Большинство задач, решаемых с помощью электронной таблицы, предполагают нахождение искомого результата по известным исходным данным. Но в Excel есть инструменты, позволяющие решить и обратную задачу: подобрать исходные данные для получения желаемого результата.
Одним из таких инструментов является Поиск решения , который особенно удобен для решения так называемых "задач оптимизации".
Если Вы раньше не использовали Поиск решения , то Вам потребуется установить соответствующую надстройку.
Сделать это можно так:
для версий старше Excel 2007 через команду меню Сервис --> Надстройки;
начиная с Excel 2007 через диалоговое окно Параметры Excel
Начиная с версии Excel 2007 кнопка для запуска Поиска решения появится на вкладке Данные .
В версиях до Excel 2007 аналогичная команда появится в меню Сервис
Разберём порядок работы Поиска решения на простом примере.
Пример 1. Распределение премии
Предположим, что Вы начальник производственного отдела и Вам предстоит по-честному распределить премию в сумме 100 000 руб. между сотрудниками отдела пропорционально их должностным окладам. Другими словами Вам требуется подобрать коэффициент пропорциональности для вычисления размера премии по окладу.
Первым делом создаём таблицу с исходными данными и формулами, с помощью которых должен быть получен результат. В нашем случае результат - это суммарная величина премии. Очень важно, чтобы целевая ячейка (С8) посредством формул была связана с искомой изменяемой ячейкой (Е2). В примере они связаны через промежуточные формулы, вычисляющие размер премии для каждого сотрудника (С2:С7).
Теперь запускаем Поиск решения и в открывшемся диалоговом окне устанавливаем необходимые параметры. Внешний вид диалоговых окон в разных версиях несколько различается:
Начиная с Excel 2010
До Excel 2010
После нажатия кнопки Найти решение (Выполнить) Вы уже можете видеть в таблице полученный результат. При этом на экране появляется диалоговое окно Результаты поиска решения.
Начиная с Excel 2010
До Excel 2010
Если результат, который Вы видите в таблице Вас устраивает, то в диалоговом окне Результаты поиска решения нажимаете ОК и фиксируете результат в таблице. Если же результат Вас не устроил, то нажимаете Отмена и возвращаетесь к предыдущему состоянию таблицы.
Решение данной задачи выглядит так
Важно: при любых изменениях исходных данных для получения нового результата Поиск решения придется запускать снова.
Разберём еще одну задачу оптимизации (получение максимальной прибыли)
Пример 2. Мебельное производство (максимизация прибыли)
Фирма производит две модели А и В сборных книжных полок.
Их производство ограничено наличием сырья (высококачественных досок) и временем машинной обработки.
Для каждого изделия модели А требуется 3 м² досок, а для изделия модели В - 4 м². Фирма может получить от своих поставщиков до 1700 м² досок в неделю.
Для каждого изделия модели А требуется 12 мин машинного времени , а для изделия модели В - 30 мин. в неделю можно использовать 160 ч машинного времени.
Сколько изделий каждой модели следует выпускать фирме в неделю для достижения максимальной прибыли, если каждое изделие модели А приносит 60 руб. прибыли, а каждое изделие модели В - 120 руб. прибыли?
Порядок действий нам уже известен.
Сначала создаем таблицы с исходными данными и формулами. Расположение ячеек на листе может быть абсолютно произвольным, таким как удобно автору. Например, как на рисунке
Запускаем Поиск решения и в диалоговом окне устанавливаем необходимые параметры
- Целевая ячейка B12 содержит формулу для расчёта прибыли
- Параметр оптимизации - максимум
- Изменяемые ячейки B9:C9
- Ограничения: найденные значения должны быть целыми, неотрицательными; общее количество машинного времени не должно превышать 160 ч (ссылка на ячейку D16); общее количество сырья не должно превышать 1700 м² (ссылка на ячейку D15). Здесь вместо ссылок на ячейки D15 и D16 можно было указать числа, но при использовании ссылок какие-либо изменения ограничений можно производить прямо в таблице
- Нажимаем кнопку Найти решение (Выполнить) и после подтверждения получаем результат
Но даже если Вы правильно создали формулы и задали ограничения, результат может оказаться неожиданным. Например, при решении данной задачи Вы можете увидеть такой результат:
И это несмотря на то, что было задано ограничение целое . В таких случаях можно попробовать настроить параметры Поиска решения . Для этого в окне Поиск решения нажимаем кнопку Параметры и попадаем в одноимённое диалоговое окно
Первый из выделенных параметров отвечает за точность вычислений. Уменьшая его, можно добиться более точного результата, в нашем случае - целых значений. Второй из выделенных параметров (доступен, начиная с версии Excel 2010) даёт ответ на вопрос: как вообще могли получиться дробные результаты при ограничении целое ? Оказывается Поиск решения это ограничение просто проигнорировал в соответствии с установленным флажком.
