Статья: К методике преподавания прикладной математики в военно-инженерном вузе

Цели и содержание обучения математике в военно-инженерном вузе прагматичны и жестко определяются реальными, достаточно устойчивыми потребностями армии. Кроме того, система военно-профессионального обучения - консервативная.

Дата добавления на сайт: 24 сентября 2025
К методике преподавания прикладной математики в военно-инженерном вузе
И.В. Бабичева, Б.К. Нартов, Омский танковый инженерный институт, кафедра математики и теоретической механики
Цели и содержание обучения математике в военно-инженерном вузе прагматичны и жестко определяются реальными, достаточно устойчивыми потребностями армии. Кроме того, система военно-профессионального обучения - консервативная. Это ее объективное свойство: на фоне тех или иных инноваций военные профессии функционально устойчивее гражданских. Таким образом, следует признать, что свобода возможной коррекции целей и содержания курса прикладной математики в военно-инженерном вузе сравнительно невелика. Нам представляется, что возможная интенсификация обучения составляет здесь в большей степени методическую проблему, а именно: проблему оптимальной организации межпредметного взаимодействия математики и военно-профессиональных дисциплин.
Обратимся за примером к важной группе задач теории массового обслуживания и теории надежности, предметная область которых охватывает большинство традиционных военных специальностей.
Можно отметить, что многие центральные задачи этой группы - в курсе математики и в курсе военно-профессиональной дисциплины -решаются дважды и по-разному:
1. В курсе математики - полнота применения методов прикладной математики на фоне изолированных фрагментов реальной задачи. Приведем [1] типичный пример анализа результатов решения в курсовой работе по математике: "Можно сказать, что система работает с перегрузкой. Для уменьшения длины очереди и загруженности каналов предлагается увеличить число каналов обслуживания". Очевидно, что корректный учет стоимости эксплуатации канала обслуживания и других существенных факторов может привести к прямо противоположной рекомендации - уменьшить число каналов обслуживания. Однако исходная, традиционно предлагаемая курсанту формулировка курсовой работы и не предполагает решения на последнем этапе задачи оптимизации количества каналов обслуживания! В результате корректное и зачастую весьма трудоемкое решение промежуточной задачи массового обслуживания по необходимости завершается "анализом из общих соображений"; 2.
В курсе военно-профессиональной дисциплины - завершающий этап реальной задачи, требующий лишь типовых расчетов. Так, например, в [2] решается задача определения периода планово-предупредительных работ для отдельного узла машины. Схема решения такова: по известному закону распределения плотности вероятности отказа узла строится соответствующая интегральная функция. Затем по заданной величине доверительной вероятности безотказной работы узла и графику интегральной функции графически определяется период планово-предупредительных работ. При этом необходимая предварительная задача определения оптимальной доверительной вероятности лишь упоминается как "сложная проблема, решаемая в полном объеме в центральных учреждениях". В данном случае авторы пособия не без основания ориентируются на военного специалиста действующих частей, где подобные задачи решаются на основе личного опыта эксплуатации или (по необходимости) сведены к использованию нормативных данных. Однако очевидно, что курсанты, ориентированные на продолжение военного образования и исследовательскую работу, должны осваивать полные схемы задач подобного рода. Необходимые для этого методы прикладной математики не выходят за пределы стандартного курса.
Существенно (см. выше) , что в обоих вариантах, как правило, отсутствует корректная постановка задачи. Под такой постановкой и понимается:
1) общий анализ конкретной технической проблемы и выделение существенных факторов; 2) формулировка задачи, обоснование и формализация критериев; 3) формализация задачи.
Реализация этих этапов в обучении, по нашему мнению, является "зоной ответственности" как преподавателя математики, так и преподавателя соответствующей военно-профессиональной дисциплины.
Соответствующая встречная коррекция курса математики и курсов военно-профессиональных дисциплин требует, разумеется, большой осторожности и заведомо нереализуема "с одной стороны". Имея в виду объективно большую методическую консервативность военно-профессионального обучения, можно предположить, что разумным компромиссом мог бы стать здесь сопровождающе-корректирующий, математический факультатив. Кроме прочего, подобный факультатив может, по-видимому, частично решить две другие очевидные проблемы военного образования: - во-первых, он в состоянии взять на себя функции задачно-методического "мостика" между математикой и специальными дисциплинами (в инженерных вузах подобный мостик достаточно эффективно реализуется общепрофессиональными дисциплинами); - во-вторых - это потенциально главная функция сопровождающего факультатива - возникает возможность перехода курсовой работы по математике в дипломный проект, что привлекательно с методической стороны и сокращает дублирование учебного материала.
Ниже предлагается вариант подобной, опорной, курсовой работы.
"Оптимизация схемы планово-предупредительных работ"
Примем следующие исходные данные: обслуживаемый объект - узел машины, заменяемый после отказа или планово. - плотность вероятности отказа узла, т.е. плотность вероятности продолжительности безотказной работы узла после замены
s1 - стоимость плановой замены узла; s2 - стоимость замены узла после отказа; s1(1)Теперь процесс обслуживания можно изобразить в виде последовательности "произвольных" событий (s1 и s2):
с вероятностью P1 в состояние s1 через время t1 с вероятностью P2=1-P1 в состояние s2 через время t2
Рис.3
Введем далее следующие обозначения: N - количество последовательных событий обслуживания узла (замен); T(N) - длина соответствующего временного интервала; S(N) - суммарная стоимость N событий.
Используя рис.3 и определение вероятности события, легко показать, что

