9 уравнение как математическая модель

Уравнение как математическая модель в школьном курсе математики

Разделы: Математика

Класс: 9

Практически все изучаемые математическими представлениями явления и процессы в конечном итоге сводятся к нахождению решений уравнений или систем уравнений различной степени сложности. Учащиеся школ с самого начала изучения математики решают уравнения даже в самых простых ситуациях. Любая математическая задача представляет собой проблему нахождения неизвестной величины, зависящей от набора параметров с известными значениями. Простые арифметические задачи предполагают определение какого-либо значения путём выполнения основных арифметических действий с известными величинами, что означает решение уравнений.

На современном этапе развития информационных технологий с самых азов обучения совершенно необходимо развивать у обучаемых способности создавать абстрактные представления конкретных явлений и процессов в виде математических формул (по сути уравнений) с последующим определением способов вычисления значений параметров этих формул путём решения соответствующих уравнений методами программирования. То есть для решения даже самых простых задач в современных условиях надо научить школьников разрабатывать рабочие программы. Хорошо известно, что в основе разработки любой программы лежит алгоритм, моделирующий то или иное явление или процесс. Причём это заключение распространяется не только на математические области исследований, но и на все другие научные дисциплины.

Таким образом, для решения любого уравнения в самом начале надо разработать алгоритм процесса этого решения.

При разработке алгоритма решения задач прежде всего необходимо обозначить заключения и направления рассуждений, известные значения данных и искомые значения переменных, находить в базе данных признаки индивидуальные и общие, уделить достаточное внимание противопоставлению и сопоставлению фактов.

На начальном этапе изучения математических дисциплин учащимся обычно предлагаются для решения задачи в текстовом виде, преобразование условий которых в вид аналитических формул является достаточно эффективным средством для усвоения школьниками понятий, методов и даже математических теорий как строго формализованных построений. Такой приём является наиболее действенным средством развития логического мышления учеников и открывает возможности для воспитания математического восприятия изучаемых явлений и даёт возможность учащимся развивать умения и навыки применениях математики на практике [1].

На школьном этапе математического образования для большей наглядности учащимся полезно предлагать применение математического моделирования для решения задач, условия которых описывает конкретные жизненные ситуации, так как соответствующие уравнения наиболее просто ассоциировать с алгебраической или аналитической моделью изучаемых явлений. Подобные задачи позволяют, помимо перечисленного выше, усвоить учащимся понятия таких логических операций, как обобщение, классификация, анализ через синтез, сравнение, которые способствуют его развитию логического мышления.

На более поздних этапах обучения можно начинать создание математических моделей не только обычных алгебраических уравнений, а перейти к моделированию процессов, которые описываются в аналитическом виде с использованием понятий функций одной или нескольких переменных, а в выпускных классах даже дифференциальных уравнений. Наиболее интересующимся математикой ученикам можно предлагать моделировать неравенства, а также системы уравнений и системы неравенств и т.п. Таким образом, разработка математических моделей сопровождается приобретением школьниками навыков в умении перевода условий практических задач на язык алгебры или математического анализа [2, 3].

Для углубления знаний школьников полезно изучить процессы моделирования математических объектов, представленных самыми разными математическими формами, такими, как таблицы объектные и числовые, формулы числовые и буквенные, функции, уравнения алгебраические и дифференциальные и их системы, неравенства, системы неравенств, математические ряды, геометрические формы, различные схемы, диаграммы, графы и пр.

При разработках математических моделей используются алгоритмы явлений и процессов, изображаемые в виде отрезков, направленных отрезков, ломаных и кривых линий, геометрических фигур, числовых лучей, схем, значков и т.п. Такие представления алгоритмов называются блок-схемами алгоритмов. Существует перечень специальных знаков элементов блок-схем, унифицированный в математической литературе. Эти знаки обозначают постоянные параметры, переменные, базы данных, математические действия, логические операторы, последовательность и направления расчётов, функционалы и т.п. операции. Такая унификация позволяет наглядным образом представлять блок-схемы алгоритмов в виде, понятном специалистам.

Согласно [4], математическое моделирование представляет собой «способ, инструмент, научный прием изучения окружающего мира».

Как указывалось выше, этот процесс заключается в описании исследуемых явлений, процессов, объектов и систем самой разной природы на математическом языке с применением соответствующих понятий, обозначений и функционалов. При этом важно показать зависимость степени сложности разрабатываемых математических моделей от предполагаемой детализации исследования поставленной задачи, поставленной цели исследования, и, конечно же, степени математической подготовки и уровня знаний школьника о моделируемом объекте.

