Элементы линейной алгебры в электротехнике (электронное учебное пособие)

Содержание

Слайд 2

Цели проекта:

Исследовать возможность применения знаний элементов линейной алгебры на занятиях электротехники
Создать электронное

Цели проекта: Исследовать возможность применения знаний элементов линейной алгебры на занятиях электротехники
учебное пособие, позволяющие систематизировать знания учащихся по темам «Элементы линейной алгебры»» и «Расчет электрической цепи».
Данное пособие можно использовать как при проведении уроков математики и электротехники (частично), так и при проведении бинарных уроков и самостоятельной подготовки студентов.

Слайд 3

Структура электронного учебного пособия

Пособие состоит из трех частей:
Элементы линейной алгебры (теоретический материал)
Электротехника

Структура электронного учебного пособия Пособие состоит из трех частей: Элементы линейной алгебры
(Расчет электрической цепи с помощью законов Киргофа) (теоретический материал)
Электротехническая задача
Решение систем линейных уравнений методом Гаусса в Excel
Все учебное пособие снабжено гиперссылками, позволяющими легко находить интересующий материал. Так как наше пособие можно использовать как при изучении нового материала, так и при повторении пройденного, смена слайдов осуществляется по щелчку, позволяя работать с материалом в любом темпе.
Немного изменяя анимацию, преподаватель имеет возможность использовать теоретический материал как при изучения нового, так и для контроля.

Слайд 4

Элементы линейной алгебры в электротехнике

Выполнил: Вараксин Р.А. гр.203
Преподаватели: Никитина Н.В., Касаткина И.С.

Элементы линейной алгебры в электротехнике Выполнил: Вараксин Р.А. гр.203 Преподаватели: Никитина Н.В., Касаткина И.С.

Слайд 5

Содержание

Элементы линейной алгебры
Электротехника
Электротехническая задача
Решение систем линейных уравнений методом Гаусса в Excel

Содержание Элементы линейной алгебры Электротехника Электротехническая задача Решение систем линейных уравнений методом Гаусса в Excel

Слайд 6

Содержание

Определение матрицы
Виды матриц
Действия над матрицами
Системы линейных уравнений и их решения
Решение систем линейных

Содержание Определение матрицы Виды матриц Действия над матрицами Системы линейных уравнений и
уравнений методом Гаусса
Историческая справка

Слайд 7

Определение матрицы

Матрицей называется множество чисел, образующих прямоугольную таблицу, которая содержит m строк

Определение матрицы Матрицей называется множество чисел, образующих прямоугольную таблицу, которая содержит m
и n столбцов.

Для краткого обозначения матрицы используется большая латинская буква, например A или символ (aij) 

A= (aij) (i=1,2,…,m; j=1,2,…,n;)

Слайд 8

Элементы матриц и их обозначения

Числа aij, входящие в состав матрицы, называются ее элементами.

Элементы матриц и их обозначения Числа aij, входящие в состав матрицы, называются

Здесь i — номер строки матрицы, 
j — номер столбца матрицы.

Слайд 9

Виды матриц

Прямоугольная Квадратная
(m ≠n) (m=n)

Для квадратной матрицы определено понятие диагоналей

Частные случаи

Частные

Виды матриц Прямоугольная Квадратная (m ≠n) (m=n) Для квадратной матрицы определено понятие
случаи

Слайд 10

Прямоугольная матрица

Если в матрице типа m×n, m=1,то матрица называется матрица-строка

Если в

Прямоугольная матрица Если в матрице типа m×n, m=1,то матрица называется матрица-строка Если
матрице типа m×n, n=1,то матрица называется матрица-столбец

Например:

Например:

Слайд 11

Квадратная матрица

Диагональная
Скалярная
Единичная
Треугольная: нижняя, верхняя

Квадратная матрица Диагональная Скалярная Единичная Треугольная: нижняя, верхняя

Слайд 12

Диагонали матриц

Диагональ, содержащую элементы а11,а22,…, аmn, будем называть главной,
а диагональ ,содержащую

Диагонали матриц Диагональ, содержащую элементы а11,а22,…, аmn, будем называть главной, а диагональ
элементы a1n,a22,…,am1 –
побочной (вспомогательной)

