Математические методы в географии Учебное пособие - Гриценко В.А., и др.. Математические методы в географии Учебное пособие - Гриценко В. Учебное пособие Калининград 1999
 Скачать 3.78 Mb.
|
|
КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В.А. Гриценко, Е.В. Белосевич, Е.К. Артищева МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ГЕОГРАФИИ Учебное пособие Калининград 1999 удк 557.55 В.А. Гриценко, Е.В. Белосевич, Е.К. Артищева. Математические методы в географии: Учебное пособие / Калинингр. ун-т. – Калининград, 1999. – 75 с. – ISBN 5-88874-151-5. Предлагаемое учебное пособие посвящено краткому разбору теории интерполирования, численного интегрирования, методов решения дифференциальных уравнений и систем. Даны основные понятия гармонического анализа и сетевого планирования, а также предложены подробные рекомендации по решению основных численных задач с помощью профессиональных программных пакетов. Пособие предназначено для студентов естественнонаучных специальностей, прежде всего географов, использующих численные методы при обработке результатов эксперимента, а также специалистов, использующих в своей работе теорию и практику численных методов. Пособие подготовлено при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция», проект «Балтийский учебно-научный центр по экологии и геоэкологии». Научный руководитель проекта - проф. Е.М. Емельянов. Таблиц - 5, библиография - 39 назв.; иллюстраций - 15. Печатается по решению редакционно-издательского Совета Калининградского государственного университета. ISBN 5-88874-151-5 © Калининградский государственный университет, 1999 СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ Проникновение математических методов в самые разнообразные, подчас неожиданные сферы человеческой деятельности означает возможность пользоваться новыми, как правило, весьма эффективными средствами исследования. Рост математической культуры специалистов в соответствующих областях приводит к тому, что изучение общих теоретических положений и методов вычислений уже не встречает серьезных трудностей. Вместе с тем на практике оказывается, что одних лишь обычных математических познаний недостаточно для решения той или иной прикладной задачи – оказывается необходимо еще иметь навыки в переводе исходной формулировки конкретной предметной задачи на математический язык. Собственно, в этом и состоит проблема овладения использованием математических методов в любой отрасли знаний или искусством математического моделирования. К сожалению, традиционный вузовский курс математики приучает большинство студентов к несколько формальному подходу к изучаемому предмету. Он преподается по хорошо разработанной программе, подчеркивающей основные принципы математики и необходимость строго анализа. Однако все это составляет лишь часть арсенала средств, необходимых специалисту в практической деятельности. В результате при непосредственном контакте с исходным материалом у молодых специалистов зачастую возникает некоторая растерянность перед конкретными задачами. Одним из возможных вариантов решения данной проблемы стало введение в учебный план студентов географического факультета специальной дисциплины, главной целью которой стало обучение студентов основным методам постановки задач, возникающих при обработке и анализе экспериментального материала из разнообразных практических задач. Общее название курса – «Математические методы в географии», хотя, очевидно, его можно было бы назвать и введением в методы математического моделирования. Цель данного пособия – систематически изложить наиболее важные элементы использования возможностей математики при решении задач, возникающих при географических исследованиях. Известно, что основной посылкой использования математических методов в естественнонаучных исследованиях является потребность в улучшении понимания реально существующих и происходящих природных процессов. На практике исходным пунктом является некоторая эмпирическая ситуация, выдвигающая перед исследователем задачу, на которую необходимо найти ответ. Однако, использование на этом этапе терминов «задача» и «ответ» не совсем правомерно. В самом деле, реальные ситуации редко бывают четко очерченными, а сложное взаимодействие с окружающей средой часто делает точное описание ситуации затруднительным. Процесс выделения реального содержания задачи, уже поддающейся математическому анализу, часто бывает весьма продолжительным и требует владения многими навыками, не имеющими никакого отношения к математике (например, беседы с очевидцами события, наблюдателями, знакомство с общей ситуацией в данном районе исследований, знание особенностей техники регистрации натурного эксперимента и возможных механизмов появления погрешностей в натурных данных, обстоятельное изучение литературы по широкому кругу вопросов и т.