第361问:有两个2位数,它们的数字位置相反,两者的差是63,你能找出这个两位数么????

数学的知识点总结合集15篇

  总结是在某一时期、某一项目或某些工作告一段落或者全部完成后进行回顾检查、分析评价,从而得出教训和一些规律性认识的一种书面材料,它可以帮助我们总结以往思想,发扬成绩,不如立即行动起来写一份总结吧。我们该怎么去写总结呢?以下是小编精心整理的数学的知识点总结,欢迎大家分享。

  (1)在具体场景中理解上、下的含义及其相对性。

  (2)能比较准确地确定物体上下的方位,会用上、下描述物体的相对位置。

  (3)培养学生初步的空间观念。

  (1)在具体场景中理解前、后、最×的含义,以及前后的相对性。

  (2)能比较准确地确定物体前后的方位,会用前、后、最前、最后描述物体的相对位置。

  (3)培养学生初步的空间观念。

  (一)本单元知识网络:

  (二)各课知识点:

  有几枝铅笔(加法的认识)

  1、初步了解加法的含义,会读、写加法算式,感悟把两个数合并在一起求一共是多少,用加法计算;

  2、初步尝试选择恰当的方法进行5以内的加法口算。

  3、第一次出现了图形应用题,要让学生学会看图形应用型题目,理解题目的意思。

  有几辆车(初步认识加法的交换律)

  3、左、右(1)在具体场景中理解左、右的含义及其相对性。

  (2)能比较准确地确定物体左右的方位,会用左、右描述物体的位置。

  (3)培养学生初步的空间观念。

  (1)明确“横为行、竖为列”,并知道“第几行第几个”、“第几组第几个”的含义。

  (2)在具体情境中,会用2个数据(2个维度)描述人或物体的具体位置。

  (3)在具体情境中,能依据2个维度的数据找到人或物体的具体位置。

  1、认识圆柱和圆锥,掌握它们的基本特征。认识圆柱的底面、侧面和高。认识圆锥的底面和高。

  2、探索并掌握圆柱的侧面积、表面积的计算方法,以及圆柱、圆锥体积的计算公式,会运用公式计算体积,解决有关的简单实际问题。

  3、通过观察、设计和制作圆柱、圆锥模型等活动,了解平面图形与立体图形之间的联系,发展学生的空间观念。

  4、圆柱的两个圆面叫做底面,周围的面叫做侧面,底面是平面,侧面是曲面,。

  5、圆柱的侧面沿高展开后是长方形,长方形的长等于圆柱底面的周长,长方形的宽等于圆柱的高,当底面周长和高相等时,侧面沿高展开后是一个正方形。

  6、圆柱的表面积=圆柱的侧面积+底面积×2即S表=S侧+S底×2或2πr×h+2×π

  7、圆柱的侧面积=底面周长×高即S侧=Ch或2πr×

  8、圆柱的体积=圆柱的底面积×高,即V=sh或πr2×

  (进一法:实际中,使用的材料都要比计算的结果多一些,因此,要保留数的时候,省略的位上的是4或者比4小,都要向前一位进1。这种取近似值的方法叫做进一法。)

  9、圆锥只有一个底面,底面是个圆。圆锥的侧面是个曲面。

  9、圆锥只有一个底面,底面是个圆。圆锥的侧面是个曲面。

  10、从圆锥的顶点到底面圆心的距离是圆锥的高。圆锥只有一条高。(测量圆锥的高:先把圆锥的底面放平,用一块平板水平地放在圆锥的顶点上面,竖直地量出平板和底面之间的距离。)

  11、把圆锥的侧面展开得到一个扇形。

  12、圆锥的体积等于与它等底等高的圆柱体积的三分之一,即V锥=1/3Sh或πr2×h÷

  13、常见的圆柱圆锥解决问题:①、压路机压过路面面积(求侧面积);②、压路机压过路面长度(求底面周长);③、水桶铁皮(求侧面积和一个底面积);④、厨师帽(求侧面积和一个底面积);通风管(求侧面积)。

  1、能被15整除的数一定还能被( 1、3、5 )整除。[写出所有可能]

  2、从0、2、3、7、8中选出四个不同的数字,组成一个有因数2、3、5的四位数,其中最大的是( 8730 ),最小的是( 2370 )。 解:有0,3,7,8和0,2,3,7两种可能

  3、六个连续偶数的和是210,这六个偶数是( 30、32、34、36、38、40 )。

  4、在15、19、27、35、51、91这六个数中,与众不同的数是( 19 ),因为( 只有19是质数,其它都是合数 )。

  5、两个质数的积是46,这两个质数的和是( 25 )。

  解:因为46是偶数,因此它必是一个奇质数与一个偶质数的积,而偶质数只有2,另一个质数为46÷2=23,所以2与23的和是25。

  6、1992所有的质因数的和是( 88 )。

  7、有两个数都是合数,又是互质数,它们的最小公倍数是90,这两个数是( 9和10 )。

  8、几个数的最大公因数是最小公倍数的( 因 )数,几个数的最小公倍数是最大公因数的( 倍 )数。

  9、几个数的( 最大公因 )数的所有( 因 )数,都是这几个数的公因数;几个数的( 最小公倍 )数的所有( 倍 )数,都是这几个数的公倍数。

  10、A、B、C都是非零自然数,且A÷B=C,那么A和B的最小公倍数是( A ),最大公因数是( B ),C是( A )的因数,A是B的(倍 )数。

  11、甲数=2×3×5×A,乙数=2×3×7×A。如果甲、乙两数的最大公因数是30,A应该是( 5 );如果甲、乙两数的最小公倍数是630,A应该是( 3 )。

  12、自然数A=B-1,A、B都是非零自然数,A和B的最大公因数是( 1 ),最小公倍数( AB )。

  13、长180厘米,宽45厘米,高18厘米的木料,至少能锯成不余料的同样大小的正方体木块多少块?

  解:180、45、18的最大公因数是9,当锯成的正方体木块的棱长是9厘米时,锯出的正方体木块块数最少,是(180÷9)×(45÷9)×(18÷9)=20×5×2=200块。

  14、用长是9厘米、宽是6厘米、高是7厘米的长方体木块叠成一个正方体,至少需要这种长方体木块多少块?

  解:9、6、7的最小公倍数是126,即叠成的正方体棱长最小是126厘米,至少需要(126÷9)×(126÷6)×(126÷7)=14×21×18=5292块这样的长方体木块才能叠成一个正方体。

  15、同学们进行队列训练,如果每排8人,最后一排6人;如果每排10人,最后一排少4人。参加队列训练的学生最少有多少人?

  解:根据题意,学生人数除以8余6,除以10也余6,所以是8和10的最小公倍数40的倍数加6,学生最少是40+6=46人。

  16、小红、小兰、小刚和小华,他们的年龄恰好一个比一个大一岁,他们的年龄相乘的积是5040。那么,小红、小兰、小刚和小华各是多少岁?

  17、写出长方体的侧面积计算公式:长方体的侧面积=( )×( )。

  18、一个正方体的棱长扩大到原来的3倍,则这个正方体的表面积扩大到原来的( 9 )倍,体积扩大到原来的( 27 )倍。

  19、用若干个完全一样的小正方体,拼成一个较大的正方体,至少需这样的小正方体( 8 )个,此时所拼成的较大正方体的表面积是原来每个小正方体表面积的( (2×2×6)÷(1×1×6)=4 )倍。

  20、一个底面是正方形的长方体,高2分米,侧面展开后恰好是一个正方形。这个长方体的体积是多少立方分米?

  解:长和宽都是2÷4=0.5分米,体积0.5×0.5×2=0.5立方分米。

  21、一间教室长8米,宽6米,高4米,教室里有32个学生,平均每人占有多少空间?

  22、一个无盖的木盒,从外面量长10厘米,宽8厘米,高5厘米,木板厚1厘米。这个木盒的容积是多少?

  23、把一个长、宽、高分别是5分米、3分米、2分米的长方体截成两个小长方体,这两个小长方体表面积之和最大是( )平方分米。

  解:原长方体的表面积是5×3×2+5×2×2+3×2×2=62平方分米,截成两个小长方体后表面积最多增加5×3×2=30平方分米,这两个小长方体表面积之和最大是62+30=92平方分米。

  24、有一个长方体,如果把它的长减少2分米,那么它就变成一个正方体,表面积就会减少48平方分米。求这个长方体的体积。

  解:横截面是正方形,即宽与高相等。长方体的宽与高都是48÷4÷2=6分米,长是6+2=8分米,体积是8×6×6=288立方分米。

  25、把一个棱长6厘米的正方体切成棱长2厘米的小正方体,可以得到多少个小正方体?表面积增加了多少平方厘米?

  解:切成了(6÷2)×(6÷2)×(6÷2)=27个小正方体,表面积增加了6×6×4×3=432平方厘米。

  26、两个完全一样的正方体拼成一个长方体,长方体的表面积是40平方厘米,每个小正方体的表面积是多少平方厘米?

  解:小正方体的一个面是40÷(5×2)=4平方厘米,每个小正方体的表面积是4×6=24平方厘米。

  27、一个长方体玻璃容器,容器内装有6升水,这时水面高度是15厘米。把一个苹果放入水中,这时容器内水面的高度是16.5厘米。请你求出这个苹果的体积。

  解:6升=6000毫升,底面积是平方厘米,苹果的体积是400×(16.5-15)=600立方厘米。

  分数的意义和性质:

  28、2 的分数单位是( ),它有( 37 )个这样的分数单位,再加上( 23 )个这样的分数单位等于最小的合数。

  29、有分母都是7的真分数、假分数和带分数各一个,它们的大小只差一个分数单位。这三个分数分别是( , ,1 )。

  30、一个分数的分子缩小到原来的 ,分母缩小到原来的 ,分数的值就( 扩大到原来的3倍 )。

  31、一辆小汽车6分钟行驶9千米,行驶1千米要( )分,1分钟能行驶( 1.5 )千米。

  33、某工厂有煤5吨,如果每天烧 吨,这些煤可烧( 5÷ =5÷0.2=25 )天;如果每天烧这些煤的 ,这些煤可烧( 5 )天。

  34、五(1)班女生占全班人数的 ,那么,男生人数占全班人数的( ),女生人数比男生人数少( )。

  35、某厂男职工人数是女职工的 ,女职工比男职工多30人,男职工有( )人。

  1.圆是以圆心为对称中心的中心对称图形;同圆或等圆的半径相等。

  2.到定点的距离等于定长的点的轨迹,是以定点为圆心,定长为半径的圆。

  3.定理在同圆或等圆中,相等的圆心角所对的弧相等,所对的弦相等,所对的弦的弦心距相等。

  4.圆是定点的距离等于定长的点的集合。

  5.圆的内部可以看作是圆心的距离小于半径的点的集合;圆的外部可以看作是圆心的距离大于半径的点的集合。

  6.不在同一直线上的三点确定一个圆。

  7.垂径定理垂直于弦的直径平分这条弦并且平分弦所对的两条弧。

  ①平分弦(不是直径)的直径垂直于弦,并且平分弦所对的两条弧;