Слайд 13

Диагональная матрица

Матрица называется диагональной, если все элементы матрицы, кроме элементов главной диагонали

Диагональная матрица Матрица называется диагональной, если все элементы матрицы, кроме элементов главной диагонали равны 0 Например:
равны 0

Например:

Слайд 14

Скалярная матрица

Если все элементы главной диагонали диагональной матрицы равны между собой, то

Скалярная матрица Если все элементы главной диагонали диагональной матрицы равны между собой,
матрица называется скалярной

Например:

Слайд 15

Единичная матрица

Диагональная матрица, все элементы главной диагонали которой равны 1, называется

Единичная матрица Диагональная матрица, все элементы главной диагонали которой равны 1, называется единичной матрицей
единичной матрицей

Слайд 16

Треугольная матрица

Квадратная матрица, у которой все элементы, лежащие выше (или ниже) главной

Треугольная матрица Квадратная матрица, у которой все элементы, лежащие выше (или ниже)
диагонали равны 0, называется треугольной матрицей.
Если элементы, равные 0 стоят выше главной диагонали ,то это верхняя треугольная матрица,
если элементы равные 0 стоят ниже главной диагонали, то это нижняя треугольная матрица

Слайд 17

Действия над матрицами

Сложение
Умножение матрицы на число
Транспонирование
Умножение матриц

Действия над матрицами Сложение Умножение матрицы на число Транспонирование Умножение матриц

Слайд 18

Сложение матриц

Определение: Суммой двух матриц А и В называется
матрица С,

Сложение матриц Определение: Суммой двух матриц А и В называется матрица С,
элементы которой равны сумме
соответствующих элементов матриц А и В.
Можно складывать только матрицы одинакового типа или порядка
Например:

Свойства сложения

Слайд 19

Свойства сложения матриц

Переместительный закон сложения:
А+В = В+А, где А и

Свойства сложения матриц Переместительный закон сложения: А+В = В+А, где А и
В – либо квадратные матрицы одного порядка n, либо прямоугольные матрицы одного типа m×n
Сочетательный закон сложения:
(А+В)+С=А+(В+С), где А и В – либо квадратные матрицы одного порядка n, либо прямоугольные матрицы одного типа m×n
Для любой матрицы А существует матрица –А, такая, что
А+(-А)=0

Слайд 20

Умножение матрицы на число

Определение: Произведением матрицы А на число k называется

Умножение матрицы на число Определение: Произведением матрицы А на число k называется
матрица С, каждый элемент которой равен
произведению соответствующего элемента матрицы А и k.

Например:

Слайд 21

Транспонирование матрицы

Определение: Транспонированная матрица - это матрица, полученная из исходной путем замены

Транспонирование матрицы Определение: Транспонированная матрица - это матрица, полученная из исходной путем
строк на столбцы.

Например:

Слайд 22

Умножение матриц

Что бы получить элемент, стоящий на пересечении строки и столбца матрицы-произведения,

Умножение матриц Что бы получить элемент, стоящий на пересечении строки и столбца
нужно все элементы строки матрицы А умножить на соответствующие элементы столбца матрицы B и полученные результаты сложить

Например:

Умножение матрицы А на матрицу В имеет смысл только в том случае, когда число столбцов матрицы А равно числу строк матрицы В

Свойства умножения

Слайд 23

Свойства умножения матриц

Произведение не подчиняется переместительному закону:
А·В ≠ В·А
Сочетательный закон

Свойства умножения матриц Произведение не подчиняется переместительному закону: А·В ≠ В·А Сочетательный
умножения:
(А·В)·С=А·(В·С)
Распределительный закон умножения:
(А+В)·С=А·С+В·С
Возможен случай, когда произведение двух ненулевых матриц может оказаться равным нулевой матрице.

Слайд 24

Системы линейных уравнений

Системы линейных уравнений

Слайд 25

Решение уравнений методом Гаусса

Решение уравнений методом Гаусса

Слайд 26

«Математика – царица всех наук» Карл Фридрих Гаусс (1777-1855 г.г.) – немецкий

«Математика – царица всех наук» Карл Фридрих Гаусс (1777-1855 г.г.) – немецкий
математик, физик, астроном, геодезист.

