IMPORTANCE OF 3D ANIMATIONS IN MATHEMATICS II EDUCATION FOR STUDENTS OF SECURITY TECHNOLOGIES STUDY FIELD AT TBU IN ZLÍN

Podobné dokumenty
MODELLING OF GRAPHS OF FUNCTIONS IN INTEGRAL CALCULUS TAUGHT IN FIRST TERM AT FAI OF THE TBU IN ZLÍN

Gymnázium, Brno, Slovanské nám. 7 WORKBOOK. Mathematics. Teacher: Student:

Výuka odborného předmětu z elektrotechniky na SPŠ Strojní a Elektrotechnické

Gymnázium, Brno, Slovanské nám. 7, SCHEME OF WORK Mathematics SCHEME OF WORK. cz

Karta předmětu prezenční studium

Název školy STŘEDNÍ ODBORNÁ ŠKOLA a STŘEDNÍ ODBORNÉ UČILIŠTĚ, Česká Lípa, 28. října 2707, příspěvková organizace

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

Introduction to MS Dynamics NAV

WORKSHEET 1: LINEAR EQUATION 1

GUIDELINES FOR CONNECTION TO FTP SERVER TO TRANSFER PRINTING DATA

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

USING VIDEO IN PRE-SET AND IN-SET TEACHER TRAINING

VŠEOBECNÁ TÉMATA PRO SOU Mgr. Dita Hejlová

Compression of a Dictionary

The Over-Head Cam (OHC) Valve Train Computer Model

CZ.1.07/1.5.00/

Czech Republic. EDUCAnet. Střední odborná škola Pardubice, s.r.o.

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Počítačové kognitivní technologie ve výuce geometrie

Digitální učební materiály

Aplikace matematiky. Dana Lauerová A note to the theory of periodic solutions of a parabolic equation

Litosil - application

Právní formy podnikání v ČR

Transportation Problem

CHAIN TRANSMISSIONS AND WHEELS

SSOS_AJ_3.17 Czech education

Vzdálené řízení modelu připojeného k programovatelnému automatu

Recognized Cambridge English Certificates by universities in the Czech republic

VYSOKÁ ŠKOLA HOTELOVÁ V PRAZE 8, SPOL. S R. O.

Název školy STŘEDNÍ ODBORNÁ ŠKOLA a STŘEDNÍ ODBORNÉ UČILIŠTĚ, Česká Lípa, 28. října 2707, příspěvková organizace

TKGA3. Pera a klíny. Projekt "Podpora výuky v cizích jazycích na SPŠT"

STŘEDNÍ ODBORNÁ ŠKOLA a STŘEDNÍ ODBORNÉ UČILIŠTĚ, Česká Lípa, 28. října 2707, příspěvková organizace

Třída: VI. A6 Mgr. Pavla Hamříková VI. B6 RNDr. Karel Pohaněl Schváleno předmětovou komisí dne: Podpis: Šárka Richterková v. r.

Just write down your most recent and important education. Remember that sometimes less is more some people may be considered overqualified.

Návrh a implementace algoritmů pro adaptivní řízení průmyslových robotů

Základní škola Marjánka

Air Quality Improvement Plans 2019 update Analytical part. Ondřej Vlček, Jana Ďoubalová, Zdeňka Chromcová, Hana Škáchová

místo, kde se rodí nápady

The Czech education system, school

Název projektu: Multimédia na Ukrajinské

On large rigid sets of monounary algebras. D. Jakubíková-Studenovská P. J. Šafárik University, Košice, Slovakia

POROVNÁNÍ NĚKTERÝCH SW PRO ZOBRAZENÍ GRAFU FUNKCE DVOU PROMĚNNÝCH

TELEGYNEKOLOGIE TELEGYNECOLOGY

Jiří DOSTÁL Univerzita Palackého v Olomouci, Pedagogická fakulta, KTEIV. Interaktivní tabule ve vzdělávání

Výuka programování v jazyce Python

CARBONACEOUS PARTICLES IN THE AIR MORAVIAN-SILESIAN REGION

Vliv metody vyšetřování tvaru brusného kotouče na výslednou přesnost obrobku

User manual SŘHV Online WEB interface for CUSTOMERS June 2017 version 14 VÍTKOVICE STEEL, a.s. vitkovicesteel.com