  ②弦的垂直平分线经过圆心,并且平分弦所对的两条弧;

  ③平分弦所对的一条弧的直径,垂直平分弦,并且平分弦所对的另一条弧。

  推论2:圆的两条平行弦所夹的弧相等。

  8.推论在同圆或等圆中,如果两个圆心角、两条弧、两条弦或两弦的弦心距中有一组量相等那么它们所对应的其余各组量都相等。

  9.定理圆的内接四边形的对角互补,并且任何一个外角都等于它的内对角。

  10.经过切点且垂直于切线的直线必经过圆心。

  11.切线的判定定理经过半径的外端并且垂直于这条半径的直线是圆的切线。

  12.切线的性质定理圆的切线垂直于经过切点的半径。

  13.经过圆心且垂直于切线的直线必经过切点

  14.切线长定理从圆外一点引圆的两条切线,它们的切线长相等,圆心和这一点的连线平分两条切线的夹角。

  15.圆的外切四边形的两组对边的和相等外角等于内对角。

  16.如果两个圆相切,那么切点一定在连心线上。

  ②两圆外切d=R+r

  ⑤两圆内含d=r)

  ⑴依次连结各分点所得的多边形是这个圆的内接正n边形

  ⑵经过各分点作圆的切线,以相邻切线的交点为顶点的多边形是这个圆的外切正n边形。

  19.定理任何正多边形都有一个外接圆和一个内切圆,这两个圆是同心圆。

  22.定理一条弧所对的圆周角等于它所对的圆心角的一半。

  23.推论1同弧或等弧所对的圆周角相等;同圆或等圆中,相等的圆周角所对的弧也相等。

  24.推论2半圆(或直径)所对的圆周角是直角;90°的圆周角所对的弦是直径。

  一、圆及圆的相关量的定义(28个)

  1.平面上到定点的距离等于定长的所有点组成的图形叫做圆。定点称为圆心,定长称为半径。

  2.圆上任意两点间的部分叫做圆弧,简称弧。大于半圆的弧称为优弧,小于半圆的弧称为劣弧。连接圆上任意两点的线段叫做弦。经过圆心的弦叫做直径。

  3.顶点在圆心上的角叫做圆心角。顶点在圆周上,且它的两边分别与圆有另一个交点的角叫做圆周角。

  4.过三角形的三个顶点的圆叫做三角形的外接圆,其圆心叫做三角形的外心。和三角形三边都相切的圆叫做这个三角形的内切圆,其圆心称为内心。

  5.直线与圆有3种位置关系:无公共点为相离;有2个公共点为相交;圆与直线有唯一公共点为相切,这条直线叫做圆的切线,这个唯一的公共点叫做切点。

  6.两圆之间有5种位置关系:无公共点的,一圆在另一圆之外叫外离,在之内叫内含;有唯一公共点的,一圆在另一圆之外叫外切,在之内叫内切;有2个公共点的叫相交。两圆圆心之间的距离叫做圆心距。

  7.在圆上,由2条半径和一段弧围成的图形叫做扇形。圆锥侧面展开图是一个扇形。这个扇形的半径成为圆锥的母线。

  二、有关圆的字母表示方法(7个)

  圆--⊙ 半径r 弧--⌒ 直径d

  扇形弧长/圆锥母线l 周长C 面积S三、有关圆的基本性质与定理(27个)

  1.点P与圆O的位置关系(设P是一点,则PO是点到圆心的距离):

  2.圆是轴对称图形,其对称轴是任意一条过圆心的直线。圆也是中心对称图形,其对称中心是圆心。

  3.垂径定理:垂直于弦的直径平分这条弦,并且平分弦所对的弧。逆定理:平分弦(不是直径)的直径垂直于弦,并且平分弦所对的弧。

  4.在同圆或等圆中,如果2个圆心角,2个圆周角,2条弧,2条弦中有一组量相等,那么他们所对应的其余各组量都分别相等。

  5.一条弧所对的圆周角等于它所对的圆心角的一半。

  6.直径所对的圆周角是直角。90度的圆周角所对的弦是直径。

  7.不在同一直线上的3个点确定一个圆。

  8.一个三角形有唯一确定的外接圆和内切圆。外接圆圆心是三角形各边垂直平分线的交点,到三角形3个顶点距离相等;内切圆的圆心是三角形各内角平分线的交点,到三角形3边距离相等。

  9.直线AB与圆O的位置关系(设OPAB于P,则PO是AB到圆心的距离):

  10.圆的切线垂直于过切点的直径;经过直径的一端,并且垂直于这条直径的直线,是这个圆的切线。

  11.圆与圆的位置关系(设两圆的半径分别为R和r,且Rr,圆心距为P):

  三、有关圆的计算公式

  在平面直角坐标系中,以点O(a,b)为圆心,以r为半径的圆的标准方程是

  把圆的标准方程展开,移项,合并同类项后,可得圆的一般方程是

  相关知识:圆的离心率e=0.在圆上任意一点的曲率半径都是r.

  五、圆与直线的位置关系判断

  链接:圆与直线的位置关系(一.5)

  讨论如下2种情况:

  利用判别式b^2-4ac的符号可确定圆与直线的位置关系如下:

  如果b^2-4ac0,则圆与直线有2交点,即圆与直线相交

  如果b^2-4ac=0,则圆与直线有1交点,即圆与直线相切

  如果b^2-4ac0,则圆与直线有0交点,即圆与直线相离

  令y=b,求出此时的两个x值x1,x2,并且我们规定x1

  当x=-C/Ax2时,直线与圆相离

  1不在同一直线上的三点确定一个圆。

  2垂径定理 垂直于弦的直径平分这条弦并且平分弦所对的两条弧

  ①平分弦(不是直径)的直径垂直于弦,并且平分弦所对的两条弧

  ②弦的垂直平分线经过圆心,并且平分弦所对的两条弧

  ③平分弦所对的一条弧的直径,垂直平分弦,并且平分弦所对的另一条弧

  1圆的两条平行弦所夹的弧相等

  3圆是以圆心为对称中心的中心对称图形

  4圆是定点的距离等于定长的点的集合

  5圆的内部可以看作是圆心的距离小于半径的点的集合

  6圆的外部可以看作是圆心的距离大于半径的点的集合

  希望这篇20xx中考数学知识点汇总,可以帮助更好的迎接即将到来的考试!

  1.分数乘法:分数乘法的意义与整数乘法的意义相同,就是求几个相同加数和的简便运算。

  2.分数乘法的计算法则

  分数乘整数,用分数的分子和整数相乘的积作分子,分母不变;分数乘分数,用分子相乘的积作分子,分母相乘的积作分母。但分子分母不能为零.。

  分数乘整数的意义与整数乘法的意义相同,就是求几个相同加数的和的简便运算。一个数与分数相乘,可以看作是求这个数的几分之几是多少。

  4.分数乘整数:数形结合、转化化归

  5.倒数:乘积是1的两个数叫做互为倒数。

  找一个分数的倒数,例如3/4把3/4这个分数的分子和分母交换位置,把原来的分子做分母,原来的分母做分子。则是4/3。3/4是4/3的倒数,也可以说4/3是3/4的倒数。

  找一个整数的倒数,例如12,把12化成分数,即12/1,再把12/1这个分数的分子和分母交换位置,把原来的分子做分母,原来的分母做分子。则是1/12,12是1/12的倒数。

  普通算法:找一个小数的倒数,例如0.25,把0.25化成分数,即1/4,再把1/4这个分数的分子和分母交换位置,把原来的分子做分母,原来的分母做分子,则是4/1。

  9.用1计算法:也可以用1去除以这个数,例如0.25,1/0.25等于4,所以0.25的倒数4,因为乘积是1的两个数互为倒数。分数、整数也都使用这种规律。

  10.分数除法:分数除法是分数乘法的逆运算。

  11.分数除法计算法则:

  甲数除以乙数(0除外),等于甲数乘乙数的倒数。

  12.分数除法的意义:与整数除法的意义相同,都是已知两个因数的积与其中一个因数求另一个因数。

  13.分数除法应用题:先找单位1。单位1已知,求部分量或对应分率用乘法,求单位1用除法。

  其实角的大小与边的长短没有关系,角的大小决定于角的两条边张开的程度。

  具有公共端点的两条射线组成的图形叫做角(angle)。这个公共端点叫做角的顶点,这两条射线叫做角的两条边。

  一条射线绕着它的端点从一个位置旋转到另一个位置所形成的图形叫做角。所旋转射线的端点叫做角的顶点,开始位置的射线叫做角的始边,终止位置的射线叫做角的终边

  在动态定义中,取决于旋转的方向与角度。角可以分为锐角、直角、钝角、平角、周角、负角、正角、优角、劣角、0角这10种。以度、分、秒为单位的角的度量制称为角度制。此外,还有密位制、弧度制等。

  锐角:大于0°,小于90°的角叫做锐角。

  直角:等于90°的角叫做直角。

  钝角:大于90°而小于180°的角叫做钝角。

  平角:等于180°的角叫做平角。

  优角:大于180°小于360°叫优角。

  劣角:大于0°小于180°叫做劣角,锐角、直角、钝角都是劣角。

  角周角:等于360°的角叫做周角。

  负角:按照顺时针方向旋转而成的角叫做负角。

  正角:逆时针旋转的角为正角。

  0角:等于零度的角。

  余角和补角:两角之和为90°则两角互为余角,两角之和为180°则两角互为补角。等角的余角相等,等角的补角相等。

  对顶角:两条直线相交后所得的只有一个公共顶点且两个角的两边互为反向延长线,这样的两个角叫做互为对顶角。两条直线相交,构成两对对顶角。互为对顶角的两个角相等。

  邻补角:两个角有一条公共边,它们的另一条边互为反向延长线,具有这种关系的两个角,互为邻补角。

  内错角:互相平行的两条直线直线,被第三条直线所截,如果两个角都在两条直线的

  内侧,并且在第三条直线的两侧,那么这样的一对角叫做内错角(alternate interior angle )。如:∠1和∠6,∠2和∠5

  同旁内角:两个角都在截线的同一侧,且在两条被截线之间,具有这样位置关系的一对角互为同旁内角。如:∠1和∠5,∠2和∠6

  同位角:两个角都在截线的同旁,又分别处在被截的两条直线同侧,具有这样位置关系的一对角叫做同位角(correspondingangles):∠1和∠8,∠2和∠7

  外错角:两条直线被第三条直线所截,构成了八个角。如果两个角都在两条被截线的外侧,并且在截线的两侧,那么这样的一对角叫做外错角。例如:∠4与∠7,∠3与∠8。

  同旁外角:两个角都在截线的同一侧,且在两条被截线之外,具有这样位置关系的一对角互为同旁外角。如:∠4和∠8,∠3和∠7

  终边相同的角:具有共同始边和终边的角叫终边相同的角。与角a终边相同的角属于集合:

  一、集合、简易逻辑(14课时,8个)1.集合;2.子集;3.补集;4.交集;5.并集;6.逻辑连结词;7.四种命题;8.充要条件.