Круг его интересов в точных науках:
• теория чисел (числа простые и периодические дроби), • геометрия (правильные многоугольники, теория поверхностей),
• алгебра (доказательство основной теоремы алгебры о числе корней алгебраического уравнения),
• астрономия (вычисление орбит планет),
• физика (электромагнетизм).
Труды К. Гаусса изданы в Германии в 12-ти томах.

Слайд 27

В чем его суть?

Он состоит в следующем: систему уравнений приводят к эквивалентной

В чем его суть? Он состоит в следующем: систему уравнений приводят к
ей системе с треугольной матрицей (систему называют эквивалентной, если множества их решений совпадают).
Эти действия называют прямым ходом.
Из полученной матрицы треугольной системы переменные находят с помощью последовательных постановок, такие действия называют обратным ходом

Пример

Слайд 28

Прямой ход

При выполнении прямого хода используют следующие преобразования:
Умножение и деление коэффициентов свободных

Прямой ход При выполнении прямого хода используют следующие преобразования: Умножение и деление
членов на одно и то же число
Сложение и вычитание уравнений
Перестановка уравнений системы
Исключение из системы уравнения, в которых все коэффициенты при неизвестных и свободные члены равны нулю

Слайд 29

Содержание

Электрическая схема (справочный материал)
Расчет цепи постоянного тока
Алгоритм расчета цепей методом уравнений Кирхгофа
Первый

Содержание Электрическая схема (справочный материал) Расчет цепи постоянного тока Алгоритм расчета цепей
закон Кирхгофа
Второй закон Киргхофа
Количество уравнений

Слайд 30

Расчет цепей постоянного тока сводится к нахождению токов, протекающих по ветвям цепи

Расчет цепей постоянного тока сводится к нахождению токов, протекающих по ветвям цепи
путем составления системы уравнений методом Кирхгофа

Слайд 31

Электрическая Схема - графическое изображение электрических цепейэлектронных, электро- или радиотехнических устройств, на котором условнымиобозначениями показаны элементы данного

Электрическая Схема - графическое изображение электрических цепейэлектронных, электро- или радиотехнических устройств, на
устройства и соединения между ними.

Слайд 32

Узел- место соединения трех и более ветвей

А

B

C

D

Узел- место соединения трех и более ветвей А B C D

Слайд 33

Ветвь – участок цепи между двумя узлами

А

B

C

D

АВ

АС

АD

BD

BC

DC

Ветвь – участок цепи между двумя узлами А B C D АВ

Слайд 34

Алгоритм расчета цепей методом уравнений Кирхгофа
1. Определить узлы и ветви в схеме
2.

Алгоритм расчета цепей методом уравнений Кирхгофа 1. Определить узлы и ветви в
Определить количество уравнений
3. Обозначить токи в ветвях
4. Составить уравнения по первому закону Кирхгофа
5. Составить уравнения по второму закону Кирхгофа

Слайд 35

Первый закон Кирхгофа

Сумма токов в узле равна нулю
∑I=0
Если ток входит в узел,

Первый закон Кирхгофа Сумма токов в узле равна нулю ∑I=0 Если ток
то пишем знак «+»
Если ток выходит их узла, то пишем «-».

Слайд 36

В каждой ветви протекает свой ток, причем направление тока в ветви выбирается

В каждой ветви протекает свой ток, причем направление тока в ветви выбирается
произвольно.

А

B

C

D

I1

I2

I3

I4

I5

I6

Слайд 37

Первый закон Кирxгофа для данной схемы

А: I1+I2-I3=0
B: -I1-I4-I5=0
C: -I2+I5+I6=0
D: I3+I4-I6=0

А

B

C

D

I1

I2

I3

I4

I5

I6

Первый закон Кирxгофа для данной схемы А: I1+I2-I3=0 B: -I1-I4-I5=0 C: -I2+I5+I6=0

Слайд 38

Первый закон Кирхгофа для данной схемы

А: I1+I2-I3=0
B: -I1-I4-I5=0
C: -I2+I5+I6=0
D: I3+I4-I6=0

А

B

C

D

I1

I2

I3

I4

I5

I6

Первый закон Кирхгофа для данной схемы А: I1+I2-I3=0 B: -I1-I4-I5=0 C: -I2+I5+I6=0

Слайд 39

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре равна алгебраической сумме падений

Второй закон Кирхгофа Алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре равна алгебраической сумме
напряжения этого контура.
∑Е=∑I·R
Контур – любой замкнутый путь тока в цепи. проходящий по нескольким ветвям.
Направление обхода в контуре выбирается произвольно.

