Читать онлайн «Maple 9.5/10 в математике, физике и образовании». Страница 42

> MinimalRepresentation[1](F,n,k);

Математический анализ — одна из самых благодатных областей применения систем компьютерной алгебры [36–46]. В этой главе описано решение с помощью СКА Maple наиболее важных задач математического анализа. Особое внимание в этой главе уделено визуализации записи исходных выражений и результатов вычислений, а также проверке последних.

Начнем рассмотрение задач математического анализа с вычисления сумм последовательностей. Вычисление суммы членов некоторой последовательности f(k) при изменении целочисленного индекса k от значения m до значения n с шагом +1, то есть выражения

является достаточно распространенной операцией математического анализа. Для вычисляемой и инертной форм сумм последовательностей служат следующие функции:

sum(f,k);

sum(f,k=m..n);

sum(f,k=alpha);

Sum(f,k);

Sum(f,k=m..n);

Sum(f,k=alpha).

Здесь f — функция, задающая члены суммируемого ряда, k — индекс суммирования, тип — целочисленные пределы изменения k, alpha — RootOf-выражение. Значение n может быть равно бесконечности. В этом случае для n используется обозначение ∞ или infinity. Допустимо (а зачастую рекомендуется с целью исключения преждевременной оценки суммы) заключение f и k в прямые кавычки — например, sum('f', 'k'=m..n). Рекомендуется все примеры проверять после команды restart, убирающей предыдущие определения f и k.

Внимание! При вычислении сумм (и произведений) последовательностей надо строго соблюдать прямой (нарастающий) порядок задания значений индексной переменной суммы. Нарушение этого порядка чревато грубыми ошибками. Так что правила о том, что при измени порядка суммируемых или умножаемых членов последовательности сумма и произведения не меняются в данном случае не поддерживаются на программном уровне.

Простейшими являются суммы последовательностей с фиксированным числом членов. Ниже даны примеры применения этих функций (файл sum):

> restart;k:=2;

k:= 2

> Sum(k^2,k=1..4);

> sum(k^2,k=1..4);

Error, (in sum) summation variable previously assigned, second argument evaluates to k=1..4

> sum('k^2','k'=1..4);

30

> sum(1/i,i=1..100);

> evalf(%);

5.187377518

Обратите внимание, что во втором примере система отказалась от вычисления, а в третьем даже выдала сообщение об ошибке, связанную с тем, что переменной k перед вычислением сумм было присвоено численное значение 2. После заключения выражения и переменной индекса k в прямые кавычки ошибка исчезла, поскольку такая операция означает, что переменной придается неопределенное значение.

Особый класс образуют последовательности, у которых существует их предел в аналитическом виде. Ниже представлен ряд последовательностей, у которых переменная индекса задается как 0..n или 1..n (файл sum):

> restart;

> sum(k, k=1..n);

> sum(i/(i+1),i=0..n);

n + 1 - Ψ(n +2) - γ

> sum(k*binomial(n,k),k=0..n);

Некоторые из таких сумм выражаются через специальные математические функции.

Многие суммы бесконечных рядов сходятся к определенным численным или символьным значениям, и система Maple способна их вычислять. Это поясняют следующие примеры (файл sum):

> restart;

> sum(-exp(-k), k);

> sum(k*a^k,k);

> sum(1/k!,k=0..infinity);

e

> Sum(1/i^2, i=1..infinity) = sum(1/i^2, i=1..infinity);

> Sum(1/n!, n=1..infinity) = sum(1/n!, n=1..infinity);

> evalf(%);

1.718282828 = 1.718281828

> Sum(1/i^2, i)=sum(1/i^2, i);

Могут встречаться множественные суммы по типу «сумма в сумме». Ограничимся приведением примера двойной суммы, имеющей аналитическое значение (файл sum):

> Sum(Sum(k^2, k = 1..m), m = 1..N); factor(simplify(value(%)));

При конкретном значении N такую сумму нетрудно вычислить подстановкой:

> subs(N = 100, %);

8670850

Как видно из приведенных примеров, средства вычисления сумм последовательностей Maple 9.5/10 позволяют получать как численные, так и аналитические значения сумм, в том числе представляемые специальными математическими функциями.

Возможности вычисления специальных сумм существенно расширяются при использовании инструментального пакета вычисления специальных сумм sumtools. При его вызове выводится список функций пакета:

> with(sumtools);

[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.

Приведем примеры на вычисление специальных сумм с помощью функций пакета sumtools (файл sumtools):

> extended_gosper(k*(k/2)!, k);

> extended_gosper(k*(k/2)!,k,2);

> extendedgosper(k*(k/2)!,k=1..n);

> gosper(k*(k/2)!,k);

FAIL

> gosper(pochhammer(k,n),k);

> hyperrecursion([-n,a],[b],1,f(n));

(-n + a = b + 1)f(n - 1) + (n + b - 1)f(w)

> Hypersum([a,1+a/2,b,c,d,1+2*a-b-c-d+n, -n],

[a/2,1+a-b,1+a-c,1+a-d,1+a-(1+2*a-b-c-d+n),1+a+n],1,n);

Hyperterm([1, 1+a, a-d-c+1, a+1-d-b, a-с+1-b], [1+a-d, 1+a-c, 1+a-b, a-b-c-d+1, 1, n])

> simpcomb(binomial(n,k));

> sumrecursion(binomial(n,k)^3,k, f(n));

-8(n - 1)²f(n - 2) - (7n² - 7n + 2)f(n - 1) + f(n)n²

> hyperterm([a,b], [c],z,k);

Из этих примеров применение функций данного пакета достаточно очевидно.

Аналогичным образом для произведений членов f(i) некоторой последовательности, например вида

используются следующие функции:

product(f, k);

product(f, k=m..n);

product(f, k=alpha);

Product(f, k);

Product(f, k=m..n);

Product(f, k=alpha).

Обозначения параметров этих функций и их назначение соответствуют приведенным для функций вычисления сумм. Это относится, в частности, и к применению одиночных кавычек для f и k.

Примеры применения функций вычисления произведений даны ниже (файл product):

> restart;

> Product(k^2,k=1..5)=product(k^2, k=1..5);

> Product(k^2, k)=product(k^2,k)

> product(а[k],k=1..5);

a1 а2 а3 а4 a5

> f:= [1, 2, 3, 4, 5];

f:=[1, 2, 3, 4, 5]

> product(f[k],k=1..4);

24

> product(n+k,k=1..4);

(n + 1)(n + 2)(n + 3)(n +4)

> Product(n+k,k=1..m)=product(n+k,k=1..m);

> product(k,k=RootOf(x^3-9));

9

Как и в случае вычисления сумм, вычисление произведений возможно как в численной, так и в аналитической форме — разумеется, если таковая существует. Это показывают следующий пример:

> Product(2/i,i=1..infinity)=product(2/i,i=1..infinity);

Нетрудно понять, что при i, стремящемся к бесконечности, перемножаемые члены последовательности стремятся к нулю, а потому к нулю стремится и их произведение.

Если f(x) непрерывная функция аргумента х, то производная этой функции

   (4.1)

Как известно, значение производной геометрически характеризуется наклоном касательной к графику f(х) в точке x=0. Простейший способ наблюдать построение касательной к заданной точке функции заключается в применении функции showtangent из пакета student. Например, команды