д.). Часто параллельно с этой стадией постановки задачи идет процесс выявления основных или существенных особенностей исследуемого явления. В частности, для физических явлений этот процесс схематизации, или идеализации, играет решающую роль, поскольку в реальном явлении соучаствует множество процессов, и оно достаточно сложно. Некоторые черты явления представляются более важными, многие другие – несущественными. Рассмотрим, например, движение маятника, образованного тяжелым грузом, подвешенным на конце нити. В этой ситуации существенным является регулярный характер колебаний маятника, а несущественным обстоятельством – материал, из которого сделаны нить и сам груз. После того как существенные факторы выявлены, следующий шаг состоит в переводе этих факторов на язык математических понятий и величин и постулировании соотношений между этими объектами. Как правило, это одна из самых трудных стадий процесса математизации задачи, причем здесь невозможно дать никаких общих рекомендаций. И здесь исследователю приходится каждый раз решать новую, оригинальную задачу, полагаясь на весь свой опыт и возможности, полученные в предыдущей работе. После выполнения математической постановки задачи или построения исходной математической модели ее следует подвергнуть проверке. Адекватность модели в значительной степени подвергается проверке на каждом этапе хода постановки задачи. Уравнения или другие математические соотношения, сформулированные в модели, постоянно соотносятся с реальной ситуацией. Существует несколько аспектов проверки адекватности. Во-первых, сама математическая основа модели (которая, собственно, и составляет ее суть) должна быть непротиворечивой и подчиняться всем математическим законам. Во-вторых, справедливость математического подхода, или модели, зависит от ее способности адекватно описывать исходную ситуацию. Разумеется, подход или модель должны отражать наиболее важные стороны действительной ситуации, но они не являются действительностью. Механический маятник вполне реальный объект, его модель также часто называют математическим маятником. Однако модель – это всего лишь математическая идеализация реального объекта и ничего больше. Математическое решение, или модель, представляет собой упрощение реальной ситуации. Ощутимое упрощение наступает тогда, когда несущественные особенности ситуации отбрасываются, а исходная сложная задача сводится к идеализированной задаче, поддающейся математическому анализу. Именно при таком подходе в классической прикладной математике возникли блоки без трения, невесомые и нерастяжимые нити, невязкие жидкости и многие другие понятия подобного рода. Эти понятия не существуют в реальной действительности, они являются абстракциями, составной частью идеализации, предпринятой создателями при построении модели. Все перечисленное относится только к одной из сторон процесса упрощения исследуемой реальной ситуации. Другая сторона связана уже собственно с математической техникой. Дело в том, что системы уравнений, которые в итоге получаются при постановке задач, очень часто не поддаются точному решению. Такая ситуация, например, существует в механике жидкости, где на базе уравнений Навье-Стокса сравнительно легко пишутся исходные уравнения подхода. Однако подавляющая часть этих систем не имеет аналитического решения и поэтому для продвижения в описании основных свойств приходится делать дополнительные упрощения. Цель по-прежнему та же – получение выводов и предсказаний о свойствах реальной системы. Описанный образ действий при использовании возможностей математики, или построения моделей, не является единственным, и этому не стоит удивляться. При другом возможном подходе первым шагом может стать построение простейшей модели минимально возможного числа наиболее важных характерных особенностей явления. Это, как правило, делается для того, чтобы «почувствовать» рассматриваемую задачу, причем делается еще до того, как сама задача окончательно сформулирована. Затем эта простейшая модель обобщается, чтобы охватить и дополнительные факторы, пока не будет найдено некоторое приемлемое решение. Еще одно обстоятельство связано с природой рассматриваемых математических переменных, необходимых для описания основных факторов задачи. Они делятся на два класса: в один входят величины, поддающиеся (по крайней мере теоретически) точному измерению и управлению; они называются детерминированными переменными. В другой класс входят величины, которые никогда не могут быть точно измерены и имеют случайный характер; они называются стохастическими переменными. Для эффективной реализации подхода, или модели, чрезвычайно важно, чтобы природа переменных была правильно установлена. Наконец, даже после получения долгожданных формул, решений или иных по форме представлений результатов работа исследователя не заканчивается. Наступает этап интерпретации полученных решений, который заключается в обратном переходе с математического языка на язык формулировки исходной задачи. На этом этапе необходимо осознание как математического смысла полученных решений, так и того, что они описывают на языке реального мира, который математика призвана описывать. Обычно этот этап не всегда отмечается в классическом математическом курсе высшей школы. При успехе можно говорить о продвижении в понимании исследуемой ситуации или процесса. Однако поведение решений, подхода или модели может оказаться недостаточно богатым по сравнению с исходной точкой исследования, и тогда весь процесс повторяется снова. Модель обычно начинается с самого простого и постепенно развивается, принимая все более сложные очертания по мере того, как достигается все более глубокое понимание явления. И, наконец, последнее. Простым чтением или пассивным прохождением учебного курса «Математические методы в географии» нельзя, к сожалению, научиться эффективно использовать математику на службе собственных исследований. Реальными навыками использования математических методов, или математического моделирования, можно овладеть только в результате собственной практики исследований. Данное пособие предназначено в первую очередь начинающим исследователям и может служить переходным мостиком между учебным материалом и процессом живого научного исследования. Глава 1. ПРИБЛИЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ Изучение разнообразных явлений в окружающем нас мире приводит к понятию функции. Например, ясно, что каждому моменту времени в данной местности соответствует определенная температура воздуха; атмосферное давление изменяется в зависимости от высоты местности; продуктивность водоема зависит от продолжительности солнечного освещения, морские приливы и отливы периодически повторяются в зависимости от фазы Луны и т.