Применение матрицы. Интересные применения матрицы в математике, физике, экономике, биологии
![]()
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Профессионально-педагогический колледж федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» Специальность: 10.02.03 Информационная безопасность автоматизированных систем. Реферат по дисциплине: «Математика» на тему: «Интересные применения матрицы в математике, физике, экономике, биологии»» Выполнил: Студент группы БИ-922 Душамедов В.Н. Проверил преподаватель: Бахрах С.А. Саратов 2017 Содержание Введение 2 Применение матрицы в математике и физике 3 Применение матрицы в экономике 4 Применение матрицы в биологии 8 Заключение 10 Список литературы 11 Введение 2 Применение матрицы в математике и физике 3 Применение матрицы в экономике 4 Применение матрицы в биологии 8 Заключение 10 Список литературы 11 ВведениеВпервые матрица под названием "волшебный квадрат" упоминается еще в Древнем Китае. Подобные квадраты чуть позже были известны и у арабских математиков. С развитием теории определителей в конце 17 века швейцарский математик Габриэль Крамер (1704 - 1752) начал разрабатывать свою теорию и в 1751 году, не задолго до своей смерти, опубликовал "правило Крамера" - метод решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с ненулевым определителем матрицы системы. Как отдельная теория, теория матриц получила свое активное развитие в середине 19 века в работах ирландского математика и физика Уильяма Гамильтона (1805 - 1865) и английского математика Артура Кэли (1821 - 1895). Фундаментальные результаты в теории матриц принадлежат также немецким математикам Карлу Вейерштрассу (1815 - 1897), Фердинанду Георгу Фробениусу (1849 - 1917) и французскому математику Мари Энмону Камиль Жордану (1838 - 1922). Современное название "матрица" было введено английским математиком Джеймсом Сильвестром (1814 - 1897) в 1850 году. Применение матрицы в математике и физикеМатрицы широко применяются в математике и физике для компактной записи и решения систем линейных алгебраических уравнений и систем дифференциальных уравнений. При этом количество строк матрицы соответствует количеству уравнений системы, а количество столбцов — количеству неизвестных величин. Матричный аппарат позволяет существенно упростить решение СЛАУ сведя его к операциям над матрицами. Решение систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), несомненно, является важнейшей темой курса линейной алгебры. Огромное количество задач из всех разделов математики сводится к решению систем линейных уравнений. Так же матрицы используються в квантовой механике и называются матричной механикой. Матричная механика – математический формализм квантовой механики, разработанный Вернером Гайзенберга, Максом Борном и Паскуалем Иордана в 1925. В матричные механике считается, что физическая система может находиться в одном из дискретного набора состояний n или в суперпозиции этих состояний, поэтому в целом состояние квантовомеханической системы задается вектором состояния: конечной или бесконечной совокупностью комплексных чисел ![]() а каждому физическому величине A, которые можно наблюдать в эксперименте соответствует определенная матрица ![]() Реальным физическим величинам соответствуют самоспряжених матрицы, для которых ![]() Комплексные величины ![]() Диагональные элементы матрицы A соответствуют значениям физической величины, когда она находится в определенном состоянии, а недиагональные элементы описывают вероятность переходов системы из одного состояния в другое. Теория случайных матриц — раздел математической статистики, изучающий свойства ансамблей матриц, элементы которых распределены случайным образом, она имеет множество применений в физике, в особенности в приложениях квантовой механики к изучению неупорядоченных и классически хаотических динамических систем. Дело в том, что гамильтониан хаотической системы нередко можно представлять себе как случайную эрмитовуили симметричную вещественную матрицу, при этом уровни энергии этого гамильтониана будут представлять собой собственные значения случайной матрицы. Применение матрицы в экономикеПонятие матрицы и основанный на нем раздел математики - матричная алгебра - имеют чрезвычайно важное значение для экономистов. Объясняется это тем, что значительная часть математических моделей экономических объектов и процессов записывается в достаточно простой, а главное - компактной матричной форме. С помощью матриц удобно записывать некоторые экономические зависимости. Например, таблица распределения ресурсов по отдельным отраслям экономики (усл. ед.):
Может быть записана в компактной форме в виде матрицы распределения ресурсов по отраслям: ![]() ![]() ![]() ![]() Рассмотрим следующую задачу: пусть предприятие выпускает продукцию трех видов: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() где каждый элемент ![]() ![]() Рассмотрев задачу, получили: затраты 1-го сырья составляют S 1 = 2·100 + 5·80 + 1·130 = 730 ед. и 2-го - S 2 = 3·100 + 2·80 + 4·130 = 980 ед. , поэтому матрица-строка затрат сырья S может быть записана как произведение: ![]() Тогда общая стоимость сырья Q = 730·30 + 980·50 = 70900 ден. ед. может быть записана в матричном виде: Q = S·B = (CA)B = (70900) . Общую стоимость сырья можно вычислить и в другом порядке: вначале вычислим матрицу стоимостей затрат сырья на единицу продукции, т.е. матрицу: ![]() а затем общую стоимость сырья: ![]() На этом примере мы убедились в выполнении ассоциативного закона произведения матриц: (СА)В = С(АВ) . Далее рассмотрим задачу: В таблице приведены данные о производительности 5 предприятий, которые выпускают 4 вида продукции с потреблением 3-х видов сырья, так же длительность работы всех предприятий в году и цена каждого вида сырья.
