Решения уравнений в табличных процессорах

Применение табличного процессора calc для решения уравнений

Алтайский государственный педагогический университет

NovaInfo51, с. 263-266
Опубликовано 30 сентября 2016
Раздел: Педагогические науки
Просмотров за месяц: 37
CC BY-NC

Аннотация

В работе представлена технология решения уравнений методом подбора параметра в табличном процессоре LibreOffice Calc. Выделены методические рекомендации по изучению данного метода. Приведены задачи для самостоятельного изучения.

Ключевые слова

Текст научной работы

Широко известно, что программные средства, называемые табличными процессорами, обладают огромными вычислительными возможностями. Они позволяют эффективно осуществлять однотипные расчеты над большими наборами данных, автоматизацию итоговых вычислений, обработку результатов экспериментов, поиск оптимальных значений параметров и др.

В настоящее время существует огромное количество программных продуктов указанного вида: SuperCalc, Microsoft MultiPlan, Quattro Pro, Lotus 1-2-3, Microsoft Excel, LibreOffice Calc и др. Среди вышеперечисленных программных средств наибольшую популярность имеет табличный процессор Microsoft Excel. Вместе с тем, следует отметить, что табличный процессор LibreOffice Calc, входящий в состав свободно-доступного, полнофункционального офисного пакета LibreOffice, не уступает по возможностям MS Excel [1]. Кроме того, в Calc есть возможность работать с рабочими книгами Microsoft Excel и сохранять их в формате Excel.

В данной статье в связи с переходом на использование свободно распространяемого программного обеспечения, остановимся на применении в учебном процессе табличного процессора LibreOffice Calc, а именно на решении уравнений с помощью данного программного продукта методом подбора параметра.

Метод подбора параметра в табличном процессоре Calc позволяет определить значение одной входной ячейки рабочего листа, которое требуется для получения желаемого результата в зависимой ячейке (ячейке результата).

Данный метод является удобным средством для решения задач, которые имеют точное целевое значение, зависящее от одного неизвестного параметра. В связи с этим, целесообразно использовать данный метод для решения уравнений различной сложности.

Методом подбора параметра определите корень уравнения ^<2>-sinx+0,1=0

с точностью до четырех знаков после запятой.

1. Занесите в ячейку A1 переменную x, в ячейку A2 переменную y, в ячейку B1 значение 0.

2. Занесите в ячейку B2 левую часть уравнения, используя в качестве независимой переменной ссылку на ячейку B1. Соответствующая формула может, например, иметь вид: =B1^2-SIN(B1)+0,1 (рис. 1).

3. Выполните команду Сервис > Подбор параметра.

4. В поле Яч. с формулой укажите $B$2, в поле Целевое значение задайте 0, в поле Изменяемая яч. укажите $B$1 (рис. 1).

Рисунок 1. Диалоговое окно «Подбор параметра»

5. Щелкните на кнопке ОК и посмотрите на результат подбора, отображаемый в диалоговом окне Подбор параметра (рис. 2). Щелкните на кнопке Да, чтобы сохранить полученные значения ячеек, участвовавших в операции.

Рисунок 2. Результат подбора параметра

6. Используя команду Формат > Ячейки, установите отображение найденного корня с точностью до четырех знаков после запятой (рис. 4). Обратите внимание, что в строке формул отображается иррациональное значение текущей ячейки B1.

Рисунок 4. Отображение найденного корня уравнения

Ниже приведем ряд аналогичных заданий для самостоятельного выполнения учащимися.

В контексте вышеизложенного сделаем два замечания.

1. При решении уравнений необходимо обратить внимание учащихся на то, что в ячейке B1 мы изначально вносим произвольное значение переменной x, входящее в область допустимых значений уравнения!;
2. Приведенные задания можно усложнить:

• предложить решить аналогичное уравнение, но содержащее в правой части не 0, а какое-либо целое число;
• предложить решить аналогичное уравнение, содержащее в правой части какое-либо выражение, зависящее от x; в этом случае, учащимся потребуется сначала перенести все слагаемые из правой части уравнения в левую и только потом воспользоваться возможностями программы.

