Записи с меткой «вычислении»

Пакет вычислительных функций Calculus

Пакет вычислительных функций Calculus
 
Пакет расширения Calculus содержит представительный набор функций для решения дифференциальных уравнений, задания функций единичного скачка и импульса, выполнения операций с векторами, преобразований Фурье и Лапласа, выполнения спектрального анализа и синтеза, расширенного вычисления пределов и проведения аппроксимаций аналитических функций. Для открытия пакета используется команда Calculus`
Решение дифференциальных уравнений — DSolvelntegrals
Многие нелинейные дифференциальные уравнения не имеют общего решения. В под-пакете DSolvelntegrals определены функции, позволяющие найти решения в форме полного интеграла:

  • Completelntegral [eqn, u [х, у,…], {х, у…} ] — создает полный интеграл для дифференциального уравнения, касательного к и [х, у,…];
  • Differential Invariants [ {eqnsl, eqns2,…}, {u [х] , v [х] ,…}, х} — возвращает список дифференциальных инвариантов для простых переменных {u[x] ,v[x] ,…} и х;
  • Differential Invariants [ {eqnsl, eqns2,…}, {u, v,…}, х} — возвращает список дифференциальных инвариантов для простых переменных {u, v,…} и х;

Применение этих функций поясняют следующие примеры:
<<Calculus`DSolvelntegrals`
Completelntegral[
Derivative[0, 1][u][х, у] == (u[x, у] +
x^2*Derivative[l, 0][u][x, y]^2)/y, u[x,y], {х,у}]
Completelntegral[-u[x, у] +
(2 + y)*Derivative[0, 1][u] [x, y] +
x*Derivative[l, 0][u][x, y] + 3*Derivative[l, 0][u][x, y]^2 == 0,
u[x,y], {x,y}, IntegralConstants->F]
Differentiallnvariants[
{U`[X] == -(U[X] (U[X] +V[X])),
V`-[x] == V[x] (u[x] +V[x])},{u, v}, x]
Дельта-функция Дирака — DiracDelta
В подпакете DiracDelta системы Mathematica 3 задано определение двух полезных функций Дирака:

  • UnitStep [х] — возвращает функцию с единичным скачком при х = 0 (дает значение 0 при х < 0 и 1 при х > 1);
  • DiracDelta [x] — возвращает дельта-функцию Дирака, которая является импульсом с единичной площадью, бесконечно малой шириной в точке х = 0 и бесконечно большой амплитудой.

Рисунок поясняет применение этих функций. Функция UnitStep имеет простую графическую иллюстрацию, тогда как построение графика функции DiracDelta в принципе невозможно — эта функция представляет собой линию бесконечно большой высоты в точке х — 0. Обратите внимание на то, что интеграл от функции Дирака при интегрировании от -°° до +°° равен 1.
Обе описанные функции широко применяются при решении задач автоматического регулирования и при математическом моделировании систем и устройств. Поэтому в системе Mathematica 8 они перешли в разряд встроенных функций.
Улучшенное вычисление пределов — Limit
Подпакет Limit не создает новых функций. Он просто переопределяет встроенную функцию Limit, так что ограничимся примерами его применения:
<<Calculus` Limit`
Limit[Е^х^х/ Е^х^(2 х), x->Infinity]
0
Limit [Е^х^х— Е^х^ (2 х) , x->Infinity]
-бесконечность
Limit[E:x ExpIntegralE[2, ArcTan[E^x]- Pi/2] -E^x- x, x->Infinity]
1 — EulerGamma — I л
Limit[Zeta[l+x, v] — 1/x, x->0]
-PolyGamma[0, v] ,
Limit[x^0 PolyGamma[2,x], x->Infinity] .
0
Limit[x^2 PolyGamma[2,x], x->Infinity]
-1
Limit[x^3 PolyGamma[2,x], x->Infinity]
-бесконечность
Работа скорректированной функции наиболее эффективна при вычислении пределов от выражений, содержащих специальные математические функции, и пределов при х, стремящемся к бесконечности.
Рациональная аппроксимация аналитических функций — Fade
Полиномиальная аппроксимация и обычное разложение функций в ряд Тейлора нередко дают слишком большую погрешность. далее…

Операции с полиномами

Операции с полиномами
Если конечные поля — понятие достаточно экзотическое, то полиномы встреча- ются сплошь и рядом во многих математических и научно-технических расчетах. В пакете расширения Algebra определен ряд новых операций над полиномами. Начнем их рассмотрение с функции PolynomialExtendedGCD:

  • PolynomialExtendedGCD [polyl, poly2 ] — возвращает наибольший общий делитель двух полиномов;
  • PolynomialExtendedGCD[polyl,poly2,Modulus->p] —возвращает наи- больший общий делитель двух полиномов по модулю р.

Примеры применения этой функции приведены ниже:
<<Algebra"PolynomialExtendedGCD
PolynomialExtendedGCDlxл2 + 3 х + 2, Expand[(x + 1)(х + 2)], Modulus->7]
{2+ Зх+х2, (0, 1}}
PolynomialExtendedGCD[
Expand[ ((12+1) z^2 + 5 z + I) (I z + 3)], Expand[ ((9+1) z + (3+1)) ((31) z +9)]]
{-31+z,
{- 2261/3341+ 710I/3341( 35/3341- 3951/10023)+ (5959/20046- 20531/20046)z}}
Далее следует функция PolynomialPowerMod [polyl, n, (poly2, р} ], которая является существенно ускоренной версией функции PolynomialMod.

  • степени ускорения свидетельствует следующий пример:

<<Algebra`PolynomialPowerMod`
Timing[PolynomialPowerMod[1 + х, 200, х^З + x^2 + 1, Prime[4750]]][[1]], Timing [ PolynomialMod [ (1 + x)^200, x^ + х^2 + 1, Prime [4750] ]][[1]]
{0. Second, 2.37 Second)
В данном случае вычисления по функции PolynomialPowerMod оказались вы- полненными менее чем за 0.01 с, что дает нулевой результат.
Еще одна функция в трех ее модификациях работает с симметричными полиномами:

  • SymmetricReduction [ {xl,…,xn}, k] — возвращает симметричный полином степени k по переменным {х1,…, хn);
  • SymmetricReduction [f, {xl,…,xn}] — возвращает часть полинома {p,q} по переменным {х1,…,хп}, где f=p+q, причем р есть симметричная часть, q — остаток;
  • SymmetricReduction [f, {xl,…,xn}, {s1,…, sn} ] — возвращает часть полинома (p,q) попеременным {xl, …,xn}, где элементарный симметричный полином представляет список {s1,…, sn}.

Следующий пример поясняет создание симметричного полинома 4-й степени по переменным {х,у, z,w,t}:
<<Algebra` SymmetricPolynomials`
SyiranetricPolynomial[{x, y, z, w, t}, 4]
twxy+ twxz+ twyz+txyz+wxyz
Действие других функций поясняют следующие примеры:
SynraetricReduction[(х + у)^2 + (х + z)^2 + (z + у)^2, {х, у, z}]
{2 (х+у+ z)2- 2 (xy+xz+yz), 0}
SymmetricReduction[х^5 + у^5 + z^4, {х, у, z}, {s1, s2, s3}]
{s15- 5s13s2 + 5s1s22+ 5sl2s3- 5s2s3, z4-z5}
Преобразование полиномов в схему Горнера — Horner
Подпакет Horner в системе Mathematica 8 реализует хорошо известную схему вычисления полиномов — схему Горнера. При ней операции возведения в степень заменяются операциями умножения. Для этого служит функция Horner:

  • Horner [poly] — устанавливает полином poly в форму Горнера;
  • Horner [poly, vars] — устанавливает полином ряда переменных vars в форму Горнера.

Примеры преобразования полиномов в схему Горнера:
<<NumericalMath`Horner`
Horner[ 11 х^3 -4 х^2 + 7 х + 2 ]
2+ х (7 + х (-4 + 11х))
Horner[ а х^3 + bх^2 + с х + d, х ]
d+ х (с + х (b + ах))
Horner[ х^(1/3) + х + х^(3/2) ]
Схема Горнера может использоваться и для отношения полиномов:
Horner [polyl/poly2] и Horner [polyl/poly2, varsl,vars2] .
Эти функции можно использовать для улучшенного представления аппроксимации Паде, что демонстрирует следующий пример:
<<Calculus ` Fade`
approx = Padef Exp[Log[x] -х] , {х, 0, 3, 2}]]
Horner[ approx ]

Переход к схеме Горнера дает ряд преимуществ перед обычным вычислением полиномов: уменьшается время вычислений, повышается их точность, уменьшается вероятность расхождения численных методов, в которых используются полиномы. В системе Mathematica 3 подпакет Corner находился в пакете расширения NumberMath, что было не вполне логично.

Математические пакеты расширения

Математические пакеты расширения

  • Пакет алгебраических функций Algebra
  • Пакет вычислительных функций Calculus
  • Пакет дискретной математики DiscreteMath
  • Геометрические расчеты — пакет Geometry
  • Линейная алгебра — пакет LinearAlgebra
  • Расширение в теории чисел — пакет NumberTheory
  • Численные расчеты — пакет NumericalMath

Начиная с этого урока, мы переходим к изучению стандартных пакетов расширения (Standard Add-on Packages), которые встроены в системы Mathematica 3/4. Они не требуют отдельной инсталляции, но перед использованием их средств пакеты надо объявлять. Стандартные пакеты расширений содержат примерно столько же дополнительных средств, сколько их содержится в ядре, — то есть тоже порядка тысячи. Применение пакетов расширения особенно эффективно, если оно производится достаточно опытными пользователями.
Общие замечания по пакетам расширения
Пакеты расширения системы Mathematica (Add-ons) являются наборами файлов с расширением .т, написанными на языке программирования системы и объединенными под именами соответствующих пакетов. Пакеты добавляют в систему ряд функций, которые отсутствуют в ядре системы. Они могут модифицироваться и создаваться пользователями, что обеспечивает легкую адаптацию системы под задачи конкретного пользователя.
Применение пакетов имеет три основные особенности:

  • необходимо предварительно объявлять загрузку пакета или отдельных его частей — подпакетов или функций;
  • скорость вычислений для функций пакетов несколько ниже, чем для функций ядра;
  • модификация функций пакетов пользователем может нарушить программную совместимость, что не позволит работать с ними в стандартной системе Mathematica и затруднит обмен документами.

В системе Mathematica 3 (и особенно в Mathematica 8) проведена тщательная оптимизация ядра, что позволило перенести часть апробированных функций из пакетов расширений в ядро системы и тем самым существенно повысить скорость их выполнения. Однако пакеты расширения по-прежнему относятся к важным средствам дополнения и модернизации системы. Некоторые функции вызываются из пакетов автоматически — они описаны ранее как средства ядра системы Mathematica 4.
Следует отметить, что систематизация пакетов расширения по содержащимся в них функциям не доведена до совершенства. далее…

Отладка и трассировка программ

Отладка и трассировка программ
 
Отладка программ, за исключением самых простейших, дело далеко не простое. Начальный опыт программирования на любом языке приходит спустя годы практической работы с ним. Эти сроки намного сокращаются, если пользователь всерьез знаком хотя бы с одним, а лучше с несколькими языками программирования.
Но даже такой пользователь нуждается в специальных средствах диагностики и контроля программ. Чем их больше, тем совершеннее система программирования. При этом пользователь-программист должен заботиться и о том, чтобы такие средства входили в программные модули, которые создает он сам.
Некоторые правила культурного программирования
Выше мы описали множество методов программирования на языке системы Mathematica. Попробуем сформулировать некоторые общие правила так называемого культурного программирования с учетом специфики систем Mathematica, позволяющие создавать надежные и эффективные программные средства:

  • Тщательно продумайте алгоритм решения задачи. Порой выбор лучшего алгоритма позволяет кардинально повысить скорость вычислений и упростить программу (впрочем, одновременно это достигается далеко не всегда).
  • Используйте прежде всего возможности функционального программирования — из него родились основы языка программирования систем Mathematica.
  • Разделяйте задачу на малые части и оформляйте их в виде законченных программных модулей — прежде всего функций.
  • Pie скупитесь на программные комментарии — чем их больше, тем понятнее программа и тем больше шансов, что она заинтересует пользователей и будет долго жить. Учтите, что ясность программы в большинстве случаев важнее скорости ее работы.
  • Тщательно готовьте сообщения об ошибках и диагностические сообщения, а также наименования программных модулей и описания их назначения.
  • Тщательно производите диагностику программных модулей, в том числе с самыми безумными значениями и типами параметров — хорошо спроектированный модуль должен диагностировать любые виды ошибочных ситуаций и реагировать на них адекватным образом.
  • Используйте имена переменных и констант в стиле, принятом в Mathematica, и обязательно с использованием понятных по смыслу обозначений. По мере возможности не используйте в именах зарегистрированные идентификаторы команд и функций.
  • Заменяйте циклы функциями обработки списков, например функциями суммирования и произведения. Применяйте эффективные варианты упрощенных операторов и функций.
  • В максимальной степени используйте функции ядра системы. Обращайтесь к пакетам расширений только в том случае, когда это действительно необходимо.
  • Проводите тщательное тестирование своих модулей, в том числе с выполнением их трассировки. Помните, что нет программы, которую нельзя хоть чуть-чуть, но улучшить и сократить. Однако при этом цените затраченное на это время!
  • По мере возможности используйте готовые апробированные программные модули — изобретать велосипед и делать то, что уже сделано, неразумно.
  • Обращайте особое внимание на реализацию механизма контекстов, позволяющего избежать грубых ошибок при модернизации различных объектов программ, прежде всего наборов функций.
  • Не слишком оригинальничайте! Не применяйте программные трюки и недокументированные приемы программирования. Такие программы в момент создания могут выглядеть удивительно эффектными и потрясающе оригинальными, но вполне возможно, что в следующей версии системы они перестанут работать вообще, поскольку разработчики обычно стараются исключить любые недокументированные трюки в своих программах.

Применение этих рекомендаций на практике позволит вам создавать программы, которые нужны не только вам, но и многим пользователям системы Mathematica. Только такие программы могут быть размещены в Интернете и, вполне возможно, войти в пакеты расширения и электронные книги системы Mathematica.
Трассировка программных модулей
В практике подготовки и отладки программ важное значение имеет наличие специальных средств отладки программ по шагам — средств трассировки. далее…

Пакеты-пустышки

Пакеты-пустышки
Разумеется, эти примеры не исчерпывают всего разнообразия пакетов расширений. В сущности, они не дают ничего нового, поскольку приведенные листинги являются просто упрощением гораздо более полных и мощных пакетов, уже входящих в систему. В Mathematica 3 и 4 многие функции из пакетов расширения перекочевали в ядро системы, что позволило существенно ускорить вычисления. Поэтому в пакетах расширения можно встретить определения-пустышки, просто сообщающие об этом и не содержащие новых определений функций. Примером такого рода является модуль countroot.m, листинг которого приведен ниже.
(* :Copyright: Copyright 1994-1996, Wolfram Research, Inc.*)
(* :Summary:All CountRoots functionality is now provided by Algebra’Rootlsolation". The package Algebra’CountRoots" is obsolete.
*)
Needs["Algebraч Rootlsolation’" ]
CountRoots::obslt =
"All CountRoots functionality is now provided by
Algebra’Rootlsolation’.
The package Algebra’CountRoots" is obsolete."
Message[CountRoots::obslt]
Надо прямо сказать, что в области математики пользователь средней квалификации едва ли может придумать что-либо такое, что еще не включено в ядро или в пакеты расширений системы. Разумно готовить такие пакеты лишь для тех специальных областей применения математики, с которыми работает пользователь, — например в области физики, химии, механики, электротехники и радиотехники и т. д. Однако более вероятно, что пользователь предпочтет готовить не пакеты расширений, а пакеты применений.
Пакеты применений — это группы документов с программами, предназначенные для решения определенного класса математических или научно-технических проблем и задач. В отличие от пакетов расширения, в документах пакетов применений обычно дается подробно комментируемое описание всех основных алгоритмов решения задач. При этом комментарий, как правило, выводится на экран дисплея. далее…