  二、函数(30课时,12个)1.映射;2.函数;3.函数的单调性;4.反函数;5.互为反函数的函数图象间的关系;6.指数概念的扩充;7.有理指数幂的运算;8.指数函数;9.对数;10.对数的运算性质;11.对数函数.12.函数的应用举例.

  三、数列(12课时,5个)1.数列;2.等差数列及其通项公式;3.等差数列前n项和公式;4.等比数列及其通顶公式;5.等比数列前n项和公式.

  四、三角函数(46课时17个)1.角的概念的推广;2.弧度制;3.任意角的三角函数;4,单位圆中的三角函数线;5.同角三角函数的基本关系式;6.正弦、余弦的诱导公式’7.两角和与差的正弦、余弦、正切;8.二倍角的正弦、余弦、正切;9.正弦函数、余弦函数的图象和性质;10.周期函数;11.函数的奇偶性;12.函数的图象;13.正切函数的图象和性质;14.已知三角函数值求角;15.正弦定理;16余弦定理;17斜三角形解法举例.

  五、平面向量(12课时,8个)1.向量2.向量的加法与减法3.实数与向量的积;4.平面向量的坐标表示;5.线段的定比分点;6.平面向量的数量积;7.平面两点间的距离;8.平移.

  六、不等式(22课时,5个)1.不等式;2.不等式的基本性质;3.不等式的证明;4.不等式的解法;5.含绝对值的不等式.

  七、直线和圆的方程(22课时,12个)1.直线的倾斜角和斜率;2.直线方程的点斜式和两点式;3.直线方程的一般式;4.两条直线平行与垂直的条件;5.两条直线的交角;6.点到直线的距离;7.用二元一次不等式表示平面区域;8.简单线性规划问题.9.曲线与方程的概念;10.由已知条件列出曲线方程;11.圆的标准方程和一般方程;12.圆的参数方程.

  八、圆锥曲线(18课时,7个)1椭圆及其标准方程;2.椭圆的简单几何性质;3.椭圆的参数方程;4.双曲线及其标准方程;5.双曲线的简单几何性质;6.抛物线及其标准方程;7.抛物线的简单几何性质.九、(B)直线、平面、简单何体(36课时,28个)1.平面及基本性质;2.平面图形直观图的画法;3.平面直线;4.直线和平面平行的判定与性质;5,直线和平面垂直的判与性质;6.三垂线定理及其逆定理;7.两个平面的位置关系;8.空间向量及其加法、减法与数乘;9.空间向量的坐标表示;10.空间向量的数量积;11.直线的方向向量;12.异面直线所成的角;13.异面直线的公垂线;14异面直线的距离;15.直线和平面垂直的性质;16.平面的法向量;17.点到平面的距离;18.直线和平面所成的角;19.向量在平面内的射影;20.平面与平面平行的性质;21.平行平面间的距离;22.二面角及其平面角;23.两个平面垂直的判定和性质;24.多面体;25.棱柱;26.棱锥;27.正多面体;28.球.

  十、排列、组合、二项式定理(18课时,8个)1.分类计数原理与分步计数原理.2.排列;3.排列数公式’4.组合;5.组合数公式;6.组合数的两个性质;7.二项式定理;8.二项展开式的性质.

  十一、概率(12课时,5个)1.随机事件的概率;2.等可能事件的概率;3.互斥事件有一个发生的概率;4.相互独立事件同时发生的概率;5.独立重复试验.选修Ⅱ(24个)

  十二、概率与统计(14课时,6个)1.离散型随机变量的分布列;2.离散型随机变量的期望值和方差;3.抽样方法;4.总体分布的估计;5.正态分布;6.线性回归.

  十三、极限(12课时,6个)1.数学归纳法;2.数学归纳法应用举例;3.数列的极限;4.函数的极限;5.极限的四则运算;6.函数的连续性.

  十四、导数(18课时,8个)1.导数的概念;2.导数的几何意义;3.几种常见函数的导数;4.两个函数的和、差、积、商的导数;5.复合函数的导数;6.基本导数公式;7.利用导数研究函数的单调性和极值;8函数的最大值和最小值.

  十五、复数(4课时,4个)1.复数的概念;2.复数的加法和减法;3.复数的乘法和除法答案补充高中数学有130个知识点,从前一份试卷要考查90个知识点,覆盖率达70%左右,而且把这一项作为衡量试卷成功与否的标准之一.这一传统近年被打破,取而代之的是关注思维,突出能力,重视思想方法和思维能力的考查.现在的我们学数学比前人幸福啊!!相信对你的学习会有帮助的,祝你成功!答案补充一试全国高中数学联赛的一试竞赛大纲,完全按照全日制中学《数学教学大纲》中所规定的教学要求和内容,即高考所规定的知识范围和方法,在方法的要求上略有提高,其中概率和微积分初步不考。二试1、平面几何基本要求:掌握初中数学竞赛大纲所确定的所有内容。补充要求:面积和面积方法。几个重要定理:梅涅劳斯定理、塞瓦定理、托勒密定理、西姆松定理。几个重要的极值:到三角形三顶点距离之和最小的点--费马点。到三角形三顶点距离的平方和最小的点,重心。三角形内到三边距离之积最大的点,重心。几何不等式。简单的等周问题。了解下述定理:在周长一定的n边形的集合中,正n边形的面积最大。在周长一定的简单闭曲线的集合中,圆的面积最大。在面积一定的n边形的集合中,正n边形的周长最小。在面积一定的简单闭曲线的集合中,圆的周长最小。几何中的运动:反射、平移、旋转。复数方法、向量方法。平面凸集、凸包及应用。答案补充第二数学归纳法。递归,一阶、二阶递归,特征方程法。函数迭代,求n次迭代,简单的函数方程。n个变元的平均不等式,柯西不等式,排序不等式及应用。复数的指数形式,欧拉公式,棣莫佛定理,单位根,单位根的应用。圆排列,有重复的排列与组合,简单的组合恒等式。一元n次方程(多项式)根的个数,根与系数的关系,实系数方程虚根成对定理。简单的初等数论问题,除初中大纲中所包括的内容外,还应包括无穷递降法,同余,欧几里得除法,非负最小完全剩余类,高斯函数,费马小定理,欧拉函数,孙子定理,格点及其性质。3、立体几何多面角,多面角的性质。三面角、直三面角的基本性质。正多面体,欧拉定理。体积证法。截面,会作截面、表面展开图。4、平面解析几何直线的法线式,直线的极坐标方程,直线束及其应用。二元一次不等式表示的区域。三角形的面积公式。圆锥曲线的切线和法线。圆的幂和根轴。

  我一直强调计算,扎实的算功是学好数学的必要条件。聪明在于勤奋,知识在于积累。积累一些常见数是必要的。如1/8,1/4,3/8,1/2,5/8,3/4,7/8的分数,小数,百分数,比的互化要脱口而出。100以内的质数要信手拈来。1-30的平方,1-10的立方的结果要能提笔就写。对于整除的判定仅仅积累2,3,5的是不够的。9的整除判定和3的方法是一样的。还有就是2和5的n次方整除的判定只要看末n位。如4和25的整除都是看末2位,末2位能被4或25整除则这个数可以被4或25整除。8和125就看末3位。7,11,13的整除判定就是割开三位。前面部分减去末三位就可以了如果能整除7或11或13,这个数就是7或11或13的倍数。这其实是判定1001的方法。此外还有一种方法是割个位法,望同学们至少掌握20以内整除的判定方法。

  接下来讲下数论的积累。1搞清楚什么是完全平方数,完全平方数个位只能是0,1,4,5,6,9.奇数的平方除以8余1,偶数的平方是4的倍数。要掌握如何求一个数的约数个数,所有约数的和,小于这个数且和这个数互质数的个数如何求。如何估计一个数是否为质数。

  计算分为一般计算和技巧计算。到底用哪个呢?首先基本的运算法则必须很熟悉。不要被简便运算假象迷惑。这里重点说下技巧计算。首先要熟练乘法和除法的分配律,其次要熟练a-b-c=a-(b+c)a-(b-c)=a-b+c

  还有连除就是除以所有除数的积等。再者对于结合交换律都应该很熟悉。分配律有直接提公因数,和移动小数点或扩大缩小倍数来凑出公因数。甚至有时候要强行创造公因数。再单独算尾巴。

  分数的裂项:裂和与裂差 等差数列求和,平方差,配对,换元,拆项约分,等比定理的转化等都要很熟悉。还有就是放缩与估计都要熟练。在计算中到底运用小数还是分数要看情况。如果既有分数又有小数的题,如果不能化成有限小数的分数出现的'话整个计算应该用分数。当小数位数不超过2位且分数可以化为3位以内的小数时候可以用小数。计算时候学会凑整。看到25找4,看到125找8,看到2找5这些要形成条件反射。如7992乘以25

  很多孩子用竖式算很久,而实际上只要7992除以4再乘以100=(8000-8)除以4再乘以100=199800运用下除法分配律。这些简便的方法不要要求简便的时候才用,平时就要多用才熟能生巧。

  解方程一般是运用等式性质,由于小学生没学过移项。所以稍复杂的方程容易错符号。如37-2x=39-3x

  解这样方程建议先把两边加3x 得到37+x=39 x=2 有的直接做容易搞成5x=2,所以做完后要检验。解含有分母的方程建议首先把分子的多项式加括号。然后左右两边每个加数或减数都乘以最小公倍数。注意凡是整体加上括号,最后用分配律和加减的简便运算方法去掉括号。这样不会错符号和漏乘调理也清楚。还有注意训练整体意识如解60(100-x)=72(97-x)就应该两边首先约去12计算更好。对于机构复杂出现重复部分的方程还要注意换元。平时还可以多解一些稍微复杂的百分数方程。

  专题三:分数,比,百分数应用题

  解决这类题关键在于搞清楚标准。明白1倍是什么,比的一份是什么。如60比---多1/5,60比----少1/5,60是---的1/5,---是60的1/5,---比60多1/5,----比60少1/5.这个准备题能全对说明标准吃透了否则还要在找标准量上加强训练。注意分数带单位表示具体数量,不带单位表示的实际上是倍数。只是同学们习惯看整数和小数倍不习惯看分数倍数。百分数就只能表示倍数,不能表示数量是不可以带单位的。如果用比解决问题就务必吃透1份是多少。其实分数应用题都可以转化为A是B的多少倍?已知1倍求多倍乘法,已知多倍求1倍除法。比如A比B多1/3,这时候标准是B A比1倍多1/3倍就是A是B的4/3倍。马上有A:B=4:3,对于应用题中分数和比的转化要清晰。很多题我们用分数抽象但用比很好理解。因为孩子熟悉整数,不喜欢分数这时事实。对于百分数应用题我们可以化为比转化为孩子喜欢的东西。其实很多有不变数量的题就是找到不变量,统一不变量对应份数,求出1份是多少,按比例分配这4步曲一般分数,百分数比的应用题就搞定了。对于浓度问题和商品利润问题我讲了十字交叉法。对于有些孩子可能难理解,考试在大题中也不适宜用。其实浓度问题列方程就从溶质入手就可以了。

