Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Математическое программное обеспечение
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 571
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-102366-2
Артикул: 626735.01.99
В учебном пособии изложены базовые разделы математики для бакалавров, ориен- тированных на изучение и моделирование социально-экономических процессов. В каче-стве среды изложения используется пакет прикладных программ MATLAB. Курс включа-ет 22 семинарских занятия, которые приготовлены в самодостаточной форме, т.е. они включают как теоретическую, так и практическую составляющие в изложении материала. Весь курс можно поделить на три части. Первая часть называется “Линейная алгебра и геометрия” (семинары №1 — №8). Во второй части курса излагаются основы “Математи-ческого анализа” (семинары №9 — №14). Наконец, третья часть курса посвящена знаком-ству с основами “Теории вероятностей” (семинары №15 — №22). В папке “Приложение к учебному пособию “Плохотников К.Э. Базовые разделы математики в среде MATLAB” сосредоточены 282 MATLAB-файла учебных программ, разнесенных по 22- м папкам семинарских занятий. Данную папку можно скачать с сайта издательства. Коды всех программ представлены также в текстах семинарских занятий. Особенностью курса является активное использование изобразительных и вычислитель-ных возможностей пакета MATLAB в целях овладения студентами навыками решения различного рода математических задач. Данный курс лекций ориентирован на бакалавров, в перечень обучения которых входит дисциплина “Математика”. Он также может оказаться полезным для магистров, желающих расширить свои знания по линейной алгебре и геометрии, математическому анализу и теории вероятностей, опираясь на пакет прикладных программ MATLAB.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
К. Э. Плохотников Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB Учебное пособие Москва Инфра-М; Вузовский Учебник 2014
К. Э. Плохотников Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB Москва Инфра-М; Вузовский Учебник; Znanium.com 2014
Плохотников К. Э. Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB / К. Э. Плохотников. – М.: Инфра-М; Вузовский Учебник; Znanium.com, 2014. – 571 с. ISBN 978-5-16-102366-2 (online) В учебном пособии изложены базовые разделы математики для бакалавров, ориентированных на изучение и моделирование социально-экономических процессов. В каче-стве среды изложения используется пакет прикладных программ MATLAB. Курс включа-ет 22 семинарских занятия, которые приготовлены в самодостаточной форме, т.е. они включают как теоретическую, так и практическую составляющие в изложении материала. Весь курс можно поделить на три части. Первая часть называется “Линейная алгебра и геометрия” (семинары №1 — №8). Во второй части курса излагаются основы “Математи-ческого анализа” (семинары №9 — №14). Наконец, третья часть курса посвящена знаком-ству с основами “Теории вероятностей” (семинары №15 — №22). В папке “Приложение к учебному пособию “Плохотников К.Э. Базовые разделы математики в среде MATLAB” сосредоточены 282 MATLAB-файла учебных программ, разнесенных по 22м папкам семинарских занятий. Данную папку можно скачать с сайта издательства. Коды всех программ представлены также в текстах семинарских занятий. Особенностью курса является активное использование изобразительных и вычислитель-ных возможностей пакета MATLAB в целях овладения студентами навыками решения различного рода математических задач. Данный курс лекций ориентирован на бакалавров, в перечень обучения которых входит дисциплина “Математика”. Он также может оказаться полезным для магистров, желающих расширить свои знания по линейной алгебре и геометрии, математическому анализу и теории вероятностей, опираясь на пакет прикладных программ MATLAB. ISBN 978-5-16-102366-2 (online) Плохотников К. Э., 2014
Плохотников К.Э. Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB — 3 — ОГЛАВЛЕНИЕ СЕМИНАР №1....................................................................................................... 8 АЛГЕБРА И ГЕОМЕТРИЯ: МАТРИЦЫ. ОПРЕДЕЛИТЕЛИ ..............................8 §1. Определение матриц...........................................................................................................8 §2. Операции над матрицами.................................................................................................12 §3. Определитель квадратной матрицы................................................................................18 §4. Свойства определителя ....................................................................................................22 §5. Дополнительные задачи ...................................................................................................25 СЕМИНАР №2..................................................................................................... 28 АЛГЕБРА И ГЕОМЕТРИЯ: ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА .....................................................28 §1. Линейные операции с векторами ....................................................................................28 §2. Координаты вектора .........................................................................................................32 §3. Скалярное произведение векторов..................................................................................34 §4. Вектор в трехмерном пространстве ................................................................................36 §5. Линейное векторное пространство .................................................................................37 §6. Линейная зависимость (независимость) векторов.........................................................40 §7. Ранг матрицы.....................................................................................................................43 §8. Дополнительные задачи ...................................................................................................45 СЕМИНАР №3..................................................................................................... 