USER'S MANUAL FAN MOTOR DRIVER FMD-02

VYUŽITÍ SOFTWARU MATHEMATICA VE VÝUCE PŘEDMĚTU MATEMATIKA V EKONOMII 1

Moderní technologie dokončování velmi přesných děr vystržováním a její vliv na užitné vlastnosti výrobků

Transformers. Produkt: Zavádění cizojazyčné terminologie do výuky odborných předmětů a do laboratorních cvičení

Martin Vrbka 0/14. Institute of Machine and Industrial Design Faculty of Mechanical Engineering Brno University of Technology

Database systems. Normal forms

Využití hybridní metody vícekriteriálního rozhodování za nejistoty. Michal Koláček, Markéta Matulová

Návrh ideální struktury a funkce krajské knihovny Bakalářská práce

DC circuits with a single source

FUNKCE DVOU PROMĚNNÝCH VE 3D NÁHLEDU

EXACT DS OFFICE. The best lens for office work

AJ 3_16_Prague.notebook. December 20, úvodní strana

SSOS_AJ_3.18 British education

VY_32_INOVACE_06_Předpřítomný čas_03. Škola: Základní škola Slušovice, okres Zlín, příspěvková organizace

ČÍSLICOVÁ TECHNIKA NOVÝM MODERNÍM ZPŮSOBEM

Systém celoživotního vzdělávání v rezortu Vězeňské služby České republiky

Kateřina Langová, Jana Zapletalová, Jiří Mazura Ústav lékařské biofyziky, Lékařská fakulta Univerzity Palackého v Olomouci

Angličtina v matematických softwarech 2 Vypracovala: Mgr. Bronislava Kreuzingerová

Digitální učební materiál


Univerzita Pardubice Fakulta filozofická. Franz Kafka: Pojetí systému v Proměně. Lukáš Vavrečka

PAINTING SCHEMES CATALOGUE 2012

Fourth School Year PISTON MACHINES AND PISTON COMPRESSORS

AIC ČESKÁ REPUBLIKA CZECH REPUBLIC

CZ.1.07/1.5.00/

Gymnázium a Střední odborná škola, Rokycany, Mládežníků 1115

PROSTOROVÉ ŘEŠENÍ APOLLONIOVÝCH ÚLOH POMOCÍ PROGRAMU CABRI 3D

Automatika na dávkování chemie automatic dosing

Czech Technical University in Prague DOCTORAL THESIS

PC/104, PC/104-Plus. 196 ept GmbH I Tel. +49 (0) / I Fax +49 (0) / I I

Karta předmětu prezenční studium

A Note on Generation of Sequences of Pseudorandom Numbers with Prescribed Autocorrelation Coefficients

Činnost Ústavu geodézie VUT Brno v katastru nemovitostí

Digitální učební materiál

Inovace řízení a plánování činností s ohledem na požadavky ISO 9001

WYSIWYG EDITOR PRO XML FORM

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

CZ.1.07/1.5.00/

Stojan pro vrtačku plošných spojů

These connections are divided into: a) with a form-contact b) with a force-contact

Why PRIME? 20 years of Erasmus Programme Over 2 million students in total Annually

Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ Název projektu: Inovace a individualizace výuky

STUDY EDITS FOR BETTER TRANSPORT IN THE CENTRE OF NÁCHOD

VYUŽITÍ PROGRAMU MAPLE VE VÝUCE MATEMATIKY NA ZF JU

CZ.1.07/1.5.00/

Tabulka 1 Stav členské základny SK Praga Vysočany k roku 2015 Tabulka 2 Výše členských příspěvků v SK Praga Vysočany Tabulka 3 Přehled finanční

GEOMETRICKÉ KONSTRUKCE V PŘÍPRAVĚ UČITELŮ MATEMATIKY

Rozvoj vzdělávání žáků karvinských základních škol v oblasti cizích jazyků Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.1.07/

Next line show use of paragraf symbol. It should be kept with the following number. Jak může státní zástupce věc odložit zmiňuje 159a.