Необходимо определить: Производительность каждого предприятия по каждому типу изделий; Потребность каждого предприятия по каждому типу сырья; Сумму кредитования предприятий для закупки сырья, которое необходимо для выпуска продукции указанных видов и количеств. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ: составим матрицы, которые характеризуют весь экономический спектр производства. Построим матрицу производительности предприятий по всем типам продукции: Каждый столбец данной матрицы соответствует производительности по каждому виду продукции. Исходя из этого, годовую производительность i- того предприятия по каждому виду продукции можно получить благодаря умножению i- того столбца матрицы C на количество рабочих дней в году для данного предприятия (i = 1, 2 ,3, 4, 5). Матрица затрат сырья на единицу изделия (данные показатели по условию являются одинаковыми для всех предприятий) имеет следующий вид: Расход по типам сырья на предприятиях можно описать при помощи произведения матрицы D на матрицу C: Где j-ая строка соответствует номеру типа сырья, а i-ый столбец - номеру предприятия согласно таблице (j =1, 2, 3; i =1, 2, 3, 4, 5). На второй вопрос задачи ответ можно получить аналогично, умножив столбцы матрицы DС на соответствующее количество рабочих дней в году - это годовая потребность предприятий в каждом типе сырья: Введем вектор стоимости сырья: Тогда стоимость годового запаса сырья для каждого предприятия получим путем умножения вектора на матрицу : Исходя из этого, суммы кредитования предприятий для закупки сырья определяются соответствующими компонентами вектора . Проанализировав использования матриц в экономике, мы пришли к выводу, что достоинства матриц состоят в том, что они используют широкий набор стратегически значимых переменных; указывают направление движения ресурсов. Среди недостатков этого инструмента: не обеспечивает реальных рекомендаций по разработке специфических стратегий; по ней невозможно определить сферы бизнеса, которые готовы стать победителями. Также матрицы позволяют с минимальными затратами труда и времени обрабатывать огромный и весьма разнообразный статистический материал, различные исходные данные, характеризующие уровень, структуру, особенности социально-экономического комплекса. Применение матрицы в биологииМы привыкли к делению наук на естественные и гуманитарные. При этом в первую очередь к естественным наукам относят математику. Но это не вполне справедливо. Математика скорее занимает некое промежуточное положение, будучи связана с изучением как окружающей природы, так и различных форм человеческой деятельности. Математика — это язык, пригодный для описания самых различных явлений. Но это язык, подчиненный весьма жестким и строгим логическим правилам. И научиться говорить на математическом языке о том или ином круге вопросов подчас весьма сложно. Мы лучше всего умеем говорить на нем о механических и физических явлениях, но в принципе этот язык универсален. В последнее время мы все чаще говорам на математическом языке и о биологии. Введём так называемую биологическую или миграционную матрицу ![]() От места М: К месту ![]() Каждая точка в этой матрице представляет ту часть населения, в процентах, которая перемещается с одного места на другое за единицу времени. Эти части умножаются на значения ( число людей или ещё чего-либо) в местах А, В, С и в результате получаются значения А, В и С спустя единицу времени: ![]() Это матричное уравнение для миграции (переселения). Если эту операцию повторять несколько раз мы увидим как миграция, представленная матрицей М сказывается на значениях в местах А, В и С по пришествии нескольких промежутков времени. По мере увеличения числа умножений матриц, эти величины всё меньше зависят от их начальных значений, и некоторое время спустя они начинают зависеть, лишь от миграционной матрицы М. Покажем это на примере: Пусть имеется матрица M = ![]() ![]() ![]() ![]() После миграции новые численности популяций представляются элементами вектора n’, где: n’ = M × n = ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Следовательно, ![]() Проведённое исследование показало, что алгебра матриц применима к решению большого круга важных задач, она упрощает процедуру решения и облегчает понимание процесса. И хотя в нашей работе этот метод к очень упрощённым, утрированным биологическим проблемам, стало ясно, что он может быть использовать и в решении реальных задач генетики, биологии популяций, систематики. ЗаключениеМатричный язык, обозначения и матричные вычисления широко используются в различных областях современной математики и ее приложений. Матрицы являются основным математическим аппаратом линейной алгебры и применяются при исследовании линейных отображений векторных пространств, линейных и квадратичных форм, систем линейных уравнений. Матрицы используются в математическом анализе при интегрировании систем дифференциальных уравнений, в механике и теоретической электротехнике при исследовании малых колебаний механических и электрических систем, в теории вероятностей, в квантовой механике и др. Список литературы
|