52 АЛГЕБРА И ГЕОМЕТРИЯ: ОБРАТНАЯ МАТРИЦА ......................................................52 §1. Обратная матрица .............................................................................................................52 §2. Теорема об обратной матрице .........................................................................................53 §3. Блочные (клеточные) матрицы........................................................................................59 §4. Способы нахождения обратной матрицы.......................................................................65 §5. Дополнительные задачи ...................................................................................................70 СЕМИНАР №4..................................................................................................... 75 АЛГЕБРА И ГЕОМЕТРИЯ: СИСТЕМА ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ.............................................................................................................................75 §1. Система линейных алгебраических уравнений .............................................................75 §2. Нахождение единственного решения .............................................................................76 §3. Нахождение решения с помощью блочной матрицы....................................................79 §4. Нахождение решения с помощью формул Крамера .....................................................81 §5. Общий подход к решению систем линейных уравнений .............................................84 §6. Дополнительные задачи ...................................................................................................93 СЕМИНАР №5..................................................................................................... 97 АЛГЕБРА И ГЕОМЕТРИЯ: СИСТЕМА ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ. II........................................................................................................................97 §1. Базисные решения системы уравнений ..........................................................................97 §2. Однородные системы уравнений ....................................................................................99 §3. Фундаментальные решения ...........................................................................................101
Плохотников К.Э. Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB — 4 — §4. Общее решение неоднородной системы уравнений ...................................................104 §5. Модель многоотраслевой экономики Леонтьева.........................................................106 §6. Размерность и базис векторного пространства............................................................111 §7. Дополнительные задачи .................................................................................................118 СЕМИНАР №6................................................................................................... 124 АЛГЕБРА И ГЕОМЕТРИЯ: ЛИНЕЙНЫЕ ПРОСТРАНСТВА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ..............................................................................................................124 §1. Линейные подпространства...........................................................................................124 §2. Евклидовы пространства................................................................................................130 §3. Ортонормированная система векторов.........................................................................132 §4. Линейные операторы......................................................................................................135 §5. Собственные векторы и значения линейного оператора............................................139 §6. Дополнительные задачи .................................................................................................145 СЕМИНАР №7................................................................................................... 151 АЛГЕБРА И ГЕОМЕТРИЯ: ЛИНИИ НА ПЛОСКОСТИ...............................................151 §1. Уравнение линии на плоскости.....................................................................................151 §2. Уравнение прямой ..........................................................................................................154 §3. Некоторые совместные свойства пары прямых...........................................................162 §4. Окружность и эллипс .....................................................................................................167 §5. Дополнительные задачи .................................................................................................171 СЕМИНАР №8................................................................................................... 176 АЛГЕБРА И ГЕОМЕТРИЯ: ЛИНИИ НА ПЛОСКОСТИ.II ..........................................176 §1. Гипербола ........................................................................................................................176 §2. Парабола ..........................................................................................................................185 §3. Кривые в полярной системе координат........................................................................188 §4. Иные поименованные кривые .......................................................................................192 §5. Дополнительные задачи .................................................................................................196 СЕМИНАР №9................................................................................................... 