Записи с меткой «задания»

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…

Пакет для работы с суммами sumtools

Пакет для работы с суммами sumtools
Состав пакета sumtools
Этот инструментальный пакет предназначен для работы со специальными суммами. Он содержит указанные ниже функции:
> with(suintools);
[Hypersum, Sumtohyper, extended_gosper, gosper, hyperrecursion, hypersum, hyperterm, simpcomb, sumrecursion, sumtohyper]
Назначение функций данного пакета перечислено ниже:

  •  hypersum(U, L, z, n) и Hypersum(U, L, z, n) — вычисление гиперсумм;
  •  sumtohyper(f, k) и Sumtohyper(f, k) — преобразование сумм в гиперсуммы;
  •  extended_gosper(f, k), extended_gosper(f, k=m..n) и extended_gosper(f, k, j) — реализация расширенного алгоритма Госпера;
  •  gosper(f, k) и gosper(f, k=m..n) — реализация алгоритма Госпера;
  •  hyperrecursion(U, L, z, s(n)) — реализация гиперрекурсионного алгоритма;
  •  hyperterm(U, L, z, k) и Hyperterm(U, L,z, k) — ввод гипергеометрического терма.

Работа с пакетом sumtools
Приведем примеры на применение этих функций:
 
Из этих примеров применение функций данного пакета достаточно очевидно.
Пакет реализации степенных разложений powseries
Состав пакета powseries
Степенные разложения часто используются в математических расчетах для приближенного представления разнообразных функций и обеспечения единообразия такого представления. В пакете powseries сосредоточены расширенные средства по реализации таких разложений. Они представлены 22 функциями:
> with(powseries);
[compose, evalpow, inverse, multconst, multiply, negative, pawadd, powcos, powcreate, powdijff, powexp, powint, powlog, powpoly, powsin, powsolve, powsqrt, quotient, reversion, subtract, template, tpsform ]
Ниже представлено определение этих функций:

  •  compose(а,b) — объединяет ряды а и b;
  •  evalpow(expr) — вычисляет выражение ехрr и возвращает его в виде ряда;
  •  inverse(р) — инвертирует ряд р;
  •  mu1tconst(p,const) — умножает ряд р на константу const; ,
  •  multiply(a,b) — умножает ряд а на ряд b;
  •  negative(p) — возвращает аддитивный, обратный по отношению к р ряд;
  •  powadd(a,b,…) — складывает ряды а, b, …;
  •  powcreate(expr) — создает ряд для выражения ехрr;
  •  powpoly(pol ,var) — создает ряд для полинома pol по переменной van;
  •  powsolve(sys) — создает ряд для решения дифференциальных уравнений sys;
  •  quotient(a,b) — возвращает частное для а и b в виде ряда;
  • reversion(a) — дает обратное к композиции разложение ряда а;
  •  subtract(а,b) — дает разность рядов а и b.

В выражении ехрr могут использоваться операторы +, -, *, / и  ^. С ними могут комбинироваться встроенные функции и функции пользователя, например /(g). Кроме того, могут использоваться следующие функции:

Powexp

powi nv

powlog

powneg

powrev

Powdiff

powi nt

powquo

powsub

powcos

Powtan

powsec

powcsc

powcot

powsinh

Powcosh

powtanh

powsech

powcsch

powcot h.

Powsqrt

powadd

multiply

 

Примеры применения пакета powseries
Назначение большинства этих функций очевидно из их названий — они возвращают соответствующую функцию (указанную после слова pow в имени) в виде разложения в ряд или полинома. Например, powexp раскладывает выражения с экспоненциальными функциями в ряд.
Получаемые функциями ряды представляются в специальном формате. Поэтому для их применения в обычном виде необходимо использовать функцию tpsform в следующих видах:

  •  tpsform(p, var, order) — преобразует ряд р в обычную форму с заданием порядка order;
  •  tpsform(p, var) — преобразует ряд р в обычную форму с порядком, заданным переменной Order.

Здесь р — имя степенного ряда, var.— переменная, относительно которой записан ряд, order — порядок ряда. Если параметр order не указан, используется значение глобальной переменной Order. Ниже даны примеры, иллюстрирующие технику работы со степенными разложениями:

Применение функций этого пакета достаточно просто и прозрачно, так что заинтересованный читатель может сам опробовать на примерах работу тех функций, которые не были использованы в приведенных примерах.