Слайд 40

Второй закон Кирxгофа для данной схемы

ADBA:
E1=I3·R6-I4·R3+I1·R4
BDCB:
-E1=I4·R3+I6·R1-I5·R5
ACA:
E2=-I2·R2-I6·R1-I3·R6

А

B

C

D

I1

I2

I3

I4

I5

I6

Второй закон Кирxгофа для данной схемы ADBA: E1=I3·R6-I4·R3+I1·R4 BDCB: -E1=I4·R3+I6·R1-I5·R5 ACA: E2=-I2·R2-I6·R1-I3·R6

Слайд 41

Количество уравнений
Общее количество уравнений равно числу ветвей.
Из них количество уравнений по

Количество уравнений Общее количество уравнений равно числу ветвей. Из них количество уравнений
первому закону составляет на единицу меньше количества узлов.
А количество уравнений по второму закону равно количеству независимых контуров.
Для представленной схемы:
Общее количество уравнений:
По первому закону Кирхгофа:
По второму закону Кирхгофа:

6

3

3

Слайд 42

Система уравнений с 6 неизвестными:
1. I1+I2-I3=0
2. -I1-I4-I5=0
3. -I2+I5+I6=0
4. E1=I3·R6-I4·R3+I1·R4
5. -E1=I4·R3+I6·R1-I5·R5
6. E2= -I2·R2-I6·R1-I3·R6

Система уравнений с 6 неизвестными: 1. I1+I2-I3=0 2. -I1-I4-I5=0 3. -I2+I5+I6=0 4.

Слайд 43

Электротехническая задача

Дано:
R1=2Ом
R2=3Ом
R3=5Ом
R4=2Ом
R5=4Ом
R6=1Ом
E1=10B
E2=40B
Найти: I1-I6-?

А

B

C

D

I3

I4

I6

Дана электрическая цепь с заданными параметрами. Найти протекающие токи.

Электротехническая задача Дано: R1=2Ом R2=3Ом R3=5Ом R4=2Ом R5=4Ом R6=1Ом E1=10B E2=40B Найти:

Слайд 44

1. Составим расширенную матрицу по условию задачи

2. От 2 и 4 строк

1. Составим расширенную матрицу по условию задачи 2. От 2 и 4
отнимаем 1 строку, умноженную соответственно на -1 и 2

3. от 1, 3, 4, и 6 строк отнимаем 2 строку, умноженную соответственно на 1; -1; -2; -3

Решим систему методом Гаусса

4. 3-ую строку делим на -1

Слайд 45

5. от 2, 4 и 6 строк отнимаем 3 строку, умноженную соответственно

5. от 2, 4 и 6 строк отнимаем 3 строку, умноженную соответственно
на -1; 1; -4

6. 4-ую строку делим на -8

7. от 1, 3, 5 и 6 строк отнимаем 4 строку, умноженную соответственно на 1; 1; 4; 1

8. 5-ую строку делим на -5

Слайд 46

9. от 1, 2, 3, 4 и 6 строк отнимаем 5 строку,

9. от 1, 2, 3, 4 и 6 строк отнимаем 5 строку,
умноженную соответственно на 0,75; -1; -0,25; 0,25; -3,25

10. 6-ую строку делим на -5,85

11. от 1, 2, 3, 4 и 5 строк отнимаем 6 строку, умноженную соответственно на 0,35; -1,3; -0,95; -0,05; -0,3

12. найдем приближенные значения

Слайд 47

Найдем силы тока

Вывод: Если ток получился отрицательным, то нужно изменить направление тока

Найдем силы тока Вывод: Если ток получился отрицательным, то нужно изменить направление
в ветви на противоположное.

Ответ:

Решение СЛУ в Excel

Имя файла: Элементы-линейной-алгебры-в-электротехнике-(электронное-учебное-пособие).pptx
Количество просмотров: 35
Количество скачиваний: 0