	=	NP1s1+NP2s2,	(2)
	=		(3)

где - математическое ожидание случайной величины .
Из (2) и (3) получаем предварительный вид I - искомой средней интенсивности затрат на обслуживание узла:

(4)

Теперь необходимо получить явный вид . В смысле физического понимания процесса обслуживания и необходимой математической техники это наиболее сложная для курсанта промежуточная задача. Однако и для ее решения не требуется знаний, выходящих за пределы стандартного курса математики.
Выделим из реального процесса (см. рис.1) последовательность интервалов , т.е. интервалов, завершающихся отказом. Обозначим затем через плотность вероятности продолжительности безотказной работы узла при условии его отказа в интервале . Из определения математического ожидания

(5)

Выпишем условия, задающие :

	(6)
	(7)

- для любых из .
Условие (6) очевидно. Условие (7) может потребовать отдельного разъяснения: оно определяется тем, что поведение узла не зависит от того, какое подмножество реального процесса мы рассматриваем (рис.4).
Рис.4
Определяя из (6) и (7) явный вид , подставляя его в (5) и преобразуя, получаем

(8)

Мы получили явный вид - средней продолжительности безотказной работы узла при условии его отказа в интервале . Подставляя (8) в (4) и преобразуя, получаем окончательно

(9)

Очевидно, что задачу 1 можно дополнить требованием указать возможные способы определения оптимального , обеспечивающего при данных s1,s2 и минимум I . (например, из условия ) Требование получить соответствующую расчетную формулу представляется здесь чрезмерным. Однако находится достаточно эффектный и, как нам представляется, методически результативный ход, позволяющий курсанту без больших технических затруднений "поверить" в полученный результат. Для этого можно ослабить одно из ограничений задачи 1:
Задача 2.
Найти оптимальное значение , обеспечивающее минимум средней интенсивности затрат I для случая s1=s2=s0.
Решения задачи 2
Поскольку s0 - параметр задачи, а сумма интегралов числителя в (9) - тождественная единица, задача сводится к исследованию на минимум функции

(10)

Достаточно, таким образом, решить относительно уравнение

(11)

Поскольку (см. рис.2) знаменатель в (10) всегда положителен, для решения (11) достаточно знания основных правил дифференцирования и умения дифференцировать определенный интеграл по одному из его пределов. В результате (11) легко сводится к уравнению

т. е.

(12)

где - оптимальное значение .
Мы "строго доказали" известный практический рецепт: лампочки заменяют по потребности [2]. Эта рекомендация, конечно, не нуждается в математическом обосновании - мы проверили здесь справедливость (9) в тривиальном случае s1=s2. Заметим, что из элементарных соображений можно легко получить и левую границу :

(13)

Пример: при фиксированном s1 и монотонно возрастающем s2 цена последствий отказа рано или поздно становится неприемлемой ( на практике при s2>>s1 принимается , а узел резервируется). Таким образом, (12) и (13) формализуют два крайних, но чрезвычайно распространенных варианта исследуемой стратегии обслуживания : "ждать до отказа" ( и "исключить отказ" .
На последнем этапе курсовой работы полезно обсудить ее возможное развитие в реальную задачу обслуживания. Так, например, исходные данные необходимо по меньшей мере дополнить следующими: t1 - время плановой замены узла машины; t1 - время замены узла машины в случае отказа; s3 - стоимость единицы времени, в течение которого машина неисправна, т.е. не участвует в выполнении некоторой внешней задачи - например, перевозке грузов.
Список литературы
Бабичева И.В. Курсовая работа по математике в военно-инженерном вузе как средство обеспечения государственных образовательных стандартов: Материалы научно-практической конференции "Естественные науки в военном деле". Омск: ОТИИ, 1999.
Методика использования статистических данных о надежности машин / Академия бронетанковых войск. М., 1975.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта
http://www.omsu.omskreg.ru/

Комментарии:

Вы не можете оставлять комментарии. Пожалуйста, зарегистрируйтесь.