В качестве дополнения к представленному материалу укажем следующие направления:

• целесообразно рассмотреть и графический метод решения уравнений в электронных таблицах [2];
• для закрепления метода подбора параметра целесообразно рассмотреть задачи с практическим содержанием, например, задачи с экономическим содержанием [3].

В заключении отметим, что приведенный материал успешно используется в институте физико-математического образования Алтайского государственного педагогического университета при изучении табличного процессора LibreOffice Calc. Кроме того, данный материал можно эффективно использовать и на уроках информатики и ИКТ в старших классах общеобразовательной школы.

Читайте также

Интерактивные методы обучения как средство активизации познавательной деятельности обучающихся

1. Дронова Е.Н.

NovaInfo59, с.310-314, 9 февраля 2017 , Педагогические науки, CC BY-NC

Список литературы

1. Дронова Е.Н. Использование табличного процессора для составления математических таблиц / NovaInfo.Ru. – 2015. – Т.2. – № 31. – С. 324-332.
2. Дронова Е.Н., Михалёв А.С. Интегрированный урок информатики и математики по теме «Исследование алгебраических моделей» / Педагогическое образование на Алтае. – 2015. – № 1. – С. 206-212.
3. Дронова Е.Н. Решение задач оптимизации методом подбора параметра в электронных таблицах как средство развития мыслительных операций у учащихся / Современная педагогика. – 2015. – № 1 (26). – С. 19-24.

Цитировать

Дронова, Е.Н. Применение табличного процессора calc для решения уравнений / Е.Н. Дронова. — Текст : электронный // NovaInfo, 2016. — № 51. — С. 263-266. — URL: https://novainfo.ru/article/7861 (дата обращения: 22.02.2022).

Поделиться

Электронное периодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.

Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.

Применение табличного процессора Excel для графического решения уравнений n-й степени

Цели урока:

1. Формирование умений и навыков, носящих в современных условиях общенаучный и обще интеллектуальный характер.
2. Развитие у школьников теоретического, творческого мышления, а также формирование операционного мышления, направленного на выбор оптимальных решений.
3. Научить учащихся применять современное программное обеспечение в решении нестандартных задач.
4. Повторение пройденного материала.

Задачи урока:

1. Воспитательная – развитие познавательного интереса, воспитание информационной культуры.
2. Учебная – изучить и закрепить основные навыки работы с электронными таблицами.
3. Развивающая – развитие логического мышления, расширение кругозора.

Оборудование: персональные компьютеры (ПК), раздаточный материал, доска, маркеры, проектор.

План урока

1. Организационный момент.
2. Фронтальный опрос для проверки уровня подготовки учащихся к усвоению нового материала.

1) Какие дополнительные возможности есть у программы Excel?
2) Как вы понимаете термин деловая графика?
3) Какими возможностями для создания деловой графики обладает Excel?
4) При помощи какой команды меню можно построить диаграммы и графики в Excel?
5) Как задать автоматическое вычисление в таблице значений ячеек по определенной формуле?
6) Каким образом можно занести формулу в несколько ячеек, т.е. скопировать ее?

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Фронтальный опрос.

1) Для чего нужна программа Excel?

Ответ: для создания таблиц, вычисляемых таблиц, диаграмм и графиков (деловой графики).

2) Какими возможностями для создания деловой графики обладает Excel?

Ответ: с помощью библиотеки диаграмм можно составлять диаграммы и графики разных видов (гистограммы, круговые диаграммы, столбчатые, графики и др.), их можно снабжать заголовками и пояснениями, можно задавать цвет и вид штриховки в диаграммах, редактировать их, печатать их на бумаге, изменяя размеры и расположение на листе, вставлять диаграммы в нужное место листа.

3) При помощи какой команды меню можно построить диаграммы и графики в Excel?

