Прикладное программирование

Министерство науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

Е.Д. Агафонов, 
Г.В. Ващенко

ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Допущено УМО вузов по образованию в области

транспортных машин и транспортно-технологических комплексов

в качестве учебного пособия для студентов вузов,

обучающихся по направлению подготовки бакалавров

«Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» 

(профили подготовки: «Сервис транспортно-технологических

машин и оборудования (Нефтепродуктообеспечение и газоснабжение», 

«Сервис транспортных и транспортно-технологических машин

и оборудования (Трубопроводный транспорт нефти и газа)».

№  101-У/14-рг106-07 от 29.10.2014

Красноярск

СФУ
2015

УДК 004.4’242(07)
ББК 32.972.1(я73)

А235

Рецензенты: С.В. Ченчов, д-р техн. наук, проф. ИКИТ СФУ;

В.А. Ушанов, д-р техн. наук, проф. КрасГАУ.

Агафонов, Е.Д.

А235 Прикладное программирование: учеб. пособие / Е.Д. Агафонов, 

Г.В. Ващенко. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2015. –  112 с.

ISBN 978-5-7638-3165-8

Представлены задания для выполнения лабораторных работ и само
стоятельной работы студентов по дисциплине «Прикладное программирование», дополненные необходимыми сведениями о пакете для математических и инженерных вычислений Mathcad и методах вычислительной 
математики.

Пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по направле
нию подготовки бакалавров «Эксплуатация транспортно-технологических 
машин и комплексов».

УДК 004.4’242(07)
ББК 32.972.1(я73)

© Сибирский
федеральный 
университет, 2015

ISBN 978-5-7638-3165-8

Электронный вариант издания см.:
http://catalog.sfu-kras.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ ..........................................................................................................7

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ...............................................................................................11

ГЛАВА 1. СПРАВОЧНОЕ РУКОВОДСТВО ПО РАБОТЕ

В ПАКЕТЕ MATHCAD ................................................................11

1.1. Переменные и числовые данные .......................................................13
1.2. Встроенные функции .........................................................................15
1.3. Работа с векторами и матрицами  .....................................................18
1.4. Графическое представление результатов вычислений ..................21
1.5. Решение систем линейных алгебраических уравнений ................23
1.6. Инструмент Given-Find (Given-Maximize)

в решении уравнений и оптимизации функций..............................25

1.7. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений ..............27
1.8. Работа с внешними файлами .............................................................31
1.9. Базовые структуры алгоритмов: следование, ветвление, цикл ....34

ГЛАВА 2. ПРОГРАММИРОВАНИЕ В ПАКЕТЕ MATHCAD ...............37

2.1. Подпрограмма-функция. Описание и вызов ...................................37
2.2. Обращение к подпрограмме-функции Mathcad .............................40
2.3. Программирование линейных алгоритмов .....................................41
2.4. Программирование разветвляющихся алгоритмов .......................42
2.5. Программирование циклических алгоритмов  ..............................45

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ

МАТЕМАТИКИ В ПАКЕТЕ MATHCAD ............................... 50

3.1. Метод последовательных приближений (простой итерации) .......51
3.2. Метод локального спуска ..................................................................54

ЧАСТЬ ВТОРАЯ ...............................................................................................57

ГЛАВА 4. ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ..........................................................57

Лабораторная работа № 1. Решение систем линейных уравнений .....57
Лабораторная работа № 2. Определение толщины стенок

трубопроводов .....................................................................................60

Лабораторная работа № 3. Метод наименьших квадратов ..................66
Лабораторная работа № 4. Решение дифференциальных уравнений

и систем ................................................................................................73

Лабораторная работа № 5. Расчет параметров течения нефти

по участку трубопровода ................................................................. 80

Лабораторная работа № 6. Решение уравнений химической

кинетики  ............................................................................................ 90

Лабораторная работа № 7. Применение метода линейного

программирования в производственном планировании ............. 97

ГЛАВА 5. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ

ПРИ ИЗУЧЕНИИ ДИСЦИПЛИНЫ
«ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ» .......................101

5.1. Темы рефератов по дисциплине

«Прикладное программирование» .................................................101

5.2. Рекомендации по работе над рефератом .......................................103
5.3. Структура реферата .........................................................................104
5.4. Защита реферата ...............................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..............................................................................................108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................110

ПРЕДИСЛОВИЕ

Целью преподавания дисциплины «Прикладное программиро
вание» для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», является получение студентами компетенций, 
достаточных для приобретения и развития знаний, умений и навыков для работы с современными программно-аппаратными средствами информатизации и коммуникации, необходимыми в их дальнейшей производственно-технологической, организационно-управленческой, проектной и научно-исследовательской деятельности.

Изучение дисциплины расширяет знания об информатизации 

общества, позволяет получить представление о современном уровне информатизации нефтегазовой отрасли, возможностях вычислительной техники в решении профессиональных задач. 

Данное пособие служит дополнением к теоретическому мате
риалу дисциплины «Прикладное программирование» в Институте 
нефти и газа Сибирского федерального университета.

Настоящее пособие состоит из двух частей и пяти глав. Первая 

часть из трех глав содержит сведения, необходимые для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Прикладное программирование». К таким сведениям относится справочная информация по 
работе с пакетом для математических и инженерных вычислений 
Mathcad, представленная в первой главе. 

Вторая глава посвящена программированию в пакете Mathcad. 

Применение элементов программирования значительно расширяет 
возможности специалиста и исследователя при решении профессиональных задач, позволяет создавать собственные библиотеки подпрограмм.

Большое количество математических моделей, описывающих 

реальные процессы, не могут быть решены аналитически или «напрямую» с использованием компьютерной техники. К таким задачам 
нужно применять методы вычислительной математики. Численным 
методам, которые должны быть использованы при решении задач 
лабораторного практикума, посвящена третья глава. 

Во второй части пособия представлены задания для выпол
нения лабораторных работ и задания для самостоятельной работы 
студентов. 

Предисловие

Четвертая глава содержит задания для выполнения семи лабо
раторных работ. Все задания имеют общую структуру и содержат: 
постановку задачи, краткие теоретические сведения, порядок выполнения работы, рекомендации по обработке и представлению результатов и контрольные вопросы.

В пятой главе представлен список предлагаемых тем рефе
ратов, выполняемых студентами в рамках изучения дисциплины 
«Прикладное программирование», и рекомендации по работе над 
рефератом и его защите.

Список литературы содержит ссылки на литературные источ
ники, как использованные при подготовке данного пособия, так и те, 
которые могут понадобиться студентам при изучении дисциплины.

Авторы выражают благодарность коллегам – преподавателям 

кафедр «Топливообеспечение и горючесмазочные материалы» и 
«Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов» Института 
нефти и газа Сибирского федерального университета за консультативную помощь при написании учебного пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Информационные технологии (ИТ) служат рычагом развития 

стратегически важных отраслей экономики, средством повышения 
эффективности управления. Они вносят весомый вклад в увеличение производительности труда и в то же время обеспечивают создание новых рабочих мест, в том числе и в нефтегазовых отраслях. 
Топливно-энергетический комплекс России (ТЭК) является лидером 
по внедрению ИТ в отрасли, что необходимо учитывать при подготовке специалистов для работы в отрасли. При этом современный 
специалист должен быть способен не только осваивать и использовать новые технологии, основанные на применении средств информатизации для автоматизации управления технологическими процессами, но и самостоятельно ставить и решать профессиональные 
задачи с помощью прикладного программного обеспечения.

Дисциплина «Прикладное программирование» расширяет зна
ния об информатизации общества, позволяет получить представление о современном уровне информатизации нефтегазовой отрасли, 
возможностях вычислительной техники в решении профессиональных задач. 

Для усвоения данной дисциплины студентам необходимы зна
ния и навыки, полученные при изучении дисциплин «Введение в 
специальность», «Математика», профессиональных дисциплин и 
«Информатики». В свою очередь, знания и навыки, полученные при 
изучении дисциплины, могут быть использованы как при освоении 
теоретического материала, так и при решении практических задач 
при изучении специальных дисциплин, а также позволят осваивать 
новое программное обеспечение.

Вышесказанное определяет необходимость изучения дисципли
ны «Прикладное программирование», предназначенной для формирования у будущих специалистов нефтегазовой отрасли теоретических знаний и практических навыков в области применения информационных технологий для решения практических задач управления и проектирования.

С появлением языков программирования высокого уровня (вто
рая половина ХХ в.) написание программ для решения прикладных, в 
том числе технологических, и задач проектирования перестало быть 
уделом «избранных». К этому процессу примкнули специалисты

Введение

производственники, не имеющие специального образования в области программирования. 

В настоящее время спектр прикладного программного обеспе
чения огромен: от игр и мультимедиа до программ управления космическими аппаратами и высокоточной техникой. Созданы специализированные пакеты прикладных программ для решения научных 
и технических задач, которые не требуют специальной подготовки в 
области информационных технологий для их применения. К таким 
пакетам относится Mathcad, который начал свою историю с 1986 г.

Современные версии пакета Mathcad имеют интуитивный и 

простой интерфейс пользователя, большой набор подпрограммфункций для решения математических задач и построения математических моделей реальных процессов, в связи с чем он был выбран 
для разработки комплекса лабораторных работ по дисциплине «Прикладное программирование».

Лабораторные занятия по дисциплине «Прикладное програм
мирование» являются основным видом занятий, обеспечивающих 
практическую подготовку студентов для дальнейшей самостоятельной работы с программным и аппаратным обеспечением, применяющимся для обработки информации в учебной и профессиональной 
деятельности. Лабораторные работы проводятся на персональных 
компьютерах с использованием соответствующего темам дисциплины программного обеспечения – пакета Mathcad.

Цель лабораторных занятий – закрепление у студентов теорети
ческих знаний и приобретение ими навыков работы с прикладным 
программным обеспечением для решения профессиональных задач, 
что позволит повысить эффективность их будущей профессиональной деятельности.

Задачи изучения лабораторных занятий направлены:
• на ознакомление студентов с возможностями современного 

прикладного программного обеспечения (ППО);

• на выработку навыков работы с прикладным программным 

обеспечением общего назначения;

• на овладение умениями и навыками использования и выбора 

ППО для решения практических задач.

Темы лабораторных занятий и реализуемые компетенции при
ведены в табл. 1

Лабораторные занятия, являющиеся составной частью данной 

дисциплины, наглядно показывают студентам применение совре

Введение

менных информационных технологий в профессиональной деятельности, расширяют возможности специалиста и делают более эффективной его работу при проектировании, расчетах и оптимизации 
конструктивных решений. 

Лабораторные занятия по рассматриваемой дисциплине в сово
купности с изучением теоретического курса и выполнением реферата позволят студентам получить необходимые знания и навыки, на 
основе которых они в дальнейшем смогут самостоятельно формулировать и решать инженерные задачи, связанные с разработкой, испытанием, технологией производства и эксплуатацией нефтегазового 
оборудования и переработки и хранения углеводородного сырья.

Целью преподавания дисциплины «Прикладное программирова
ние» является получение студентами компетенций, достаточных для 
приобретения и развития знаний, умений и навыков для работы с современными программно-аппаратными средствами информатизации 
и коммуникации, необходимыми в их дальнейшей производственнотехнологической, организационно-управленческой, проектной и 
научно-исследовательской деятельности.

Для выполнения лабораторного практикума рекомендуется ис
пользовать программное обеспечение Mathcad версии 14 и выше. 
Данное пособие предполагает наличие у студентов необходимого 
минимума знаний и навыков для работы в пакете Mathcad, полученных при изучении дисциплины «Информатика».

До начала выполнения лабораторной работы студент должен 

ознакомиться с теоретическим материалом и дополнительными сведениями о пакете Mathcad первого раздела данного пособия.

Таблица 1

Темы лабораторных занятий

№ п/п
Наименование лабораторных занятий

1
Решение систем линейных уравнений

2
Определение толщины стенок трубопроводов

3
Метод наименьших квадратов

4
Решение дифференциальных уравнений в среде Mathcad

5
Расчет параметров течения нефти по трубопроводу

6
Решение уравнений химической кинетики

7
Применение метода линейного программирования в производственном планировании

Глава 1. Справочное руководство по работе в пакете Mathcad

Задания для самостоятельной работы, представленные в пятой 

главе, а также некоторые из заданий для лабораторных работ учитывают современные направления в образовании, а именно умение 
студентами пользоваться современными источниками информации 
для самостоятельного добывания знаний. Предполагается, что студент сможет применить навыки и знания, полученные в процессе 
изучения дисциплин «Информатика» и «Основы научных исследований», для проведения информационного поиска.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ГЛАВА 1

СПРАВОЧНОЕ РУКОВОДСТВО

ПО РАБОТЕ В ПАКЕТЕ MATHCAD

Как известно из истории развития вычислительной техники, 

программное обеспечение, в том числе используемое для математических расчетов, также эволюционировало от машинных языков 
низкого уровня к языкам высокого уровня и, наконец, к пакетам 
прикладных программ, предоставляющим инженерам и ученым 
возможность решать задачи не имея специальной «программистской» подготовки, что, конечно, не избавляет их от необходимости владеть математическим аппаратом и специальными знаниями, а также знаниями об используемых ими пакетов прикладных
программ. 

Современные математические пакеты дают огромные возмож
ности исследователям и инженерам, так как содержат тщательно 
сбалансированные средства численных и символьных вычислений с 
графической визуализацией результатов в сочетании с современным 
интерфейсом пользователя, мощной справочной системой, обширными пакетами расширений (ориентированных на решение определенного класса задач) и средствами для работы в Internet. К таким 
пакетам относятся MATLAB, Mathematica, Maple и Mathcad.

Пакет Mathcad разработан, в первую очередь, как инструмент 

для инженерных расчетов. Он создавался как мощный калькулятор, 
позволяющий легко справляться с рутинными задачами инженерной практики, ежедневно встречающимися в работе: решение алгебраических или дифференциальных уравнений с постоянными и 
переменными параметрами; анализ функций, поиск их экстремумов;