Пример 3. Транспортная задача (минимизация затрат)
На заказ строительной компании песок перевозиться от трех поставщиков (карьеров) пяти потребителям (строительным площадкам). Стоимость на доставку включается в себестоимость объекта, поэтому строительная компания заинтересована обеспечить потребности своих стройплощадок в песке самым дешевым способом.
Дано: запасы песка на карьерах; потребности в песке стройплощадок; затраты на транспортировку между каждой парой «поставщик-потребитель».
Нужно найти схему оптимальных перевозок для удовлетворения нужд (откуда и куда), при которой общие затраты на транспортировку были бы минимальными.
Пример расположения ячеек с исходными данными и ограничениями, искомых ячеек и целевой ячейки показан на рисунке
В серых ячейках формулы суммы по строкам и столбцам, а в целевой ячейке формула для подсчёта общих затрат на транспортировку .
Запускаем Поиск решения и устанавливаем необходимые параметры (см. рисунок)
Нажимаем Найти решение (Выполнить) и получаем результат, изображенный ниже
В заключение предлагаю попробовать свои силы в применении Поиска решения и решить с его помощью старинную задачу:
Крестьянин на базаре за 100 рублей купил 100 голов скота. Бык стоит 10 рублей, корова 5 рублей, телёнок 50 копеек. Сколько быков, коров и телят купил крестьянин?
Решение нелинейных уравнений и систем»
Цель работы : Изучение возможностей пакета Ms Excel 2007 при решении нелинейных уравнений и систем. Приобретение навыков решения нелинейных уравнений и систем средствами пакета.
Задание1. Найти корни полинома x 3 - 0,01x 2 - 0,7044x + 0,139104 = 0.
Для начала решим уравнение графически. Известно, что графическим решением уравнения f(x)=0 является точка пересечения графика функции f(x) с осью абсцисс, т.е. такое значение x, при котором функция обращается в ноль.
Проведем табулирование нашего полинома на интервале от -1 до 1 с шагом 0,2. Результаты вычислений приведены на ри., где в ячейку В2 была введена формула: = A2^3 - 0,01*A2^2 - 0,7044*A2 + 0,139104. На графике видно, что функция три раза пересекает ось Оx, а так как полином третьей степени имеется не более трех вещественных корней, то графическое решение поставленной задачи найдено. Иначе говоря, была проведена локализация корней, т.е. определены интервалы, на которых находятся корни данного полинома: [-1,-0.8], и .
Теперь можно найти корни полинома методом последовательных приближений с помощью команды Данные→Работа с данными→Анализ «Что-Если» →Подбор параметра .
После ввода начальных приближений и значений функции можно обратиться к команде Данные→Работа с данными→Анализ «Что-Если» →Подбор параметра и заполнить диалоговое окно следующим образом.
В поле Установить в ячейке дается ссылка на ячейку, в которую введена формула, вычисляющая значение левой части уравнения (уравнение должно быть записано так, чтобы его правая часть не содержала переменную). В поле Значение вводим правую часть уравнения, а в поле Изменяя значения ячейки дается ссылка на ячейку, отведенную под переменную. Заметим, что вводить ссылки на ячейки в поля диалогового окна Подбор параметров удобнее не с клавиатуры, а щелчком на соответствующей ячейке.
После нажатия кнопки ОК появится диалоговое окно Результат подбора параметра с сообщением об успешном завершении поиска решения, приближенное значение корня будет помещено в ячейку А14.
Два оставшихся корня находим аналогично. Результаты вычислений будут помещены в ячейки А15 и А16.
Задание 2. Решить уравнение e x - (2x - 1) 2 = 0.
Проведем локализацию корней нелинейного уравнения.
Для этого представим его в виде f(x) = g(x) , т.е. e x = (2x - 1) 2 или f(x) = e x , g(x) = (2x - 1) 2 , и решим графически.
Графическим решением уравнения f(x) = g(x) будет точка пересечения линий f(x) и g(x).
Построим графики f(x) и g(x). Для этого в диапазон А3:А18 введем значения аргумента. В ячейку В3 введем формулу для вычисления значений функции f(x): = EXP(A3), а в С3 для вычисления g(x): = (2*A3-1)^2.
Результаты вычислений и построение графиков f(x) и g(x):
На графике видно, что линии f(x) и g(x) пересекаются дважды, т.е. данное уравнение имеет два решения. Одно из них тривиальное и может быть вычислено точно:
Для второго можно определить интервал изоляции корня: 1,5 < x < 2.
