Целые и рациональные числа, константы в Maple

Математические константы и арифметические операции.

Основные математические константы:

Pi – число ; I – мнимая единица i; infinity – бесконечность; Gamma – константа Эйлера; true, false – логические константы, обозначающие истинность и ложность высказывания.

Знаки арифметических операций:

+ - сложение; – - вычитание;

* - умножение; / - деление;

^ - возведение в степень;! – факториал.

Знаки сравнения: <, >, > =, < =, < >, =.

Комплексные, целые и рациональные числа.

Числа в Maple бывают действительные (real) и комплексные (compleх). Комплексное число записывается в алгебраической форме z=x+iy, и в командной строке такая запись должна выглядеть так:

> z: =x+I*y;

Вещественные числа разделяются на целые и рациональные. Целые числа (integer) выражаются цифрами в десятичной записи. Рациональные числа могут быть представлены в 3-х видах:

1) рациональной дроби с использованием оператора деления, например: 28/70;

2) с плавающей запятой (float), например: 2.3;

3) в показательной форме, например: 1, 602*10^(-19) означает 1, 602 × 10^-19.

Для того, чтобы получить рациональное число не в точной форме, а в виде приближенного значения (числа с плавающей запятой), следует дописывать к целой части числа.0. Пример:

> 75/4;

> 75/4.0;

18.75000000

В Maple можно записать буквы греческого алфавита в полиграфическом виде. Для этого в командной строке набирается название греческой буквы. Например, буква получится, если набрать alpha.

Таблица строчных греческих букв и их названий:

- alpha

- beta

- gamma

- delta

- epsilon

- zeta

- eta

- theta

- ita

- kappa

- lambda

- nu

- mu

-xi

p - pi

- rho

- sigma

- upsilon

- phi

- chi

- psi

-omega

Заглавные греческие буквы можно записать, если набирать название греческой буквы с заглавной, например, чтобы получить , следует набрать Omega. Греческие буквы также можно набирать с помощью специального меню.

Задание 2.

1. Перейдите в текстовый режим и наберите «Задание №2». После не забудьте перейти в режим командной строки.

2. Вычислите значение . Для этого в командной строке наберите:

> (sqrt(6+2*sqrt(5))-sqrt(6-2*sqrt(5)))/sqrt(3);

и нажмите Enter. В результате получится точное значение .

3. Наберите формулы и . Для этого в командной строке наберите:

> omega=theta/t; abs(f(x)-delta)< epsilon;

нажмите Enter.

Синтаксис команд. Стандартные функции

Синтаксис команд.

Стандартная команда Maple состоит из имени команды и ее параметров, указанных в круглых скобках: command(p1, p2, …). В конце каждой команды должен быть знак (; ) или (: ). Разделитель (; ) означает, что в области вывода после выполнения этой команды будет сразу виден результат. Разделитель (: ) используется для отмены вывода, то есть когда команда выполняется, но ее результат на экран не выводится.

Символ процента ( % ) служит для вызова предыдущей команды. Этот символ играет роль краткосрочной замены предыдущей команды с целью сокращения записи. Пример использования ( % ):

> a+b;

a+b

> %+c;

a+b+c.

Для присвоения переменной заданного значения используется знак присвоить (: = ).

Когда программа Maple запускается, она не имеет ни одной команды, полностью загруженной в память. Большая часть команд имеют указатели их нахождения, и при вызове они загружаются автоматически. Другие команды находятся в стандартной библиотеке и перед выполнением обязательно должны быть вызваны командой readlib(command), где command – имя вызываемой команды. Остальная часть процедур Maple содержится в специальных библиотеках подпрограмм, называемых пакетами. Пакеты необходимо подгружать при каждом запуске файла с командами из этих библиотек. Имеется два способа вызова команды из пакета:

1) можно загрузить весь пакет командой with(package) где package – имя пакета;

2) вызов какой-нибудь одной команды command из любого пакета package можно осуществить, если набрать команду в специальном формате:

> package[command](options);

где вначале записывается название пакета package, из которого надо вызвать команду, а затем в квадратных скобках набирается имя самой команды command, и после чего в круглых скобках следуют параметры options данной команды.