14,35 - Standardizace portálové platformy MEFANET: den zúčtování s projektem OP VK

Dobrovolná bezdětnost v evropských zemích Estonsku, Polsku a ČR

ITICA. SAP Školení přehled Seznam kurzů

Transkript:

IMPORTANCE OF 3D ANIMATIONS IN MATHEMATICS II EDUCATION FOR STUDENTS OF SECURITY TECHNOLOGIES STUDY FIELD AT TBU IN ZLÍN FIALKA Miroslav URBANČOK Lukáš CHARVÁTOVÁ Hana, ČR Abstract Nowadays a large number of students, whose geometric imagination and knowledge are not at sufficient level, are coming to study at the universities with technical branches. One of the most important tasks in the teaching of mathematical subjects is therefore to use all the latest software tools to improve this situation in the teaching process. In the article we deal with the modelling of 3D graphics using computer algebraic system Wolfram Mathematica in extremal problems determining the maximum or minimum values of functions of two variables. In general, the extremal problems are considered to one of the most important and most often solved problems in the theory and engineering applications. Graphs of functions of two variables can be already very complicated, and therefore geometrically very indistinct. That is why we demonstrate the extremal problems in the teaching of Mathematics II. We chose two types of surfaces, which can occur, at first the local maximum and at second the saddle point. The first case is a generalization of local maximum and the second of the inflection point that students already know from teaching at secondary school. Key words: differential calculus of several variables, Czech technical norm, animations, software Wolfram Mathematica. DŮLEŽITOST 3D ANIMACÍ VE VÝUCE MATEMATIKY II PRO STUDENTY OBORU BEZPEČNOSTNÍ TECHNOLOGIE NA UTB VE ZLÍNĚ Resumé V současné době přichází na vysoké školy technického zaměření velký počet studentů, u nichž není geometrická představivost i znalosti na dostatečné úrovni. Proto mezi nejdůležitější úkoly ve výuce matematických předmětů patří využít rovněž všech nejnovějších softwarových prostředků, jak tento stav ve vyučovacím procesu zlepšit. V článku se zabýváme modelováním 3D grafiky pomocí systému počítačové algebry Wolfram Mathematica v extremální úloze o zjišťování maximálních nebo minimálních hodnot funkcí dvou proměnných. Problematika extremálních úloh je všeobecně považována za jednu z nejdůležitějších i nejčastěji řešených úloh v teorii i inženýrských aplikacích. Grafy funkcí už i dvou proměnných však mohou být velmi komplikované, a tedy geometricky velmi nepřehledné. Proto jsme pro demonstraci extremální úlohy ve výuce Matematiky II zvolili dva typy ploch, kdy u prvního nastává lokální maximum a u druhého se objeví sedlový bod. První případ je zobecněním lokálního maxima a druhý inflexního bodu, který již studenti znají z výuky na střední škole. Klíčová slova: diferenciální počet funkcí více proměnných, Česká technická norma, animace, software Wolfram Mathematica. 418

Introduction Content of the Mathematics II subject at the Faculty of Applied Informatics of the Tomas Bata University in Zlín, which we present in the article, is often taught at other universities in the second term. The same situation is at our faculty, where this subject is supported by two textbooks. (Fialka, 2008a; 2008b) The both textbooks contain mathematic signs and symbols which are in accordance with the valid Czech Technical Norm. (ČSN ISO 31-11, 1999) Note only that the standard is often not even respected by authors of secondary school textbooks. Mathematics II includes the differential calculus of functions of several variables with applications. Among others this subject contains the following sections and topics: Notes to affine spaces and vector algebra Notes to metric spaces Sets of points, first of all, in Euclidean spaces Introduction to differential calculus of several variables Differential calculus of several variables 1 Wolfram Mathematica in the teaching of mathematical subjects When we solve various mathematic problems or for example at modelling of the graphs of functions, we use the computer algebraic system Wolfram Mathematica at the Faculty of Applied Informatics of the Tomas Bata University in Zlín. Each of students, who attends one of the three from seven faculties of our university, obtains the licence for this software system. Mathematica is widely well-known program for technical and scientific calculations. It is one of the environments with implemented tools for numeric and symbolic mathematics. The program fully supports the drawing of three-dimensional graphics and documentation in a notebook. Mathematica notebook allows us to create the complete technical documentation, which consists of formatted text, sounds, images, animations, hyperlinks, mathematic expressions, graphics, etc. 2 Samples of the 3D animations from the multivariable differential calculus The main benefit of presented three-dimensional animations of our contribution is its efficient use in the teaching of several variables calculus to the graphic clarification of the concept of partial derivative, tangent plane, gradient, local extremum and saddle point of a function of two variables at a certain point. Figure 1: The first two phases of animation of tangent plane to the Gaussian hat 419