204 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ .........204 §1. Ретроспектива расширения множества используемых чисел ....................................204 §2. Вещественные числа.......................................................................................................209 §3. Предел последовательности ..........................................................................................213 §4. Предел монотонной последовательности.....................................................................217 §5. Операции с последовательностями...............................................................................220 §6. Дополнительные задачи .................................................................................................225 СЕМИНАР №10................................................................................................. 233 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: ФУНКЦИЯ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ ..................233 §1. Понятие функции............................................................................................................233 §2. Способы задания функции.............................................................................................238 §3. Элементарные функции .................................................................................................243 §4. Предел функции..............................................................................................................244
Плохотников К.Э. Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB — 5 — §5. Бесконечно малые и бесконечно большие функции ...................................................248 §5. Непрерывность функции в точке ..................................................................................251 §6. Дополнительные задачи .................................................................................................255 СЕМИНАР №11................................................................................................. 264 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: ПРОИЗВОДНАЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЛ...............264 §1. Определение производной.............................................................................................264 §2. Производные простейших функций .............................................................................266 §3. Дифференциал функции.................................................................................................268 §4. Геометрический смысл производной............................................................................271 §5. Физический смысл производной...................................................................................273 §6. Правила вычисления производных...............................................................................278 §7. Производная и дифференциал сложной функции.......................................................284 §8. Таблица производных основных функций...................................................................286 §9. Дополнительные задачи .................................................................................................286 СЕМИНАР №12................................................................................................. 293 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: ПРОИЗВОДНАЯ ФУНКЦИИ. II............................293 §1. Теорема Ферма................................................................................................................293 §2. Теоремы Ролля, Лагранжа и Коши о средних значениях ...........................................295 §3. Раскрытие неопределенностей по правилу Лопиталя.................................................301 §4. Формула Тейлора............................................................................................................307 §5. Примеры разложения с помощью формулы Тейлора .................................................310 §6. Использование формулы Тейлора для вычисления пределов....................................314 §7. Дополнительные задачи .................................................................................................316 СЕМИНАР №13................................................................................................. 325 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИЙ ОДНОГО ПЕРЕМЕННОГО..................................................................................................325 §1. Первообразная и неопределенный интеграл................................................................325 §2. Основные свойства неопределенного интеграла.........................................................327 §3. Интеграл и задача об определении площади ...............................................................331 §4. Различные способы интегрирования ............................................................................333 §5. Дополнительные задачи .................................................................................................343 СЕМИНАР №14................................................................................................. 347 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: ОПРЕДЕЛЕННЫЙ ИНТЕГРАЛ............................347 §1. Определение интеграла по Риману...............................................................................347 §2. Условия интегрируемости функций по Риману ..........................................................352 §3. Свойства определенного интеграла ..............................................................................354 §4. Методы вычисления определенного интеграла..........................................................359 §5. Геометрические и физические приложения определенного интеграла ....................363 §6. Дополнительные задачи .................................................................................................373 СЕМИНАР №15................................................................................................. 379 ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ: ВВЕДЕНИЕ.........................................................................379
Плохотников К.Э. Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB — 6 — §1. Определение теории вероятностей ...............................................................................379 §2. Решение некоторых показательных задач....................................................................380 §3. Событие. Вероятность события.....................................................................................392 §4. Непосредственный подсчет вероятности .....................................................................394 §5. Частота или статистическая вероятность события......................................................401 §6. Случайная величина .......................................................................................................403 §7. Геометрическая вероятность .........................................................................................404 §8. Принцип практической уверенности ............................................................................406 §9. Дополнительные задачи .................................................................................................409 СЕМИНАР №16................................................................................................. 418 ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ: ЭЛЕМЕНТЫ КОМБИНАТОРИКИ...............................418 §1. Определение комбинаторики.........................................................................................418 §2. Размещения, перестановки и сочетания .......................................................................418 §3. Биномиальное распределение........................................................................................425 §4. Идея метода проверки статистических гипотез...........................................................427 §5. Дополнительные задачи .................................................................................................430 СЕМИНАР №17................................................................................................. 433 ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ: ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕМЫ................................................433 §1. Смысл и назначение основных теорем теории вероятностей ....................................433 §2. Теорема сложения вероятностей...................................................................................439 §3. Теорема умножения вероятностей................................................................................449 §4. Формула полной вероятности........................................................................................458 §5. Теорема гипотез (формула Бейеса) ...............................................................................463 §6. Дополнительные задачи.................................................................................................467 СЕМИНАР №18................................................................................................. 473 ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ: ТЕОРЕТИКО-МНОЖЕСТВЕННАЯ ТРАКТОВКА............................................................................................................................473 §1. Пространство элементарных исходов...........................................................................473 §2. Соответствие теории множеств и теории вероятностей .............................................474 §3. Дополнительные задачи .................................................................................................487 СЕМИНАР №19................................................................................................. 490 ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ: СЕРИЯ ПОВТОРНЫХ ОПЫТОВ .................................490 §1. Основные определения, характерные для серии испытаний......................................490 §2. Локальная и интегральная предельные теоремы Муавра-Лапласа............................495 §3. Отклонение относительной частоты от постоянной вероятности.............................501 §4. Дополнительные задачи .................................................................................................506 СЕМИНАР №20................................................................................................. 509 ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ: ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН.................................................................................................................................509 §1. Ряд распределения. Многоугольник распределения...................................................509 §2. Функция распределения.................................................................................................514
Плохотников К.Э. Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB — 7 — §3. Вероятность попадания в заданный интервал .............................................................519 §4. Дополнительные задачи .................................................................................................522 СЕМИНАР №21................................................................................................. 527 ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ: ПЛОТНОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ СРЕДНЕГО СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН.............................................................................527 §1. Плотность распределения ..............................................................................................527 §2. Числовые характеристики случайных величин ...........................................................536 §3. Показатели средней величины ......................................................................................537 §3. Дополнительные задачи .................................................................................................546 СЕМИНАР №22................................................................................................. 