Пакет символьных преобразований тригонометрических функций

Пакет символьных преобразований тригонометрических функций
Следующий пакет служит для демонстрации символьных преобразований тригонометрических функций синуса и косинуса.
(* :Title: TrigDefine *)
(* :Context: ProgramminglnMathematica’TrigDefine" *)
BeginPackage["ProgramminglnMathematica’ TrigDefine’"]
TrigDefine::usage = "TrigDefine.m defines global rules for putting products of trigonometric functions into normal form."
Begin["’Private’"] (* set the private context *)
(* unprotect any system functions for which rules will be defined *)
protected = Unprotect[ Sin, Cos ] (* linearization *) Sin/: Sin[x_] Cos[y_] := Sin[x+y]/2 + Sin[x-y]/2
Sin/: Sin[x_] Sin[y_] := Cos[x-y]/2 — Cos[x+y]/2 Cos/: Cos[x_] Cos[y_] := Cos[x+y]/2 + Cos[x-y]/2
Sin/: Sin[x_]An_Integer?Positive :=
Expandt (1/2- Cos[2x]/2) Sin [x]^(n-2) ]
Cos/: Cos[x_]An_Integer?Positive :=
Expand[(l/2 + Cos[2x]/2) Cos[x]^(n-2)]
Protect[ Evaluate[protected]](* restore protection of system symbols *)
End[] (* end the private context *) EndPackage[] (* end the package context *)
Данный пакет задает преобразования для произведений sin(x) cos(x), sin(x) sin(y) и cos(x) cos(y), а также для sin(x) n и cos(x) n . Следующие примеры наглядно показывают работу с этим пакетом:
<< mypack\trigdefine.m
?Sin
Sin[z] gives the sine of z. Sin[a]*Cos[b]
1/2Sin[a-b] + 1/2 Sin[a+b]
Sin[a]*Sin[b]
1/2Cos[a-b] — 1/2Cos[a+b]
Cos[a]*Cos[b]
1/2 Costa-b] + 1/2Cos[a+b]
Sin[x]^2
1/2-1/2 Cos[2x]
Cos[x]^3
Sec[x]/4 +1/2Cos[2x] Sec[x] + 1/4(1/2 + 1/2 Cos[4x]) Sec[x]
Sin[x]^n
Sin[x]n
Данный пример — наглядная иллюстрация программирования символьных вычислений.
Пакет вычисления функций комплексного переменного
Еще один пакет расширений для вычисления функций комплексного переменного (блок пакетов ALGEBRA) представлен распечаткой, приведенной ниже.
(* :Title: Relm *)
(* :Authors: Roman Maeder and Martin Buchholz *) BeginPackage [ "Algebra ‘RelrrT "]
RealValued::usage = "RealValued[f] declares f to be a real-valued function
(for real-valued arguments)."
SBegin["’Private’"]
protected = Unprotect[Re, Im, Abs, Conjugate, Arg] (* test for "reality", excluding numbers *)
realQ[x_] /; !NumberQ[x] := Im[x] == 0 imagQ[x_] /; !NumberQ[x] := Re[x] == 0
(* fundamental rules *)
Re[x_] := x /; realQ[x] Arg[x_] := 0 /; Positive[x] Arg[x_J :=Pi /; Negative[x] Conjugate[x_] := x /; realQ[x] Conjugate[x_] := -x /; imagQ[x]
(* there must not be a rule for Im[x] in terms of Re[x] !! *) (* things known to be real *)
Im[Re[_]] := 0 Im[Im[_]] := 0 Im[Abs[_]] := 0 Im[Arg[_]] := 0 Im[x_?Positive] = 0 Im[x_?Negative] = 0
Im[x_ ^ y_] := 0,/; Positive[x] && Im[y] == 0 Im[Log[r ?Positive]] := 0
(*’ arithmetic *)
Re[x_Plus] := Re /@ x Im[x_Plus] := Im /@ x
Re[x_ y_Plus] := Re[Expand[x y]] Im[x_ y_Plus] := Im[Expand[x y]]
Re[x_ y_] := Re[x] Re[y]— Im[x] Im[y] Im[x_ y_] := Re[x] Im[y] + Im[x] Re[y]
(* products *)
Re[(x_?Positive y_) ^k_] := Re[x^k y^k] Im[(x_?Positive y_)^k_] := Im[x^k yAk]
(* nested powers *)
Re[(x_?Positive ^ y_ /; Im[x]==0)^k_] := Re[x^(y k)] Im[(x_?Positive ^ y_ /; Im[x]==0)"kj := Im[хл(у k)]
Re[ l/x_ ] := Re[x] / (Re[x]^2 + Im[х]^2) Im[ l/x_ ] := -Im[x] / (Re[x]"2 + Im[x]A2)
Im[x_^2] := 2 Re[x] Im[x]
Re[ x_^n_Integer ] := Block[{a, b},
a = Round[n/2]; b = n-a;
Re[x^a] Re[x^b] — Im[х^а] 1т[х^b] ]
Im[ x_^n_Integer ] :=Block[{a, b}, a = Round[n/2]; b = n-a; Re[x^a] Im[х^b] + Im[х^a] Re[x^b] ]
Re[x_IntegerAn_Rational] := 0 /; IntegerQ[2n] && Negative[x]
Im[x_IntegerAn_Rational] :=
(-х)лп (-1)л((Numerator[n]-l)/2 /; IntegerQ[2n] && Negative[x]
(* functions *)
Re[Log[r_?Negative]] := Log[-r] Im[Log[r_?Negative]] := Pi Re[Log[z_]] := Log[Abs[z]] /; realQ[z] Re[Log[z_]] := (1/2) Log[Re[z]^2 + Im[z]^2] Im[Log[z_]] := Arg[z]
Re[Log[a_ b_]] := Re[Log[a] + Log[b]]
Im[Log[a_ b_]] := Im[Log[a] + Log[b]]
Re[Log[a_^c_]] := Re[c Log[a]]
Im[Log[a_^c_]] := Im[c Log[a]]
Ке[Е^х_] :=Cos[Im[x]] Exp[Re[x]] Im[Е^х_] := Sin[Im[x]] Exp[Re[x]]
Re[Sin[x_]] := Sin[Re[x]] Cosh[Im[x]] Im[Sin[x_]] :=Cos[Re[x]] Sinh[Im[x]]
Re[Cos[x_]] := Cos[Re[x]] Cosh[Im[x]] Im[Cos[x_]] := -Sin[Re[x]] Sinh[Im[x]]
Re[Sinh[x_]] := Sinh[Re[x]] Cos[Im[x]] Im[Sinh[x_J] := Cosh[Re[x]] Sin[Im[x]]
Re[Cosh[x_]] := Cosh[Re[x]] Cos[Im[x]] Im[Cosh[x_]] := Sinh[Re[x]] Sin[Im[x]]
(* conjugates *)
Re[Conjugate[z_]] := Re[z] Im[Conjugate[z_]] :=
Conjugate[x_Plus]:= Conjugate /@ x Conjugate[x_Times]:= Conjugate /@ x Conjugate[x_^n_Integer]:= Conjugate[x]An Conjugate[Conjugate[x_]]:= x
(* real-valued rules *)
Attributes[RealValued] = {Listable, HoldAll} Attributes[RealValuedQ] = {HoldFirst}
RealValued[f_Symbol] := (f/: RealValuedQ[f] = True; f) RealValued[f ] := RealValued /@ {f}
Im[ (_?RealValuedQ) [_? (Im[#J ==0&)…] ] := 0
(* define built-in function to be real-valued *)
DoRules[flist_] := Block[{protected},
protected = Unprotect[flist];
RealValued[flist];
Protect[Evaluate[protected]]
]
DoRules[{Sin, Cos, Tan, ArcSin, ArcCos, ArcTan, ArcCot, Sinh, Cosh, Tanh, ArcSinh, ArcCosh, ArcTanh, Floor, Ceiling, Round, Sign, Factorial}]
Protect[Evaluate[protected]]
End[]
Protect[RealValued]
EndPackage[]
Как нетрудно заметить, в этом пакете задано вычисление действительной и мнимой частей для ряда тригонометрических, гиперболических и числовых функций. далее…