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電路理論/聯立方程/例3

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問題是根據下表找出電路中未知電流。每個電阻的阻值未知(儘管它們都標為100歐姆)。

該電路被標上了電流表,但其中一些缺失。有四種情況需要計算。

情況
情況1 1 2 1 3
情況2 0 1 2 1
情況3 -1 1 -1 1
情況4 4 7 3 9

存在迴路,但沒有電源,所有電阻值都相同。沒有足夠的資訊來分析迴路。電路本身帶有電流標籤和方向,但沒有電壓。看起來我們只能根據表中資訊來解決這個問題。

有四個節點,可以生成3個方程。有兩個平凡節點,串聯元件有不同的電流標籤。一個平凡節點的電流方向相反!這意味著需要為一個平凡節點寫兩個方程,總共五個方程。

方程計數

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第一步是列出變數,以及它們是已知量還是未知量。問題在於有四種情況,已知量和未知量是不同的電流。這意味著這裡實際上有四個問題。










需要找到 9 個電流。5 個方程式意味著我們需要 4 個電流的值才能找到其他 9 個。好的,我們可以解決這個問題。

端點方程式

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電阻值都是未知數。寫出 9 個端點方程式將增加 18 個未知數。所以現在總共有 27 個未知數和 14 個方程式。

迴路方程式

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有四個迴路可以得到四個額外的方程式。這樣我們就有了 18 個方程式和 27 個未知數。如果給定四個電流的明確值,這將使我們減少到 23 個未知數。我們距離能夠計算所有東西還有 5 個未知數!

節點方程式

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解方程式

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代數

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代數解法……龐大、混亂、難以檢查,沒有規律

代數解法龐大、混亂、難以檢查,而且不能激發任何人的興趣。代數很容易從人的大腦中流出,落在紙上,並在那一刻對作者有意義。但一年後,即使是作者也會寧願重新做代數,也不願讓自己的大腦去思考它。其他人看到這個要麼感到畏懼,要麼會對自己說,我寧願自己做,也不願試圖去弄明白它。

微分方程式

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這個問題中沒有,但這門課的四分之三時間都在講解這種複雜電路,使用電容和電感器代替電阻,並考察微分方程式。

符號計算

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Wolfram Alpha
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無法讓 Wolfram Alpha 工作。嘗試了 5 個方程式和 5 個未知數,以符號形式。

solve[{k_1+k_2=0,k_6-k_7=0,k_2-k_3-k_4-k_5-k_6=0,k_8+k_4-k_9=0,k_1+k_3-k_8=0}{k_2,k_3,k_5,k_7,k_8}]

嘗試用 進行替換,以減少方程式數量。

solve[{k_2-k_3-k_4-k_5-k_7=0,k_8+k_4-k_9=0,-k_2+k_3-k_8=0}{k_2,k_3,k_5,k_7,k_8}]

仍然出現錯誤訊息。放棄。Wolfram Alpha 試圖做到這一點,這真是太棒了。接下來嘗試了“elvis pressley's eye color ... with trial "pro" version”。Wolfram Alpha Pro 表示埃爾維斯唱過一首名為“Spanish Eyes”的歌曲。

MuPad
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檔案:Ex3-4.png
MathWorks MuPAD 解法案例 1.. 點選 這裡 獲取要剪下和貼上的文字.. MuPad 解法包含變數解法、符號解法
檔案:Ex3-5.png
MathWorks MuPAD 解決方案案例 2。點選 這裡 獲取可複製貼上的文字。MuPAD 解決方案包含變數解和符號解。
檔案:Ex3-6.png
MathWorks MuPAD 解決方案案例 3。點選 這裡 獲取可複製貼上的文字。MuPAD 解決方案包含變數解和符號解。
檔案:Ex3-7r.png
MathWorks MuPAD 解決方案案例 4。點選 這裡 獲取可複製貼上的文字。MuPAD 解決方案包含變數解和符號解。

MuPAD 需要為這四個案例分別執行一次。

實際的 MuPAD 語法只需要輸入一次,然後修改三次。

每次只需要修改需要求解的變數以及保持不變的變數。

與 MatLab 要求的為每個案例構建和輸入 5x5 矩陣和 1x5 矩陣相比,這並不是很多工作。

數值解

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檔案:Ex3-8.png
案例 1 的 MatLab 矩陣輸入,五個未知數的線性代數問題。點選 這裡 獲取可複製貼上的文字。

這裡只設置並使用 MatLab 完成第一個案例。代數結果與 MuPAD 一致。作者相信,如果需要,您可以弄清楚如何在 MatLab 中完成其他三個案例。

困難之處在於設定線性方程,而不是在 MatLab 中輸入。設定解決方案的步驟

  • 將已知值代入方程





  • 將方程整理,使未知數位於列中,數字位於等號右側。





  • 建立兩個矩陣,一個方陣,另一個是包含等號右側數字的列向量。
=
  • 將矩陣輸入 MatLab 或類似程式

第一行使用 MatLab 完成。其他行來自 MuPAD 和代數運算。

情況
情況1 1 -1 0 2 -4 1 1 1 3
情況2 0 0 1 2 -4 1 1 1 3
情況3 0 0 -1 1 -1 1 1 -1 0
情況4 4 -4 7 -2 -12 3 3 11 9

模擬

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無法進行模擬。沒有電源,資訊不足。

建立直覺

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  • 這是一個正向電路設計的示例。給定一個模糊的要求,開始探索可能性。
  • 電流方向可以是任何方向。它們捕獲了電路拓撲的一部分,從而自身產生了一些約束。
  • 符號代數(MuPAD)在正向工程設計過程中變得更加有用。
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