далее…

Пакет combstruct

Пакет combstruct
Еще девять функций, относящихся к структурам комбинаторики, содержит пакет combstruct:
> with(combstruct):
[allstructs, count, draw,finished, gfeqns, gfseries, gfsolve, iterstritcts, nextstruct]
Эти функции служат для создания случайно однородных объектов, принадлежащих заданному комбинаторному классу. Ограничимся приведением примеров применения этих функций:
> alltructs(Subset({one,two}));
{{ },{one, two}, {two}, {one}}
 > anstructs(Permutation([x,y,z]),size=2):
[[x,y],[x,z],[y,x],[y,z],[z,x],[z,y]] 
> count(Subset({l,2,3}));

> draw(Combiination(5),size=4);
{1,3,4,5}
> count(Permutation([a,a,b])): .
3
> 1t :=iterstructs(Permutation([a,a,b]),size=2);
it := table([finished = false, nextvalue = (pmc() … endproc )])
 > draw(Partition(9));
[2,2,2,3]
 > allstructs(Composition(3), size=2):
[[2,l],[l,2]]
Для более полного знакомства с этими специфическими функциями обратитесь к справочной системе.
Пакет финансово-экономических функций finance
Пакет финансово-экономических расчетов открывается командой:
 > with(finance)
[amortization, annuity, blackscholes, cashflows, effectiverate,futurevalue, growingannuity, growingperpetuity, levelcoupon, perpetuity, presentvalue, yieldtomaturity]
Этот пакет представлен рядом указанных выше функций в двух формах:
function(args)
finance[function](args).
Благодаря правилам задания аргументов можно реализовать практически все известные финансово-экономические расчеты, такие как амортизация, накопления и платежи по вкладам и т. д. В свете задач рыночной экономики эти функции полезны для приверженцев решения всего на свете без выхода из оболочки Maple. Все же надо отметить, что малозаметные тонкости в определении финансово-экономических функций затрудняют их применение. далее…

Векторный анализ — VectorAnalysis

Векторный анализ —VectorAnalysis
Подпакет VectorAnalysis содержит множество функций, используемых при выполнении векторного анализа. Здесь надо иметь в виду, что речь идет не о векторах как представителях одномерных массивов, которые рассматривались ранее. В данном случае вектор — это направленный отрезок прямой в пространстве, заданном той или иной системой координат.
Системы координат и их преобразования
Заметная часть функций подпакета VectorAnalysis относится к заданию и преобразованию координат:

  • Coordinates [ ] — возвращает имена переменных текущей системы координат;
  • Coordinates [coordsys] — возвращает имена переменных системы координат coordsys;
  • SetCoordinates [coordsys] — устанавливает систему координат coordsys с текущими переменными;
  • Coordinates [coordsys, {vars}] — устанавливает систему координат coordsys с переменными, заданными списком {vars }.

Ниже даны названия систем координат и соответствующие им представления.

Наименование

Представление

Прямоугольные

Cartesian [х, у, z]

Цилиндрические

Cylindrical [r, theta, z]

Сферические

Spherical [r, theta, phi]

Параболические цилиндрические

ParabolicCylindrical [u, v, z]

Параболические

Paraboloidal [u, v, phi]

Эллиптические цилиндрические

EllipticCylindrical [u, v, z, a]

Вытянутые сфероидальные

ProlateSpheroidal [xi, eta, phi, a]

Сплющенные сфероидальные

OblateSpheroidal [xi, eta, phi, a]

Биполярные

Bipolar[u, v, z, a]

Бисферические

Bispherical [u, v, phi, a]

Тороидальные

Toroidal [u, v, phi, a]

Конические

Conical [lambda, mu, nu, a, b]

Конфокальные эллипсоидальные

ConfocalEllipsoidal [lambda, rnu, nu, a, b, c]

Конфокальные параболические

ConfocalParaboloidal [lambda, mu, nu, a, bj

Например, параболическую систему координат можно задать следующим образом:
SetCoordinates[Paraboloidal[x, у, z] ]
Paraboloidal [x, у, z]
{CoordinateSystem, Coordinates[]}
{Paraboloidal, {x, y, z}}
Ряд функций служит для контроля и установки параметров систем координат:

  • CoordinateRanges [ ] — возвращает пределы изменения переменных текущей координатной системы;
  • Parameters [ ] — возвращает параметры текущей координатной системы;
  • ParametersRanges [ ] — возвращает пределы изменения параметров текущей координатной системы;
  • CoordinateRanges [coordsys] — возвращает пределы изменения переменных координатной системы coordsys;
  • Parameters [coordsys] — возвращает параметры координатной системы coordsys;
  • ParametersRanges [coordsys] — возвращает пределы изменения параметров координатной системы coordsys;
  • SetCoordinates [coordsys, {vars,param} ] — устанавливает параметры текущей координатной системы как параметры coordsys с переменными vars и параметрами param.

Ниже представлены примеры применения этих функций:
CoordinateRanges[]
{0<Х<бесконечности,0<Y<бесконечность,-л<Z<=л}
Parameters[]
{}
ParameterRanges[ ]
Coordinates[Conical], CoordinateRanges[Conical]
{{Llanibda, Мmu, Nnu}, {-бесконечность< Llambda< бесконечность, l< Mmu2 < 4, Nnu2< 1}}
Parameters[Bipolar],ParameterRanges[Bipolar]
{{1}, 0< #1<бесконечность}
Для преобразования координат служат следующие функции:

  • CoordinatesToCartesian [pt] — преобразование текущих координат в декартовы;
  • CoordinatesToCartesian [pt, coordsys] — преобразование координат coordsys в декартовы;
  • CoordinatesFromCartesian [pt] — преобразование из декартовых координат в текущие;
  • CoordinatesFromCartesian [pt, coordsys] — преобразование из декартовых координат в координаты coordsys.

Эти примеры демонстрируют преобразования координат:
CoordinatesToCartesian[{I, Pi/3, Pi/3}, Spherical]
CoordinatesToCartesian [u, v, phi}, Bipolar]
CoordinatesFromCartesian [ {x, y, z} , Bipolar]

{-2Im[ArcCoth[x+ Iy]] , 2Re[ArcCoth[x+ Iy] ] , z}

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 в конечных полях — FiniteFields

Операции в конечных полях — FiniteFields
Поле является алгебраическим понятием, которое может быть определено как множество, имеющее не менее двух элементов, над которыми заданы две бинарные ассоциативные и коммутативные операции — сложения и умножения. Кроме того, для существования поля нужны два особых элемента — нуль 0, задающий правило сложения а + 0 = а, и единица 1 для задания правила умножения а*1 = 1. Определено также понятие противоположного элемента -а, такого что а + (-а) = 0, и обратного элемента а— 1 , такого что a- 1 а = 1. Поле характеризуется размером р и целым положительным целым d, называемым степенью расширения.
Пакет задает набор функций GF[p] [{k}], GF[p,l] [{k}], GF[p, {0,1}] [{k}], GF[p,d] HGF[p,ilist] [elist], действие которых иллюстрируют следующие примеры:
<<Algebra` FiniteFields`
GF[7][4] + GF[7][6]
{3}7
GF[3,4][1,2,1] GF[3,4][2,2,2,0]
{1, 1, 2, 0}3 GF[5,1][1] + GF[3,4][1,1,1]
{1, 1, 1, 0}3+ (1)5
Вряд ли подробное их описание заинтересует большинство читателей. Специалистов по полям не затруднит более детальное знакомство с этими функциями в разделе Add-ons справочной базы данных. Там же можно найти описание ряда других функций, относящихся к теории конечных полей.
Оценка интервалов изоляции корней полиномов — Rootlsolation
Следующие функции подпакета Rootlsotation позволяют оценивать интервалы изоляции для действительных и комплексных корней полиномов:

  • CountRoots [poly, {x,ml,m2} ] — возвращает число корней полинома poly от переменной х в комплексном интервале {ml, m2 };
  • RealRootsIntervals [poly] — возвращает разделенный интервал изоляции для вещественных корней полинома poly;
  • RealRootsIntervals [polyl,poly2,…] — возвращает разделенные интервалы изоляции для вещественных корней нескольких полиномов;
  • ComplexRootsIntervals [poly] — возвращает разделенный интервал изоляции для комплексных корней полинома;
  • ComplexlRootsIntervals [polyl, poly2,…] — возвращает разделенные интервалы изоляции для комплексных корней нескольких полиномов;
  • Contractlnterval [a,n] — возвращает интервал изоляции для числа а с точностью, задаваемой числом знаков результата п.

Применение этих функций поясняют следующие примеры:
<<Algebra`Rootlsolation`
f = (x^2- 1) (х^2- 3) (х^2- 5); CountRoots [f, {x, 1, 2}]
1
CountRoots[(х^2+2) х^4, {х, -I, 2 I}]
5
CountRoots[х^21- 1, {х, 0, 5 + 10*1}]
5
RealRootlntervals[f]
{{-4, -2}, {-2,.-1}, {-1, -1}, {1, 1}, {1, 2}, {2, 4}}
ComplexRootlntervals[f+5]
{{-1, 0}, {0, 1}, {-7-71, -7/4}, {-7, -7/4 + 7I},
{-7/4, -7I + 7/2}, {-7/4, -7/2 + 7I}}
ComplexRootlntervals[x^3, x^5+l]
{{{-2, 0}, {0, 0),
{-3-31, 0}, {-3, 31}, {-31, 3), {0, 3+31}}, {2, 1, 2, 2, 2, 2}}
Contractlnterval[Root[x^7- 1, 5], 5]
{ 58333/262144 + 511143I/ 524288+ 116665/524288+ 63893I/65536}
N[%]

{-0.222523+ 0.9749281, -0.222521 + 0.974931}