Теперь можно найти корень уравнения на отрезке методом последовательных приближений.
Введём начальное приближение в ячейку Н17 = 1,5, и само уравнение, со ссылкой на начальное приближение, в ячейку I17 = EXP(H17) - (2*H17-1)^2.
и заполним диалоговое окно Подбор параметра .
Результат поиска решения будет выведен в ячейку Н17.
Задание 3 . Решить систему уравнений:
Прежде чем воспользоваться описанными выше методами решения систем уравнений, найдем графическое решение этой системы. Отметим, что оба уравнения системы заданы неявно и для построения графиков, функций соответствующих этим уравнениям, необходимо разрешить заданные уравнения относительно переменной y.
Для первого уравнения системы имеем:
Выясним ОДЗ полученной функции:
Второе уравнение данной системы описывает окружность.
Фрагмент рабочего листа MS Excel с формулами, которые необходимо ввести в ячейки для построения линий, описанных уравнениями системы. Точки пересечения линий изображенных являются графическим решением системы нелинейных уравнений.
Не трудно заметить, что заданная система имеет два решения. Поэтому процедуру поиска решений системы необходимо выполнить дважды, предварительно определив интервал изоляции корней по осям Оx и Oy . В нашем случае первый корень лежит в интервалах (-0.5;0) x и (0.5;1) y , а второй - (0;0.5) x и (-0.5;-1) y . Далее поступим следующим образом. Введем начальные значения переменных x и y, формулы отображающие уравнения системы и функцию цели.
Теперь дважды воспользуемся командой Данные→Анализ→Поиск решений, заполняя появляющиеся диалоговые окна.
Сравнив полученное решение системы с графическим, убеждаемся, что система решена верно.
Задания для самостоятельного решения
Задание 1 . Найти корни полинома
Задание 2 . Найдите решение нелинейного уравнения.
Задание 3 . Найдите решение системы нелинейных уравнений.
Задача решения уравнения встает не только перед студентами и школьниками. В Excel можно использовать различные способы выполнения этой задачи. О способе решения путем подбора параметра пойдет речь в этой статье.
Нахождение корней нелинейного уравнения с использованием средства «Подбор параметра»
сводится в двум этапам:
- определение приблизительных границ отрезков и количества корней графическим методом;
- подбор на каждом отрезке значения корня, удовлетворяющего заданной точности вычислений.
Чтобы оценить примерные границы отрезков и количество корней, можно использовать табличное задание значений функции, т.е. задать несколько значений переменной и вычислить соответствующие значения функции. Опять же, для того, чтобы можно было моделировать расчеты для квадратных уравнений с различными коэффициентами, шаг табулирования лучше задать в отдельной ячейке. Начальное значение переменной можно будет изменять путем ввода в ячейку «А6» . Для вычисления следующего значения в ячейку «А7» введена формула «=А6+$ B$4» , т.е. использована абсолютная ссылка на ячейку с шагом табулирования.
Далее с помощью маркера заполнения
формируется ряд формул для вычисления последующих значений переменной, в приведенном примере используется 20 значений. Вводится формула для вычисления значения функции (для рассматриваемого примера в ячейку «В6» ) и формируется ряд аналогичных формул для остальных ячеек. В формуле использованы абсолютные ссылки на ячейки с коэффициентами уравнения.
По построенной таблице строится точечная диаграмма
.
Если начальное значение Х и шаг выбраны неудачно, и на диаграмме нет пересечений с осью абсцисс, то можно ввести другие значения и добиться нужного результата.Можно было бы найти решение уже на этом шаге, но для этого понадобилось бы гораздо больше ячеек и шаг, равный заданной точности вычислений (0,001). Чтобы не создавать громоздких таблиц, далее используется «Подбор параметра» из группы «Прогноз» на вкладке «Данные» . Предварительно необходимо выделить место под начальные значения переменной (корней в примере два) и соответствующие значения функции. В качестве «х1» выбирается первое из значений, дающих наиболее близкое к нулю значение функции (в примере 0,5). В ячейку L6 введена формула для вычисления функции. В окне подбора параметра необходимо указать для какой ячейки (L6 ), какое значение (0 ) нужно получить, и в какой ячейке для этого изменять значения (К6 ).
Для поиска второго корня необходимо ввести второе из значений, дающих наиболее близкое к нулю значение функции (в примере 9,5), и повторить подбор параметра для ячейки L9
(в ячейку скопирована формула из ячейки L6
). 