Ответ: с помощью вызова Мастера диаграмм (по команде Вставка-Диаграмма или с помощью кнопки Мастер диаграмм).

4) Как задать автоматическое вычисление в таблице значений ячеек по определенной формуле?

Ответ: активизировать нужную ячейку, затем ввести знак «=» и формулу, которая может содержать адреса ячеек, знаки арифметических операций и функции. Контролировать и редактировать ввод формулы можно с помощью строки ввода формулы, которая расположена в верхней части окна программы.

5) Каким образом можно занести формулу в несколько ячеек, т.е. скопировать ее.

Ответ: ввести формулу в ячейку, установить курсор на нижнем правом маркере ячейки (при этом курсор должен принять вид маленького черного крестика) и протянуть его до последней ячейки в нужном диапазоне.

3. Объяснение нового материала (проводится одновременно с работой учеников на компьютерах синхронно с учителем).

Тема урока «Применение табличного процессора Excel для графического решения уравнений n-ой степени».

Из курса математики нам известно, что корнями уравнения являются значения точек пересечения графика функции (то есть нашего уравнения) с осью абсцисс. Если же мы решаем систему уравнений, то ее решениями будут координаты точек пересечения графиков функций. Этот метод нахождения корней называется графическим. На прошлом занятии мы узнали, что с помощью программы Excel можно строить практически любые графики. Воспользуемся этими знаниями для нахождения корней системы уравнений графическим методом.

Для примера рассмотрим решение следующей системы уравнений:

Y — X 2 = 0
Y – 2X = 9

Преобразуем данную систему в приведенную:

Y = X 2
Y = 2X + 9

Для оценки решений воспользуемся диаграммой, на которой отобразим графики обеих функций. Сначала построим таблицу 1 (рисунок 1).

• Первая строка – строка заголовков. Далее для построения таблицы используем формулы.
• При заполнении столбца А: в ячейку А2 заносится начальное значение аргумента Х=-10, для автоматического заполнения всего столбца нужно в ячейку А3 занести формулу А2+1 и скопировать ее до ячейки А23.
• При заполнении столбца В в ячейку В2 заносится формула А2*А2, которая затем копируется до ячейки В23.
• При заполнении столбца С в ячейку С2 заносится формула 2*А2+9, и также копируется до С23.
• Выделяем таблицу вместе со строкой заголовка и помощью мастера диаграмм выберем тип диаграмм Точечная и построим черновую диаграмму первоначальной оценки решений.
• Вводим заголовок «Диаграмма оценки решения» и обозначения осей x, y (поле ввода текста).
• Добавляем основные линии сетки по оси X и по оси Y (выставляем флажки).
• Размещаем легенду справа от графиков (выставляем флажок «добавить легенду» и включаем переключатель «размещение справа»).
• Размещаем графики на имеющемся листе.
• Подписываем лист 1 «Диаграмма оценки решения» (рисунок 2).

Диаграмма оценки решения

На диаграмме видно, что оба графика имеют точки пересечения – эти координаты точек и есть решения системы. Так как шаг изменения аргумента был достаточно велик, то мы получили приближенные значения решений. Уточним их, построив два графика в интервалах от –3 до 0, где находится первое решение, и от 3 до 5 – где находится второе. Составим новые таблицы.

Для первого решения (таблица 2, рисунок 3).

• При заполнении столбца А: в ячейку А2 заносится начальное значение аргумента Х=-3, для автоматического заполнения всего столбца нужно в ячейку А3 занести формулу А2+0,1(в этом случае мы уменьшаем шаг изменения аргумента для более точного построения) и скопировать ее до ячейки А23.
• При заполнении столбца В в ячейку В2 заносится формула А2*А2, которая затем копируется до ячейки В23.
• При заполнении столбца С в ячейку С2 заносится формула 2*А2+9, и также копируется до С23.
• Выделяем таблицу вместе со строкой заголовка и помощью мастера диаграмм
• выберем тип диаграмм Точечная и построим диаграмму для первого решения.
• Вводим заголовок «Первое решение» и обозначения осей x, y (поле ввода текста).
• Добавляем основные линии сетки по оси X и по оси Y (выставляем флажки).
• Размещаем легенду справа от графиков (выставляем флажок «добавить легенду» и включаем переключатель «размещение справа»).
• Размещаем графики на имеющемся листе.
• Подписываем лист 2 «Первое решение» (рисунок 4).

Первое решение

4. Самостоятельная работа.

Для второго решения ребята самостоятельно строят таблицу (таблица 3, рисунок 5), выбрав правильно промежуток. Затем по таблице строят диаграмму для второго решения (рисунок 6). Учитель проходит и проверяет правильность выполнения работы. И если нужна помощь, то в индивидуальном порядке оказывает ее.

Второе решение

Решением нашей системы будут координаты точек пересечения графиков: X1=-2,1; Y1=4,8; X2=4,2; Y2=17,4.

Как вы уже поняли, графическое решение системы дает приблизительные результаты.

5. Сравнение результатов, полученных графическим способом (Excel) и аналитическим (Qbasic).

Учитель предлагает решить данную систему уравнений аналитическим способом, используя ранее полученную на уроках информатики программу решения квадратного уравнения. К доске приглашается ученик, который преобразует систему в квадратное уравнение:

Выделяем коэффициенты a, b, c, (a=1, b=-2,c=-9) и подставляем в программу (ребята открывают программу, которая была составлена ранее на уроках программирования).

REM Решение квадратного уравнения
INPUT «Введите коэффициенты a, b, с»; a, b,c
d= b^2-4*a*c
IF d 2
Y=4X+12

2. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

3. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

4. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

5. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

6. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

7. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

8. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

9. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

10. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

11. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

12. C помощью табличного процессора Excel решить графически систему:

7. Подведение итогов.

8. Выставление оценок.

9. Домашнее задание.

Проанализировать и проверить свои индивидуальные задания и оформить отчеты на листочках.

Решение системы уравнений в Microsoft Excel

Умение решать системы уравнений часто может принести пользу не только в учебе, но и на практике. В то же время, далеко не каждый пользователь ПК знает, что в Экселе существует собственные варианты решений линейных уравнений. Давайте узнаем, как с применением инструментария этого табличного процессора выполнить данную задачу различными способами.

Варианты решений

Любое уравнение может считаться решенным только тогда, когда будут отысканы его корни. В программе Excel существует несколько вариантов поиска корней. Давайте рассмотрим каждый из них.

Способ 1: матричный метод

Самый распространенный способ решения системы линейных уравнений инструментами Excel – это применение матричного метода. Он заключается в построении матрицы из коэффициентов выражений, а затем в создании обратной матрицы. Попробуем использовать данный метод для решения следующей системы уравнений:

Заполняем матрицу числами, которые являются коэффициентами уравнения. Данные числа должны располагаться последовательно по порядку с учетом расположения каждого корня, которому они соответствуют. Если в каком-то выражении один из корней отсутствует, то в этом случае коэффициент считается равным нулю. Если коэффициент не обозначен в уравнении, но соответствующий корень имеется, то считается, что коэффициент равен 1. Обозначаем полученную таблицу, как вектор A.

Отдельно записываем значения после знака «равно». Обозначаем их общим наименованием, как вектор B.

Аргумент «Массив» — это, собственно, адрес исходной таблицы.

Итак, выделяем на листе область пустых ячеек, которая по размеру равна диапазону исходной матрицы. Щелкаем по кнопке «Вставить функцию», расположенную около строки формул.

Выполняется запуск Мастера функций. Переходим в категорию «Математические». В представившемся списке ищем наименование «МОБР». После того, как оно отыскано, выделяем его и жмем на кнопку «OK».

Итак, после этого программа производит вычисления и на выходе в предварительно выделенной области мы имеем матрицу, обратную данной.

Теперь нам нужно будет умножить обратную матрицу на матрицу B, которая состоит из одного столбца значений, расположенных после знака «равно» в выражениях. Для умножения таблиц в Экселе также имеется отдельная функция, которая называется МУМНОЖ. Данный оператор имеет следующий синтаксис:

Выделяем диапазон, в нашем случае состоящий из четырех ячеек. Далее опять запускаем Мастер функций, нажав значок «Вставить функцию».

В категории «Математические», запустившегося Мастера функций, выделяем наименование «МУМНОЖ» и жмем на кнопку «OK».

Активируется окно аргументов функции МУМНОЖ. В поле «Массив1» заносим координаты нашей обратной матрицы. Для этого, как и в прошлый раз, устанавливаем курсор в поле и с зажатой левой кнопкой мыши выделяем курсором соответствующую таблицу. Аналогичное действие проводим для внесения координат в поле «Массив2», только на этот раз выделяем значения колонки B. После того, как вышеуказанные действия проведены, опять не спешим жать на кнопку «OK» или клавишу Enter, а набираем комбинацию клавиш Ctrl+Shift+Enter.

Способ 2: подбор параметров

Второй известный способ решения системы уравнений в Экселе – это применение метода подбора параметров. Суть данного метода заключается в поиске от обратного. То есть, основываясь на известном результате, мы производим поиск неизвестного аргумента. Давайте для примера используем квадратное уравнение

Принимаем значение x за равное 0. Высчитываем соответствующее для него значение f(x), применив следующую формулу:

Вместо значения «X» подставляем адрес той ячейки, где расположено число 0, принятое нами за x.

Переходим во вкладку «Данные». Жмем на кнопку «Анализ «что если»». Эта кнопка размещена на ленте в блоке инструментов «Работа с данными». Открывается выпадающий список. Выбираем в нем позицию «Подбор параметра…».

Запускается окно подбора параметров. Как видим, оно состоит из трех полей. В поле «Установить в ячейке» указываем адрес ячейки, в которой находится формула f(x), рассчитанная нами чуть ранее. В поле «Значение» вводим число «0». В поле «Изменяя значения» указываем адрес ячейки, в которой расположено значение x, ранее принятое нами за 0. После выполнения данных действий жмем на кнопку «OK».

После этого Эксель произведет вычисление с помощью подбора параметра. Об этом сообщит появившееся информационное окно. В нем следует нажать на кнопку «OK».

Этот результат также можно проверить, подставив данное значение в решаемое выражение вместо значения x.

Способ 3: метод Крамера

Теперь попробуем решить систему уравнений методом Крамера. Для примера возьмем все ту же систему, которую использовали в Способе 1:

Как и в первом способе, составляем матрицу A из коэффициентов уравнений и таблицу B из значений, которые стоят после знака «равно».

Далее делаем ещё четыре таблицы. Каждая из них является копией матрицы A, только у этих копий поочередно один столбец заменен на таблицу B. У первой таблицы – это первый столбец, у второй таблицы – второй и т.д.

Теперь нам нужно высчитать определители для всех этих таблиц. Система уравнений будет иметь решения только в том случае, если все определители будут иметь значение, отличное от нуля. Для расчета этого значения в Экселе опять имеется отдельная функция – МОПРЕД. Синтаксис данного оператора следующий:

Таким образом, как и у функции МОБР, единственным аргументом выступает ссылка на обрабатываемую таблицу.

Итак, выделяем ячейку, в которой будет выводиться определитель первой матрицы. Затем жмем на знакомую по предыдущим способам кнопку «Вставить функцию».

Активируется окно Мастера функций. Переходим в категорию «Математические» и среди списка операторов выделяем там наименование «МОПРЕД». После этого жмем на кнопку «OK».

Запускается окно аргументов функции МОПРЕД. Как видим, оно имеет только одно поле – «Массив». В это поле вписываем адрес первой преобразованной матрицы. Для этого устанавливаем курсор в поле, а затем выделяем матричный диапазон. После этого жмем на кнопку «OK». Данная функция выводит результат в одну ячейку, а не массивом, поэтому для получения расчета не нужно прибегать к нажатию комбинации клавиш Ctrl+Shift+Enter.