В самом простом виде процесс моделирования выглядит следующим образом: реальный объект замещается моделью. Затем строится алгоритм процесса или явления, на его основе разрабатывается компьютерная программа, и уже эта программа служит объектом проведения экспериментов и исследований, результаты которых ложатся в основу выводов о проведённых исследованиях самого оригинального объекта.

Очень важно показать и добиться твёрдого усвоения школьниками того факта, что математическое моделирование в определённых ситуациях является единственным способом изучения сложных объектов, аналитические представления которых не имеют числовых решений, или таких, с которыми невозможно проводить прямые эксперименты в силу их размеров (мегаобъекты и нано-объекты), невозможности или опасности последствий вмешательства в их функционирование (экономические процессы и экологические системы). Необходимо продемонстрировать возможность математического моделирования существенно сокращать время исследования реального объекта, принимая время как переменный параметр.

Кроме этого, в результате обучения ученики должны усвоить основные приёмы математического моделирования явлений, объектов и процессов, типы, этапы, классификации решаемых задач, научиться преобразовывать математические модели одного класса в модели другого класса и т.п.

В качестве примера разработки математической модели уравнения рассмотрим решение несложной алгебраической задачи согласно рекомендациям работы [5].

Задача. Необходимо определить скорость моторной лодки, если известно, что она двигалась равномерно параллельно направлению равномерного движения теплохода, при этом её скорость в три раза превышала скорость теплохода и, стартовав на один час позже теплохода с того же причала, моторная лодка за два часа пути проплыла расстояние на 24 км больше, чем теплоход.

Создадим математическую модель задачи:

Теперь осталось решить уравнение, составленное на основе математической модели:

х = 8, и скорость моторной лодки:

Ответ: скорость моторной лодки равна 24 км/ч.

Таким образом, показано практическое применение процесса решения задачи с помощью разработки математической модели движения моторной лодки и теплохода путём разработки блок-схемы алгоритма процесса, который может быть основой для написания компьютерной программы решения этой задачи при различных значениях параметров движения этих судов.

Создание математической модели и решение задач с помощью систем уравнений

п.1. Алгоритм решения задач с помощью систем уравнений

Например:
Найдите два положительных числа, если известно, что сумма квадратов этих чисел равна 185, а разность квадратов равна 57.

Шаг 1
«От смысла к буквам»:
Пусть x > 0 и y > 0 – задуманные числа.

Шаг 4
«От букв к смыслу»:
Выбираем положительные корни $$ \mathrm $$ Задуманы числа 11 и 8.

п.2. Примеры

Пример 1. Диагональ прямоугольника равна 10 см. Если меньшую сторону прямоугольника увеличить на 2 см, а большую уменьшить на 2 см, то диагональ не изменится. Найдите стороны прямоугольника.

Пусть a и b – стороны прямоугольника, a > b. Диагональ через стороны выражается по теореме Пифагора. По условию получаем: $$ \left\< \begin < l >\mathrm & \\ \mathrm <(a-2)^2+(b+2)^2=10^2>& \end\right. $$ Найдём линейную зависимость между a и b из уравнения: \begin \mathrm\\ \mathrm\\ \mathrm <4a-4b=8\Rightarrow a-b=2\Rightarrow a=b+2>\end Подставим a в верхнее уравнение системы: \( \mathrm <(b+2)^2+b^2=100>\) \begin \mathrm\\ \mathrm<2b^2+4b-96=0\Rightarrow b^2+2b-48=0\Rightarrow (b+8)(b-6)=0>\\ \mathrm \end Выбираем положительный корень: b = 6
Тогда a = b + 2 = 8
Ответ: 8 см и 6 см.

Пример 2. (задача Диофанта, III в.) Отношение двух чисел равно 3, а отношение суммы квадратов этих чисел к их сумме равно 5. Найдите эти числа.

Пусть x и y – искомые числа. По условию: $$ \left\< \begin < l >\mathrm<\frac=3> & \\ \mathrm<\frac=5> & \end\right.\Rightarrow \left\< \begin < l >\mathrm & \\ \mathrm & \end\right. $$ Подставляем верхнее уравнение в нижнее и решаем: \begin \mathrm<(3y)^2+y^2=5(3y+y)\Rightarrow 9y^2+y^2=20y\Rightarrow 10y^2-20y=0\Rightarrow>\\ \mathrm <\Rightarrow 10y(y-2)=0\Rightarrow>\left[\begin < l >\mathrm & \\ \mathrm & \end\right. \end Т.к. y в первом уравнении системы стоит в знаменателе, он не может быть равен 0. Получаем: \begin \left\<\begin < l >\mathrm & \\ \mathrm & \end\right. \end Ответ: 6 и 2.

