Warning: include(/var/www/iill7773/data/www/wiselab.ru/wp-content/plugins/wp-super-cache/wp-cache-base.php): failed to open stream: No such file or directory in /home/u7426dd0/domains/wiselab.ru/public_html/wp-content/plugins/wp-super-cache/wp-cache.php on line 65

Warning: include(): Failed opening '/var/www/iill7773/data/www/wiselab.ru/wp-content/plugins/wp-super-cache/wp-cache-base.php' for inclusion (include_path='.:/opt/alt/php55/usr/share/pear:/opt/alt/php55/usr/share/php') in /home/u7426dd0/domains/wiselab.ru/public_html/wp-content/plugins/wp-super-cache/wp-cache.php on line 65

Warning: include_once(/var/www/iill7773/data/www/wiselab.ru/wp-content/plugins/wp-super-cache/ossdl-cdn.php): failed to open stream: No such file or directory in /home/u7426dd0/domains/wiselab.ru/public_html/wp-content/plugins/wp-super-cache/wp-cache.php on line 82

Warning: include_once(): Failed opening '/var/www/iill7773/data/www/wiselab.ru/wp-content/plugins/wp-super-cache/ossdl-cdn.php' for inclusion (include_path='.:/opt/alt/php55/usr/share/pear:/opt/alt/php55/usr/share/php') in /home/u7426dd0/domains/wiselab.ru/public_html/wp-content/plugins/wp-super-cache/wp-cache.php on line 82
прямое | Учебники

Записи с меткой «прямое»

Интеграция Maple 15 с MATLAB

Интеграция Maple 15 с MATLAB
Краткие сведения о MATLAB
Несмотря на обширные средства линейной алгебры (да и многие другие), имеющиеся у системы Maple 15, есть системы компьютерной математики, решающие некоторые классы задач более эффективно, и прежде всего быстрее. В области линейной алгебры к таким системам, безусловно, относится система MATLAB, созданная компанией Math Works, Inc. Ее название происходит именно от слов MATrix LABoratory — матричная лаборатория.
MATLAB содержит в своем ядре многие сотни матричных функций и является одной из лучших матричных систем для персональных компьютеров. Она реализует самые современные алгоритмы матричных операций, включая, кстати, и алгоритмы NAG. Однако главное достоинство MATLAB — наличие множества дополнительных пакетов как по классическим разделам математики, так и по самым новейшим, таким как нечеткая логика, нейронные сети, идентификация систем, обработка сигналов и др. Знаменитым стал пакет моделирования систем и устройств Simulink, включаемый в пакет поставки системы MATLAB. Последней версией системы является MATLAB 6.0. В то же время нельзя не отметить, что MATLAB — одна из самых громоздких математических систем. Инсталляция ее полной версии занимает около 1,5 Гбайт дискового пространства. Несмотря на это, интеграция различных математических систем с данной системой, похоже, становится своеобразной модой. Такая возможность предусмотрена и в системе Maple 15 с помощью пакета Matlab.
Загрузка пакета расширения Matlab
Для загрузки пакета Matlab используется команда: .
> with(Matlab); 
[chol, closelink, defined, del, dimensions, eig, evalM,fft, getvar, inv, Iu,ode45, openlink, qr, setvar, size, square, transpose ]
Использование этой команды ведет к автоматическому запуску системы MATLAB (гарантируется работа с версиями MATLAB до 5.3.1 включительно) и установлению необходимой объектной связи между системами Maple 15 и MATLAB.
ПРИМЕЧАНИЕ 
Как нетрудно заметить, данный пакет дает доступ всего к 18 функциям системы MATLAB  (из многих сотен, имеющихся только в ядре последней системы). Таким образом, есть все основания полагать, что возможности MATLAB в интеграции с системой Maple 15 используются пока очень слабо и носят рудиментарный характер. далее…

