Механизмы выполнения аналитических вычислений в системе MathCAD
статья по информатике и икт на тему

Механизмы выполнения аналитических вычислений в системе MathCAD

Системы компьютерной алгебры снабжаются специальным процессором для выполнения аналитических (символьных) вычислений. Его основой является ядро, хранящее всю совокупность формул и формульных преобразований, с помощью которых производятся аналитические вычисления. Чем больше этих формул в ядре, тем надежней работа символьного процессора и тем вероятнее, что поставленная задача будет решена, если такое решение существует в принципе (что бывает далеко не всегда).

Ядро символьного процессора системы MathCAD — несколько упрощенный вариант ядра известной системы символьной математики Maple V фирмы Waterloo Maple Software, у которой фирма MathSoft (разработчик MathCAD) приобрела лицензию на его применение, благодаря чему MathCAD стал (начиная с версии 3. 0) системой символьной математики. Символьные вычисления выполняются столь же просто (для пользователя), как вычисление квадрата х.

Символьные операции можно выполнять двумя способами:

• Непосредственно в командном режиме (используя операции меню Symbolics);

• С помощью операторов символьного преобразования (используя панель инструментов Symbolic Keyword Toolbar )

Рассмотрим первый способ.

Выделение выражений для символьных вычислений

Чтобы символьные операции выполнялись, процессору необходимо указать, над каким выражением эти операции должны производиться, т. е. надо выделить выражение. Для ряда операций следует не только указать выражение, к которому они относятся, но и наметить переменную, относительно которой выполняется та или иная символьная операция. Само выражение в таком случае не выделяется.

Таким образом, для выполнения операций с символьным процессором нужно выделить объект (целое выражение или его часть) синими сплошными линиями.

Символьные операции разбиты на пять характерных разделов. Первыми идут наиболее часто используемые операции. Они могут выполняться с выражениями, содержащими комплексные числа или имеющими решения в комплексном виде.

Символьные операции

Операции с выделенными выражениями

Если в документе есть выделенное выражение, то с ним можно выполнять различные операции, представленные ниже:

Evaluate — преобразовать выражение с выбором вида преобразований из подменю;

Symbolicaly [Shift] F9 – выполнить символьное преобразование выделенного выражения;

Floating Point… – вычислить выделенное выражение в вещественных числах;

Complex – выполнить вычисления в комплексном виде;

Simplify — упростить выделенное выражение с выполнением таких операций, как сокращение подобных слагаемых, приведение к общему знаменателю, использование основных тригонометрических тождеств и т д.;

Expand — раскрыть выражение [например, для (Х + Y) (Х - Y) получаем X 2- Y 2];

Factor — разложить число или выражение на множители [например, X 2- Y 2 даст (Х + Y) (Х - Y)];

Collect — собрать слагаемые, подобные выделенному выражению, которое может быть отдельной переменной или функцией со своим аргументом (результатом будет выражение, полиномиальное относительно выбранного выражения);

Polynomial Coefficients — по заданной переменной найти коэффициенты полинома, аппроксимирующего выражение, в котором эта переменная использована.

Операции с выделенными переменными

Для ряда операций надо знать, относительно какой переменной они выполняются. В этом случае необходимо выделить переменную, установив на ней маркер ввода. После этого становятся доступными следующие операции подменю Variable:

Solve — найти значения выделенной переменной, при которых содержащее ее выражение становится равным нулю;

Substitute — заменить указанную переменную содержимым буфера обмена;

Differentiate — дифференцировать выражение, содержащее выделенную переменную, по этой переменной (остальные переменные рассматриваются как константы);

Integrate — интегрировать все выражение, содержащее переменную, по этой переменной;

Expand To Series... — найти несколько членов разложения выражения в ряд Тейлора относительно выделенной переменной;

Convert to Partial Fraction — разложить на элементарные дроби выражение, которое рассматривается как рациональная дробь относительно выделенной переменной.

Операции с выделенными матрицами

Операции с выделенными матрицами представлены позицией подменю Matrix, которая имеет свое подменю со следующими операциями:

Transpose — получить транспонированную матрицу;

Invert — создать обратную матрицу;

Determinant — вычислить детерминант (определитель) матрицы.

Результаты символьных операций с матрицами часто оказываются чрезмерно громоздкими и поэтому плохо обозримы.

