Теория функций комплексной переменной,
Операционное исчисление, Теория вероятностей
Теория функций комплексной переменной
Рассматриваются следующие задачи: действия с комплексными числами; решение уравнений с комплексной переменной; интегрирование функции комплексной переменной. Задача 77. Представить в тригонометрической и показательной форме число . Решение. Число задано в алгебраической форме и в общем случае имеет вид . Здесь х и у – соответственно действительная и мнимая части комплексного числа z, а i – мнимая единица (i 2 = −1). Число z изображается на комплексной плоскости точкой с координатами х и у (рис. 7).
Рис.7
Алгебраическая, тригонометрическая и показательная формы связаны соотношениями , где – модуль комплексного числа z (радиус-вектор, соединяющий начало координат с точкой z); – аргумент комплексного числа z (угол между осью Ох и радиус-вектором ). При этом , . С другой стороны, , . В силу многозначности будем рассматривать только его главное значение из промежутка , используя соотношение . Для имеем , , поэтому . Так как и число z расположено во второй четверти (рис. 8), получим . Тогда .
Рис. 8
Задача 78. Представить в тригонометрической и показательной форме число . Решение. Здесь х = 0, у = −2 (см. задачу 77), поэтому . Построив (рис. 9), определим (формула неприменима, так как х = 0).
Рис. 9 Итак, .
Задача 79. Вычислить . Решение. Выполнить действия с комплексными числами − значит представить результат в алгебраической, тригонометрической или показательной формах (см. задачу 77). В данном случае получим алгебраическую форму вида , для чего умножим числитель и знаменатель дроби на комплексно сопряженное к знаменателю число (). В результате получим
.
Задача 80. Вычислить . Решение. Возвести комплексное z число в степень n можно по формуле Муавра , где и − соответственно модуль и аргумент комплексного числа z. Найдем и (см. задачу 77). Так как х = 1, , получим . Поскольку число z расположено в четвертой четверти (рис. 10), имеем .
Рис. 10
Тогда Задача 81. Решить уравнение . Решение. Преобразуем уравнение к виду . Тогда и, значит, следует применить формулу Муавра извлечения корня степени n из комплексного числа . Здесь и − соответственно модуль и аргумент подкоренного выражения z. Находим и для числа (см. задачу 77): . Так как число w расположено в третьей четверти (рис. 11), то .
Рис. 11
Далее получаем
Задача 82. Вычислить . Решение. Поскольку i − число (), а , имеем .
Операционное исчисление Рассматриваются задачи: нахождение изображения по заданному оригиналу; нахождение оригинала по заданному изображению, нахождение изображения свертки с применением теоремы Бореля; решение дифференциальных уравнений операционным методом. Задача 83. Найти изображение F(p) для функции-оригинала . Решение. Функция-оригинал f(t) и ее изображение F(p) связаны соотношением (или коротко: l ). Применение этого равенства приводит к известным формулам изображений элементарных функций, согласно которым l , l , l , l , l , l . Замечание. На самом деле здесь перечислены изображения элементарных функций, умноженных на единичную функцию Хевисайда , которую обычно не пишут. Сама же функция Хевисайда имеет изображение . Так как изображение суммы оригиналов равно сумме изображений, получаем l l .
Задача 84. Найти изображение F(p) для функции-оригинала . Решение. Преобразуем f(t) с помощью формул элементарной математики [приложение 5]:
, , , , . В результате получим . Теперь можно применить формулы изображений элементарных функций [приложение 6]. Имеем .
Задача 85. Найти функцию-оригинал f(t) по заданному изображению . Решение. Воспользуемся формулами связи функций-оригиналов и их изображений [приложение 6]. Получим l , l , l , l , l . Окончательно имеем .
Задача 86. Найти изображение свертки функций: 1) ; 2) ; 3) . Решение. Согласно теореме Бореля свертка (обозначается ) функций f(t) g(t) имеет изображением функцию F(p)·G(p) (здесь l , l ). Значит, для получения искомого изображения достаточно перемножить изображения каждой из свертываемых функций. Используя формулы изображений элементарных функций [приложение 6], получим 1) l ; 2) l ; 3) l .
Задача 87. Средствами операционного исчисления решить дифференциальное уравнение . Решение. Считая искомую функцию y(t) функцией-оригиналом, обозначим ее изображение Y(p) и найдем изображения левой и правой частей дифференциального уравнения. Согласно формуле дифференцирования оригинала l и с учетом нулевых начальных условий получим l , l . Так как l [приложение 6], для правой части имеем l . В результате дифференциальное уравнение, записанное в изображениях, примет вид . Решаем его относительно : , т.е. . Возвращаясь от изображения Y(p) к оригиналу y(t), получим искомое решение дифференциального уравнения l .
Теория вероятностей
Рассматриваются задачи по темам: алгебра событий; формула полной вероятности; дискретная случайная величина и ее характеристики; непрерывная случайная величина и ее характеристики; распределения случайной величины: биномиальное, нормальное.
Задача 88. Три стрелка стреляют по мишени с вероятностями попадания 0,8, 0,9 и 0,7 соответственно. Найти вероятность того, что при одном залпе в мишень а) попадут все три стрелка; б) не попадет ни один; в) попадет ровно один стрелок; г) попадет хотя бы один стрелок. Решение. Обозначим А 1, А 2 и А 3 − попадания в мишень первым, вторым и третьим стрелками соответственно, а , и − непопадания для этих же стрелков. Так как произведение событий есть событие, состоящее в совместном появлении перемножаемых величин, то А 1 А 2 А 3 означает три попадания, а − три промаха.
