Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Metodichka_po_Vysshey_Matematike_4_semestr

.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
28.05.2015
Размер:
777.55 Кб
Скачать

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

v(x, y ) = 4 y − 2x2 + 2 y 2 + 9x2 y − 3y3 .

Проверка условий Коши-Римана сводятся к проверке справедливости равенств

u =

v ,

v = −

u .

x

y

x

y

Т.к.

 

 

 

 

u = 4 + 4 y + 9x2 ,

v = 4 + 4 y + 9x2 ,

x

 

 

y

 

v = −4x + 18xy,

u = 4x − 18xy ,

x

 

 

y

 

то можно сделать вывод о выполнении условий Коши-Римана.

2.2. Для заданной функции v(x, y ) = 2x2 − 2 y 2 + x найти сопряженную функ-

цию u(x, y ) и функцию w = f (z ) при условии f (0) = 1.

Решение

Найдем частные производные от v(x, y ) по x и по y

 

 

v = 4x + 1,

v = −4 y .

 

 

x

 

y

В соответствии с условиями Коши-Римана

 

u =

v = −4 y,

u = − v = −4x − 1.

 

x

y

y

x

Т.к.

u = −4 y , то

 

 

 

 

x

 

 

 

u(x, y ) = (− 4 y)dx = −4xy + ϕ(y ),

где ϕ(y) − неизвестная пока функция y .

Т.к. u = −4x −1, то

y

u = (− 4xy + ϕ(y))y = −4x + ϕ′(y) = −4x − 1, ∂y

11

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

откуда следует, что ϕ′(y) = −1, при этом

j(y) = (-1)dy + C = -y + C ,

где C − произвольная действительная постоянная.

Таким образом

u(x, y) = −4xy y + C .

Искомая функция w = f (z)

w = f (z ) = u(x, y) + iv(x, y) = -4xy - y + C + i × (2x2 - 2 y 2 + x)= = 2i × (x2 - y 2 + 2ixy)+ i × (x + iy ) + C = 2iz 2 + iz + C .

Т.к. по условию f (0) = C = 1, то w = f (z ) = 2iz 2 + iz + 1.

Ответ: w = f (z ) = 2iz 2 + iz + 1.

2.3. С помощью операционного исчисления найти частное решение диф-

ференциального уравнения x¢¢ + 2x¢ + 2x = tet , соответствующее начальным условиям x(0) = 2, x(0) = −4 .

Решение

Используя свойства интегрального преобразования Лапласа, а также таблицу оригиналов и изображений, которая приведена в приложении, найдем изображения по Лапласу всех элементов данного уравнения:

L{te

t }=

1

 

; L{x(t )}= X ( p); L{x¢(t )}= pX (p) - x(0) = pX (p) - 2;

(p +

1)2

 

 

 

L{x¢¢(t )}= p2 X ( p) - px(0) - x¢(0) = p2 X (p) - 2 p + 4 .

Таким образом, изображение по Лапласу рассматриваемого дифференциального уравнения имеет вид:

 

 

 

 

1

 

 

 

p2 X ( p) - 2 p + 4 + 2[pX ( p)

- 2]+ 2 X ( p) =

 

;

 

 

( p +1)2

 

(p

2 + 2 p + 2)X (p) = 2 p +

1

 

=

2 p3 + 4 p2 + 2 p + 1

,

( p +

1)2

 

 

 

 

( p +1)2

 

 

12

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

откуда можно получить операторное решение уравнения

X (p) =

2 p3 + 4 p2 + 2 p + 1

( p + 1)2 (p2 + 2 p + 2).

Разложив операторное решение на простейшие дроби, получим

X (p) =

2 p3 + 4 p2 + 2 p +1

A

 

B

 

Cp + D

( p +1)2 (p2 + 2 p + 2)=

 

+

 

+

 

.

p + 1

( p +1)2

p2 + 2 p + 2

Найдем коэффициенты разложения по методу неопределенных коэффициентов;

A(p + 1)(p2 + 2 p + 2)+ B(p2 + 2 p + 2)+ (Cp + D)(p + 1)2 = 2 p3 + 4 p2 + 2 p + 1;

A(p3 + 3 p2 + 4 p + 2)+ B(p2 + 2 p + 2)+ Cp3 + 2Cp 2 + Dp2 + Cp + 2Dp + D = = 2 p3 + 4 p2 + 2 p +1;

(A + C )p3 + (3A + B + 2C + D)p2 + (4 A + 2B + C + 2D)p + 2 A + 2B + D =

= 2 p3 + 4 p2 + 2 p +1.

A + C = 2 C = 2 − A;

A + B + D = 0 D = -A - B;

 

 

 

4;

A = 0;

 

3A + B + 2C + D =

 

3A + 2B + 2D = 0 :

 

 

 

 

 

4 A + 2B + C + 2D = 2;

 

2 A + 2B + D =1;

A + B =

1;

 

 

 

 

 

2 A + 2B + D =1;

 

 

 

 

 

B = 1 D = −1 C = 2 .

Переписав операторное решение с учетом найденных коэффициентов, получим

X (p) =

1

+

2 p − 1

=

1

+ 2 ×

p + 1

- 3 ×

1

.

( p +1)2

p2 + 2 p + 2

(p + 1)2

(p + 1)2 + 1

(p + 1)2 + 1

Используя формулы перехода от изображения к оригиналу, получим (см. приложение):

−1

 

1

 

 

t

−1

 

 

p +1

 

−1

 

p + 1

 

 

 

t

 

L

 

 

 

= te

 

; L

2

×

 

 

= 2 × L

 

 

 

 

= 2e

 

cost ;

(p + 1)2

 

 

(p + 1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(p + 1)2 +1

 

 

+ 1

 

 

 

13

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

L−1

 

 

1

 

= -3 × L−1

 

1

 

 

= -3et sin t .

- 3

×

 

 

 

 

 

 

 

( p + 1)2

 

 

 

 

( p +1)2 + 1

 

 

+1

 

С учетом этого искомое частное решение уравнения может быть записано в виде

x(t ) = 2et cos t - 3et + tet = (2cost - 3sin t + t )et

Ответ: x(t ) = (2cos t - 3sin t + t )et .

2.4. С помощью операционного исчисления найти частное решение системы дифференциальных уравнений:

xɺ = 3x + y − 5;

yɺ = -2x + y +10,

соответствующее начальным условиям x(0) = 5, y(0) = −9 .

Решение.

Т.к. (см. приложение)

L{x(t )}= X (p), L{xɺ(t )}= pX ( p) x(0), L{y(t )}= Y ( p), L{yɺ(t )}= pY ( p) y(0),

L{1}= 1 , p

то изображение по Лапласу уравнений рассматриваемой системы при заданных начальных условиях имеет следующий вид:

 

pX ( p) - 5 = 3X ( p) + Y ( p) -

5

 

 

 

( p - 3)X ( p) - Y ( p) =

5 p - 5

 

 

 

;

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

p

 

 

p

 

 

 

10

 

 

 

 

 

pY (p) + 9 = -2 X (p) + Y ( p) +

;

2 X ( p) + ( p -1)Y ( p) = - 9 p +10 .

 

 

 

 

p

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для решения системы линейных алгебраических уравнений относительно X (p), Y ( p) воспользуемся формулами Крамера:

= p − 3 − 1 = p2 - 4 p + 5 ;

2

p -1

14

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

 

 

 

 

5 p − 5

 

 

− 1

 

5 p2

− 10 p

+ 5

 

 

− 9 p + 10

 

5 p2 − 19 p + 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

p

 

=

+

=

 

 

 

 

 

 

 

X

− 9 p + 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p − 1

 

 

p

 

 

 

 

 

 

p

 

p

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y =

 

p − 3

5 p

− 5

 

 

=

− 9 p2

+ 37 p

− 30

10 p − 10

=

− 9 p2 + 27 p − 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

− 9 p

+ 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

p

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X (p) =

X =

5 p2 − 19 p + 15

; Y (p)

=

− 9 p2 + 27 p − 20

 

 

 

p(p2 − 4 p + 5)

p(p2 − 4 p + 5)

.

Операторное решение системы с учетом его разложения на простейшие дроби имеет вид:

X (p) =

5 p2 − 19 p + 15 A

 

Bp + C

 

 

 

 

Ap2 − 4 Ap + 5A + Bp

2

+ Cp

 

 

p(p2 − 4 p + 5)

 

=

 

 

+

 

 

 

=

 

 

p(p2 − 4 p + 5)

 

=

 

p

 

p2 − 4 p + 5

 

 

 

 

 

 

 

=

(A + B)p2 + (− 4 A + C )p + 5A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p(p2 − 4 p + 5)

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A + B)p2 + (− 4 A + C )p + 5A = 5 p2 − 19 p + 15 ;

 

 

 

 

 

 

 

A + B

= 5;

 

 

 

 

3

+ B = 5;

B = 2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −19;

 

 

 

 

 

 

 

− 4 A + C

 

− 12

+ C = −19;

 

 

 

 

 

 

 

5A

= 15 A = 3;

 

 

C = −7;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y ( p) =

− 9 p2 + 27 p − 20 D

 

Ep + F

 

 

Dp2

− 4Dp + 5D + Ep

2 + Fp

 

 

p(p2 − 4 p + 5)

 

=

 

+

 

 

=

 

p(p2 − 4 p + 5)

 

 

=

 

 

p

p2 − 4 p + 5

 

 

 

= (D + E )p2(+ (− 4D + F))p + 5D ; p p2 − 4 p + 5

(D + E )p2 + (− 4D + F )p + 5D = −9 p2 + 27 p − 20 ;

 

D + E = −9;

− 4 + E = −9;

E = −5;

 

− 4D + F = 27;

 

 

 

 

 

5D = −20 D = −4;

 

16

+ F = 27;

F = 11.

 

 

 

 

 

 

С учетом найденных коэффициентов

15

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

 

X (p) =

3

+

 

 

 

2 p − 7

=

3

+ 2 ×

 

p − 2

 

- 3 ×

 

 

1

 

 

,

 

 

 

p2 - 4 p + 5

 

( p - 2)2 +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

( p - 2)2 + 1

Y ( p) = − 4 +

 

− 5 p + 11

= -

4

- 5 ×

p − 2

 

+

 

 

1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

p2 - 4 p + 5

 

 

p

 

 

( p - 2)2 +1

( p - 2)2 + 1

Т.к. (см. приложение)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

1

 

 

 

−1

 

p - 2

 

 

 

 

 

 

2t

 

 

−1

 

1

 

 

 

2t

 

 

 

L

 

 

 

=1, L

 

 

 

 

 

 

= e

 

 

cost, L

 

 

 

 

 

 

= e

 

sin t ,

 

 

- 2)2 +

 

 

 

 

 

- 2)2

 

 

 

p

 

 

 

 

( p

1

 

 

 

 

 

 

 

 

( p

+1

 

 

 

 

 

то

x(t ) = 3 + 2e2t cos t - 3e2t sin t = (2cos t - 3sin t )e2t + 3 , y(t ) = -4 - 5e2t cost + e2t sin t = (- 5cos t + sin t )e2t - 4 .

Ответ: x(t ) = (2cos t - 3sin t )e2t + 3, y(t ) = (- 5cos t + sin t )e2t - 4 .

3. Теория вероятностей

3.1. Бросаются две игральные кости. Найти вероятность того, что сумма выпавших очков не превосходит 8.

Решение.

Обозначим буквой A событие, вероятность которого нужно найти. A =” сумма выпавших очков равна 8”.

Вероятность P(A) этого события находится по классическому определе-

нию вероятностей

P(A) = M ,

N

где M − число исходов, благоприятствующих событию A ;

N − общее число исходов.

Т.к. в данном случае M = 5 ((6;2),(5;3),(4;4),(3;5),(2;6)), N = 36 , то

P(A) = 5 . 36

16

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

Ответ: P(A) = 5 . 36

3.2. Среди 9 лотерейных билетов 6 выигрышных. Наудачу взяли 3 билета. Найти вероятность того, что среди них 2 выигрышных.

Решение.

A = ” из 3 билетов 2 выигрышных”.

P(A) = M ,

N

где N − общее число способов выбрать из 9 билетов 3 билета;

M − число способов выбрать из 6 выигрышных билетов 2

выигрышных, а из 3 невыигрышных билетов – 1 билет.

При этом

P(A) =

C62 × C31

,

C93

 

 

где Cnm - число сочетаний из n различных элементов по m элементов

 

 

 

Cnm =

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

m!×(n

 

 

 

 

 

- m)!

Т.к.

 

 

 

 

 

 

 

 

C62 =

6!

 

=15, C31 =

3!

 

= 3, C93 =

9!

= 84 ,

 

 

 

2!×4!

 

1!×2!

3!×6!

то

P(A) = 15 × 3 = 15 . 84 28

Ответ: P(A) = 15 » 0,536. 28

3.3. Для 1-го стрелка вероятность попасть в мишень при одном выстреле равна 0,7, для 2-го – 0,8, а для 3-го – 0,6. Каждый стрелок сделал по одному выстрелу по мишени. Найти вероятность того, что в мишень попал: 1) только один стрелок; 2) хотя бы один стрелок.

17

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

Решение.

1). A = ” в мишень попал только один стрелок”; Ai = ” в мишень попал i − й

стрелок” (i = 1;2;3).

В данном случае попадает только один стрелок, а два других не попадают, т.е.

A = A1 A2 A3 + A1 A2 A3 + A1 A2 A3 .

В нашем случае:

P(A1 ) = 0,7; P(A2 ) = 0,8; P(A3 ) = 0,6; P(A1 )= 0,3; P(A2 )= 0,2 ;

P(A3 )= 0,4 . Используя аксиому сложения и теорему умножения вероятнос-

тей, получим

P(A) = P(A1 )P(A2 )P(A3 )+ P(A1 )P(A2 )P(A3 )+ P(A1 )P(A2 )P(A3 ) =

= 0,7 × 0,2 × 0,4 + 0,3 × 0,8 × 0,4 + 0,3 × 0,2 × 0,6 = 0,188 .