  1、对顶角:一个角的'两边分别是另一个角的两边的反向延长线,这两个角叫做对顶角。

  2、互为补角:如果两个角的和是一个平角,这两个角做互为补角。

  3、互为余角:如果两个角的和是一个直角,这两个角叫做互为余角。

  4、邻补角:有公共顶点,一条公共边,另两条边互为反向延长线的两个角做互为邻补角。

  注意:互余、互补是指两个角的数量关系,与两个角的位置无关,而互为邻补角则要求两个角有特殊的位置关系。

  2、同角或等角的余角相等。

  3、同角或等角的补角相等。

  b2-4ac=0 注:方程有两个相等的实根

  b2-4ac0 注:方程有两个不等的实根

  b2-4ac0 注:方程没有实根,有共轭复数根

  注:其中 R 表示三角形的外接圆半径

  注:角B是边a和边c的夹角

  年龄问题的主要特点是两人的年龄差不变,而倍数差却发生变化。

  常用的计算公式是:

  成倍时小的年龄=大小年龄之差÷(倍数-1)

  几年前的年龄=小的现年-成倍数时小的年龄

  几年后的年龄=成倍时小的年龄-小的现在年龄

  例父亲今年54岁,儿子今年12岁。几年后父亲的年龄是儿子年龄的4倍?

  答:2年后父亲的年龄是儿子的4倍。

  例2、父亲今年的年龄是54岁,儿子今年有12岁。几年前父亲的年龄是儿子年龄的7倍?

  答:5年前父亲的年龄是儿子的7倍。

  例3、王刚父母今年的年龄和是148岁,父亲年龄的3倍与母亲年龄的差比年龄和多4岁。王刚父母亲今年的年龄各是多少岁?

  答:王刚的父亲今年75岁,母亲今年73岁。

  1.圆中心的一点叫圆心,用O表示。一端在圆心,另一端在圆上的线段叫半径,用r表示。

  两端都在圆上,并过圆心的线段叫直径,用d表示。

  2.圆有无数条半径,有无数条直径。

  3.圆心决定圆的位置,半径决定圆的大小。

  4.把圆对折,再对折就能找到圆心。

  5.圆是轴对称图形,直径所在的直线是圆的对称轴。圆有无数条对称轴。

  6.在同一个圆里,直径的长度是半径的2倍,可以表示为d=2r或r=d/2.

  8.圆的周长除以直径的商是一个固定的数,叫做圆周率,用字母表示,计算时通常取3.14.

  13.周长相等时,圆的面积最大。面积相等时,圆的周长最小。

  面积相同时,长方形的周长最长,正方形居中,圆周长最短。

  周长相同时,圆面积最大,正方形居中,长方形面积最小。

  周长相同时,圆面积最大,利用这一特点,篮子、盘子做成圆形。

  第四单元:比的认识

  15.两个数相除,又叫做这两个数的比。比的后项不能为0.

  16.比的前项和后项同时乘上或除以一个相同的数(0除外)。比值不变,这叫做比的基本性质。由于在平面直角坐标系中,先画X轴,而X轴上的坐标表示列。先用小括号将两个数括起来,再用逗号将两个数隔开。括号里面的数由左至右为列数和行数。

  列数与行数必须是具体的数,而不能用字母如(X,5)表示,它表述一条横线,(5,Y)它表示一条竖线,都不能确定一个点。

  分数乘法意义:1、分数乘整数是求几个相同加数的和的简便运算,与整数乘法的意义相同。

  2、分数乘分数是求一个数的几分之几是多少。

  分数的化简:分子、分母同时除以它们的最大公因数。

  关于分数乘法的计算:可在乘的过程中约分,提倡在计算过程中约分,这样简便。

  分数的基本性质:分子分母同时乘或者除以一个相同的数时(0除外),分数值不变。

  倒数的意义:乘积为1的两个数互为倒数。

  特别强调:互为倒数,即倒数是两个数的关系,它们互相依存,倒数不能单独存在。

  求倒数的方法:1、求分数的倒数是交换分子分母的位置。

  2、求整数的倒数是把整数看做分母是1的分数,再交换分子分母的位置。

  1的倒数是它本身。因为1*1=1

  0没有倒数。0乘任何数都得0=0*1,1/0(分母不能为0)

  分数除法是分数乘法的逆运算,就是已知两个数的积与其中一个因数,求另一个因数的运算。

  除以一个数是乘这个数的倒数,除以几就是乘这个数的几分之一。

  分数除法的基本性质:强调0除外

  比:两个数相除也叫两个数的比。比表示两个数的关系,可以写成比的形式,也可以用分数表示,但仍读几比几。比值是一个数,可以是整数,分数,也可以是小数。比可以表示两个相同量的关系,即倍数关系。也可以表示两个不同量的比,得到一个新量。例:路程/速度=时间。

  1、用比的前项和后项同时除以它们的最大公约数。

  2、两个分数的比,用前项后项同时乘分母的最小公倍数,再按化简整数比的方法来化简。

  3、两个小数的比,向右移动小数点的位置。也是先化成整数比。

  比和除法、分数的区别:除法是一种运算,分数是一个数,比表示两个数的关系。

  一个数除以小于1的数,商大于被除数。

  一个数除以1,商等于被除数。

  一个数除以大于1的数,商小于被除数。

  百分数的约分:百分数化成分数,写成分数形式,再约分。

  分数表是一个数,也可以表示两个数的关系,百分数只表示两个数的关系,没有单位。

  百分数的意义:表示一个数是另一个数的百分之几,也叫百分率或者百分比。

  一般来讲,出勤率、成活率、合格率、正确率能达到100%,出米率、出油率达不到100%,完成率、增长了百分之几等可以超过100%。一般出粉率在70、80%,出油率在30、40%。

  条形统计图可以知道每个数量的多少。

  折现统计图可以知数量的增减,

  扇形统计图可以知道部分和总量的关系。

  学生已经掌握了用一元一次方程解决实际问题的方法。在解决某些实际问题时还会遇到一种新方程 一元二次方程。一元二次方程一章就来认识这种方程,讨论这种方程的解法,并运用这种方程解决一些实际问题。

  本章首先通过雕像设计、制作方盒、排球比赛等问题引出一元二次方程的概念,给出一元二次方程的一般形式。然后让学生通过数值代入的方法找出某些简单的一元二次方程的解,对一元二次方程的解加以体会,并给出一元二次方程的根的概念,

  22.2降次解一元二次方程一节介绍配方法、公式法、因式分解法三种解一元二次方程的方法。下面分别加以说明。

  (1)在介绍配方法时,首先通过实际问题引出形如 的方程。这样的方程可以化为更为简单的形如 的方程,由平方根的概念,可以得到这个方程的解。进而举例说明如何解形如 的方程。然后举例说明一元二次方程可以化为形如 的方程,引出配方法。最后安排运用配方法解一元二次方程的例题。在例题中,涉及二次项系数不是1的一元二次方程,也涉及没有实数根的一元二次方程。对于没有实数根的一元二次方程,学了公式法以后,学生对这个内容会有进一步的理解。

  (2)在介绍公式法时,首先借助配方法讨论方程 的解法,得到一元二次方程的求根公式。然后安排运用公式法解一元二次方程的例题。在例题中,涉及有两个相等实数根的一元二次方程,也涉及没有实数根的一元二次方程。由此引出一元二次方程的解的三种情况。

  (3)在介绍因式分解法时,首先通过实际问题引出易于用因式分解法的一元二次方程,引出因式分解法。然后安排运用因式分解法解一元二次方程的例题。最后对配方法、公式法、因式分解法三种解一元二次方程的方法进行小结。

  22.3实际问题与一元二次方程一节安排了四个探究栏目,分别探究传播、成本下降率、面积、匀变速运动等问题,使学生进一步体会方程是刻画现实世界的一个有效的数学模型。

  1、大于0的数是正数。

  2、有理数分类:正有理数、0、负有理数。

  3、有理数分类:整数(正整数、0、负整数)、分数(正分数、负分数)

  4、规定了原点,单位长度,正方向的直线称为数轴。

  5、数的大小比较:

  ①正数大于0,0大于负数,正数大于负数。

  ②两个负数比较,绝对值大的反而小。

  6、只有符号不同的两个数称互为相反数。

  7、若a+b=0,则a,b互为相反数

  8、表示数a的点到原点的距离称为数a的绝对值

  9、绝对值的三句:正数的绝对值是它本身,

  负数的绝对值是它的相反数,0的绝对值是0。

  10、有理数的计算:先算符号、再算数值。

  12、乘除:同号得正,异号的负

  13、乘方:表示n个相同因数的乘积。

  14、负数的奇次幂是负数,负数的偶次幂是正数。

  15、混合运算:先乘方,再乘除,后加减,同级运算从左到右,有括号的先算括号。

  16、科学计数法:用ax10n 表示一个数。(其中a是整数数位只有一位的数)

  17、左边第一个非零的数字起,所有的数字都是有效数字。

  1.数轴:数轴三要素:原点,正方向和单位长度;数轴上的点与实数是一一对应的。

  2.相反数实数a的相反数是-a;若a与b互为相反数,则有a+b=0,反之亦然;几何意义:在数轴上,表示相反数的两个点位于原点的两侧,并且到原点的距离相等。

  3.倒数:若两个数的积等于1,则这两个数互为倒数。

  4.绝对值:代数意义:正数的绝对值是它本身,负数的绝对值是它的相反数,0的绝对值是0;

  几何意义:一个数的绝对值,就是在数轴上表示这个数的点到原点的距离.

  5.科学记数法:,其中。

  6.实数大小的比较:利用法则比较大小;利用数轴比较大小。

  7.在实数范围内,加、减、乘、除、乘方运算都可以进行,但开方运算不一定能行,如负数不能开偶次方。实数的运算基础是有理数运算,有理数的一切运算性质和运算律都适用于实数运算。正确的确定运算结果的符号和灵活的使用运算律是掌握好实数运算的关键。

  一元一次方程知识点

  知识点1:等式的概念:用等号表示相等关系的式子叫做等式.

  知识点2:方程的概念:含有未知数的等式叫方程,方程中一定含有未知数,而且必须是等式,二者缺一不可.

  说明:代数式不含等号,方程是用等号把代数式连接而成的式子,且其中一定要含有未知数.

  知识点3:一元一次方程的概念:只含有一个未知数,并且未知数的次数是1的方程叫一元一次方程.任何形式的一元一次方程,经变形后,总能变成形为ax=b(a≠0,a、b为已知数)的形式,这种形式的方程叫一元一次方程的一般式.注意a≠0这个重要条件,它也是判断方程是否是一元一次方程的重要依据.

  分析:一元一次方程需要满足的条件:未知数系数不等于0,次数为1. ∴a+1≠0,2b-1=1.∴a≠-1,b=1.

  知识点4:等式的基本性质(1)等式两边加上(或减去)同一个数或同一个代数式,所得的结果仍是等式.即若a=b,则a±m=b±m.

  (2) 等式两边乘以(或除以)同一个不为0的数或代数式, 所得的结果仍是等式.

  说明:等式的性质是解方程的重要依据.

  例3:下列变形正确的是( )

  分析:利用等式的性质解题.应选D.

  说明:等式两边不可能同时除以为零的数或式,这一点务必要引起同学们的高度重视.

  知识点5:方程的解与解方程:使方程两边相等的未知数的值叫做方程的解,求方程解的过程叫解方程.

  知识点6:关于移项:⑴移项实质是等式的基本性质1的运用.

  ⑵移项时,一定记住要改变所移项的符号.

  知识点7:解一元一次方程的一般步骤:去分母、去括号、移项、合并同类项、将未知数的系数化为1.具体解题时,有些步骤可能用不上,有些步骤可以颠倒顺序,有些步骤可以合写,以简化运算,要根据方程的特点灵活运用.

  分析:灵活运用一元一次方程的步骤解答本题.

  说明:去分母时,易漏乘方程左、右两边代数式中的某些项,如本题易错解为:去分母得9x-1=2x,漏乘了常数项.

  知识点8:方程的检验

  检验某数是否为原方程的解,应将该数分别代入原方程左边和右边,看两边的值是否相等.

  注意:应代入原方程的左、右两边分别计算,不能代入变形后的方程的左边和右边.

  三、一元一次方程的应用

  一元一次方程在实际生活中的应用,是很多同学在学习一元一次方程过程中遇到的一个棘手问题.下面是对一元一次方程在实际生活中的应用的一个专题介绍,希望能为同学们的学习提供帮助.

  行程问题的基本关系:路程=速度×时间,

  1.相遇问题:速度和×相遇时间=路程和

  例1甲、乙二人分别从A、B两地相向而行,甲的速度是200米/分钟,乙的速度是300米/分钟,已知A、B两地相距1000米,问甲、乙二人经过多长时间能相遇?

  解:设甲、乙二人t分钟后能相遇,则

  答:甲、乙二人2钟后能相遇.

  2.追赶问题:速度差×追赶时间=追赶距离

  例2甲、乙二人分别从A、B两地同向而行,甲的速度是200米/分钟,乙的速度是300米/分钟,已知A、B两地相距1000米,问几分钟后乙能追上甲? 解:设t分钟后,乙能追上甲,则

  答:10分钟后乙能追上甲.

  3. 航行问题:顺水速度=静水速度+水流速度,逆水速度=静水速度-水流速度. 例3甲乘小船从A地顺流到B地用了3小时,已知A、B两地相距90千米.水流速度是20千米/小时,求小船在静水中的速度.

  解:设小船在静水中的速度为v,则有

  答:小船在静水中的速度是10千米/小时.

  工程问题的基本关系:①工作量=工作效率×工作时间,工作效率=,工作时间=;②常把工作量看作单位1.

  例4已知甲、乙二人合作一项工程,甲25天独立完成,乙20天独立完成,甲、乙二人合作5天后,甲另有事,乙再单独做几天才能完成?

  解:设甲再单独做x天才能完成,有

  答:乙再单独做11天才能完成.

  环行问题的基本关系:同时同地同向而行,第一次相遇:快者路程-慢者路程=环行周长.同时同地背向而行,第一次相遇:甲路程+乙路程=环形周长.

  例5王丛和张兰绕环行跑道行走,跑道长400米,王丛的速度是200米/分钟,张兰的速度是300米/分钟,二人如从同地同时同向而行,经过几分钟二人相遇?

  解:设经过t分钟二人相遇,则

  答:经过4分钟二人相遇.

  数字问题的基本关系:数字和数是不同的,同一个数字在不同数位上,表示的数值不同.

  例6一个两位数,个位数字比十位数字小1,这个两位数的个位十位互换后,它们的和是33,求这个两位数.

  解:设原两位数的个位数字是x,则十位数字为x+1,根据题意,得

  答:这个两位数是21.

  利润问题的基本关系:①获利=售价-进价②打几折就是原价的十分之几 例7某商场按定价销售某种电器时,每台获利48元,按定价的9折销售该电器6台与将定价降低30元销售该电器9台所获得的利润相等,该电器每台进价、定价各是多少元?

  答:该电器每台进价、定价各分别是162元、210元.

  浓度问题的基本关系:溶液浓度=,溶液质量=溶质质量+溶剂质量,溶质质量=溶液质量×溶液浓度

  例8用“84”消毒液配制药液对白色衣物进行消毒,要求按1∶200的比例进行稀释.现要配制此种药液4020克,则需要“84”消毒液多少克?

  解:设需要“84”消毒液x克,根据题意得

  答:需要“84”消毒液20克.

  例1用直径为90mm的圆柱形玻璃杯(已装满水,且水足够多)向一个内底面积为131×131mm2,内高为81mm的长方体铁盒倒水,当铁盒装满水时,玻璃杯中水的高度下降了多少?(结果保留π)

  分析:玻璃杯里倒掉的水的体积和长方体铁盒里所装的水的体积相等,所以等量关系为:

  玻璃杯里倒掉的水的体积=长方体铁盒的容积.

  解:设玻璃杯中水的高度下降了xmm,根据题意,得

  经检验,它符合题意.

  例2储户到银行存款,一段时间后,银行要向储户支付存款利息,同时银行还将代扣由储户向国家缴纳的利息税,税率为利息的20%.

  (1)将8500元钱以一年期的定期储蓄存入银行,年利率为2.2%,到期支取时可得到利息________元.扣除利息税后实得________元.

  (2)小明的父亲将一笔资金按一年期的定期储蓄存入银行,年利率为2.2%,到期支取时,扣除所得税后得本金和利息共计71232元,问这笔资金是多少元?

  (3)王红的爸爸把一笔钱按三年期的定期储蓄存入银行,假设年利率为3%,到期支取时扣除所得税后实得利息为432元,问王红的爸爸存入银行的本金是多少?

  分析:利息=本金×利率×期数,存几年,期数就是几,另外,还要注意,实得利息=利息-利息税.

  解:(1)利息=本金×利率×期数=%×1=187元.

  经检验,符合题意.

  答:这笔资金为70000元.

  经检验,符合题意.

  答:这笔资金为6000元.

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  导语:解答数字推理题时,应试者的反应不仅要快,而且要掌握恰当的方法和技巧,数字排列规律主要有六种:等差数列、等比数列、和数列、积数列、幂数列及其他特殊数列。数字推理题是公务员考试行政测试中一直以来的固定题型。所谓数字推理,就是给应试者一个数列,但其中至少缺少一项,要求应试者仔细观察数列的排列规律,然后从四个选项中选出你认为最为合理的一项来填补空白项。

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  1、四则运算:相邻两个数加、减、乘、除等于第三数或者是相邻两个数加、减、乘、除后再加或者减一个常数等于第三数。

  2、等差数列:数列中各个数字构成等差数列,包括数列中相邻两个数相减后的差值成等差数列的二级等差数列和两次差值构成等差数列的三级等差数列。

  3、等比数列:数列中各个数字依次构成等比数列,包括二级等比数列或者三级等比数列。

  4、平方数列:前一个数的平方等于第二个数,包括前一个数的平方再加减一个常数等于第二个数的平方数列变形。

  5、倍数数列:前一个数乘一个倍数加减一个常数等于第二个数。

  6、隔项数列:数列相隔两项呈现一定规律,这类数列包含的数字多。

  7、奇偶数列:数列全奇数或者全偶数或者奇偶间隔。

  8、排序数列:数列有特殊的序列规律。

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  6.带根号的数列。这种题难度一般也不大,掌握根号的`简单运算则可。限于计算机水平比较烂,打不出根号,无法列题。

  20,22,25,30,37,(48) 后项与前项相减得质数数列。

  8.双重数列。又分为三种:

  (1)每两项为一组,如

  1,3,3,9,5,15,7,(21)第一与第二,第三与第四等每两项后项与前项之比为3

  1/7,14,1/21,42,1/36,72,1/52,()两项为一组,每组的后项等于前项倒数*2

  (2)两个数列相隔,其中一个数列可能无任何规律,但只要把握有规律变化的数列就可得出结果。

  34,36,35,35,(36),34,37,(33) 由两个数列相隔而成,一个递增,一个递减

  (3)数列中的数字带小数,其中整数部分为一个数列,小数部分为另一个数列。

  2.01,4.03, 8.04, 16.07, (32.11) 整数部分为等比,小数部分为移动求和数列。双重数列难题也较少。能看出是双重数列,题目一般已经解出。特别是前两种,当数字的个数超过7个时,为双重数列的可能性相当大。

  此种数列最难。前面8种数列,单独出题几乎没有难题,也出不了难题,但8种数列关系两两组合,变态的甚至三种关系组合,就形成了比较难解的题目了。最常见的是和差关系与乘除关系组合、和差关系与平方立方关系组合。只有在熟悉前面所述8种关系的基础上,才能较好较快地解决这类题。

  选B。此为移动求和与乘除关系组合。第三项为第二项*2+第一项

  选A。平方关系与和差关系组合,分别为8的平方+1,6的平方-1,4的平方+1,2的平方-1,下一个应为0的平方+1=1

  选C。各差关系与等比关系组合。依次相减,得2,4,8,16(),可推知下一个为32,32+34=66

  选D。等差与等比组合。前项*2+3,5,7依次得后项,得出下一个应为77*2+9=163

  选A。此题较复杂,幂数列与等差数列组合。2=1*2的1次方,8=2*2的平方,24=3*2的3次方,64=4*2的4次方,下一个则为5*2的5次方=160

  选A。两个等差与一个等比数列组合

  依次相减,得3,4,6,10,18,()

  再相减,得1,2,4,8,(),此为等比数列,下一个为16,倒推可知选A。

  选B。每三项为一重复,依次相减得3,4,5。下个重复也为3,4,5,推知得25。

  选B。依次为3的3次方,4的2次方,5的1次方,6的0次方,7的-1次方。

  这些数列部分也属于组合数列,但由于与前面所讲的和差,乘除,平方等关系不同,故在此列为其他数列。这种数列一般难题也较多。

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数字孪生在电力装备领域中的应用与实现方法

1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆 400044;
2. 国网重庆市电力科学研究院,重庆 401123;
3. 湖南大学电气与信息工程学院,长沙 410082

收稿日期:;修回日期:

廖瑞金,1963—,男,博士,教授,博导,长江学者特聘教授,主要从事电气设备绝缘在线监测与故障诊断研究和高电压测试技术工作,E-mail: ;

twin,DT)是推动电力装备领域数字化、智能化发展的关键技术之一,相关研究处于初期起步阶段,如何实现电力装备数字孪生成为亟需解决的问题。该文首先阐述了数字孪生的内涵及应用;从数字孪生框架与实现方法、其在装备全寿命周期的应用、主流厂商及其平台方面总结了装备领域数字孪生的研究与应用进展;其次分析了电力装备数字孪生实现所需的关键技术;最后以变压器为例给出了基于Microsoft Azure和ANSYS Twin Builder的电力装备多物理场数字孪生实现方法,并指出实现电力装备数字孪生在数据采集、模型构建与求解、平台使用方面的挑战。该文建议下一步开发高性能传感装置并构建合理的传感网络提升数据采集的深度与广度;开展电力装备全尺度多物理场模型的构建与实时求解算法研究;开发面向电力装备性能分析的国产化数字孪生平台。

全球正处于信息化大背景下工业化加速发展的历史时期,新型传感、5G、大数据、云计算、人工智能、物联网等技术正深刻影响着各行业的发展[-]。数字孪生融合了众多前沿信息技术,通过虚实交互,实现了物理实体全寿命周期状态的虚拟映射以及行业运营绩效的改善,正成为推动各行业数字化、网络化、智能化发展的强大动力。

自2010年起,全球50多个国家、1 000多个机构、上千名学者开展了关于数字孪生的研究,形成了众多白皮书[-]、报告[]、专著[-]、工业解决方案[-]等研究成果。数字孪生广泛应用于航空航天[]、智能制造[]、建筑建设[]等行业[-],但不同行业对数字孪生的理解与研究存在差异,如航空航天侧重于建立仿真模型用于性能分析;建筑建设侧重于建立三维实景模型进行可视化。电力行业,数字孪生在电网调度和电力装备领域有着广阔应用前景[]。电网调度领域关于数字孪生的研究成果已取得良好应用效果,清华大学沈沉团队开发了基于数字孪生的能源互联网规划平台CloudPSS[],可指导能源互联网的规划与决策;中国电科院周二专团队开发了基于数字孪生的电网实时在线分析平台[],实现了电网在线分析周期由10分钟到秒级的突破;上海交通大学艾芊团队也进一步验证了基于数字孪生进行电力系统潮流分析的可靠性[]。在电力装备领域,北京航空航天大学陶飞团队利用数字孪生完成了风力发电机状态预测和健康管理[],但数字孪生模型无法实时更新;北卡罗来纳大学Biglarbegian M利用数字孪生结合先进的硬件和算法实现了高频功率变换器中氮化镓器件可靠性的感知[],但未与处理数据及模型的物联网(internet of things,IoT)平台相结合,实际应用难度较大;上海浦东供电公司在蔡伦站基于建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术、公司内部IoT平台等建设了电网设备的数字孪生系统[],实现了在IoT上基于智能算法处理实时监测数据、发现设备异常并报警,可视化较强但不能进行仿真及场计算,无法进一步对设备状态进行了解。总体上,由于电力装备建模及计算的复杂性,电力装备数字孪生的研究与应用处于初期起步阶段,需关注装备领域数字孪生的研究与应用进展、电力装备数字孪生实现所需的关键技术、电力装备数字孪生实现方法这三大问题。

鉴于此,本文概述了数字孪生技术,介绍了装备领域数字孪生的研究与应用进展,分析了电力装备数字孪生实现所需关键技术,并给出电力装备多物理场数字孪生实现方法与面临的挑战。

数字孪生是一组虚拟信息结构,可以从微观原子级别到宏观几何级别全面描述现有或将有的物理产品,在最佳状态下可从数字孪生模型中获得物理实体的全部信息[]。数字孪生体是物理实体全空间尺度、全生命周期的映射,二者完全相同且同步运行于物理与数字世界。基于孪生体可以全寿命跟踪物理实体的实时状态、模拟及预测物理实体在特定环境下的状态,进一步加强对物理实体的理解与认知。完整的数字孪生应具有对物理实体的定义能力、展示能力、交互能力、服务能力、伴随物理实体进化能力[]

归纳了数字孪生广泛应用的领域及所取得的应用效果。

基于可看出数字孪生可服务于装备/部件级的性能分析、产线/流程级的生产方案验证及生产过程可视化、工厂/城市级的三维场景可视化与沉浸式体验。

2 装备领域数字孪生研究及应用进展 2.1 数字孪生框架与实现

论文重点阐述可服务于装备级数字孪生的框架与各项特性的实现方法,代表性成果见。

北京航空航天大学陶飞团队提出了数字孪生五维模型如所示,完整的数字孪生由物理实体、虚拟实体、连接、数据、服务五部分构成。

数字孪生五维模型受到各行业的广泛认可与应用,中国电科院蒲天骄团队基于该框架,进一步针对能源互联网的实际需求提出了能源互联网数字孪生框架[]

美国工业互联网联盟提出了数字孪生在工业应用的框架,并指出数字孪生在工业应用中需要获取的数据和构建的模型以及可开展的服务。

中国电子技术标准化研究院提出用于开展性能分析的数字孪生框架如所示。基于数字孪生开展性能分析时,框架主要包括传感数据获取、数据互动、建模仿真、功能应用四部分。

框架中,基础支撑层包括装备设计数据、运行数据、工作环境数据;数据互动层完成数据的采集、传输、处理;模型构建层包括基于知识、工业机理、数据的建模方式;仿真分析层包括离散时间仿真及CAE仿真两大类;最终服务于装备研发与维护过程中的性能分析。

陶飞团队及南京理工大学柳林燕团队均提出了车间数字孪生建模方法[-],其核心如所示。

框架中,数据采集层对车间内的运动驱动数据、动作信号、状态数据、指令数据等进行全面采集;孪生模型构建层完成车间内的生产要素建模、生产过程建模、生产系统建模;功能实现层将物理空间的数据向数字空间进行映射实现数字空间与物理空间的同步运行。

基于数字孪生的生产制造领域,在毫秒级的数据采集方面,在物理车间建立统一架构(unified architecture,UA)服务器以获取产线及车间的各类数据,在数字空间通过现场控制系统的工业标准(OLE for process control,OPC)接口与UA服务器进行连接,可完成毫秒级的数据采集。车间建模、可视化及仿真方面,芬兰工业软件Visual Components可服务于数字模型构建及可视化,并驱动数据对设备、生产过程等进行多维实时映射,以实现车间的数字孪生[]

基于数字孪生开展场景可视化在数字孪生城市中应用较为成熟,可为装备领域提供借鉴。为中国信息通信研究院提出的用于场景可视的数字孪生框架。

框架中,基础层采集的数据类型包括:BIM数据、倾斜摄影数据、激光点云数据、IoT数据等。平台层对基础层获取的各类数据进行融合,构建出三维实景模型并进行单体化及语义化处理,形成目标对象的数字孪生模型。应用层包括各类静态、动态数据在模型上快速加载以及真实场景效果渲染与可视化最终还原出物理世界。

基于数字孪生的场景可视领域,实景建模厂商Bentley基于基础层获取的数据,在平台层利用ContextCapture软件对所有数据进行整合,快速形成对建模对象的三维实景表达,构建出基于场景的数字孪生模型。进一步利用Context Capture Insight对场景中的同类对象进行提取即单体化处理。在应用层基于LumenRT软件进行更直观的渲染及可视化[]

文献[]提出了用于物理实体和数字孪生模型间交互数据和信息的方法,如所示。

中,第1、2层为完成传感与控制的物理层;第3层采用OPC UA服务器(如Kepware公司的KERServerEX)作为物理空间与信息空间通信的工具;第4层使用ClientAce OPC客户端工具包开发C#作为物联网网关;物联网网关通过使用MySQL通信协议连接到第5层的SQL数据库。第6层为仿真及模拟层,既可从基于云的数据库检索数据又可从OPC UA服务器读取实时数据。

文献[]提出了基于优化算法实现数字孪生模型更新的方法,如所示。

该数字孪生模型更新方法核心在于将从物理和信息世界两个来源的输出数据进行比较,基于粒子群算法以二者差距最小为目标函数,以建模参数为寻优参数,完成对数字孪生模型的更新。

针对多物理场数字孪生实施过程中场计算耗时过长导致多物理场数字孪生模型更新难度大的问题,文献[]提出了基于神经网络利用输入、输出参数对多物理场模型进行拟合,为多物理场数字孪生模型的快速计算与实时更新问题提供了解决思路。

为实现装备状态评估与故障诊断领域的数字孪生,文献[]提出了联合数字孪生与深度迁移学习的故障诊断方法,如所示。

在孪生模型中考虑各种故障后训练得到诊断模型,利用深度转移学习将训练好的诊断模型从虚拟空间迁移到物理空间服务于评估和预测维护,并基于数字孪生模型扩充了物理实体的故障诊断方法。文献[]提出了“Deep Digital Twin”解决了故障数据样本量少导致传统基于深度学习的健康管理方法精度不高的问题,其构建的数字孪生模型是基于健康数据来建立的,可以检测出运行是否偏离正常以及对偏离的模式进行分类来确定故障类型。

2.2 数字孪生在装备全寿命周期的应用

数字孪生可服务装备的设计、制造、运维的全寿命周期过程。数字孪生在装备寿命周期各阶段的典型应用情况如所示。

SIEMENS应用数字孪生技术基于AWS云平台打造了Sensformer数字化变压器。Sensformer状态采集更为全面,其运行数据被进一步传输到基于云的计算服务平台。基于数字孪生模型,用户可实时掌握可视化变压器运行状态,SIEMENS可以高效地收集变压器在不同运行地区及不同工况下运行的海量数据。

PTC联合ANSYS建立了水泵的数字孪生体,展示了如何利用数字孪生开展故障诊断与预测性维护工作。水泵的运行数据以20 kHz的频率被采样,并发送到PTC的Thingworx物联网平台,在平台上开展初步的数据处理与分析后将数据发送到ANSYS仿真平台,开展水泵的各项多物理场实时仿真工作,最后将ANSYS的实时仿真结果输出至Thingworx平台上开展故障诊断与预测性维护工作。此外,用户还可以基于Thingworx平台结合平板电脑、VR眼镜等将泵的运行信息及仿真结果叠加到泵的图像上,加强可视化。

2.3 数字孪生厂商及平台现状

目前各企业纷纷推出各自的数字孪生平台及解决方案。主流厂商包括:ANSYS、ALTAIR、ABB、Maplesoft、SIEMENS、Unity、Dassault、Bentley等,其平台特点及适用场景如所示。

建模阶段,基于模型降阶技术得到可实时计算的装备多物理场降阶模型;支持VHDL-AMS、Modelica等语言构建复杂电路及多领域物理系统模型。部署阶段,孪生模型可部署至IoT平台及边缘设备。

适用场景:用于构建装备的多物理场数字孪生模型,并联合IoT平台驱动及可视化实时仿真结果,从多物理场维度开展装备状态监测与性能分析工作。

平台同时支持模型驱动与数据驱动,集成众多功能模块支持CAE仿真、模型降阶、机器学习、数据分析、物联网、FMU接口功能。

适用场景:用于以模块化的形式构建装备的数字孪生模型并以实时参数的形式展示仿真结果。对IoT数据及孪生模型运行数据开展分析,服务于装备的设计优化及预测性维护。

基于该软件可以在虚拟环境中对机器人进行安装、模拟和测试,无需真实产线建成就可以在平台的虚拟线上对机器人配置进行测试。此外,进一步基于ABB Ability Zenon可将产线和机器人的工作过程及数据可视化。

适用场景:用于构建数字孪生模型开展生产机器人操作及产线在投运前的虚拟调试,减少其调试和转换时间并实现生产过程的可视化。

平台可基于Modelica语言及CAD模型导入创建部件或产线的多领域系统数字孪生模型,通过连接PLC指令完成其投运前的虚拟调试,调试不涉及有限元计算,只涉及位移、角度等的计算。

适用场景:用于构建部件或产线的数字孪生模型,开展运动学、动力学等仿真及参数优化,服务于部件的选型及产线的虚拟调试。

SIEMENS基于其IoT平台Mindsphere与Bentley的三维实景建模技术联合开发,其将工厂全部信息(数据、文件、图纸等)在IoT平台上汇总,通过进一步与所建立的工厂及设备实景模型进行融合,最终可形成一个完整工厂的数字孪生。

适用场景:构建物理工厂的数字孪生模型,反映物理工厂在整个寿命周期内的变化,并使用户能够实时访问到工厂的设备状态与运营信息。

Unity基于核心平台Unity Pro及一系列附带工业软件共同实现数字孪生。该平台在建模方面支持几何建模及导入、材质属性、实时渲染等;在行为描述方面支持精确物理模拟、控制逻辑等;在交互方面支持控制器接口、VR/AR、人机界面等。

适用场景:构建数字孪生模型用于对实时渲染及交互有较高需求的情况,应用在智慧城市、产品仿真模拟、销售演示及培训维护等场景。

平台采用完全基于云的架构,把其旗下各类软件工具均集成到同一平台,实现了产品协同设计、仿真、数据管理等的全周期服务。3DEXPERIENCE可实现数字世界中装备及其运行环境与物理世界中的高度统一。

适用场景:构建装备及其运行环境的数字孪生模型,用于对装备自身及其运行环境均有较高孪生需求的场景;对协同设计以及数字化交付有需求的场景。

适用场景:用于基于三维实景建模技术构建装备、工厂到城市级别的数字孪生模型且只涉及可视化仿真的场景。

3 电力装备数字孪生关键技术

电力装备数字孪生技术架构如所示。

1)基础支撑层:依托电力物联网边缘层的感知装置、传感网络、电力物联网网关等提供电力装备数字孪生实现所需数据源,包括基于三维实景采集工具与技术获取的电力装备实景数据;基于传感与巡检装置获取的表征电力装备运行状态及运行环境的各类电气量、非电气量。

2)数据互动层:基于基础设施即服务(infrastructure as a service,IaaS)层提供的云基础设施,通过平台即服务(platform as a service,PaaS)层的数据管理工具,管理基础支撑层提供的数据及孪生模型产生的数据。

数据互动层具有对电力装备多类型数据和网络通信方式的灵活接入能力;对电力装备海量数据的高速传输、存储、处理及分析能力。

3)建模仿真层:依托PaaS层提供的建模组件、开发工具实现数字孪生建模、仿真及可视化。

模型驱动方面涉及电力装备的实景化建模与可视化仿真、电力装备的多物理场建模与实时仿真;数据驱动方面涉及基于电力装备全寿命周期数据的建模与分析。

4)功能应用层:依托在软件即服务(software as a service,SaaS)层的数字孪生软件平台,落地数字孪生技术在电力装备全寿命周期的应用。

软件的形成依赖于IoT平台,可服务于设计制造阶段的复杂电力装备的协同设计、制造管控、数字化交付;运维阶段的高价值电力装备深度状态监测与预测性维护。

3.1 基础支撑层关键技术

基础支撑层需要对电力装备的三维实景建模数据与状态数据开展更为全面的获取与感知。

3.1.1 三维实景建模数据获取技术

开展三维实景建模需要获取BIM数据[]及三维实景数据。获取实景数据的测绘方法包括倾斜摄影测量技术[]、三维激光扫描技术[]、基于即时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)的移动测量技术等[]

1)建筑信息模型(BIM)技术

原理:将建筑工程所有信息包括几何信息、构件信息、过程信息等全部综合到一个模型。

特点:建模精度分LOD100—LOD500五个等级,包含完整的建筑空间信息和语义信息,可视化强,但数据量大且可视化预处理时间长。

适用场景:对建筑、装备级别的复杂结构三维建模。

原理:利用搭载在无人机上的多台相机从多角度进行摄像。

特点:能够高分辨率的获取具有真实纹理的三维场景数据且极大地降低了获取实景数据的时间成本。采用可见光进行测量,对天气要求较高,对有遮挡及细小物体的建模能力不足。

适用场景:适合大范围三维建模以及对细节精度要求稍低的三维场景。

原理:基于高速激光扫描测量方法和激光测距原理,通过激光扫描获取建模对象的点云数据,建立三维模型。

特点:测量速度和精度高,最高速度达到120万点/s、精度优于1 mm,但不能获取被测物体的颜色纹理。

适用场景:适用于对测量精度要求很高的测量及建模场景。

4)基于SLAM的移动测量技术

原理:在SLAM设备上同步安装影像相机和激光扫描仪,同时获取三维激光点云数据和高分辨率影像数据。

特点:可以通过点云和影像的融合自动构建实景三维可视化模型,与静态站式三维激光扫描仪相比,扫描效率提高30倍以上。

适用场景:构建包含真实视觉体验和完整空间结构的三维实景模型。

各项实景数据获取技术也在融合使用,如某设计研究院基于Bentley产品,采用了三维实景数据加BIM模型的三维实景建模方式,完成了高速公路工程规划[]。文献[]结合无人机倾斜摄影与基于SLAM的移动测量技术建立了某变电站的实景三维模型,并基于Web图形库(Web graphics library,WebGL)技术开发了以三维实景为基础的变电站教学培训与设备管理平台。

3.1.2 状态数据感知技术

给出目前常用的电力装备状态感知技术,包括:电气量感知技术、声振感知技术、光电感知技术、化学感知技术、热学感知技术。

基于各种新型功能材料和先进传感机理等的新型传感技术是未来行业趋势,目前新型传感技术包括:磁阻电流传感技术、液态金属传感技术、光声光谱传感技术、分布式光纤传感技术、法拉第磁光传感技术等[]

现阶段对于电力装备运行数据采集的广度、深度难以支撑起数字孪生对海量运行数据的需求。以换流变为例,其监测量包括:顶层油温、绕组温度、油位、油压、铁芯和夹件接地电流等,对其内部监测存在盲区。另一方面,输变电领域状态量采样周期多为数10 min[],而数字孪生较为理想的数据采样周期在秒级。

3.2 数据互动层关键技术

数据互动层涉及到数据传输、数据存储、数据处理、数据融合等各项关键技术。

数据传输方式有多种[-],电力装备数字孪生对于数据传输需要更大的带宽和更低的时延,5G的低延时、大带宽、低功耗等特点,可以很好的满足数字孪生对数据传输的需求。

telemetry transport,MQTT)协议的兼容强。在电力装备数字孪生领域,对于数据传输过程中强调可靠性与实时性的数据可以使用DDS协议;对于数据传输过程存在资源受限的物联网设备及低带宽、不可靠网络的场景,可以使用COAP协议和MQTT协议来完成。各种移动式采集设备的数据可以使用AMQP协议将其传输到云端进行分析。可扩展通讯和表示协议(extensible messaging and presence protocol,XMPP)通过TCP传输与及时通信相关的指令,适合一些操作指令的下达;最后如果想把相关数据发布到互联网上被分析和调用,可以使用REST/HTTP协议开放API服务来完成。

孪生数据的存储与读取需要借助数据库,数据库分为关系型数据库和非关系型数据库。关系型数据库是以二维表存储数据及其之间关系的数据存储系统。非关系型数据库是非关系型、分布式、不保证遵循原子性、数据一致性、数据隔离和持久性即ACID原则的数据存储系统。

给出了数据库产品分类。数字孪生产生的数据量和异构性不断增加,传统的关系型数据库技术不再可行,非关系型数据库正倍受关注。

数据处理相关技术包括数据清洗、数据集成、数据规约、数据变换、数据离散化等[]。对缺失数据进行填充时,相关技术包括[]:主成分分析、多维插值技术、限制玻尔兹曼机、生成对抗网络,最终提高数据质量并进行压缩。

云计算引入效用模型来远程供给可扩展和可测量的资源[],为数字孪生所需的大数据提供了可靠的分析能力。云计算厂商方面亚马逊AWS云和微软Azure云以及国内华为云、阿里云、腾讯云等受到越来越多企业的青睐。边缘计算在网络边缘侧就近处理采集到的数据,而不需要将大量数据上传到云端的平台进行处理,解决了数字孪生实现过程中数据量和时延的问题[-],边缘计算和云计算相互配合能够高效的完成电力装备数字孪生中的数据处理任务。

多信息融合技术可以对多传感数据以及孪生数据进行优化组合以产生更多有用的信息。常用的信息融合方法主要有以下几种[-]

(1) 贝叶斯公式及卡尔曼滤波器:在信号级的融合中普遍应用,缺点是需要已知数据的先验概率及精确的数学模型。

(2) 证据理论:是一种决策理论,不但能够处理不确定信息,而且能够处理不知道的信息,是决策级融合中一个广泛应用的理论。

(3) 模糊集理论:用于对模糊的、自然语言的表达和描述进行操作和利用,在信息融合领域,主要用于与特征联系起来,进行特征的融合与判断。

(4) 神经网络:通过学习和训练可以有效地逼近输入、输出的未知关系。

(5) 小波分析:在时间域-频域充分检测信息的基本特征,用于研究多分辨率信息的融合。

3.3 建模仿真层关键技术

构建数字孪生模型的方法有基于模型驱动和基于数据驱动两类。两种建模方法各有利弊和适用场景,共同服务于数字孪生模型的构建。

3.3.1 基于模型驱动的数字孪生模型构建

模型驱动建模方法可从物理机理和过程上反映物理实体。实现流程是:首先构建装备的三维几何模型结合实景数据实现出实景化的数字孪生模型。涉及的关键技术包括:模型轻量化技术和三维可视化仿真技术。另一方面,需要融合实体的物理参数,以及对物理实体的行为与规则[]进行表征,实现装备的全尺度多物理场数字孪生模型,涉及到的关键技术包括:全尺度多物理场仿真及基于模型降阶的多物理场实时计算技术。

1)模型轻量化技术和三维可视化仿真技术

三维模型要在数字孪生系统中流畅运行,需要借助3D轻量化技术,该技术能够在保留完整三维模型基本信息且保证精确度的前提下,将原始的三维模型进行最高上百倍的压缩,实现模型的流畅操作[]。软件EV3Dvue在轻量化技术、接收实时数据基于Web的动态可视化方面较成熟[]。目前三维可视化仿真采用三维图像、三维声响、人机交互界面等使仿真人员有更加直观的逼真体验。常用的有基于OpenGL、DirectX、VR-Platform、OSG、Web等的可视化仿真[]

2)全尺度多物理场仿真及模型降阶技术

模型驱动的数字孪生分为面向场景的数字孪生和面向性能分析的数字孪生,后者需要重点进行仿真分析,尤其会涉及全尺度的多物理场仿真。通常三维模型的多物理场仿真时长为分钟到小时级别,这一特征与数字孪生实时性的要求形成了明显冲突,因此需要引入模型降阶技术来解决该问题[],牺牲可接受范围内的精度以获得计算时间的显著提高。目前模型降阶技术被广泛应用于各类偏微分方程的数值求解过程,如:流体模型、电磁场模型等[]。已有汽车发动机外部冷却空气流场仿真案例[],基于模型降阶方法实现了计算性能由16核工作站计算2 h提高到笔记本电脑计算3 s,且最大计算偏差为1.2%,由此可见,模型降阶技术在满足数字孪生时效性要求的过程中可发挥重要作用。现有的模型降阶方法主要可分为以下三类,见。

简化模型法是在对所研究问题的物理和数学本质有充分认知的基础上开展的,在有限元计算中对数值模拟方程进行近似、忽略模型的非线性项、网格剖分粗化等。投影法基于数学推导,该类方法一般是选取合适的基进行截断后形成低阶子空间,再将原问题投影到子空间实现降阶,常用的方法有特征正交分解方法(proper orthogonal decomposition,POD),如文献[]利用POD方法完成了对换流变压器极性反转电场的降阶计算。数据拟合方法是在拥有物理模型大量输入与输出数据的基础上,建立黑箱模型对原物理模型进行拟合。常见的有响应面、高斯回归、支持向量回归、神经网络等。响应面方法需要先建立复杂的高精度仿真模型并进行大量计算以产生数据,然后根据这些数据对之前的高精度复杂模型进行拟合,并利用拟合所得的模型替代原有高精度复杂模型完成降阶。

3.3.2 基于数据驱动的数字孪生模型构建

数据驱动可以绕过复杂的物理建模过程并利用输入输出数据很好地描述物理过程。实现流程为:结合电力装备的监测数据、试验数据等,利用机器学习方法构造出输入数据与输出数据之间的数据模型,实现电力装备运行的物理现象和机理用数据模型来表征,完成对装备的孪生。

机器学习中的有监督学习可以在数据驱动建模中发挥重要作用[]。有监督学习是基于系统已有的输入输出进行训练得到一个最优模型,拟合系统的工作过程,再将新的输入利用这个模型映射出相应的输出。常见的有监督算法有:线性回归算法、BP神经网络算法、决策树、支持向量机、K近邻算法等。基于数据驱动的建模方法中,人工神经网络能够在大数据量的情况下很好地拟合高复杂性和非线性的输入输出关系。支持向量机能够在有限的样本容量下很好地实现模型复杂性和泛化之间的折中。数据驱动建模的优点是:随着输入的数据或经验越来越多,模型会不断改进与完善。数据驱动建模的训练部分可能会遇到与不稳定性相关的问题,然而一旦完成训练,这些模型在进行使用时是稳定的。另一方面,基于数据驱动的建模的缺点为其固有的分析精度无法达到100%的问题。对比基于模型驱动的建模方法和基于数据驱动的建模方法如所示。

3.4 功能应用层关键技术

IoT平台是数字孪生功能实现及落地应用的关键,数字孪生功能应用的开展需要IoT平台作为载体。

IoT平台包括边缘层、IaaS层、PaaS层、SaaS层[]。边缘层完成从边缘设备如传感器、控制系统等的数据采集、传输和处理;IaaS层提供基于云的网络、计算、存储等基础设施;PaaS层涵盖了复杂的算法与建模工具,如利用深度学习方法进行数据挖掘和图像分析,利用建模及仿真技术开展装备的性能仿真等;SaaS层基将诸多研究成果以APP和工业软件的形式进行封装与固化。IoT平台边缘层接入、存储及管理的海量工业数据为数字孪生提供了数据源;PaaS层部署的建模类、仿真分析类、可视化展示类等工具组件,为数字孪生建模仿真及可视化提供了实现工具;进一步在SaaS层建设数字孪生软件平台,服务于电力装备研发设计、数字化交付、状态评估等全寿命周期过程。国际IoT平台方面[],装备自动化企业,如GE、SIEMENS等是其发展的有力推动者且拥有成熟的一体化解决方案,这些方案包括:GE-Predix、SIEMENS-Mindsphere、PTC-Thingworx、Microsoft-Azure等。PTC的Thing-worx平台联合Kepware公司的Kepware OPC Server可完成工业协议转换和数据采集,实现各类第三方工业设备的快速方便接入。国产的IoT平台[]同样性能优异,包括:华为云、阿里云、浪潮-M81、东方国信-Cloudiip、树根互联、海尔-COSMOPlat等。华为云开发者生态更为友好,拥有丰富的开发工具和开发接口,可为数字孪生平台开发提供支撑。

4 电力装备数字孪生实现

数字孪生可服务于复杂电力装备的协同设计与数字化交付、高价值电力装备的预测性维护,具有广阔的研究与应用价值。同时实现电力装备数字孪生也面临着诸多挑战,亟需开展研究。

4.1 变压器数字孪生实现方法

感知变压器铁芯和绕组实时温度并了解其温度最高点位置对于其安全运行非常重要,光纤测温无法在布置前预先了解温度最高点位置,测红外及测油温等方式则实时性较差。针对该问题,本文提出了基于Microsoft Azure IoT及ANSYS Twin Builder的变压器多物理场数字孪生实现方法,利用孪生体的实时仿真结果,可了解变压器铁芯和绕组实时的温度场分布。

为本文所提出基于IoT平台的电力装备多物理场数字孪生实现框架,实现过程分三阶段,包括:监测数据上云、多物理场仿真平台建立孪生模型并部署至IoT平台、在IoT平台将监测数据与孪生模型集成以实现数字孪生。

阶段1:基于Azure IoT平台将数据上云。

该阶段完成将各类监测数据及非结构化数据上云,为实现电力装备数字孪生提供数据源。

针对监测装置数据传输协议各异,以直连或通过网关转换为MQTT等协议后将监测数据发送到Azure的IoT Hub。对于非结构化数据,如红外图谱及各类文档等,通过SDK将文件上传到Azure的IoT Hub。并进一步在Azure上进行部署,开展数据的存储、融合、分析、可视化等工作。

阶段2:基于Twin Builder构建数字孪生模型。

该阶段在Twin Builder上构建能够基于实时数据进行多物理场实时仿真的多物理场数字孪生模型,并将孪生模型以Azure支持的数字孪生建模语言形式的文件导出。

参考ANSYS案例[]给出了基于Twin Builder建立变压器多物理场数字孪生模型的实施过程如所示。

模型的输入为变压器高压侧电压、低压侧电流、环境温度、泵的流速,输出为铁芯和绕组实时温度场分布。所构建的数字孪生模型由基于响应面方法形成的变压器电磁部分降阶模型、铁芯及绕组的热容热阻Modelica模型、基于POD的变压器流体部分降阶模型、变压器换热部分的Modelica模型共同组成。电磁计算部分的降阶模型基于电压、电流得到了变压器的损耗作为后续计算的热源。铁芯和绕组的Modelica模型基于该热源计算了由铁芯和绕组对绝缘油的传热情况。变压器换热部分的Modelica模型与变压器流体计算部分的降阶模型构成数据闭环,完成了对铁芯和绕组温度的计算。最终将变压器数字孪生模型以.twin文件的形式导出并结合由Twin

阶段3:Azure上集成数据与孪生模型实现数字孪生。

该阶段基于Azure上的一系列部署完成数据与模型的集成,实现数据驱动数字孪生模型,进一步将得到的仿真结果由Azure进行调用及实时显示,最终实现数字孪生,其流程如所示。

电力装备领域实现与应用数字孪生面临着来自数据、模型、平台三个方面的挑战。

在电力装备状态感知阶段,当前的数据监测量不足以支撑起全尺度数字孪生模型的构建,对装备内部状态监测存在“盲区”。简单增加传感装置将带来新的安全问题,因此未来需要开展集成微纳、柔性、多元、感传一体等特性的传感器件研究,实现对现有装备影响最小、测量参数最多、涵盖边缘计算功能,并合理选择监测点构建出传感网络提升数据采集深度和广度,且以标准化的协议与数据格式将数据发送到IoT平台。

在电力装备数字孪生模型构建阶段,全尺度多物理场耦合模型的建立及实时求解是实现电力装备数字孪生的一大难点。需关注如何基于模型降阶方法解决电力装备多场耦合情况下的实时计算,最终建立起服务于电力装备多物理场实时求解的算法。

国外为CAE企业与IoT平台企业联合打造数字孪生平台的发展模式,实现从工业数据接入到装备全寿命周期内的性能分析。我国目前拥有一批性能处于世界一流水平的IoT平台,但是由于国产多物理场仿真平台与国外尚存差距,导致现阶段服务装备性能分析的数字孪生平台被国外垄断。未来亟需开发出自主知识产权的服务于电力装备性能分析的数字孪生平台。

1)电力装备数字孪生关键技术中,融合倾斜摄影技术与基于SLAM的移动测量或BIM模型、模型降阶技术、神经网络分别在构建三维实景模型、实现模型驱动中的多物理场实时计算、构建数据驱动模型方面具有重要价值。

2)电力装备多物理场数字孪生实现过程为:首先将电力装备的数据接入IoT平台,实现数据上云;其次建立电力装备的全尺度多物理场模型并利用模型降阶算法完成降阶;最后将降阶后的模型部署至IoT平台,利用监测数据驱动电力装备的数字孪生模型,最终实现电力装备多物理场数字孪生。

3)当前实现与应用电力装备数字孪生所面临的挑战在于:集成微纳、柔性、多元、智能、感传一体等特性的传感装置开发及传感网络的构建;电力装备全尺度多物理场模型的构建与实时求解;国产自主知识产权的多物理场数字孪生平台开发。

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