The previous figure on the left shows the tangent plane to the Gaussian surface. This surface plays the key role in the probability theory, mathematic statistics and applications. The tangent plane is parallel to the coordinate plane Oxy. Mathematically, this means that the gradient of the Gaussian function is the zero vector at the considered point, whereas that point is the orthogonal projection of the top of the hat. This is an analogy with the differential calculus of one variable, where the tangent to the graph of a function at a given point is parallel to the axis, which maps an independent variable. Each presented animation is represented by means of two figures which show two phases of corresponding animation in Mathematica environment. The figures show the location and shape of the tangent plane to the graph of the function at the point, whose coordinates can be changed. Figure 2: The second two phases of animation of tangent plane to the Gaussian hat Depending on the position of a point, the tangent plane continuously skids in the both animations. At the same time the values of the angular coefficients of the appropriate tangents are calculated at a specific point. The angular coefficients represent values of the partial derivatives with respect to the variable x and y, respectively. In case of animations of the Gaussian hat, saddle point and also in other cases of surfaces time-consuming calculations appear. This causes a significant slowdown of the displayed animations. For this reason, the software offers the possibility to reduce the quality of a displayed function, thereby the response speed of the program can be significantly increased. Figure 3: The first two phases of animation of tangent plane to the hyperbolic paraboloid 420

Figure 4: The second two phases of animation of tangent plane to the hyperbolic paraboloid The authors used a modification of the graphical output in this article, which was created as a part of the bachelor thesis manual. (Talaš, 2011) The head of this work was M. Fialka. Authors of this paper would like to thank the author of the above mentioned manual for this material. Conclusion Teachers of the universities know very well that the use of the latest technology and software tools in teaching is essential. It positively affects students' access to the studied subject matter. Extremal problem, which we discussed in this article, representatively shows the connection between extremal problem of single variable calculus and multivariable calculus. Co-author L. Urbančok as a second-year student has a personal experience with animation presented in that teaching, which he attended last year. He personally confirms that for him as well as for other students of the same study field both presented animations were convincing and informative. These showed very clearly that the parallelism of the tangent plane to the graph of surface to the coordinate plane Oxy is only the necessary condition for the existence of local extremum of the function of two variables. Here, the saddle point is a generalization of the inflection point, which is known from teaching of mathematics at secondary schools. It is a well-known analogy of the differential calculus of one variable. In addition, the Gaussian surface of the normal distribution is also of considerable importance in the security technology. Gaussian curve or Gaussian surface of the normal distribution is used for example in the case of typological approaches to identify the crime offender. Bibliography 1. ČSN ISO 31-11. Veličiny a jednotky - část 11: Matematické znaky a značky používané ve fyzikálních vědách a v technice. Praha: Český normalizační institut, 1999, 27 s. 2. FIALKA, Miloslav. Diferenciální počet funkcí více proměnných s aplikacemi. 3. vyd. Zlín: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, 2008a. 145 s. ISBN 978-80-7318-665-4. 421

3. FIALKA, Miloslav. Integrální počet funkcí více proměnných s aplikacemi. 3. vyd. Zlín: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, 2008b. 103 s. ISBN 978-80-7318-668-5. 4. TALAŠ, Stanislav. Inovace výuky předmětu Matematika II na FAI UTB ve Zlíně elektronickou podporou obsahující ukázky řešení v prostředí Mathematica. Příručka k bakalářské práci. Zlín: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, 2011. Assessed by: Ing. Bc. Bronislav Chramcov, Ph.D. Contact address: Miloslav Fialka, RNDr. CSc., Ústav matematiky, Fakulta aplikované informatiky UTB ve Zlíně, Nad Stráněmi 4511, 760 05 Zlín, ČR, tel. 00420 576 035 002, e-mail: fialka@fai.utb.cz Lukáš Urbančok, student, Obor Bezpečnostní technologie, Fakulta aplikované informatiky UTB ve Zlíně, Nad Stráněmi 4511, 760 05 Zlín, ČR, e-mail: l_urbancok@fai.utb.cz Hana Charvátová, Ing. Ph.D., Ústav automatizace a řídicí techniky, Fakulta aplikované informatiky UTB ve Zlíně, Nad Stráněmi 4511, 760 05 Zlín, ČR, tel. 00420 576 035 274, e-mail: charvatova@fai.utb.cz 422