К библиотекам подпрограмм Maple относятся, например, следующие пакеты: linalg – содержит операции линейной алгебры; geometry – решение задач планиметрии; geom3d – решение задач стереометрии; student – содержит команды, позволяющие провести поэтапное решение задачи в аналитическом виде с промежуточными вычислениями.

Стандартные функции.

Стандартные функции Maple
Математическая запись	Запись в Maple
	exp(x)
	ln(x)
	log10(x)
	log[a](x)
	sqrt(x)
	abs(x)
	sin(x)
	cos(x)
	tan(x)
	cot(x)
	sec(x)
	csc(x)
	arcsin(x)
	arccos(x)
	arctan(x)
	arccot(x)
	sinh(x)
	cosh(x)
	tanh(x)
	coth(x)
- функция Дирака	Dirac(x)
- функция Хевиссайда	Нeaviside(х)

Maple содержит огромное количество специальных функций, таких, как Бесселевы функции, Эйлеровы бета- и гамма – функции, интеграл ошибок, эллиптические интегралы, различные ортогональные полиномы.

С помощью функции exp(x) определяется число е=2.718281828… посредством записи exp(1).

Задание 3.

1. Перейдите в текстовый режим и наберите «Задание №3». После не забудьте перейти в режим командной строки.

2. Вычислите Для этого наберите в командной строке:

> cot(Pi/3)+tan(14*Pi/3);

Нажмите Enter. В результате в области вывода должно появиться число: .

3. Вычислите . Для этого наберите в командной строке:

> combine((sin(Pi/8))^4+(cos(3*Pi/8))^4+

(sin(5*Pi/8))^4+ (cos(7*Pi/8))^4);

Нажмите Enter. (значение команды combine – преобразовывать выражения, например, со степенями). В результате в области вывода должно появиться число: .

4. Преобразование математических выражений

Maple обладает широкими возможностями для проведения аналитических преобразований математических формул. К ним относятся такие операции, как приведение подобных, разложение на множители, раскрытие скобок, приведение рациональной дроби к нормальному виду и многие другие.

Выделение частей выражений.

Математическая формула, над которой будут производиться преобразования, записывается в следующей форме: > eq: =exp1=exp2; где eq – произвольное имя выражения, exp1 – условное обозначение левой части формулы, exp2 – условное обозначение правой части формулы.

Выделение правой части выражения осуществляется командой rhs(eq), выделение левой части выражения – командой lhs(eq). Рассмотрим пример:

> eq: =a^2-b^2=c;

eq : =

> lhs(eq);

> rhs(eq);

Если задана рациональная дробь вида a/b, то можно выделить ее числитель и знаменатель с помощью команд numer и denom, соответственно. Пример:

> f: =(a^2+b)/(2*a-b);

> numer(f);

> denom(f);

Тождественные преобразования выражений.

Раскрытие скобок выражения eq осуществляется командой expand(eq). Пример:

> eq: =(x+1)*(x-1)*(x^2-x+1)*(x^2+x+1);

> expand(eq);

Разложение многочлена на множители осуществляется командой factor(eq). Пример:

> p: =x^5-x^4-7*x^3+x^2+6*x;

> factor(p);

Команда expand может иметь дополнительный параметр, позволяющий при раскрытии скобок оставлять определенное выражение без изменений. Например, пусть требуется каждое слагаемое выражения умножить на выражение (x+a). Тогда в командной строке следует написать:

> expand((x+a)*(ln(x)+exp(x)-y^2), (x+a));

Дробь можно привести к нормальному виду с помощью команды normal(eq). Например:

> f: =(a^4-b^4)/((a^2+b^2)*a*b);

> normal(f);

Упрощение выражений осуществляется командой simplify(eq). Пример:

> eq: =(cos(x)-sin(x))*(cos(x)+sin(x)):

> simplify(eq);

Приведение подобных членов в выражении осуществляется командой collect(exp, var), где exp – выражение, var – имя переменной, относительно которой следует собирать подобные. В команде simplify в качестве параметров можно указать, какие выражения преобразовывать. Например, при указании simplify(eq, trig) будет производиться упрощение при использовании большого числа тригонометрических соотношений. Стандартные параметры имеют названия: power – для степенных преобразований; radical или sqrt – для преобразования корней; exp – преобразование экспонент; ln – преобразование логарифмов. Использование параметров намного увеличивает эффективность команды simplify.

Объединить показатели степенных функций или понизить степень тригонометрических функций можно при помощи команды combine(eq, param), где eq – выражение, param – параметры, указывающие, какой тип функций преобразовать, например, trig – для тригонометрических, power – для степенных. Пример:

> combine(4*sin(x)^3, trig);

Для упрощения выражений, содержащих не только квадратные корни, но и корни других степеней, лучше использовать команду radnormal(eq). Пример:

> sqrt(3+sqrt(3)+(10+6*sqrt(3))^(1/3))=

radnormal(sqrt(3+sqrt(3)+(10+6*sqrt(3))^(1/3)));

С помощью команды convert(exp, param), где exp – выражение, которое будет преобразовано в указанный тип param. В частности, можно преобразовать выражение, содержащее sinx и cosx, в выражение, содержащее только tgx, если указать в качестве параметра tan, или, наоборот, tgx, ctgx можно перевести в sinx и сosx, если в параметрах указать sincos.

Вообще, команда convert имеет более широкое назначение. Она осуществляет преобразование выражения одного типа в другой. Например: convert(list, vector) – преобразование некоторого списка list в вектор с теми же элементами; convert(expr, string) – преобразование математического выражения в его текстовую запись. Для вызова подробной информации о назначении параметров команды convert следует обратиться к справочной системе, набрав convert[termin].

Если вы забыли параметры какой-либо команды, то можно воспользоваться справочной системой Maple. Для вызова справки по конкретной команде, следует выделить набранное имя этой команды и нажать клавишу F1. Если команда набрана правильно, то появится описание этой команды (в большинстве версий Maple помощь на английском языке).

Задание 4.

1. Перейдите в текстовый режим и наберите «Задание №4». После не забудьте перейти в режим командной строки. Перед выполнением каждого пункта этого задания обязательно набирайте команду обновления restart;

2. Разложить полином на множители . Для этого наберите в командной строке:

> factor(x^3+4*x^2+2*x-4);

После нажатия клавиши Enter должно получиться .

3. Упростить выражение . Наберите:

> eq: =(1+sin(2*x)+cos(2*x))/(1+sin(2*x)-cos(2*x)):

> convert(eq, tan):

> eq=normal(%);

4. Упростить выражение . Для этого наберите:

> eq: =3*(sin(x)^4+cos(x)^4)-2*(sin(x)^6+cos(x)^6):

> eq=combine(eq, trig);

5. Выполните все контрольные задания. Перед их выполнением не забудьте набрать в текстовом режиме «Контрольные задания». Результаты выполнения заданий покажите преподавателю.

6. Сохраните файл со всеми выполненными заданиями на диск.

7. Ответьте на все контрольные вопросы.

Контрольные задания.

1. Вычислить: .

2. Вычислить: .

3. Вычислить точное и значение выражения: .

4. Записать формулы: ; .

5. Разложить на множители полином .

6. Упростить выражение .

Контрольные вопросы.

1. Что такое Maple и для чего он предназначен?

2. Опишите основные элементы окна Maple.

3. На какие условные части делится рабочее поле Maple и что в этих частях отображается?

4. Как перевести командную строку в текстовую и наоборот?

5. В каком режиме проходит сеанс работы в Maple?

6. Перечислите пункты основного меню Maple и их назначение.

7. Какое стандартное расширение присваивается файлу рабочего листа Maple?

8. Как представляются в Maple основные математические константы?

9. Опишите виды представления рационального числа в Maple.

10. Как получить приближенное значение рационального числа?

11. Какими разделительными знаками заканчиваются команды в Maple и чем они отличаются?

12. Какой командой осуществляется вызов библиотеки подпрограмм?

13. Объясните назначение команд factor, expand, normal, simplify, combine, convert.

Лабораторная работа №2
Функции в Maple. Операции оценивания. Решение уравнений и неравенств

1. Способы задания функций.Замена переменных.

2. Операции оценивания.

3. Решение уравнений.

4. Решение неравенств.

1. Способы задания функций. Замена переменных

В Maple имеется несколько способов представления функции.

Способ 1. Определение функции с помощью оператора присваивания (: = ): какому-то выражению присваивается имя, например:

> f: =sin(x)+cos(x);

Если задать конкретное значение переменной х, то получится значение функции f для этого х. Например, если продолжить предыдущий пример и вычислить значение f при , то следует записать:

> x: =Pi/4;

> f;

После выполнения этих команд переменная х имеет заданное значение .

Чтобы насовсем не присваивать переменной конкретного значения, удобнее использовать команду подстановки subs({x1=a1, x2=a2, …, }, f), где в фигурных скобках указываются переменные хi и их новые значения аi (i=1, 2, …), которые следует подставить в функцию f. Например:

> f: =x*exp(-t);

> subs({x=2, t=1}, f);

Все вычисления в Maple по умолчанию производятся символьно, то есть результат будет содержать в явном виде иррациональные константы, такие как, и другие. Чтобы получить приближенное значение в виде числа с плавающей запятой, следует использовать команду evalf(expr, t), где expr – выражение, t – точность, выраженная в числах после запятой. Например, в продолжение предыдущего примера, вычислим полученное значение функции приближенно:

> evalf(%);

.7357588824

Здесь использован символ ( % ) для вызова предыдущей команды.

Способ 2. Определение функции с помощью функционального оператора, который ставит в соответствие набору переменных (x1, x2, …) одно или несколько выражений (f1, f2, …). Например, определение функции двух переменных с помощью функционального оператора выглядит следующим образом:

> f: =(x, y)-> sin(x+y);

Обращение к этой функции осуществляется наиболее привычным в математике способом, когда в скобках вместо аргументов функции указываются конкретные значения переменных. В продолжение предыдущего примера вычисляется значение функции:

> f(Pi/2, 0);

Способ 3. С помощью команды unapply(expr, x1, x2, …), где expr – выражение, x1, x2, … – набор переменных, от которых оно зависит, можно преобразовать выражение expr в функциональный оператор. Например:

> f: =unapply(x^2+y^2, x, y);

> f(-7, 5);

В Maple имеется возможность определения неэлементарных функций вида

посредством команды

> piecewise(cond_1, f1, cond_2, f2, …).

Например, функция

записывается следующим образом:

> f: =piecewise(x< 0, 0, 0< =x and x< 1, x, x> =1, sin(x));

Задание 1.

Не забудьте, что выполнение всех последующих заданий должно начинаться с текстовой строки, содержащей «Задание №», где № – номер задания. Также помните, что для правильности вычислений перед выполнением каждого пункта задания следует выполнять команду restart. Перед выполнением контрольных заданий следует набирать в текстовом режиме «Контрольные задания». Эти правила оформления относятся ко всем лабораторным работам.

1. Запустите Maple. Переведите первую строку в текстовую и наберите в ней: «Лабораторная работа №2». Нажмите Enter. Строкой ниже наберите: «Выполнил студент...» и свою фамилию, а на следующей строке наберите: «Задание №1».

2. Определите функцию и перейдите в ней к полярным координатам , . Упростите полученное выражение. Для этого наберите: