Комп’ютерна техніка в наукових дослідженнях

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Запорізький національний технічний університет

 

методичні вказівки

до лабораторних робіт з дисципліни

"Комп’ютерна техніка в наукових дослідженнях"

для студентів спеціальності 7.091503

"Спеціалізовані комп'ютерні системи"

усіх форм навчання

 

 

 

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни "Комп'ютерна техніка в наукових дослідженнях" для студентів спеціальності 7.091503 "Спеціалізовані комп'ютерні системи" усіх форм навчання/ Укл.: К.М. Касьян, М.М. Касьян, Г.Л. Козіна.- Запоріжжя: ЗНТУ, 2005. - 40 с.

 

 

Укладачі: К.М. Касьян, доцент, к.т.н.

М.М. Касьян, доцент, к.т.н.

Г.Л. Козіна, доцент, к.ф-м.н.

 

Рецензент О.І. Вершина, доцент, к.т.н.

 

Відповідальний за випуск: К.М. Касьян, доцент, к.т.н.

Затверджено

на засіданні кафедри

“Комп’ютерні системи та мережі”

Протокол № __ від _________ 2005

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

 

Методичні вказівки призначені для вивчення і практичного освоєння студентами основних методів аналізу різного роду експериментальних даних при наявності випадкових та непередбачених впливів, умінні виявляти закономірності на тлі випадків, аналізувати їх та будувати достовірні прогнози. Лабораторний курс складається з ряду взаємопов'язаних робіт, що охоплює стадії генерації експериментальних даних у вигляді часових рядів, їх обробки та аналізу за допомогою статистичних пакетів, а також документування отриманих результатів за допомогою спеціалізованого редактора.

Лабораторні роботи виконуються студентами шляхом застосування сучасних засобів і прийомів комп'ютерного аналізу даних.

Перед виконанням лабораторної роботи студенти повинні ознайомитися з методичними вказівками по її виконанню.

Для одержання заліку по виконаній роботі кожен студент здає викладачу цілком оформлень звіт. Під час співбесіди студент повинний виявити знання про мету роботи, по теоретичному матеріалу і змісту комп'ютерного аналізу даних, з демонстрацією результатів на прикладі конкретних часових рядів.

Загальний залік студент одержує після виконання і здачі останньої лабораторної роботи.

1 ЗАГАЛЬНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

У повсякденному житті і професійній діяльності, а також у наукових дослідженнях ми постійно зіштовхуємося з подіями і явищами з невизначеним результатом. При цьому постійно приходиться приймати в подібних невизначених, зв'язаних з багатьма випадками ситуаціях свої рішення, іноді дуже важливі. У побуті чи в нескладному бізнесі ми можемо приймати такі рішення на основі здорового глузду, інтуїції, попереднього досвіду. Однак у більш серйозному бізнесі, в умовах жорсткої конкуренції, рішення повинні прийматися на основі ретельного аналізу наявної інформації, бути обґрунтованими і доказовими.

Для рішення задач, зв'язаних з аналізом даних при наявності випадкових і непередбачених впливів, математиками та іншими дослідниками (біологами, психологами, економістами і т.д.) за останні двісті років був вироблений могутній і гнучкий арсенал методів, називаних у сукупності математичною статистикою (а також прикладною статистикою чи аналізом даних). Ці методи дозволяють виявляти закономірності на тлі випадків, робити обґрунтовані висновки і прогнози, давати оцінки імовірностей їхнього виконання або невиконання.

Широкому впровадженню методів аналізу даних у 60-х і 70-х роках XX століття чимало сприяла поява комп'ютерів, а починаючи з 80-х років XX століття - персональних комп'ютерів. Статистичні програмні пакети зробили методи аналізу даних більш доступними і наочними: тепер уже не було потрібно вручну виконувати трудомісткі розрахунки по складних формулах, будувати таблиці і графіки - усю цю чорнову роботу взяв на себе комп'ютер, а людині залишилася головним чином творча робота: постановка задач, вибір методів їхнього рішення та інтерпретація результатів.

Результатом появи могутніх і зручних пакетів для аналізу даних на персональних комп'ютерах стало різке розширення і зміна кола споживачів методів аналізу даних. Якщо раніш ці методи розглядалися головним чином як інструмент наукових досліджень то, починаючи із середини 1980-х років основними покупцями статистичних пакетів стали вже не наукові, а комерційні організації, а також урядові і медичні установи. Таким чином, методи аналізу даних і статистичні пакети для комп'ютерів стали типовим і загальновживаним інструментом планових, аналітичних, маркетингових відділів виробничих і торгових корпорацій, банків і страхових компаній, урядових і медичних установ.

Приведемо кілька прикладів застосування методів статистичного аналізу даних у практичних задачах.

Розглянемо досить просту, але часто зустрічається задачу. Припустимо, що Ви увели важливе нововведення: змінили систему оплати праці, перейшли на випуск нової продукції, використовували нову технологію і т.д. Вам здається, що це дало позитивний ефект, але чи дійсно це так? А може бути цей удаваний ефект визначений зовсім не Вашим нововведенням, а природною випадковістю, і вже завтра Ви можете одержати прямо протилежний, але настільки ж випадковий ефект? Для рішення цієї задачі треба сформувати два набори чисел, кожний з який містить значення цікавлячого Вас показника ефективності до і після нововведення. Статистичні критерії порівняння двох вибірок покажуть Вам, випадкові чи невипадкові розходження цих двох рядів чисел.