552 ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ: МОМЕНТЫ. ДИСПЕРСИЯ. СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОЕ ОТКЛОНЕНИЕ...............................................................552 §1. Моменты..........................................................................................................................552 §2. Дисперсия. Среднеквадратическое отклонение...........................................................557 §3. Коэффициент асимметрии и эксцесс ............................................................................559 §4. Дополнительные задачи .................................................................................................569
Плохотников К.Э. Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB — 8 — Семинар №1 АЛГЕБРА И ГЕОМЕТРИЯ: МАТРИЦЫ. ОПРЕДЕЛИТЕЛИ Определяется понятие “матрицы”, а также основные операции с матрицами и над матрицами. Вводятся единичная и нулевая матрицы, понятие “определителя” квадратной матрицы. Формулируется теорема об определителе квадратной матрицы. Осуществляется знакомство с соответствующими средствами работы в пакете MATLAB с матрицами и вычислением определителей квадратных матриц. §1. Определение матриц В этом и последующих семинарах будут рассмотрены основные положения классической математической дисциплины — линейной алгебры. Изложение будет осуществляться параллельно: обычным способом, т.е. с изложением деталей вычислений, и с помощью такого пакета прикладных программ, как MATLAB1. Курс линейной алгебры является классическим разделом математики, излагаемым в вузах самой разной ориентации. Существует огромное количество учебников по курсу линейной алгебры2 разного уровня сложности, полноты изложения и различного рода специализации. Мы рассмотрим лишь некоторые разделы, которые наиболее важны для целей исследования и моделирования социально-экономических процессов. Матрица или таблица чисел прямоугольной формы занимает особую роль в знаковой деятельности человека. Человеку трудно изучать бесформенную совокупность чисел. На рис.1,а приведена пара совокупностей чисел, которые разбросаны случайно в прямоугольнике A и собраны в виде таблицы B на рис.1,б. Когда числа собраны в прямоугольную таблицу, то можно говорить о числе строк и столбцов. Так в таблице на рис.1,б — 3 строки и 2 столбца. В этом случае будем говорить, что таблица на рис.1,б имеет размер 32. Таблица чисел может быть и квадратная, например, 33, т.е. она тогда квадратная, когда у нее число строк и столбцов совпадает. Наконец, можно говорить о 1 Среда MATLAB для научных и технических математических вычислений изложена во множестве учебных пособий, среди них выделим: Мартынов Н.Н. Введение в MATLAB6. — М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2002. 352с.; Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5+Simulink4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. — М.: СОЛОН-Пресс, 2002. 768с.; Плохотников К.Э., Волков Б.И., Задорожный С.С., Антонюк В.А., Терентьев Е.Н., Белинский А.В. Методы разработки курсовых работ. Моделирование, вычисления, программирование на С/С++ и MATLAB, виртуализация, образцы лучших студенческих курсовых работ: Учеб. пособие/ Под ред. К.Э. Плохотникова. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006. 320с.; Плохотников К.Э. Вычислительные методы. Учебное пособие для вузов. — 2-е изд., испр. — М.: Горячая линия — Телеком, 2013. 496с. 2 Ильин В.А., Позняк Э.Г. Линейная алгебра: Учеб.: Для вузов. — 6-н изд. стер. — М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2005. — 280с.; Воеводин В.В. Линейная алгебра. — М.: Наука, 1980. — 400с.; Гельфанд И.М. Лекции по линейной алгебре. — М.: Добросвет, Московский центр непрерывного математического образования, 1998. — 320с.; Малугин В.А. Математика для экономистов: Линейная алгебра. Курс лекций. — М.: Эксмо, 2006. — 224с.; Солодовников А.С., Бабайцев В.А., Браилов А.В. Математика в экономике: Учебник: в 2-х. ч. Ч.1 — М.: Финансы и статистика, 2000. — 224с.; Солодовников А.С., Бабайцев В.А., Браилов А.В. Математика в экономике: Учебник: в 2-х. ч. Ч.2 — М.: Финансы и статистика, 2000. — 376с.
Плохотников К.Э. Базовые разделы математики для бакалавров в среде MATLAB — 9 — самой простейшей матрице, которая состоит из одной строки и одного столбца, т.е. о матрице 11 — это просто одно число. 5,1 2 5,2 3 2 1 B Рис.1,а. Бесформенная совокупность некоторого числа чисел Рис.1,б. Числа собраны в виде сово купности прямоугольной формы Ниже приведен пример статистики3 с данными по числу самоубийств и количеству потребляемого алкоголя в РФ в течение ряда лет. Определение такой таблицы уже подразумевает изучение вопроса: как связаны друг с другом количество потребляемого алкоголя с числом самоубийств в РФ? Год Алкоголь (млн. дкл) Самоубийства (тыс. чел.) 1970 101,0 38,9 1975 122,0 44,8 1980 137,0 47,9 1985 109,0 44,6 1990 78,8 39,2 1995 60,8 61,0 1996 39,3 57,8 1997 46,0 55,0 1998 50,0 51,8 1999 73,4 57,3 2000 74,4 56,9 2001 83,5 57,3 2002 90,4 55,3 2003 91,5 51,7 2004 95,9 49,4 В общем случае прямоугольную матрицу A можно определить двумя целыми числами: числом строк — n (n 1) и числом столбцов — m (m 1). Число строк и столбцов или порядок матрицы, или габариты матрицы можно представить в виде: A = A(nm). Сами матрицы будем обозначать заглавными латинскими буквами A, B, …, а их элементы — строчными, например, a11, a12,…an,m; b11, b12,…, bn,m, … Элементы матриц могут быть самыми разнообразными числами: целыми, вещественными, комплексными или иными объ 3 Российский статистический ежегодник. 2005: Стат. сб./Росстат. — М.:, 2006. 819с. A 1 2 3 2,5 2 1,5