2). B = ” в мишень попал хотя бы один стрелок”. В данном случае выгоднее находить P(B) через вероятность противоположного события, т.е

P(B) = 1 − P(B ),

где B = ” в мишень не попал ни один стрелок”. Т.к. B = A1 A2 A3 , то:

P(B )= P(A1 )P(A2 )P(A3 )= 0,3 × 0,2 × 0,4 = 0,024 ;

P(B) = 1 − 0,024 = 0,976 .

Ответ: P(A) = 0,188; P(B) = 0,976 .

3.4. Из 1000 ламп 230 принадлежат 1-й партии, 480 – 2-й партии и 290 – 3- й партии. В 1-й партии 6% бракованных ламп, во 2-й – 5%, а в 3-й – 4%. Наудачу выбирается одна лампа. Найти вероятность того, что выбранная лампа

– бракованная.

Решение.

A = ” выбранная лампа - бракованная”.

Вероятность P(A) в данном случае находится по формуле полной вероят-

ности, рассчитанной на три гипотезы – H1, H 2 , H3

18

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

P(A) = P(H1 )PH1 (A) + P(H 2 )PH 2 (A) + P(H3 )PH 3 (A),

где Hi = ” лампа из i − й партии”;

PH i (A) - вероятность бракованной лампы в i − й партии (i =1;2;3).

Т.к.

P(H1 ) =

230

= 0,23, P(H

2 ) =

480

= 0,48, P(H

3 ) =

290

= 0,29 ,

 

 

 

1000

 

1000

 

1000

 

PH1 (A) = 0,06, PH 2 (A) = 0,05, PH 3 (A) = 0,04 ,

то

P(A) = 0,23 × 0,06 + 0,48 × 0,05 + 0,29 × 0,04 = 0,0494 .

Ответ: P(A) = 0,0494 .

3.5. Монету бросают 7 раз. Найти вероятность того, что герб выпал 2 раза. Найти наивероятнейшее число выпадений герба при 7 бросаниях монеты.

Решение.

A = ” герб выпал 2 раза при 7 бросаниях монеты”. Вероятность P(A) находится по формуле Бернулли

P(A) = Pn (m) = Cnm pm qn m ,

где p − вероятность выпадения герба при каждом бросании монеты;

q − вероятность выпадения цифры при каждом бросании монеты.

Т.к. p = q = 1 , m = 2, n = 7 , 2

то

2

 

1 2

 

1 5

7!

 

 

1

 

1

 

21

 

P(A) = C7

×

 

 

×

 

 

=

 

 

×

 

×

 

=

 

 

» 0,164 .

 

 

2!×5!

4

32

128

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

Наивероятнейшее число m0 наступлений события в n независимых испытаниях подчинятся двойному неравенству

np - q £ m0 £ np + p .

В данном случае:

19

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Математика : метод. указания и контрол. задания для студентов заоч. формы обучения: (IV семестр): ФЗДО: спец. инженер.-техн./ А. А. Аваев, С. А. Иконникова

7 ×

1

-

1

£ m0

£ 7 ×

1

+

1

;

 

 

 

 

2

2

 

2

2

 

 

 

 

3 £ m0

£ 4 .

 

 

 

 

Т.к. в данном случае концами интервала [3;4] являются целые числа, то каждому из них соответствует наибольшее значение вероятности, рассчитываемой по формуле Бернулли.

Ответ: P(A) » 0,164; m0 = 3, m0 = 4 .

3.6. Дискретная случайная величина (ДСВ) X задана законом распределения, представленным в виде таблицы – ряда распределения вероятностей.

 

xi

− 5

− 2

 

x

 

 

pi

0,2

0,5

 

p

 

Найти: p; x; D(X ); P(- 3 £ X < x),

если

M (X ) = -1,1. Построить график

функции распределения вероятностей y = F (x).

Решение.

Т.к. сумма значений вероятностей в ряде распределения (сумма чисел во второй строке таблицы) должна равняться 1, то

p = 1 − 0,2 − 0,5 = 0,3 .

По определению математическое ожидание M (X ) ДСВ X находится по формуле

n

M (X ) = xi pi .

i =1

В рассматриваемом случае

M (X ) = (- 5)× 0,2 + (- 2)× 0,5 + x × 0,3 = -1,1,

следовательно, x = 3 . Таким образом, ряд распределения имеет следующий вид.

xi

− 5

− 2

3

pi

0,2

0,5

0,3

20

Вологодский государственный технический университет. Научно-техническая библиотека

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]