Інша важлива задача — прогнозування майбутнього поводження деякого часового ряду: зміни курсу долара, цін і попиту на продукцію чи сировину і т.д. Для такого часового ряду за допомогою статистичного пакета програм підбирають деяке аналітичне рівняння - будують регресійну модель. Якщо ми припускаємо, що на цікавлячий нас показник впливають деякі інші фактори, їх теж можна включити в модель, попередньо (за допомогою того ж статистичного пакета) перевіривши істотність (значимість) цього впливу. Потім на основі побудованої моделі можна зробити прогноз і вказати його точність.

У багатьох технологічних процесах необхідно систематично контролювати стан процесу, щоб вчасно втрутитися при відхиленнях його від нормального режиму і запобігти тим самим втрати від випуску неякісної продукції. Для цього використовуються статистичні методи контролю якості, повсюдне і неухильне застосування яких багато в чому визначило разючі успіхи японської промисловості.

Ще часто зустрічається задача зв'язана з класифікацією об'єктів. Наприклад, Ви є начальником кредитного відділу банку. Зштовхнувшись з неповерненням кредитів, Ви вирішуєте надалі видавати кредити лише фірмам, що «схожі» з тими, котрі себе добре зарекомендували, і не видавати тим, що «схожі» з неплатниками чи шахраями. Для класифікації фірм можна зібрати показники їхньої діяльності (наприклад, розмір основних фондів, валютного балансу, вид діяльності, обсяг реалізації і т.д.), і провести кластерний аналіз. У багатьох випадках наявні об'єкти вдається згрупувати в декілька груп (кластерів), і Ви зможете побачити, чи не належить запитуюча кредит фірма до групи неплатників.

Можна привести ще безліч інших цікавих прикладів застосування методів аналізу даних у самих різних областях: торгівлі й охороні здоров'я, утворенні і керуванні і т.д.

Методи статистичного аналізу є універсальними і можуть застосовуватися в самих різних галузях людської діяльності. Скажемо, пророкування курсу долара і прогноз попиту на автомобілі робляться за допомогою тих самих процедур. У переважній більшості випадків усі потрібні користувачам задачі по аналізу даних можуть бути вирішені за допомогою універсальних статистичних пакетів. Зрозуміло, є і такі області людської діяльності, у яких виникають специфічні, що не зустрічаються в інших областях, задачі по аналізу даних, і тому вимагаються специфічні статистичні засоби. Однак таких областей дуже мало.

2 ЗАВДАННЯ НА ВИКОНАННЯ КУРСУ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

 

Лабораторний курс складається з виконання наступного комплексу лабораторних робіт:

- Лабораторна робота №1 “Генерація та аналіз часових рядів у математичному пакеті MathCAD”;

- Лабораторна робота №2 “Аналіз часових рядів за допомогою статистичного пакета TableCurve”;

- Лабораторна робота №3 “Аналіз часових рядів за допомогою статистичного пакета SPSS”;

- Лабораторна робота №4 “Підготовка наукових публікацій насичених математичними формулами за допомогою спеціалізованого редактора LaTeX”.

2.1 Лабораторна робота №1. “Генерація та аналіз часових рядів у математичному пакеті MathCAD”

Мета роботи

  2.1.2 Теоретичні відомості  

Завдання на виконання роботи

Для роботи використовується математичний пакет MathCAD, що надає повний набір функціональних можливостей, і забезпечує необхідну точність…   - Згенерувати часові ряди для приведених нижче моделей:

Мета роботи

Метою роботи є підбір моделей трендів для кожного часового ряду і порівняння результатів з моделями трендів, що використовувались для генерації…   2.2.2 Теоретичні відомості

Завдання на виконання роботи

- Побудувати часові ряди за даними, отриманим при генерації рядів у лабораторній роботі №1.

- Підібрати лінії тренда для кожного ряду.

- Порівняти коефіцієнти в підібраних моделях тренда і коефіцієнт Пірсона з TableСurve і MathCAD.

 

2.2.4 Хід роботи

Побудова часового ряду.

                   

Мета роботи

  2.3.2 Теоретичні відомості Після видалення детермінованої компоненти часовий ряд повинний звестися до стаціонарного процесу. Так що наступним…

Завдання на виконання роботи

- Побудувати часові ряди за даними, що отримані при генерації рядів в лабораторній роботі №1. - Підібрати лінії тренда для кожного ряду. - Порівняти коефіцієнти в підібраних моделях тренда і коефіцієнт Пірсона з SPSS, TаblеСurvе і MathCAD.

Мета роботи

Метою роботи є розробка на рівні світових стандартів наукових документів, насичених математичними формулами за допомогою спеціалізованого редактора…   2.4.2 Теоретичні відомості

Завдання на виконання роботи

Створити звіт про проведений у лабораторних роботах №1-3 аналіз часових рядів. Звіт повинний містити: o Титульний лист. o Мету роботи.