Интегральные преобразования

В позиции Transform содержится раздел операций преобразования, создающий подменю со следующими возможностями:

Fourier — выполнить прямое преобразование Фурье относительно выделенной переменной;

Inverse Fourier — выполнить обратное преобразование Фурье относительно выделенной переменной;

Laplace — выполнить прямое преобразование Лапласа относительно выделенной переменной (результат — функция переменной s);

Inverse Laplace — выполнить обратное преобразование Лапласа относительно выделенной переменной (результат — функция

переменной t);

Z — выполнить прямое Z-преобразование выражения относительно выделенной переменной (результат — функция переменной z);

Inverse Z — выполнить обратное Z-преобразование относительно выделенной переменной (результат — функция переменной n) .

Стиль представления результатов вычислений

На наглядность вычислений влияет стиль представления их результатов. Следующая команда позволяет задать тот или иной стиль:

Evaluation Style... — задать вывод результата символьной операции под основным выражением, рядом с ним или вместо него (Рисунок 1).

Рисунок 1. Стиль Вычислений

Примеры символьных операций в командном режиме

Большинство символьных операций легко выполняются, так что ниже мы остановимся лишь на некоторых примерах. Символьная операция Evaluate обеспечивает работу с математическими выражениями, содержащими встроенные в систему функции и представленными в различном виде: полиномиальном, дробно-рациональном, в виде сумм и произведений, производных и интегралов и т. д. (Рисунок 2). Операция стремится произвести все возможные численные вычисления и представить выражение в наиболее простом виде. Она возможна над матрицами с символьными элементами. Производные и определенные интегралы, символьные значения которых вычисляются, должны быть представлены в своей естественной форме.

Особо следует отметить возможность выполнения численных вычислений с повышенной точностью — 20 знаков после запятой. Для перехода в такой режим вычислений нужно числовые константы в вычисляемых объектах задавать с обязательным указанием десятичной точки, например 10.0 или 3.0, а не 10 или 3. Этот признак является указанием на проведение вычислений такого типа.

На Рисунке 2 показаны типовые примеры действия операции Evaluate.

Здесь слева показаны исходные выражения, подвергаемые символьным преобразованиям, а справа — результат этих преобразований.

Операция Evaluate одна из самых мощных. Как видно из Рисунка 2, она позволяет в символьном виде вычислять суммы (и произведения) рядов, производные и неопределенные интегралы, выполнять символьные и численные операции с матрицами.

Эта операция содержит подменю. Команда Symbolicaly тут наиболее важная. Назначение других команд очевидно: они нужны, если результат требуется получить в форме комплексного или действительного числа. К примеру, если вы хотите вместо числа  получить 3.141..., используйте команду Floating Point…. В режиме символьных вычислений результат может превосходить машинную бесконечность системы — см. пример на вычисление ехр(1000.0) на Рисунке 2. При этом число точных значащих цифр результата практически не ограничено (или, точнее говоря, зависит от емкости ОЗУ).

Операция Polynomial Coefficients... возвращает разложение в ряд Тейлора выражения относительно выделенной переменной с заданным по запросу числом членов ряда n (число определяется по степеням ряда). По умолчанию задано п = 6. В разложении указывается остаточная погрешность разложения. На Рисунке 3 представлено применение этой операции для разложения функции Минимальная погрешность получается при малых х (см. графическое представление функции и ее ряда).

Рисунок 2. Символьные вычисления

Рисунок 3.. Разложение функции в ряд Тейлора

Операторы вычисления пределов функций

Для вычисления пределов функций в систему введен символьный оператор limit. Помимо ввода с наборной панели Calculus, его в трех формах можно ввести нажатием следующих комбинаций клавиш:

[Ctrl] L — ввод шаблона оператора вычисления предела функции при х, стремящемся к заданному значению,

[Ctrl] A — ввод шаблона вычисления предела функции слева от заданной точки,

[Ctrl] B — ввод шаблона вычисления предела функции справа от заданной точки.

На Рисунке 4 показаны примеры вычисления пределов. При вычислении пределов нужно заполнить шаблоны, входящие в главный шаблон для вычисления пределов, а затем ввести функцию, имя переменной, по которой ищется предел, и значение переменной — аргумента функции.

Рисунок 4. Вычисление пределов

Для получения результата установите после блока вычисления предела стрелку с острием, направленным вправо. Предел (если он существует) будет вычислен и появится в шаблоне у острия стрелки. Если функция не имеет предела, вместо результата появится надпись сообщение (hint) No symbolic result was found.