События А 1, А 2, А 3 независимы (появление одного не влияет на вероятность появления другого), поэтому вероятность трех попаданий (случай а)) равна произведению вероятностей . События А 1 и − противоположные события, значит удовлетворяют соотношению . Но тогда . Аналогично, , . Таким образом, вероятность трех промахов (случай б)) равна . Рассмотрим случай в). Искомое событие − попадет ровно один стрелок − состоит в появлении одного из событий: (первый попал в мишень, а второй и третий промахнулись), (второй попал, а два других промахнулись), (третий попал, остальные − нет). Так как событие, состоящее в появлении хотя бы одного из событий, есть их сумма, получим, что искомое событие равно . Слагаемые этой суммы − несовместные события (появление одного из них исключает появление другого), поэтому вероятность суммы равна сумме вероятностей. Следовательно, вероятность того, что попадет ровно один стрелок, равна . Рассматривая случай г), обозначим В − событие, состоящее в том, что в мишень попадет хотя бы один стрелок, т.е. при одном залпе будет от одного до трех попаданий. Если к событию В добавить событие, означающее все три промаха, получим полную группу событий с вероятностью, равной 1. Но тогда событие, означающее три промаха, есть , а его вероятность уже найдена (случай б)). Итак, и .
Задача 89. В ящике содержится 10 деталей, изготовленных на заводе №1, 15 деталей, изготовленных на заводе №2 и 20 деталей, изготовленных на заводе №3. Вероятности брака для трех заводов соответственно равны 0,1, 0,3 и 0,2. Найти вероятность того, что наудачу взятая деталь окажется бракованной. Решение. Обозначим А − событие, состоящее в том, что взятая деталь бракованная. Возможны три предположения (гипотезы): Н 1 − деталь изготовлена на заводе №1, Н 2 − деталь изготовлена на заводе №2, Н 3 − деталь изготовлена на заводе №3. Вероятности этих гипотез равны , , . По формуле полной вероятности (с учетом всех гипотез)
. Здесь − вероятность того, что взятая деталь является бракованной при условии, что она изготовлена на заводе №1. Согласно условию задачи . Аналогично, , . Но тогда .
Задача 90. Дискретная случайная величина Х задана законом распределения
Найти математическое ожидание M(X) и дисперсию D(Х) случайной величины Х. Решение. Найдем р 2 из условия . Получим . Для дискретной случайной величины , . Поэтому , .
Задача 91. Дискретная случайная величина задана законом распределения
Найти х 2, если М (Х) = 2,9. Решение. Так как , то . В формулу математического ожидания подставим известные значения и найдем х 2 , , .
Задача 92. Задана плотность распределения f(x) непрерывной случайной величины Х: Найти . Решение. Вероятность попадания непрерывной случайной величины на отрезок [ a, b ] определяется формулой . Поскольку на отрезке [2, 4] плотность распределения f(x) задана различными аналитическими выражениями, интеграл заменяется суммой интегралов и тогда . Задача 93. Непрерывная случайная величина Х задана функцией распределения Найти М (Х), D (Х). Решение. Найдем сначала плотность распределения f(x) непрерывной случайной величины Х по формуле . Получим Математическое ожидание М (Х) и дисперсия D (Х) непрерывной случайной величины X вычисляются по формулам , . Получаем , .
Задача 94. Случайная величина Х − число появлений события А в n испытаниях − распределена по биномиальному закону с математическим ожиданием М (Х) = 4 и дисперсией D (Х) = 3. Найти вероятность появления события А в каждом испытании. Решение. Для случайной величины, распределенной по биномиальному закону, справедливы формулы М (Х) = np, D (Х) = npq, где р − вероятность появления события А в каждом испытании, а q – вероятность противоположного события, q =1 − p. Имеем: np = 4, npq = 3. Разделив второе равенство на первое, найдем q: , отсюда .
Задача 95. Найти дисперсию случайной величины Х − числа появлений события А в 20 независимых испытаниях, если вероятности появления события в каждом испытании одинаковы, а М (Х) = 2. Решение. Так как испытания независимы, а вероятность появления события А в каждом испытании одинакова, то случайная величина распределена по биномиальному закону. Но тогда М (Х) = np, D (Х) = npq. Из первого равенства найдем . Тогда , значит, .
Задача 96. Детали, выпускаемые цехом, по размеру диаметра распределяются по нормальному закону с параметрами М (Х) = 2 см, D (Х) = 0,25 см2. Деталь считается годной, если ее диаметр не менее 1,5 см и не более 3 см. Определить процент годных и процент бракованных деталей.
Решение. Вероятность того, что непрерывная случайная величина Х, распределенная по нормальному закону, примет значение, принадлежащее отрезку , равна , где − функция Лапласа, − среднее квадратическое отклонение (). Поэтому или, с учетом нечетности функции Лапласа,
(значения функции Лапласа можно найти в таблице приложений – см. библ. список [2, 3]). Полученный результат означает, что процент годных деталей составит 81,85%, бракованных − 18,15%.
Задача 97. Дальность полета снаряда распределена нормально с математическим ожиданием 200 м и средним квадратическим отклонением 10 м. Определить интервал, в который согласно «правилу » попадет снаряд с вероятностью 0,9973. Решение. Если в формуле вероятности попадания нормально распределенной случайной величины на отрезок (см. задачу 96) принять , , окажется, что . Это и есть «правило » − более 99,7% значений случайной величины попадут в интервал радиуса , симметричный относительно математического ожидания. С учетом данных задачи получим .
Приложение 1
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|