naroste ze 7 na 9 Brentova dokonce jen ze 7 na 8 lepší výsledky než teoretická rychlost konvergence 2

18/22 délka pohybu po plošině je Rα = R(π β) = 2.098 zbývá spočítat část plošiny od země k bodu dotyku tan π β 2 = R l tedy l = R tan((π β)/2) = 0.3861 nehrozí významné numerické nepřesnosti celková délka plošiny je 2.484 m, sklon 46.44

19/22 Americká garážová firma zahajuje montáž počítačů. Kolik jich musí v prvním roce prodat, aby byla zisková?

19/22 Americká garážová firma zahajuje montáž počítačů. Kolik jich musí v prvním roce prodat, aby byla zisková? uvažované náklady fixní jednorázové (pořízení vybavení): $20000 fixní roční (nájem, web,... ): $15000 variabilní (komponenty, hodinová sazba práce,... ): $625n semivariabilní (náročnější logistika atd.) $30n 1.5 předpokládané příjmy prodej počítačů: $1500n slevy (množstevní, VIP zákazníci,... ): $10n 1.5

20/22 řešená rovnice f (n) = T C(n) T S(n) = 35000 875n + 40n 1.5 = 0 první dva členy lineární funkce prochází bodem (0,35000) osu x protíná v 35000/875 = 40 člen 40n 1.5 způsobí prohnutí nahoru posune kořen z bodu 40 dál přidá druhý kořen pro vyšší n zisku dosahujeme v oblasti mezi těmito kořeny

21/22 separace 1. kořene podle předchozí úvahy f (40) > 0, skutečná hodnota 10119 zkusíme f (80) = 6378, vyhovuje separace 2. kořene předchozí f (80) = 6378 hrubý odhad zanedbáním absolutního člene 875n + 40n 1.5 = 0 tedy n = zkusíme f (500) = 44713, vyhovuje numerická stabilita v dané separaci kořenů ( ) 875 2 = 478.51 40 součty/rozdíly čísel s minimálním řádovým rozdílem reálně nás zajímá přesnost na jednotky žádný potenciální problém

22/22 vypočtené kořeny 62.7 a 384.0 výsledky v požadované přesnosti shodné všemi metodami chování jednotlivých metod (počty iterací) přesnost 10 1 10 4 kořen 1 2 1 2 půlení 11 15 21 25 Ridders 5 9 7 11 Brent 5 9 7 10 umělá přesnost 10 4 zdvojnásobení počtu platných číslic dokládá očekávanou rychlost konvergence lineární pro půlení intervalů 2 pro ostatní metody