Предложенное оформление коэффициентов функции в отдельные ячейки позволяет без изменения формул решать другие подобные уравнения. 
Подбор параметра имеется и в более ранних версиях программы.
2. Подбор параметра
Если в ячейку Excel введена формула, содержащая ссылку на эту же самую ячейку (может быть и не напрямую, а опосредованно - через цепочку других ссылок), то говорят, что имеет место циклическая ссылка (цикл). На практике к циклическим ссылкам прибегают, когда речь идет о реализации итерационного процесса, вычислениях по рекуррентным соотношениям. В обычном режиме Excel обнаруживает цикл и выдает сообщение о возникшей ситуации, требуя ее устранения. Excel не может провести вычисления, так как циклические ссылки порождают бесконечное количество вычислений. Есть два выхода из этой ситуации: устранить циклические ссылки или допустить вычисления по формулам с циклическими ссылками (в последнем случае число повторений цикла должно быть конечным).
Рассмотрим задачу нахождения корня уравнения методом Ньютона с использованием циклических ссылок. Возьмем для примера квадратное уравнение: х2 - 5х + 6=0, графическое представление которого приведено на рис. 8. Найти корень этого (и любого другого) уравнения можно, используя всего одну ячейку Excel.
Для включения режима циклических вычислений в меню Сервис/Параметры/вкладка Вычисления включаем флажок Итерации, при необходимости изменяем число повторений цикла в поле Предельное число итераций и точность вычислений в поле Относительная погрешность (по умолчанию их значения равны 100 и 0,0001 соответственно). Кроме этих установок выбираем вариант ведения вычислений: автоматически или вручную. При автоматическом вычислении Excel выдает сразу конечный результат, при вычислениях, производимых вручную, можно наблюдать результат каждой итерации.
| Рис. 8. График функции |
Выберем произвольную ячейку, присвоим ей новое имя, скажем - Х, и введем в нее рекуррентную формулу, задающую вычисления по методу Ньютона:
где F и F1 задают соответственно выражения для вычисления значений функции и ее производной. Для нашего квадратного уравнения после ввода формулы в ячейке появится значение 2, соответствующее одному из корней уравнения (рис. 8). В нашем случае начальное приближение не задавалось, итерационный вычислительный процесс начинался со значения, по умолчанию хранимого в ячейке Х и равного нулю. А как получить второй корень? Обычно это можно сделать изменением начального приближения. Решать проблему задания начальных установок в каждом случае можно по-разному. Мы продемонстрируем один прием, основанный на использовании функции ЕСЛИ. С целью повышения наглядности вычислений ячейкам были присвоены содержательные имена (рис. 9).
В ячейку Хнач (В4) заносим начальное приближение - 5.
В ячейку Хтекущ (С4) записываем формулу:
=ЕСЛИ(Хтекущ=0;Хнач; Хтекущ-(Хтекущ^2-5*Хтекущ+6)/(2*Хтекущ-5)).
В ячейку D4 помещаем формулу, задающую вычисление значения функции в точке Хтекущ, что позволит следить за процессом решения.
Заметьте, что на первом шаге вычислений в ячейку Хтекущ будет помещено начальное значение, а затем уже начнется счет по формуле на последующих шагах.
Чтобы сменить начальное приближение, недостаточно изменить содержимое ячейки Хнач и запустить процесс вычислений. В этом случае вычисления будут продолжены, начиная с последнего вычисленного
значения. Чтобы обнулить значение, хранящееся в ячейке Хтекущ, нужно заново записать туда формулу. Для этого достаточно для редактирования выбрать ячейку, содержащую формулу, дважды щелкнув мышью на ней (при этом содержимое ячейки отобразится в строке формул). Щелчок по кнопке (нажатие клавиши) Enter запустит вычисления с новым начальным приближением.
2.2. Подбор параметра
Когда желаемый результат вычислений по формуле известен, но неизвестны значения, необходимые для получения этого результата, можно воспользоваться средством Подбор параметра, выбрав команду Подбор параметра в меню Сервис. При подборе параметра Excel изменяет значение в одной конкретной ячейке до тех пор, пока вычисления по формуле, ссылающейся на эту ячейку, не дадут нужного результата.
Возьмем в качестве примера все то же квадратное уравнение х2-5х+6=0. Для нахождения корней уравнения выполним следующие действия:
В ячейку С3 (рис. 10) введем формулу для вычисления значения функции,
стоящей в уравнении слева от знака равенства. В качестве аргумента используем ссылку на ячейку С2, т.е. =С2^2-5*C2+6.
В окне диалога Подбор параметра (рис. 10) в поле Установить в ячейке введем ссылку на ячейку с формулой, в поле Значение - ожидаемый результат, в поле Изменяя значения ячейки - ссылку на ячейку, в которой будет храниться значение подбираемого параметра (содержимое этой ячейки не может быть формулой).
После нажатия на кнопку Ok Excel выведет окно диалога Результат подбора параметра. Если подобранное значение необходимо сохранить, то нажмите на Оk, и результат будет сохранен в ячейке, заданной ранее в поле Изменяя значения ячейки. Для восстановления значения, которое было в ячейке С2 до использования команды Подбор параметра, нажмите кнопку Отмена.
При подборе параметра Excel использует итерационный (циклический) процесс. Количество итераций и точность устанавливаются в меню Сервис/Параметры/вкладка Вычисления. Если Excel выполняет сложную задачу подбора параметра, можно нажать кнопку Пауза в окне диалога Результат подбора параметра и прервать вычисление, а затем нажать кнопку Шаг, чтобы выполнить очередную итерацию и просмотреть результат. При решении задачи в пошаговом режиме появляется кнопка Продолжить - для возврата в обычный режим подбора параметра.
Вернемся к примеру. Опять возникает вопрос: как получить второй корень? Как и в предыдущем случае необходимо задать начальное приближение. Это можно сделать следующим образом (рис. 11,а):
| а |
| б |
| Рис. 11. Поиск второго корня |
В ячейку Х (С2) вводим начальное приближение.
В ячейку Хi (С3) вводим формулу для вычисления очередного приближения к корню, т.е. =X-(X^2-5*X+6)/(2*X-5).
В ячейку С4 поместим формулу, задающую вычисление значения функции, стоящей в левой части исходного уравнения, в точке Хi.
После этого выбираем команду Подбор параметра, где в качестве изменяемой ячейки принимаем ячейку С2. Результат вычислений изображен на рис. 11,б (в ячейке С2 - конечное значение, а в ячейке С3 - предыдущее).
Однако все это можно сделать и несколько проще. Для того чтобы найти второй корень, достаточно в качестве начального приближения (рис. 10) в ячейку C2 поместить константу 5 и после этого запустить процесс Подбор параметра.
2.3. Поиск решения
Команда Подбор параметра является удобной для решения задач поиска определенного целевого значения, зависящего от одного неизвестного параметра. Для более сложных задач следует использовать команду Поиск решения (Решатель), доступ к которой реализован через пункт меню Сервис/Поиск решения.
Задачи, которые можно решать с помощью Поиска решения, в общей постановке формулируются так:
Найти:
х1, х2, … , хn
такие, что:
F(х1, х2, … , хn) > {Max; Min; = Value}
при ограничениях:
G(х1, х2, … , хn) > {>Value; < Value; = Value}
Искомые переменные - ячейки рабочего листа Excel - называются регулируемыми ячейками. Целевая функция F(х1, х2, … , хn), называемая иногда просто целью, должна задаваться в виде формулы в ячейке рабочего листа. Эта формула может содержать функции, определенные пользователем, и должна зависеть (ссылаться) от регулируемых ячеек. В момент постановки задачи определяется, что делать с целевой функцией. Возможен выбор одного из вариантов:
найти максимум целевой функции F(х1, х2, … , хn);
найти минимум целевой функции F(х1, х2, … , хn);
добиться того, чтобы целевая функция F(х1, х2, … , хn) имела фиксированное значение: F(х1, х2, … , хn) = a.
Функции G(х1, х2, … , хn) называются ограничениями. Их можно задать как в виде равенств, так и неравенств. На регулируемые ячейки можно наложить дополнительные ограничения: неотрицательности и/или целочисленности, тогда искомое решение ищется в области положительных и/или целых чисел.
Под эту постановку попадает самый широкий круг задач оптимизации, в том числе решение различных уравнений и систем уравнений, задачи линейного и нелинейного программирования. Такие задачи обычно проще сформулировать, чем решать. И тогда для решения конкретной оптимизационной задачи требуется специально для нее сконструированный метод. Решатель имеет в своем арсенале мощные средства решения подобных задач: метод обобщенного градиента, симплекс-метод, метод ветвей и границ.
Выше для нахождения корней квадратного уравнения был применен метод Ньютона с использованием циклических ссылок (п. 1) и средство Подбор параметра (п. 2).
Одна из наиболее актуальных проблем компьютерного обучения – проблема отбора и использования педагогически целесообразных обучающих программ.
При изучении отдельных тем и решении некоторых задач на уроках математики в старших классах громоздкие вычисления как, например, при решении уравнений методом деления отрезка пополам или методом последовательных приближений, затмевают существо математической задачи, не дают увидеть красоту, рациональность применяемого метода решения.
В данной статье я представила те задачи, решение которых с помощью MS EXCEL позволяет получить наглядное, доступное для понимания учащимися решение, показать его логику, рациональность. Попутно учащиеся получают устойчивые навыки работы с программой.
Нахождение корней уравнения с помощью подбора параметра
Пример 1.
Пусть известно, что в штате больницы состоит 6 санитарок, 8 медсестер, 10 врачей, 3 заведующих отделениями, главный врач, заведующий аптекой, заведующая хозяйством и заведующий больницей. Общий месячный фонд зарплаты составляет 1000 000 условных единиц. Необходимо определить, какими должны быть оклады сотрудников больницы.
Решение такой задачи можно искать методом перебора. Однако в лучшем случае на это уходит много времени. Можно предложить другой способ решения. В EXCEL он реализован как поиск значения параметра формулы, удовлетворяющего ее конкретному значению.
Построим модель решения этой задачи. За основу возьмем оклад санитарки, а остальные оклады будем вычислять, исходя из него: во столько-то раз или на столько-то больше. Говоря математическим языком, каждый оклад является линейной функцией от оклада санитарки: A i *С+В i , где С – оклад санитарки; А i и В i – коэффициенты, которые для каждой должности определяют следующим образом:
- медсестра получает в 1,5 раза больше санитарки (А 2 =1,5; В 2 =0);
- врач – в 3 раза больше санитарки (А 3 =3; В 3 =0);
- заведующий отделением – на 30 y.e. больше, чем врач (А 4 =3; B 4 =30);
- заведующий аптекой – в 2 раза больше санитарки (А 5 =2; В 5 =0);
- заведующий хозяйством – на 40 y.e. больше медсестры (А 6 =1,5; В 6 =40);
- заведующий больницей – на 20 y.e. больше главного врача (А 8 =4; В 8 =20);
- главный врач – в 4 раза больше санитарки (А 7 =4; В 7 =0);
Зная количество человек на каждой должности, нашу модель можно записать как уравнение: N 1 *(A 1 *C+B 1)+N 2 *(A 2 *C+B 2)+...+N 8 *(A 8 *C+B 8) = 1000000, где N 1 – число санитарок, N 2 – число медсестер и т.д.
В этом уравнении нам известны A 1 ...A 8 , B 1 ...B 8 и N 1 ...N 8 , а С неизвестно. Анализ уравнения показывает, что задача вычисления заработной платы свелась к решению линейного уравнения относительно С. Предположим, что зарплата у санитарки 150,00 y.e.
Введите исходные данные в рабочий лист электронной таблицы, как показано ниже.
Оклад мед. Работников |
|||||
Должность |
Зарплата |
Количество сотрудников |
Суммарная зарплата |
||
Санитарка |
|||||
Медсестра |
|||||
Зав. отделением |
|||||
Зав. аптекой |
|||||
Главврач |
|||||
Зав. больницей |
|||||
Общий фонд равен |
|||||
В столбце D вычислите заработную плату для каждой должности. Например, для ячейки D4 формула расчета имеет вид =B4*$D$3+C4.
В столбце F вычислите заработную плату всех работников данной должности. Например, для ячейки F3 формула расчета имеет вид =D3*E3.
В ячейке F11вычислите суммарный фонд заработной платы больницы. Рабочий лист электронной таблицы будет выглядеть, как показано ниже.
Оклад мед. Работников |
|||||
Должность |
Зарплата |
Количество сотрудников |
Суммарная зарплата |
||
Санитарка |
|||||
Медсестра |
|||||
Зав. отделением |
|||||
Зав. аптекой |
|||||
Главврач |
|||||
Зав. больницей |
|||||
Общий фонд равен |
|||||
Чтобы определите оклад санитарки так, чтобы расчетный фонд был равен заданному надо:
- Активизировать команду Подбор параметра во вкладке Данные / Работа с данными /Анализ «Что, если» ;
- В поле "Установить в ячейке" появившегося окна ввести ссылку на ячейку F11, содержащую формулу;
- В поле "Значение" набрать искомый результат 1000000;
- В поле "Изменяя значение ячейки" ввести ссылку на изменяемую ячейку D3 и щелкните на кнопке ОК.
Анализ задачи показывает, что с помощью Excel можно решать линейные уравнения. Конечно, такое уравнение может решить любой школьник. Однако, благодаря этому простому примеру стало, очевидным, что поиск значения параметра формулы, удовлетворяющего ее конкретному значению, – это не что иное, как численное решение уравнений. Другими словами, используя Excel, можно решать любые уравнения с одной переменной.
Задание для учащихся:
Составить несколько вариантов штатного расписания с использованием функции Подбор параметра и оформить ихв виде таблицы:
- Изменить количество сотрудников на различных должностях;
- Подобрать зарплату санитарки в новых условиях;
- Составить таблицу нескольких вариантов штатного расписания.
Рассмотрим еще один пример нахождения корней уравнения с помощью подбора параметра. При решении этого уравнения используется также метод последовательных приближений. Учащиеся в классах с углубленным изучением математики знакомы с этим методом. Поэтому, чтобы этот пример был доступен для других учащихся, предлагаю краткую теорию этого метода.
Пусть дано уравнение, записанное в виде x=F(x). Выбирают некоторое начальное приближение x 1 и подставляют его вместо x в F(x). Полученное значение x 2 =F(x 1) этой функции считают вторым приближением. Далее находят третье приближение по формуле x 3 =F(x 2) и так далее. Таким образом, получаем последовательность x 1 , x 2 , x 3 ,…, x n ,… чисел, имеющая предел α. Тогда если функция F(x) непрерывна, из равенства x n+1 =F(x n) получаем α=F(α). Это означает, что α является решением уравнения x=F(x).
Пример 2.
Пусть нам дан многочлен третьей степени:
x 3 -0,01x 2 -0,7044x+0,139104=0.
Так как мы ищем корни полинома третьей степени, то имеются не более трех вещественных корней. Для нахождения корней их первоначально надо локализовать, то есть найти интервалы, на которых они существуют. Такими интервалами локализации корней могут служить промежутки, на концах которых функция имеет противоположный знак. С целью нахождения интервалов, на концах которых функция изменяет знак, необходимо построить ее график или протабулировать ее. Составим таблицу значений функции на интервале [-1;1] с шагом 0,2. Для этого необходимо:
- Ввести в ячейку A2 значение -1, а в ячейку A3 значение -0,8.
- Выбрать диапазон A2:A3, расположить указатель мыши на маркере заполнения этого диапазона и протянуть его на диапазон A4:A12, аргумент протабулирован.
- В ячейку B2 ввести формулу: =A2^3-0,01*A2^2-0,7044*A2+0,139104
- Выбрать ячейку B2. Расположить указатель мыши на маркере заполнения этой ячейки и протянуть его на диапазон B3:B12. Функция также протабулирована.
Значение аргумента х |
Значение функции у |
Из таблицы видно, что полином меняет знак на интервалах [-1; -0,8], и , и поэтому на каждом из этих интервалов имеется свой корень. Так как полином третьей степени имеет не более трех корней, то они все локализованы.
Прежде чем приступить к нахождению корней при помощи подбора параметра, необходимо выполнить некоторую подготовительную работу:
- Установить точность, с которой находится корень. Корень при помощи подбора параметра находится методом последовательных приближений. Для этого в Настройке панели быстрого доступа / Другие команды, и на вкладке Формулы диалогового окна Параметры Exel задайте в Параметрах вычислений относительную погрешность и предельное число итераций равными 0,00001 и 1000, соответственно.
- Отвести на рабочем листе ячейку, например С2, под искомый корень. Эта ячейка будет играть двойную роль. До применения подбора параметра в ней находится начальное приближение к корню уравнения, а после применения – найденное приближенное значение корня.
- Корень при помощи подбора параметра находим методом последовательных приближений. Поэтому в ячейку C2 надо ввести значение, являющееся приближением к искомому корню. В нашем случае, первым отрезком локализации корня является [-1;-0,8]. Следовательно, за начальное приближение к корню разумно взять среднюю точку этого отрезка -0,9.
- Отвести ячейку, например D2, под функцию, для которой ведется поиск корня, причем вместо неизвестной у этой функции должна указываться ссылку на ячейку, отведенную под искомый корень. Таким образом, в ячейку D2 введите формулу: =C2^3-0,01*C2^2-0,7044*C2+0,139104
Аналогично надо поступить с двумя другими искомыми корнями:
- Отвести ячейку C8 под второй корень, ввести в нее начальное приближение 0,3, а в ячейку D8 ввести следующую формулу: =C8^3-0,01*C8^2-0,7044*C8+0,139104
- Отвести ячейку C10 под второй корень, ввести в нее начальное приближение 0,7, а в ячейку D10 ввести следующую формулу: =C10^3-0,01*C10^2-0,7044*C10+0,139104
Результаты выполненных действий приведены в таблице.
Значение х |
Значение у |
Начальное приближение до применения метода |
Значение функции |
Теперь можно переходить к нахождению первого корня уравнения:
Выберете команду Подбор параметра . На экране отобразится диалоговое окно Подбор параметра .
- В поле Установить в ячейке введите ссылку на ячейку D2. В этом поле дается ссылка на ячейку, в которой введена формула, вычисляющая значение левой части уравнения. Для нахождения корня с помощью подбора параметра уравнение надо представить в таком виде, чтобы его правая часть не содержала переменную.
- В поле Значение введите 0. Здесь указывается значение из правой части уравнения.
- В поле Изменяя значение ячейки введите C2. В данном поле приводится ссылка на ячейку, отведенную под переменную.
- Нажмите кнопку OK .
На экране отображается окно Результат подбора параметра с результатами работы команды Подбор параметра . Кроме того, рассматриваемое средство помещает найденное приближенное значение корня в ячейку C2. В данном случае оно равно -0,920. Аналогично в ячейках C8 и C10 находятся два оставшихся корня. Они равны 0,210 и 0,721.
Значение х |
Значение у |
Корень уравнения |
Значение функции |
Задание для учащихся:
Найти все корни уравнений
1. Х 3 -2,92Х 2 +1,4355Х+0,791136=0
2. Х 3 -2,56Х 2 -1,3251Х+4,395006=0
3. Х 3 +2,84Х 2 -5,6064Х-14,766336=0
Нахождение корней уравнения методом деления отрезка пополам
Краткая теория метода. Пусть непрерывная функция F(x) имеет значения разных знаков на концах отрезка , то есть F(a)F(b)<0.Тогда уравнение F(x)=0 имеет корень внутри этого отрезка. Отрезок отрезком локализации корня. Пусть c=(a+b)/2 – середина отрезка . Если F(a)F(c)<=0, то корень находится на отрезке , который берем за новый отрезок локализации корня. Если F(a)F(c)>0, то за новый отрезок локализации корня берем .Отметим, что новый отрезок локализации корня в два раза меньше первоначального. Процесс деления отрезка для локализации корня продолжаем до тех пор, пока его длина не станет меньше ε, точности нахождения корня. В этом случае любая точка отрезка локализации отличается от корня не более чем на ε/2.
Найдем корни уравнения x 2 –2=0 с точностью до 0,001 методом деления отрезка пополам. За первоначальный отрезок локализации корня выбран . Для реализации этого метода введите в ячейки рабочего листа формулы либо значения, приведенные ниже в таблице:
Ячейка |
Формула или значение |
=(A3^2-2)*(C3^2-2) |
|
ЕСЛИ(B3–A3<$B$1;""Корень найден и равен "" & текст (C3;""0,000""); "" "") |
|
ЕСЛИ (D3<=0; A3;C3) |
|
ЕСЛИ(D3<=0; C3; B3) |
|
=(A4^2-2)*(C4^2-2) |
|
ЕСЛИ(B4-A4<$B$1; ""Корень найден и равен "" & текст(C4; ""0,000""); "" "") |
Теперь осталось только выбрать диапазон A4:F4, расположить указатель мыши на маркере его заполнения и пробуксировать его вниз до тех пор, пока в столбце F не появится сообщение о том, что корень найден. В данном случае сообщение появится в ячейке F14, а значение корня с точностью до 0,001 равно 1,415.
Число шагов можно определить заранее и скопировать формулы в диапазон из необходимого числа строк. Число шагов до нахождения корня определяется по формуле: +1 (1), где [x] есть целая часть числа х, t – заданная точность.
В заключение отмечу, что в рассмотренном примере использовались:
- Операция конкатенации строк, которая объединяет несколько строк в одну (обозначается символом амперсанта &). При объединении двух строк вторая строка добавляется непосредственно в конец первой строки.
- Функция рабочего листа из категории функций по работе с текстом ТЕКСТ (TEXT). Данная функция преобразует значение в текст в заданном числовом формате.
Задание для учащихся:
Вычислить корень уравнения cosx = x на отрезке с точностью до 0,001. Число шагов для определения корня вычислить при помощи формулы (1).
Использование MS EXEL значительно расширяет круг задач, которые можно использовать в обучении. Это обусловлено возможностью передачи трудоемких операций компьютеру, например, при решении уравнений методами итераций и деления отрезка пополам.
Литература:
- Информатика в школе / Под ред. Макаровой Н. В. – СПб: Питер Ком, 1999.
- Символоков Л.В. Решение бизнес задач в Microsoft Office – М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2001.
- Шохолович В.Ф. Информационные технологии обучения. Информатика и образование. 1998. – №2.
- Игнекова Г.С. Методические аспекты подготовки учителя информатики. Информатика и образование. 1998. – №3.