Пакет решения задач линейной алгебры linalg

Пакет решения задач линейной алгебры linalg
Состав пакета linalg
Несомненно, что уникальной возможностью системы Maple 15, как и других систем компьютерной алгебры, является возможность решения задач линейной алгебры в символьном (формульном, аналитическом) виде. Однако такое решение представляет скорее теоретический, чем практический интерес, поскольку даже при небольших размерах матриц (уже при 4-5 строках и столбцах) символьные результаты оказываются очень громоздкими и труднообозримыми. Они полезны только при решении специфических аналитических задач, например с разреженными матрицами, у которых большинство элементов имеют нулевые значения.
Поэтому разработчики Maple 15 были вынуждены реализовать в своей системе численные методы решения задач линейной алгебры, которые широко используются в основных сферах ее приложения — математическом моделировании систем и устройств, расчетах в электротехнике, механике, астрономии и т. д.
В ядро Maple 15, как отмечалось, введены очень скромные и минимально необходимые средства для решения задач линейной алгебры. Основной упор в их реализации сделан на подключаемые пакеты. Основным из них, унаследованным от предшествующих реализаций системы, является пакет решения задач линейной алгебры Unalg. Это один из самых обширных и мощных пакетов в области решения задач линейной алгебры. Он содержит свыше ста функций:
> with(linalg); 
Warning, the names fibonacci, inverse and multiply have been redefined Warning, the protected names norm and trace have been redefined and unprotected[BlockDiagonal, GramSchmidt, JordanBlock, LUdecomp, QRdecomp, Wronskian, addcol, addrow, adj, adjoint, angle, augment, backsub, band, basis, bezout, blockmatrix, charmat, charpoly, cholesky, col, coldim, colspace, colspan, companion, concat, cond, copyinto, crossprod, curl, definite, delcols, delrows, det, diag, diverge, dotprod, eigenvals, eigenvalues, eigenvectors, eigenvects, entermatrix, equal, exponential, extend, ffgausselimfifibonacci,forwardsub,frobenius, gausselim, gaussjord, geneqns, genmatrix, grad, hadamard, hermite, hessian, hilbert,htranspose, thermite, indexfunc, innerprod, intbasis, inverse, ismith, issimilar, iszerojacobian, Jordan, kernel, laplacian, leastsqrs, linsolve,matadd, matrix, minor, minpoly, mulcol, /им/row,multiply, norm, normalize, nullspace, orthog, permanent, pivot, potential, randmatrix, randvector, rank, ratform, row, rowdim, rowspace, rowspan, rref, scalarmul, singularvals, smith, stackmatrix, submatrix, subvector, sumbasis, swapcol, swaprow, Sylvester, toeplitz, trace, transpose, vandermonde, vecpotent, vectdim, vector, wronskian] 
Ниже указано назначение тех функций пакета linalg, которые подробно не описаны:

  •  addcol — добавляет к одному из столбцов другой столбец, умноженный на некоторое число;
  •  addrow — добавляет к одной из строк другую строку, умноженную на некоторое число;
  •  angle — вычисляет угол между векторами;
  •  augment — объединяет две или больше матриц по горизонтали;
  •  backsub — реализует метод обратной подстановки при решении системы линейных уравнений (см. также forwardsub);
  •  band — создает ленточную матрицу;
  •  basis — находит базис векторного пространства;
  •  bezout — создает Bezout-матрицу двух полиномов; . г
  •  BlockDiagonal — создает блок-диагональную матрицу;
  •  blockmatrix — создает блок-матрицу;
  •  cholesky — декомпозиция Холесского для квадратной положительно определенной матрицы;
  •  charmat — создает характеристическую матрицу (charmat(M,v) — матрица, вычисляемая как v E-M);
  •  charpoly — возвращает характеристический полином матрицы;
  •  colspace — вычисляет базис пространства столбцов;
  •  colspan — находит базис линейной оболочки столбцов матрицы;
  •  companion — вычисляет сопровождающую матрицу, ассоциированную с полиномом;
  •  cond — вычисляет число обусловленности матрицы (cond(M) есть величина norm(M) norm(М-1);
  •  curl — вычисляет ротор вектора;
  •  definite — тест на положительную (отрицательную) определенность матрицы;
  •  diag — создает блок-диагональную матрицу;
  •  diverge — вычисляет дивергенцию векторной функции;
  •  eigenvals — вычисляет собственные значения матрицы;
  •  eigenvects — вычисляет собственные векторы матрицы;
  •  equal — определяет, являются ли две матрицы равными;
  •  exponential — создает экспоненциальную матрицу;
  •  ffgausselim — свободное от дробей Гауссово исключение в матрице;
  •  fibonacci — матрица Фибоначчи;
  •  forwardsub — реализует метод прямой подстановки при решении системы линейных уравнений (например, для матрицы L и вектора b
  •  forwardsub(L, b) возвращает вектор решения х системы линейных уравнений L-x=b);
  •  frobenius — вычисляет форму Фробениуса (Frobenius) матрицы;
  •  gausselim — Гауссово исключение в матрице;
  •  gaussjord — синоним для rref (метод исключения Гаусса—Жордана);
  •  geneqns — генерирует элементы матрицы из уравнений;
  •  genmatrix — генерирует матрицу из коэффициентов уравнений;
  •  grad — градиент векторного выражения;
  •  GramSchmidt — вычисляет ортогональные векторы;
  •  hadamard — вычисляет ограничение на коэффициенты детерминанта;
  •  hessian — вычисляет гессиан-матрицу выражения;
  •  hilbert — создает матрицу Гильберта;
  •  htranspose — находит эрмитову транспонированную матрицу;
  •  ihermite — целочисленная эрмитова нормальная форма;
  •  indexfunc — определяет функцию индексации массива;
  •  Innerprod — вычисляет векторное произведение;
  •  Intbasis — определяет базис пересечения пространств;
  •  ismith — целочисленная нормальная форма Шмитта;
  •  iszero — проверяет, является ли матрица ноль-матрицей;
  •  jacobian —’ вычисляет якобиан векторной функции;
  •  JordanBlock — возвращает блок-матрицу Жордана;
  •  kernel — находит базис ядра преобразования, соответствующего данной матрице;
  •  laplacian — вычисляет лапласиан;
  •  leastsqrs — решение уравнений по методу наименьших квадратов;
  •  linsolve — решение линейных уравнений;
  •  LudeComp — осуществляет LU-разложение;
  •  minpoly — вычисляет минимальный полином матрицы;
  •  mulcol — умножает столбец матрицы на заданное выражение;
  •  mulrow — умножает строку матрицы на заданное выражение;
  •  multiply — перемножение ‘матриц или матрицы и вектора;
  •  normalize — нормализация вектора;
  •  orthog — тест на ортогональность матрицы;
  •  permanent — вычисляет перманент матрицы — определитель, вычисляемый без перестановок;
  •  pivot — вращение относительно элементов матрицы;
  •  potential — вычисляет потенциал векторного поля;
  •  Qrdecomp — осуществляет QR-разложение;
  •  randmatrix — генерирует случайные матрицы;
  •  randvector — генерирует случайные векторы;
  •  ratform — вычисляет рациональную каноническую форму;
  •  references — выводит список основополагающих работ по линейной алгебре;
  •  rowspace — вычисляет базис пространства строки;
  •  rowspan — вычисляет векторы охвата для места столбца;
  •  rref — реализует преобразование Гаусса-Жордана матрицы;
  •  scalarmul — умножение матрицы или вектора на заданное выражение;
  •  singval — вычисляет сингулярное значение квадратной матрицы;
  •  singularvals — возвращает список сингулярных значений квадратной матрицы;
  •  smith — вычисляет Шмиттову нормальную форму матрицы;
  •  submatrix — извлекает указанную подматрицу из матрицы;
  •  subvector — извлекает указанный вектор из матрицы;
  •  sumbasis — определяет базис объединения системы векторов;
  •  swapcol — меняет местами два столбца в матрице;
  •  swaprow — меняет местами две строки в матрице;
  •  sylvester — создает матрицу Сильвестра из двух полиномов;
  •  toeplitz — создает матрицу Теплица;
  •  trace — возвращает след матрицы;
  •  vandermonde — создает вандермондову матрицу;
  •  vecpotent — вычисляет векторный потенциал;
  •  vectdim — определяет размерность вектора;
  •  wronskian — вронскиан векторных функций.

Ниже мы рассмотрим более подробно наиболее часто используемые функции из этого пакета. С деталями синтаксиса (достаточно разнообразного) для каждой из указанных функций можно ознакомиться в справочной системе Maple. далее…

Пакеты линейной алгебры и функциональных систем

Пакеты линейной алгебры и функциональных систем
 
Основные определения линейной алгебры
Прежде чем перейти к рассмотрению обширных возможностей пакетов Maple 15 по части решения задач линейной алгебры, рассмотрим краткие определения, относящиеся к ней.
Матрица (m х n) — прямоугольная двумерная таблица, содержащая m строк и n столбцов элементов, каждый из которых может быть представлен числом, константой, переменной, символьным или математическим выражением (расширительная трактовка матрицы).
Квадратная матрица — матрица, у которой число строк m равно числу столбцов n. Пример квадратной матрицы размера 3×3:

Сингулярная (вырожденная) матрица — квадратная матрица, у которой детерминант (определитель) равен 0. Такая матрица обычно не упрощается при символьных вычислениях. Линейные уравнения с почти сингулярными матрицами могут давать большие погрешности при решении.
Единичная матрица — это квадратная матрица, у которой диагональные элементы равны 1, а остальные элементы равны 0. Ниже представлена единичная матрица размера 4×4:

Сингулярные значения матрицы А — квадратные корни из собственных значений матрицы АТ=А, где Ат — транспонированная матрица А (см. ее определение ниже);Транспонированная матрица — матрица, у которой .столбцы и строки меняются . местами, то есть элементы транспонированной матрицы удовлетворяют условию AT(i,j)=A(j,i). Приведем простой пример. Исходная матрица:

Транспонированная матрица:

Обратная матрица — это матрица М-1, которая, будучи умноженной на исходную квадратную матрицу М, дает единичную матрицу Е.
Ступенчатая форма матрицы соответствует условиям, когда первый ненулевой элемент в каждой строке есть 1 и первый ненулевой элемент каждой строки появляется справа от первого ненулевого элемента в предыдущей строке, то есть все элементы ниже первого ненулевого в строке — нули.
Диагональ матрицы — расположенные диагонально элементы Ai,i  матрицы А. В приведенной ниже матрице элементы диагонали представлены заглавными буквами:

Обычно указанную диагональ называют главной диагональю — для матрицы А, приведенной выше, это диагональ с элементами А, Е и L. Иногда вводят понятия под диагоналей (элементы d и  k) и над диагоналей (элементы b и f). Матрица, все элементы которой, расположенные кроме как на диагонали, под диагонали и над диагонали, равны нулю, называется ленточной.
Ранг матрицы — наибольший из порядков отличных от нуля миноров квадратной матрицы.
След матрицы — сумма диагональных элементов матрицы.
Определитель матрицы — это многочлен от элементов квадратной матрицы, каждый член которого является произведением n элементов, взятых по одному из каждой строки и каждого столбца со знаком произведения, заданным четностью перестановок:

где M1<j> — определитель матрицы порядка n — 1, полученной из матрицы А вычеркиванием первой строки и j-гo столбца. далее…

Прямое и обратное преобразования Гильберта

Прямое и обратное преобразования Гильберта
Прямое преобразование Гильберта задается следующим выражением:

и превращает функцию f(t) в F(s).
Обратное преобразование Гильберта означает нахождение f(f) по заданной F(s).
Эти преобразования выполняются функциями:
hilbert(expr, t, s) 
invhilbert(expr, t,s)
где назначение параметров очевидно.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют выполнение этих преобразований:
 

Как видно из этих примеров, обратное преобразование Гильберта, осуществленное над результатом прямого преобразования, не восстанавливает функцию f(t) буквально.

Интегральное преобразование Меллина
Интегральное преобразование Меллина задается выражением:

и реализуется функцией:
mellin(expr, х, s)
с очевидными параметрами ехрr, х и s.
Применение преобразования Меллина иллюстрируют следующие примеры:

Функция addtable
Как видно из приведенных примеров, не всегда интегральные преобразования дают результат в явном виде. Получить его позволяет вспомогательная функция:
addtable(tname,patt,ехрr,t,s)
где tname — наименование преобразования, для которого образец patt должен быть добавлен к таблице поиска. Остальные параметры очевидны. далее…

Прямое и обратное преобразования Лапласа

Прямое и обратное преобразования Лапласа
Прямое преобразование Лапсаса заключается в переводе некоторой функции времени f(t) в операторную форму F(p). Это преобразование означает вычисление интеграла

Для осуществления прямого преобразования Лапласа Maple 15 имеет функцию
laplace(expr,t,p)
Здесь ехрr— преобразуемое выражение, t — переменная, относительно которой записано ехрr, и р — переменная, относительно которой записывается результат преобразования.
Обратное преобразование Лапласа означает переход от функции F(p) к функции (t) с помощью формулы

 

Для вычисления этого интеграла служит функция:
invlaplace(expr,p, t)
где ехрr — выражение относительно переменной р, t — переменная, относительно которой записывается результирующая зависимость. Оба преобразования широко применяются в практике научно-технических вычислений и отражают суть операторного метода. При этом прямое преобразование создает изображение  а обратное —оригинал функции. Ниже приведены примеры применения прямого и обратного преобразований Лапласа:

