Записи с меткой «алгебры»

Упрощение выражений

Упрощение выражений
Функция simplify — одна из самых мощных в системах символьной математики. Она предназначена для упрощения математических выражений. «Все гениальное просто», — любим мы повторять, хотя это далеко не всегда так. Тем не менее стремление представить многие математические выражения в наиболее простом виде поощряется в большинстве вычислений и нередко составляет их цель. В системе Maple 15 функция упрощения используется в следующем виде:

  •  simplify(expr) — возвращает упрощенное выражение ехрr или повторяет его, если упрощение в рамках правил Maple 15 невозможно;
  •  simplify(expr, nl, n2, …) —возвращает упрощенное выражение ехрr с учетом параметров с именами nl, n2, … (в том числе заданных списком или множеством);
  •  simplify(ехрг,assume=prop) — возвращает упрощенное выражение ехpr с учетом всех условий.

Функция simplify — многоцелевая. Она обеспечивает упрощение математических выражений, выполняя следующие типовые действия (для простоты обозначим их как ->):

  •  комбинируя цифровые подвыражения (3*х*5->15*х, 10*х/5->2*х);
  •   приводя подобные множители в произведениях (х^3*а*х->а*х^4); 
  •  приводя подобные члены в суммах (5*х+2+3*х->8*х+2); 
  •  используя тождества, содержащие ноль (а+0->а, х-0->х);
  •  используя тождества, содержащие единицу (1*х->х);
  •  распределяя целочисленные показатели степени в произведениях ((3*x*y^3)^2 ->9*х^2*у^6);
  •  сокращая ехрr на наибольший общий полиномиальный или иной множитель;
  •  понижая степень полиномов там, где это возможно;
  •  используя преобразования, способные упростить выражения.

Несмотря на свою гибкость, функция simplify не всегда способна выполнить возможные упрощения. В этом случае ей надо подсказать, в какой области ищутся упрощения и где можно найти соответствующие упрощающие преобразования. далее…

Подстановки

Подстановки
Функциональные преобразования подвыражений
Нередко бывает необходимо заменить некоторое подвыражение в заданном выражении на функцию от этого подвыражения. Для этого можно воснользоваться функцией applyop:

  •  applyop(f, i, е) — применяет функцию f к i-му подвыражению выражения е
  •  applyop(f, i, е. …, xk, …) — применяет функцию f к i’-му подвыражении выражения е с передачей необязательных дополнительных аргументов xk.

Ниже даны примеры применения этой функции:

 

Функциональные преобразования элементов списков
Еще две функции, реализующие операции подстановки, указаны ниже:
map(fcn, expr. arg2. …. argn)
map2(fcn, argl, expr. arg3, …. argn) 
Здесь fen — процедура или имя, expr — любое выражение, argi — необязательные дополнительные аргументы для fen.
Первая из этих функций позволяет приложить fen к операндам выражения ехрr. Приведенные далее примеры иллюстрируют использование функции mар.

Из этих примеров нетрудно заметить, что если второй параметр функции mар — список, то функция (первый параметр) прикладывается к каждому элементу списка, так что возвращается также список. далее…

Оценка степеней полинома

Оценка степеней полинома
Функция degree возвращает высшую степень полинома, а  ldegree — низшую степень. Эти функции задаются следующим образом: 
degree(a.x)                 ldegree(a.x)
Функции degree и ldegree используются, чтобы определить высшую и низшую степени полинома от неизвестного (неизвестных) х, которое чаще всего является единственным, но может быть списком или множеством неизвестных. Полином может иметь отрицательные целые показатели степеней при х. Таким образом, degree и ldegree могут возвратить отрицательное или положительное целое число. Если выражение не является полиномом от х данным параметром, то возвращается FAIL.
Чтобы degree и  ldegree возвратили точный результат, полином обязательно должен быть сгруппирован по степеням х. Например, для выражения (х + 1) (х+ 2) — х2 функция degree не обнаружит аннулирование старшего члена и неправильно возвратит результат 2. Во избежание этой проблемы перед вызовом degree следует применять к полиному функции collect или expand. Если х — множество неизвестных, degree/ ldegree вычисляет полную степень. далее…

Функции для работы с полиномами

Функции для работы с полиномами
Для работы с полиномами имеется множество функций, по большей части достаточно очевидных для знакомого с математикой пользователя:

  • Decompose [poly, x] — выполняет разложение полинома, если это возможно, на более простые полиномиальные множители;
  • GroebnerBasis [ {polyl, poly2,…}, {xl, х2,…}]—возвращает список полиномов, которые образуют базис Гробнера для идеала, порожденного полиномами polyi;
  • Polynomial-Division [p, q, x] — возвращает список частного и остатка, полученных делением полиномов р и q от х;
  • PolynomialGCD [polyl, poly2,…] — возвращает наибольший общий делитель ряда полиномов polyl, poly2, … С опцией Modulus->p функция возвращает наибольший общий делитель по модулю простого числа р;
  • PolynomialLCM[polyl, poly2,…] — возвращает наименьшее общее кратное полиномов polyl, poly2, … С опцией Modulus->p функция возвращает наименьшее общее кратное по модулю простого числа р;
  • PolynomialMod [poly, m] — возвращает полином poly, приведенный по модулю m;
  • PolynomialMod [poly, {ml, m2,…}] — выполняет приведение по модулю всех mi;
  • PolynomialQ [expr, var] — возвращает значение True, если expr является полиномом от var, иначе возвращает False;
  • PolynomialQ [expr, {varl,…}] — проверяет, является ли expr полиномом от vari;
  • PolynomialQuotient [р, q, х] — возвращает частное от деления р и q как полиномов от х, игнорируя какой-либо остаток;
  • PolynomialRemainder [р, q, х] — возвращает остаток от деления р на q как полиномов от х;
  • Resultant [polyl, poly2, var] — вычисляет результант полиномов polyl и poly2 по переменной var. С опцией Modulus->p функция вычисляет результант по модулю простого числа р.

Итак, работа с этими функциями, по существу, сводит операции с таким сложным видом символьных данных, как многочлены, к типовым алгебраическим операциям над обычными символьными переменными. Следующие примеры поясняют работу с полиномами:
Р[х] := а*х^3 + b*х^2 + с*х + d
Q[x] := е*х^2 — f*x — 1
Null2
Collect[P[x] + Q[x], x]
-1 + d+ (c- f) x+ (b+e) x^ax3
Collect[P[x]*Q[x], x]
-d+ (-c-df) x+ (-b+de- cf) x2* (-a+ ce-bf) x3 +
(be-af) x4+aex5
{PolynomialQ[P[x]], PolynomialQ[Q[x]]}
{True, True}
PolynomialQ[Sin[x], x]
False
PolynomialQ[P[x] + Q[x]]
True
Decompose[P[x], х]
{d+ cx+ bх2 + ах3}
PolynomialQuotient[P[x], Q[x], x]
b/e+af/e2+ax/e
PolynomialRemainder[Q[x], Р[х], х]
-1-fx+ex2
CoefficientList[P[x], x]
{d, с, b, a}
Decompose[х^6 + х + 1 — х^3 + 2*х^5, х]
{1+х-х3+2х5 + х6}
PolynomialGCD[Р[х], Q[х]]
1
PolynomialLCM[P[x], Q[x]]
Р[х] Q[x]
PolynomialQuotient[3*x^3 — 2*х^2 + х, х^2 — х + 1, х]
1+Зх
PolynomialRemainder[3*х^3 — 2*х^2 + х, х^2 — х + 1, х]
-1-х
Reduce[а*х^2 + b*х + с == 0, х]
Полиномы широко используются в математических расчетах. Поэтому обилие функций по работе с ними облегчает проведение сложных вычислений и позволяет представлять результаты в достаточно простой и удобной форме. Если бы системы компьютерной алгебры работали только с одними полиномами, то и в этом случае они вполне оправдали бы себя в глазах многих математиков.
Функции для расширенных операций с выражениями
Выше была описана сравнительно немногочисленная группа функций для работы с выражениями — их упрощения, расширения, выделения множителей и т. д. Эти функции способны решать большинство повседневных задач, связанных с аналитическими преобразованиями выражений. далее…

Анализ функций на непрерывность

Анализ функций на непрерывность
Для исследования функций на непрерывность Maple 15 имеет функцию iscont, записываемую в ряде форм:
iscont(expr. х — а .. Ь)
iscont(expr. х = а .. b, ‘closed’)
iscont(expr. х — а .. b, ‘open’)
Она позволяет исследовать выражение ехрr, заданное в виде зависимости от переменной х, на непрерывность. Если выражение непрерывно, возвращается логическое значение true, иначе — false. далее…