Функция производит подсчет результата и выводит его в заранее выделенную ячейку. Как видим, в нашем случае определитель равен -740, то есть, не является равным нулю, что нам подходит.

Аналогичным образом производим подсчет определителей для остальных трех таблиц.

На завершающем этапе производим подсчет определителя первичной матрицы. Процедура происходит все по тому же алгоритму. Как видим, определитель первичной таблицы тоже отличный от нуля, а значит, матрица считается невырожденной, то есть, система уравнений имеет решения.

Способ 4: метод Гаусса

Решить систему уравнений можно также, применив метод Гаусса. Для примера возьмем более простую систему уравнений из трех неизвестных:

Опять последовательно записываем коэффициенты в таблицу A, а свободные члены, расположенные после знака «равно» — в таблицу B. Но на этот раз сблизим обе таблицы, так как это понадобится нам для работы в дальнейшем. Важным условием является то, чтобы в первой ячейке матрицы A значение было отличным от нуля. В обратном случае следует переставить строки местами.

Копируем первую строку двух соединенных матриц в строчку ниже (для наглядности можно пропустить одну строку). В первую ячейку, которая расположена в строке ещё ниже предыдущей, вводим следующую формулу:

Если вы расположили матрицы по-другому, то и адреса ячеек формулы у вас будут иметь другое значение, но вы сможете высчитать их, сопоставив с теми формулами и изображениями, которые приводятся здесь.

После того, как формула введена, выделите весь ряд ячеек и нажмите комбинацию клавиш Ctrl+Shift+Enter. К ряду будет применена формула массива и он будет заполнен значениями. Таким образом мы произвели вычитание из второй строки первой, умноженной на отношение первых коэффициентов двух первых выражений системы.

После этого копируем полученную строку и вставляем её в строчку ниже.

Выделяем две первые строки после пропущенной строчки. Жмем на кнопку «Копировать», которая расположена на ленте во вкладке «Главная».

Пропускаем строку после последней записи на листе. Выделяем первую ячейку в следующей строке. Кликаем правой кнопкой мыши. В открывшемся контекстном меню наводим курсор на пункт «Специальная вставка». В запустившемся дополнительном списке выбираем позицию «Значения».

В следующую строку вводим формулу массива. В ней производится вычитание из третьей строки предыдущей группы данных второй строки, умноженной на отношение второго коэффициента третьей и второй строки. В нашем случае формула будет иметь следующий вид:

После ввода формулы выделяем весь ряд и применяем сочетание клавиш Ctrl+Shift+Enter.

Теперь следует выполнить обратную прогонку по методу Гаусса. Пропускаем три строки от последней записи. В четвертой строке вводим формулу массива:

Таким образом, мы делим последнюю рассчитанную нами строку на её же третий коэффициент. После того, как набрали формулу, выделяем всю строчку и жмем сочетание клавиш Ctrl+Shift+Enter.

Поднимаемся на строку вверх и вводим в неё следующую формулу массива:

Жмем привычное уже нам сочетание клавиш для применения формулы массива.

Поднимаемся ещё на одну строку выше. В неё вводим формулу массива следующего вида:

Опять выделяем всю строку и применяем сочетание клавиш Ctrl+Shift+Enter.

Как видим, в Экселе систему уравнений можно решить целым рядом способов, каждый из которых имеет собственные преимущества и недостатки. Но все эти методы можно условно разделить на две большие группы: матричные и с применением инструмента подбора параметров. В некоторых случаях не всегда матричные методы подходят для решения задачи. В частности тогда, когда определитель матрицы равен нулю. В остальных же случаях пользователь сам волен решать, какой вариант он считает более удобным для себя.

Помимо этой статьи, на сайте еще 12695 инструкций.
Добавьте сайт Lumpics.ru в закладки (CTRL+D) и мы точно еще пригодимся вам.

Отблагодарите автора, поделитесь статьей в социальных сетях.