Пример 3. Двое рабочих могут выполнить работу за 12 дней. Если сначала один из них сделает половину всей работы, а потом остальное сделает другой, то им понадобится 25 дней. За сколько дней каждый рабочий может выполнить задание самостоятельно?

Пример 4. Бригада выполнила работу за 20 дней. Если бы в бригаде было на 4 человека больше, а рабочий день – на 1 ч дольше, то работа была бы выполнена за 10 дней. Если бы в бригаде было на 1 человека меньше, а рабочий день – на 1 ч короче, то работа была бы выполнена за 30 дней. Сколько человек было в бригаде, и сколько часов в день они работали?

Технологическая карта урока по алгебре по теме: «Системы уравнений как математические модели реальных ситуаций» для 9 класса.

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

УМК (название учебника, автор, год издания)

Алгебра 9 класс Авт.: А.Г. Мордкович, М.: Мнемозина -2010

Системы уравнений как математические модели реальных ситуаций.

Место урока в системе уроков по теме

5 урок по теме. Урок обобщения и систематизации знаний.

Научить учащихся решать задачи с помощью систем уравнений как математических моделей реальных ситуаций.

Общеобразовательные: обеспечить овладение основными алгоритмическими приемами применения систем уравнений при решении задач; формировать умения переносить знания в новую ситуацию; обобщить и систематизировать знания и умения учащихся в решении задач с помощью систем уравнений различными методами.

Развивающие: развитие аналитического мышления; познавательной активности мышления, умения работать с текстовой, графической информацией через использование задач моделирующих жизненные ситуации

Воспитательные: воспитание самостоятельности, познавательной активности, создание условий для сотрудничества, самоконтроля, формирования самооценки

Учащийся должен знать:

основные алгоритмические приемы применения систем уравнений при решении задач.

Учащийся должен уметь:

составлять систему уравнений к условию задачи;

использовать таблицы при интерпретации задач;

исследовать построенную модель.

1. Организационный момент.

Здравствуйте, друзья! Рада приветствовать Вас на нашем уроке.

Если хотите научиться плавать,

то смело входите в воду,

а если хотите научиться решать задачи,

то решайте их.
Дьёрдь Пойа

3. Актуализация опорных знаний. Проверка д/з.

Работа с составленной моделью.

Ответ на вопрос задачи.

Каков алгоритм решения задач с помощью системы уравнений?

Обозначить неизвестные величины буквами.

Выразить оставшиеся неизвестные величины.

Найти в задаче условия для составления уравнений.

Решить получившуюся систему.

Найденное решение использовать для ответа на вопрос задачи

Назовите основные методы решения системы уравнений

Алгебраического сложения, подстановки, введение новых переменных, графический.

Какие виды задач мы решали на последних уроках

Задачи на движение, на работу, геометрические задачи, задачи с числами

Ответы на вопросы по Д\з.

3. Включение с систему знаний и повторения. Решение задач.

Сегодня у нас важный и ответственный урок. Мы будем решать разные задачи. Запишите число в рабочих тетрадях. Сформулируем тему урока ( Решение задач с помощью систем уравнений как математической модели реальных ситуаций ).

Ваша задача… Алгоритм решения задачи с помощью системы уравнений:

1. Обозначить неизвестные элементы переменными;
2. Составить по условию задачи систему уравнений;
3. Определить метод решения системы уравнений;
4. Выбрать ответ, удовлетворяющий условию задачи.

Будьте внимательны, в течение урока постарайтесь выделить общее в решении в разных задач, а также что-то особенное, что отличает одно решение от другого.

Для каждой задачи учащиеся заполняют на доске таблицу и составляют систему уравнений, указывают метод решения системы. Все с проговариванием во внешней речи. Фронтальная работа.

Задача из рассказа А.П. Чехова “Репетитор”

Купец купил 138 аршин черного и синего сукна за 540 руб. Спрашивается, сколько аршин купил он того и другого сукна, если синее стоило 5 руб. за аршин, а черное – 3 руб?

Iэтап. Пусть черного сукна приобрел купец – х м и синего сукна – у м. Так как синее сукно стоит 5 руб. за 1м, а черное – 3 руб. за 1м, то составим и решим систему уравнений: