Axborot texnologiyalari va FAN: jarayonlarni matematik modellashtirish 1 mavzu Matematik model va modellashtirish. Chiziqli modellar va ularni yechish Raxmankulova Barna Oktamxanovna «Axborot texnologiyalari» kafedrasi dotsenti, e-mail: dilnoza9866@mail.ru Foydalaniladigan adabiyotlar 1.Raxmankulova B.O., Ziyaeva Sh.K., Kubyashev K.E. “Axborot texnologiyalari va jarayonlarni matematik modellashtirish”, O’quv qo’llanma. TIQXMMI, 2020 2. Abdullaev Z.S., Yusupov M., Raxmankulova B.O., Aynakulov Sh.A. “Amaliy axborot texnologiyalari”. O’quv qo’llanma. TIQXMMI, 2018 3. Michael A.An introduction to Mathematical Modelling. 2001. 4. Eshmatov X., Yusupov M., Aynaqulov Sh., Xodjaev D. Matematik modellashtirish. O’quv qo’llanma, TIMI, 2010, 240 бет. 5. Эшматов Х, Верлань А.Ф., Лукьяненко С. А. Численные методы в моделировании. Учебное пособие, «Узбекистан», 2010, 280 стр. 6. Эшкобилов Ю.Х., Юсупов М., Бобоназаров Ш.П. «Математик моделлаштиришда сонли усуллар», услубий қўлланма, TИМИ, 2003. 7. Raxmankulova B.O., Aynakulov Sh.A., Mavlonov S.P., Kendjaeva D. “Axborot texnologiyalari va jarayonlarni matematik modellashtirish” fanidan amaliy mashg’ulotlarni o’tkashish bo’yicha uslubiy qo’llanma(TJIChAva B va QSXET lar uchun), TIQXMMI, 2019. Reja: 1. Axborot texnologiyalari va jarayonlarni matematik modellashtirish fanining asosiy maqsad va vazifalari. 2. Ob’ekt va model tushunchasi. 3. Matematik model va modellashtirish 4. Matematik modellashtirishning asosiy bosqichlari. 5. Modellashtirishning asosiy usullari 6. Masala. Axborot texnologiyalari va jarayonlarni matematik modellashtirish fanining asosiy maqsad va vazifalari nimalardan iborat? Bu fan ikki qismga bo’linadi: • Mutaxassislik masalalarini yechishda axborot texnologiyalarini qo’llash • Jarayonlarni matematik modellashtirish Asosiy maqsadi : modellashtirish jarayonining umumiy qoidalarini, irrigatsiya va melioratsiya masalalarini matematik modellarini qurish hamda ularni yechish usullarini o’rganish. Asosiy vazifasi : Irrigatsiya va melioratsiya masalalarini shaxsiy kompyuter yordamida echish va olingan natijalarni tahlil qilish ko’nikmalarini hosil qilish. Оb’ekt nima? Оb’ekt deganda har xil xossa va xususiyatlarga ega bo’lgan tabiatning biror elementi tushuniladi. Kuzatilayotgan ob’ektlarni chuqur va har tomonlama o’rganish maqsadida tabiatda va jamiyatda ro’y beradigan jarayonlarning modellari yaratiladi. Buning uchun ob’ektlar hamda ularning xossalari kuzatiladi va ular to’g’risida tushunchalar hosil bo’ladi. Bu tushunchalar oddiy so’zlashuv tilida, turli rasmlar, sxemalar, belgilar, grafiklar orqali ifodalanishi mumkin. Ushbu tushunchalar MODEL deb aytiladi. Model so’zi lotincha so’z bo’lib, o’lchov, me’yor, namuna degan ma’noni anglatadi. Model nima? Model – biror ob’ekt(original)ning ba’zi bir xususiyatlarini o’z ichiga olgan va uning o’rnida foydalaniladigan yangi bir ob’ektdir. Original va modellar Matematik model va matematik modellashtirish nima? Ob’ektning xossa va xususiyatlarini matematik munosabatlar orqali ifodalash shu ob’ektning matematik modeli deb ataladi. Matematik model qurish va uni echish jarayoni matematik modellashtirish deb ataladi. Matematik modellashtirish jarayonining asosiy bosqichlari 1-bosqich: Ob’ektni o’rganish 2-bosqich: Matematik model qurish 3-bosqich: Modelni echish usulini tanlash yoki ishlab chiqish 4-bosqich: Tanlangan yoki ishlab chiqilgan echish usuli algoritmi asosida dastur tuzish 5-bosqich: Natijalar olish hamda ularni tahlil qilib,xulosalar qilish. Matematik modellashtirish jarayonini sxematik ko’rinishda qanday ifodalash mumkin? Ob’ekt Matematik model Hisoblash usullari Natijalar va tahlil Dastur Algoritm Modellashtirishning qanday asosiy usullari mavjud? Modellashtirishning asosiy usullari: 1. 2. 3. 4. 5. Analitik usullar. Sonli usullar. Statistik usullar. Sonli-analitik usullar. Analitik-statistik usullar. Analitik usullar Analitik model – ob’ekt xossa va xususiyatlarini matematik apparatlar yordamida ifodalanishi. Yutuqlari: Masalani yechimini аnaltik korinishida, jarayonlarni xar hil parametrlarda atroflicha tahlil qilish imkoniyatlari mavjudligi. Kamchiliklari: Matematik model qurishda qator faraz va gipotezalardan foydalanganligi, ayrim hollarda yechimni analitik ko’rinishda ifodalash imkoniyatining yo’qligi Sonli usullar Sonli model – boshlang’ich shartlar asosida ob’ekt xossa va xususiyatlarini grafik yoki jadval ko’rinishda ifodalash. 10 5 0 1 2 α 0.1 3 4 β 2 δ 3.14 Yutuqlari: Analitik ifodalash mumkin bo’lmagan yechimlarni sodda ko’rinishda ifodalay olish, echilayotgan masalalar sinfini oshira olish Kamchiliklari: Taqribiy almashtirishlar hisobiga, matematik model adekvantligiga salbiy ta’sir qilish, ko’p sonli amallar bajarish kerakligi Statistik usullar Statistik model –ob’ekt xossa va xususiyatlarini statistika ma’lumotlari yordamida ifodalash. Yillar Xarajatlar Hosildorlik Daromad 2000 27 0.34 102 2005 25 0.41 134 2010 26 0.43 134 Yutuqlari: Universalligi, o’ta murakkab masalalarni tahlil qilish mumkinligi, ShK yordamida tajriba o’tkazish vaqtini kamaytirish, har qanday sharoitda tahlilni amalga oshirish Kamchiliklari: Modellashtirish jarayoni ko’p mehnat va mashina vaqtini talab qilishi, oraliq ma’lumotlar olishning imkoniyati yo’qligi Modellashtirishdagi xatoliklarni qanday guruhlarga ajratish mumkin? 1- guruh xatolar yechilayotgan masalaning modelini qurish bilan bog’liq xatolar. Bu xatolar matematik model xatosi deb ataladi. 2 - guruh xatolar masalaning yechish uchun beriladigan boshlang’ich qiymatlarida uchraydigan xatolardir. Bu xatolar qutilib bo’lmaydigan xatolar deb ataladi. 3 - guruh xatolar masalanin yechish usulidagi xatolardir. Bu xatolar yechish usulining xatosi deb ataladi. 4 - guruh xatolar hisoblashlarni bevosita ShK yordamida bajarishda paydo bo’ladigan xatolardir. Bu xatolar hisoblash xatolari deb ataladi. Yol qo’yilgan xatolarni qanday baholash mumkin? Мatematik modellashtirishdagi xatolarni baholash uchun аbsolyut va nisbiy xato tushunchalari kiritiladi. Agar biror masalaning aniq yechimi x va modellashtirish natijasida olingan taqribiy yechimi x0 bo’lsa, u holda Δx=|x-x0| miqdorga modellashtirishda yo’l qo’yilgan аbsolyut xato deb ataladi. Хatolarni foizlarda ifodalash uchun kiritiladi. Quyidagi nisbiy xato tushuncha tenglik orqali aniqlanalanadigan miqdor nisbiy xato deb ataladi. Agar biror masalaning aniq yechimi x=4,462 va modelashtirish natijasida olingan taqribiy yechimi x0=4,437 bo’lsa, u holda аbsolyut хato Δx=|x-x0|=|4,462-4,437|=0,025 nisbiy хato esa ga teng bo’ladi. ga, Xatolarni kamaytirish uchun ba’zi bir takliflar Model qurish va uni yechish jarayonidagi xatoliklarni ayrim imkoniyatlardan foydalanish hisobiga kamaytirish mumkin bo’ladi. Ba’zi hollarda ShK razryadiga bog’liq xatolardan qutilish uchun quyidagi takliflarni e’tiborga olish maqsadga muvofiq bo’ladi: Qiymati hisoblanadigan ifodalarni imkoni boricha soddalashtirish va unda bajariladigan аmallar sonini eng kam miqdorga keltirish; Agar bir qator sonlar ustida qo’shish-ayirish amallarini bajarish lozim bo’lsa. dastlab kichik sonlar ustida amallarni bajarish; Oraliq hisoblashlarda qiymatlari deyarli teng bo’lgan miqdorlar ustida ayirish amalini bajarmaslik. Masala. Masala. Maymun palma daraxtidagi bananni olmoqchi. Maymun yong’oqni qanday otganda u bananga tegadi va banan yerga tushadi? Мasalaning tahlili: • Berilgan boshlangich ma’lumotlar etarlimi? • Мasala echimga egami? • Masalaning echimi yagonami? I. Masalaning qo’yilishi Faraz qilamiz: •Yong’oq va bananlarni materia, nuqta deb hisoblaymiz; •Maymun turgan joydan palma daraxtigacha bo’lgan masofa aniq; •Maymun bo’yining bo’yining uzunligi aniq; •Yerdan banangacha bo’lgan masofa aniq; •Yong’oq xarakatining boshlang’ich tezligi aniq; •Havo qarshiliga hisobga olinmaydi. Berilgan ishbu shartlar asosida masalani echish uchun yong’oqni qanday burchak ostida otish kerakligini aniqlang. II. Model tuzish Grafikli model(sonli usulda) y V H h x L Matematik model x V cos t , Мasala: agar gt 2 y h V sin t 2 V cos t L, bo’lsa ni aniqlang. gt 2 h V sin t H 2 III. Model analizi Мatematik model x V cos t gt y h V sin t 2 2 • Boshlang’ich tezlik 0 ga teng bo’lsa, yong’oq o‘z joyida qoladi • t=0 da yong’oq koordinatasi (0,h) • Yuqoriga tik otilsa (=90o), x koordinata o’zgarmaydi • t ning qandaydir qiymatidan boshlab, koordinata kamaya boshlaydi. y IV. Тajriba 1-usul burchakni o’zgartiramiz. Тanlangan burchak uchun yong’oq xarakat grafigini quramiz. Agar yong’oq banandan baland o’tib ketsa, burchakni kamaytiramiz, aks holda esa burchakni oshiramiz. 2-usul. Birinchi tenglikdan aniqlaymiz: yong’oq V cos t L xarakati L t V cos vaqtini burchakni o’zgartiramiz. qiymatiga mos t ni va unga mos y ni aniqlaymiz. Agar uning qiymati H dan katta bo’lsa, burchakni kamaytiramiz, kichik bo’lsa, oshiramiz. V. Natijalar tahlili 1.Maymun har doim bananni urib tushiradimi? 2.Agar maymun yong’oqni har xil kuch(har xil boshlang’ich tezlik) da otsa nima o’zgaradi? 3.Agar banan va yong’oqni material nuqta emas deb hisoblasak, nimalar o’zgaradi? 4.Agar havo qarshiligini hisobga olsak, nima o’zgaradi? 5.Agar daraxt tebranib turgan bo’lsa, nima o’zgaradi? CHIZIQLI MODELLAR Chiziqli algebraik tenglamalar sistemasi(CHATS)ni yechish, modellashtirishda ko’p uchraydigan masalalardan biridir. CHATS qandaydir fizik jarayonning matematik modeli deb qarash mumkin. Berilgan ma’lumotlar asosida ko’phadlar yoki maхsus egri chiziqlar qurish, differensial va integral tenglamalarni diskret algebraik sistema ko’rinishda ifodalash CHATS ni echishga keltiriladi. CHATSni echish usullari CHATSni echishda aniq (Gauss, Kramer, teskari matritsa, Jardon) va taqribiy (ketma-ket yaqinlashish, oddiy iteratsiya, Zeydel) usullaridan foydalanish mumkin. Masalaning qo’yilishi n ta noma’lumli n chiziqli algebraik tenglamalar sistemasi a11 x1 a12 x2 ... a1n b1 a x a x ... a b 21 1 22 2 2n 2 ......................................... an1 x1 an 2 x2 ... ann xn bn berilgan bo’lsin. Bu yerda aij, bi (i,j=1,2,…n) lar berilgan sonli koeffitsientlar bo’lib, ularni aniqlash kerak. xi lar noma’lumlar Masalaning matematik echimi mavjudmi? Agar berilgan sistemaga mos keluvchi asosiy diterminant 0 dan farqli, ya’ni a1 1 a1 2 ... a1n a 2 1 a 2 2 ... a 2 n .......... ....... 0 a n1 a n 2 ... a n n bo’lsa, u yagona echimga ega bo’ladi. Masalaning qo’yilishi 3 ta noma’lumli 3 chiziqli algebraik tenglamalar sistemasi a11x a12 y a13 z b1 a21x a22 y a23 z b2 a x a y a z b 32 33 3 31 berilgan bo’lsin. Bu yerda aij, bj (i,j=1,2,3) lar berilgan sonli koeffitsientlar x, y, z lar noma’lumlar bo’lib, ularni aniqlash kerak. Masalaning matematik echimi mavjudmi? Agar berilgan sistemaga mos keluvchi asosiy diterminant 0 dan farqli, ya’ni a1 1 a1 2 a1 3 a2 1 a2 2 a2 3 0 a3 1 a3 2 a3 3 bo’lsa, u yagona echimga ega bo’ladi. Kramer usuli algoritmi a1 1 a1 2 a1 3 b1 a1 2 a1 3 a2 1 a2 2 a2 3 ; x b2 a2 2 a2 3 ; a3 1 a3 2 a3 3 b3 a3 2 a3 3 a1 1 b1 a1 3 a1 1 a1 2 b1 y a2 1 b2 a2 3 ; z a2 1 a2 2 b2 ; a3 1 a3 2 b3 a3 1 b3 a3 3 x x ; y y ; z z . Misol Quyidagi 2 x 9 y 3 z 5 3x 8 y 7 z 2 5 x 7 y 8 z 3 ChATSni Kramer usulida eching. Echish. 2 9 -5 3 3 - 8 - 7 12; -5 7 2 z 3 -8 -5 7 3 -5 - 2 84; 3 3 x - 2 - 8 - 7 60; 8 9 9 7 8 2 -5 3 y 3 - 2 - 7 48; -5 3 8 y 48 x 60 4; x 5; y 12 12 z 84 z 7. 12 javob: (5; -4; 7) Gauss usuli algoritmi Gauss usuli, noma’lumlarni ketma-ket yo’qatishga asoslangan: a11x a12 y a13 z b1 a21x a22 y a23 z b2 a x a y a z b 32 33 3 31 x c12 y c13 z d1 с122 y с123 z d 21 c1 y c1 z d 1 32 33 3 x c12 y c13 z d1 x с22 y с23 z d 2 x c y c z d 32 33 3 x c12 y c13 z d1 2 y с23 z d 22 2 2 y c33 z d 3 x c12 y c13 z d1 y с232 z d 22 3 3 c z d 33 3 Misol Quyidagi x 2 y z 1 2 x 3 y 4 z 13 4 x y 2 z 13 ChATSni Gauss usulida eching. Misol Echish. x 2 y z 1 x 2 y z 1 2 x 3 y 4 z 13 x 1,5 y 2 z 6,5 4 x y 2 z 13 x 0,25 y 0,5 z 3,25 x 2 y z 1 3,5 y 3z 7,5 1,75 y 0,5 z 2,25 x 2 y z 1 6 15 y z 7 7 4 24 - z 7 7 x 2 y z 1 6 15 y z 7 7 2 9 y z 7 7 x 1 y 3 z 6 Teskari matritsa 3-o’lchovli a11 a12 a13 A a21 a22 a23 a31 a32 a33 kvadrat matritsa berilgan bo’lsin. Ta’rif. A matritsaga teskari matritsa deb shunday A-1 matritsaga aytiladiki, A-1 ∙A=E bo’ladi. Bu erda E – birlik matritsa, ya’ni E 1 0 0 0 1 0 0 0 1 Teskari matritsa Agar A matritsa elementlaridan tuzilgan determinant holdan farqli, ya’ni detA ≠ 0 bo’lsa, bu matritsaga teskari matritsa mavjud va u quyidagi formula yordamida hisoblanadi. A 1 Bu yerda Δ=detA ; to’ldiruvchilari. 1 Δ A11 A21 A31 A12 A22 A32 A13 A23 A33 Aij - aij - elementlarning algebraik Teskari matritsa A11 a22 a23 a32 a33 A21 A31 a12 a13 a32 a33 a12 a13 a22 a23 A12 ; ; ; a21 a23 a31 a33 A13 ; A22 a11 a13 a31 a33 A32 a11 a13 a21 a23 ; ; a21 a22 a31 a32 A23 A33 ; a11 a12 a31 a32 a12 a12 a21 a22 ; ; Misol A 5 1 3 0 4 2 -2 1 0 matritsaga teskari matritsa toping. 5 1 3 Echish. Δ det A 0 4 2 4 24 10 10 -2 1 0 A11=-2 ; A23 =-7; A12 =-4; A31 =-10; A13 =8; A21 =3; A22 =6; A32 =-10; A33 =20; u holda -0,2 0,3 -1 A1 -0,4 0,6 -1 0,8 -0,7 2 Teskari matritsa usuli ChATSni echishda bu usuldan foydalanish uchun, uni AX=B ko’rinishda yozib olamiz. Bu yerda a11 a12 A a21 a22 a31 a13 (1) b1 x a23 ; X a32 a33 y ; z B b2 . b3 (1) ni A-1 ga ko’paytirib, sistemaning echimini matritsa ko’rinishida hosil qilamiz X=A-1B CHATS ni yechisning iteratsiya usuli CHATS ni iteratsiya usulida yechish uchun berilgan tenglamalar sistemasi satrlarini shunday joylashtirish kerakki, koeffitsiyentlar matritsasi bosh diaganalida modul bo`yicha eng katta koeffitsientlarni joylashtirish kerak. Agar ushbu shart bajarilmasa, quyidagi usul yordamida sistemani shart bajariladigan holatga olib kelish mumkin. Ax = b teglamalar sistemasini quyidagi ko`rinishga keltiramiz: 0 = b-Ax; x = b-Ax + x; x = (bAx) τ + x; x = (E- τ A) x + τb; x = Bx + τb, bu erda B = EτA. Shunday τ sonni tanlash kerakki, quyidagi |B| <1 shart bajarilsin. Iteratsiya usuli Sistemadagi 1-tenglamani x1 ga, 2- tenglamani x2 ga va 3-tenglamani x3 ga nisbatan echib quyidagi sistemaga ega bo’lamiz: x1 1 0 12 x2 13x3 x2 2 21x1 0 23x3 x x x 0 3 3 31 1 32 2 Iteratsiya usuli Oxirgi sistemani ushbu 0 α 12 α 13 α α21 0 α23 ; α31 α32 0 β 1 β β 2 ;; β 3 x X y; z matritsa va vektorlar yordamida quyidagi ko’rinishda yozib olamiz X=β+αX (2) Iteratsiya usuli , ,.... (2) ni ketma-ket yaqinlashish usuli bilan echamiz: Х(0)=, X(1)=β+αX(0) , X(2)=β+αX(1) . Bu jarayonni quyidagicha ifodalaymiz: Х(0)=, X(k)=β+αX(k-1) , k=1,2 (3) Agar {X(k)} ketma-ketlikning k → ∞ dagi limiti mavjud bo’lsa, bu limit (1) sistemaning echimi bo’ladi Teorema. Agar (2) sistema uchun n ij 1 yoki ij 1 shartlardan birortasi n j 1 i 1 bajarilsa, u holda (3) iteratsiya jarayoni boshlangich yaqinlashishni tanlashga bog’liq bo’lmagan holda yagona echimga yaqinlashadi. Jordan usuli. Chiziqli algebraik tenglamalar tizimi quyidagi ko’rinishda berilgan bo’lsin: Yuqoridagi masala uchun dastlabki Jordan jadvalini tuzib olamiz: x2 x2 ... x3 a1 = a11 = a12 = ... a1n = a2 = a21 = a22 = ... a2n = ... ... ... ... ... am = am 1 = am 2= ... am n = Ushbu jadvaldan foydalanib, Jordan almashtirishlar quyidagi tartibda bajariladi va navbatdagi jadval to’ldiriladi: •Jadvalning yuqori o’ng burchagidagi element hal qiluvchi element sifatida tanlab olinadi; •Hal qiluvchi satrdagi va hal qiluvchi ustundagi o’zgaruvchilar o’rni almashtiriladi; •Hal qiluvchi element o’rniga unga teskari son yoziladi; •Hal qiluvchi ustun elementlari hal qiluvchi elementga bo’linib, mos kataklarga yoziladi; •Hal qiluvchi satr elementlari hal qiluvchi elementga bo’linib, ishoralari o’zgartiriladi va mos kataklarga yoziladi; •Qolgan kataklar to’rtburchak qoidasi bo’yicha to’ldiriladi. • Masalan, (k,l) katakni to’ldirish uchun quyidagi hisoblash bajariladi: • Hal qiluvchi elementlar diagonal bo’yicha tanlanadi. Bu jarayon tanlangan elementning quyi o’ng qismidagi barcha elementlar nol bo’lguncha yoki jadval diagonalidagi oxirgi elementigacha davom ettiriladi. To'rtburchak usuli quyidagicha to'ldiriladi: CHATS koeffitsiyentlarini o'z ichiga olgan kataklardan to'rtburchak tuziladi. To'rtburchakdagi hal qiluvchi element diagonal bo`icha joylashgan elementga ko'paytiriladi; ikkinchi diagonal elementlari ko'paytiriladi; ikkinchi ko`paytma birinchi ko`paytmadan ayiriladi; natija hal qiluvchi elementga bo'linadi va mos katakka yoziladi. Masalan, (2,2) katak quyidagi formula bilan to'ldiriladi: a11 a22 a21 a12 a a11 1 22 Agar hisoblash jarayonida jadvalning quyi o’ng to’rtburchak qismida barcha elementlar nol bo’lsa, oхirgi jadval quyidagi ko’rinishga keladi: CHATS da tenglamalar soni m, noma'lumlar soni n, ya’ni n=m bo'lsa, CHATS yagona yechimga ega bo'lishi mumkin. Bu holda diagonal bo'ylab hal qiluvchi elementni tanlash jadval oxirigacha davom etadi va Jordan almashtirishlari n marta bajariladi. Yuqoridagi jadval asosida Oxirgi jadval quyidagi tenglamalar sistemasining ko'rinishga keladi: echimini quyidagi ko’rinishda yozamiz: x1 b11a1 b12 a 2 ... b1n a n x2 b21a1 b22 a 2 ... b2 n a n .......................................... xn bn1 a1 bn 2 a 2 ... bnn a n Misol: Quyidagi chiziqli algebraik tenglamalar tizimini Jordan usulida yeching: Yechish: Yuqoridagi masala uchun dastlabki Jordan jadvalini tuzib olamiz: Jordan almashtirishlaridan keyin navbatdagi jadvallar quyidagi ko’rinishga keladi: Hal qiluvchi element sifatida ni olib, unga nisbatan jordan almashtirishlarini bajarib, navbatdagi jadvalni to’ldiramiz: Hal qiluvchi element sifatida ni olib, unga nisbatan jordan almashtirishlarini bajarib, navbatdagi jadvalni to’ldiramiz: X1 = X2 = X3 = 4 0 1/2 1/4 1 1/4 -5/8 1/16 3 1/4 -1/8 -3/16 Oxirgi jadvaldan tenglamalarning ildizlarini topamiz: Тopilgan ildizlarni tenglamalarga qo’yib, yechimning to’g’riligini tekshirish mumkin. E’tiborlaringiz uchun rahmat! Raxmankulova Barna Oktamxanovna «Axborot texnologiyalari» kafedrasi dotsenti, dilnoza9866@mail.ru