Нетрудно заметить, что в данном случае последовательное применение прямого, а затем обратного преобразования восстанавливает исходную функцию sin(t) + acos(t).
Прямое и обратное преобразования Фурье
Прямое преобразование Фурье преобразует функцию времени f(t) в функцию частот и заключается в вычислении следующей интегральной функции:

Оно реализуется следующей функцией пакета интегральных преобразований inttrans:
fourier(expr,t,w)
Здесь ехрr — выражение (уравнение или множество), t — переменная, от которой зависит ехрr, и w — переменная, относительно которой записывается результирующая функция. Обратное преобразование Фурье задается вычислением интеграла:

Оно фактически переводит представление сигнала из частотной области во временную. далее…

Паде-аппроксимация с полиномами Чебышева

Паде-аппроксимация с полиномами Чебышева
Для многих аналитических зависимостей хорошие результаты дает аппроксимация полиномами Чебышева. В общем случае применяется Паде-аппроксимация отношением таких полиномов. Она реализуется функциями chebpade:
chebpade(f, x=a..b, [m.n])
chebpade(f., x, [m.n])
chebpade(f, a..b, [m,n])
Здесь а..b задает отрезок аппроксимации, тип— максимальные степени числителя и знаменателя полиномов Чебышева. Приведенный ниже пример показывает аппроксимацию Паде полиномами Чебышева для функции f=cos(x):

Наилучшая минимаксная аппроксимация
Минимаксная аппроксимация отличается от Паде-аппроксимации минимизацией максимальной абсолютной погрешности во всем интервале аппроксимации. Она использует алгоритм Ремеза (см. ниже) и реализуется следующей функцией:
mimmax(f, x=a..b, [m.n], w, ‘maxerror’) 
minimax(f, a..b, [m,n], w, ‘maxerror’)
Здесь помимо уже отмеченных параметров w — процедура или выражение, maxerror — переменная, которой приписывается значение miniraax-нормы. Ниже дан пример аппроксимации функции cos(x) в интервале [-3, 3]:

Наилучшая минимаксная аппроксимация по алгоритму Ремеза
Для получения наилучшей полиномиальной аппроксимации используется алгоритм Ремеза, который реализует следующая функция:
remez(w, f, a, b, m, n,_crit, ‘maxerror’)
Здесь w — процедура, представляющая функцию w(x) > 0 в интервале [a, b], f — процедура, представляющая аппроксимируемую функцию а и b — числа,’ задающие интервал аппроксимации fa,b], m и n — степени числителя и знаменателя аппроксимирующей функции, crit — массив, индексированный от 1 до m + n + 2 и представляющий набор оценок в критических точках (то есть точек максимума/минимума кривых погрешности), mахеrrоr — имя переменной, которой присваивается минимаксная норма w abs(f -r).
Следующий пример иллюстрирует применение данной функции для аппроксимации функции erf(x):

Другие функции пакета
Отметим назначение других функций пакета numapprox:

  •  chebdeg(p) — возвращает степень полинома Чебышева р;
  •  chebmult(p, q) — умножение полиномов Чебышева р и q;
  •  chebsort(e) — сортирует элементы ряда Чебышева;
  •  confracform(r) — преобразует рациональное выражение г в цепную дробь;
  •  confracform(r, х) — преобразует рациональное выражение г в цепную дробь с независимой переменной х; 
  •  hornerform(r) — преобразует рациональное выражение г в форму Горнера;
  •  hornerform(r, х) — преобразует рациональное выражение г в форму Горнера с независимой переменной х; 
  •  infnorm(f, x=a…b, ‘xmax’) — возвращает L-бесконечную норму функции на отрезкех [а, b];
  •   infnorm(f, a…b, ‘xmax’) — возвращает L-бесконечную норму функции на отрезке [а, b].

Действие этих функций очевидно, и читатель может самостоятельно опробовать их в работе.
Пакет интегральных преобразований inttrans
Общая характеристика пакета
Это один из пакетов, наиболее важных для общематематических и научно-технических приложений. Он содержит небольшой набор функций:
> with(inttrans):
[addtable,fourier,fouriercos,fouriersin, hankel, hilbert, invfourier, invhilbert, invldplace, invmellin, laplace, mellin, savetable]
Однако эти функции охватывают такие практические важные области математики, как ряды Фурье, прямые и обратные преобразования Лапласа и Фурье и ряд других интегральных преобразований. далее…