д. Во всех этих случаях значению одной величины (время, высота над уровнем моря, продолжительность солнечного освещения, положение Луны относительно Земли) ставится в соответствие определенное значение другой величины по определенному закону. Используя математический аппарат, можно исследовать природные закономерности, проводить прогнозирование событий, анализировать прошедшие и т.д. Для этого необходимо владеть приемами перевода языка природы на язык математики. И одной из первых задач исследователя при обработке экспериментальных данных является задача нахождения имеющейся функциональной зависимости между измеренными величинами. Об этом и пойдет речь в настоящей главе. 1. Функции одной переменной 1.1. Понятие функции одной переменной Рассмотрим два числовых множества X и Y. Правило f, по которому каждому числу хÎХ ставится в соответствие единственное число yÎY, называется числовой функцией, заданной на множестве Х и принимающей значения во множестве Y. Таким образом, задать функцию, значит задать три объекта: 1) множество Х (область определения функции); 2) множество Y (область значений функции); 3) правило соответствия f (сама функция). Например, поставим в соответствие каждому числу его куб. Математически это можно записать формулой y=x3. В этом случае правило f есть возведение числа х в третью степень. В общем случае, если каждому х по правилу f соответствует единственный y, пишут y = f(x). Здесь х называют независимой переменной, или аргументом, а y – зависимой переменной (т.к. выражение типа x3 само по себе не имеет определенного числового значения, пока не указано значение х), или функцией от х. О величинах х и y говорят, что они связаны функциональной зависимостью. Зная все значения х и правило f, можно найти все значения у. Например, если х=2, то функция f(x) =x3 принимает значение у= f(2) =23 =8. 1.2. Способы задания функции одной переменной Существует несколько способов задания функции. Аналитический способ. Функция f задается в виде формулы y=f(x). Например, y=3cos(x)+2x2. Этот способ является преобладающим в математических исследованиях и подробно рассматривается в классическом курсе математики. В географических исследованиях соответствие между переменными величинами x и y не всегда удается записать в виде формулы. Во многих случаях формула бывает неизвестна. Тогда для выражения функциональной зависимости используются другие способы. Графический способ. На метеорологических станциях можно наблюдать работу приборов-самописцев, регистрирующих величины атмосферного давления, температуры воздуха, его влажности в любой момент времени суток. По полученному графику можно определить значения указанных величин в любой момент времени. Графиком функции y=f(x) называется множество всех точек плоскости с координатами (x, f(x)). График содержит всю информацию о функции. Имея перед собой график, мы как бы «видим» функцию. Табличный способ. Этот способ является наиболее простым. В одной строке таблицы записываются все значения аргумента (числа), а в другой – значения f(x), соответствующие каждому х. Например, зависимость температуры воздуха (Т) от времени суток (t) в определенный день можно представить таблицей.
Несмотря на повсеместное внедрение компьютеров, большинство функций, с которыми приходится сталкиваться специалисту-географу в повседневной деятельности, до сих пор представлено в виде табличного или графического задания. Табличные зависимости получаются в результате регистрации результатов опытов, лабораторных анализов, периодических замеров атмосферных или иных физических параметров. К сожалению, по таблице можно найти лишь те значения функции, значения аргумента которых имеются в таблице. В то же время часто возникают задачи, требующие нахождения значения функции для значения аргумента, не входящего в таблицу. Кроме того, этот способ не дает достаточно наглядного представления о характере изменения функции с изменением независимого переменного. От этого недостатка свободны графики, полученные в результате работы автоматических приборов, но и графическое задание не всегда может быть достаточным для дальнейших исследований. Например, такая функция иногда должна в целях исследования протекания природного процесса подвергаться каким-либо математическим операциям, в том числе дифференцированию или интегрированию. Таким образом, во многих случаях важно знать аналитическое задание функции. Так как точного аналитического задания функции, полученной в результате экспериментальной работы, не существует, то для целей исследования применяют следующий прием: функцию, заданную таблично (функцию, заданную графически, всегда можно представить в табличном виде), заменяют на некотором отрезке [a;b] другой функцией – более простой, близкой в некотором смысле к данной и имеющей аналитическое выражение. Существует два основных приема такой замены – интерполирование и аппроксимация функции-таблицы. |