Выполнение символьных вычислений (Evaluate Symbolically)

Символьная операция Evaluate Symbolically [Shift+ F9] (Вычислить) 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. 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 рис. 8. 2 показаны типовые примеры действия операции Evaluate Symbolically.

Здесь слева показаны исходные выражения, подвергаемые символьным преобразованиям, а справа — результат этих преобразований. Так представлены и другие примеры, приведенные в этой главе.

Рис. 8. 2 Действие операции Evaluate Symbolically

Операция Evaluate Symbolically одна из самых мощных. Как видно на рис. 8. 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 со следующими командами:

Evaluate Symbolically [Shift+ F9] — выполнить символьное вычисление (Вычислить в символах) выражения;

Floating Point Evaluation... — выполнить арифметические (С плавающей точкой) операции в выражении с результатом в форме числа с плавающей точкой;

Complex Evaluation — выполнить преобразование с пред- (В комплексном виде) ставлением в комплексном виде.

Команда Evaluate Symbolically 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 л получить 3. 141..., используйте команду Floating Point Evaluation. В режиме символьных вычислений результат может превосходить машинную бесконечность системы — см. пример на вычисление ехр (1000. 0) на рис. 7. 2. При этом число точных значащих цифр результата практически не ограничено (или, точнее говоря, зависит от емкости ОЗУ).

Упрощение выражений (Simplify)

Символьная операция Simplify (Упростить) — одна из самых важных. Эта операция позволяет упрощать математические выражения, содержащие алгебраические и тригонометрические функции, а также выражения со степенными многочленами (полиномами).

Упрощение означает замену более сложных фрагментов выражений на более простые. Приоритет тут отдается простоте функций. К примеру, функция tan (x) считается более сложной, чем функции sin (x) и cos (. x). Поэтому tan(x) упрощается так, что получает представление через соотношение этих функций, что несколько неожиданно, так как в некоторых пакетах символьной математики, например Derive, ситуация иная: они заменяют отношение sin (x)/cos (x) функцией tan(x).

Эта команда открывает широкие возможности для упрощения сложных и плохо упорядоченных алгебраических выражений. На рис. 8. 3 даны примеры применения операции Simplify.

Рис. 8. 3 Действие операции Simplify

Два последних примера на приведенном рисунке показывают, как с помощью операции Simplify можно выполнять символьные вычисления производных и определенных интегралов. Результатом вычислений могут быть специальные математические функции (см. последний пример, в котором символьное значение интеграла дает результат, выраженный через интегральный синус). Вполне возможно вычисление производных высшего порядка. На рис. 8. 4 показано последовательное применение операции Simplify для вычисления производных алгебраического выражения, от первой до пятой включительно.

Система MathCAD содержит встроенную функцию для вычисления значений определенных интегралов приближенным численным методом. Ею целесообразно пользоваться, когда нужно просто получить значение определенного интеграла в виде числа. Однако команда Simplify применительно к вычислениям определенных интегралов делает гораздо больше — она ищет аналитическое выражение для интеграла. Более того, она способна делать это и при вычислении кратных интегралов, пределы которых — функции. Наглядный пример этому дает рис. 8. 5.

На рис. 8. 6 показано применение операции Simplify для вычисления сумм и произведений символьных последовательностей. Результат операции, как и следовало ожидать, получается в символьной форме (если она существует).

Приведенные примеры могут создать впечатление, что MathCAD лихо справляется со всеми производными, интегралами, суммами и произведения-

Рис. 8. 4 Вычисление производных алгебраического выражения с порядком от 1 до 5

Рис. 8. 5 Вычисление двойных и тройных определенных интегралов

ми с помощью операции Simplify. К сожалению, это далеко не так. Нередко система не справляется с кажущимися простыми справочными примерами. Надо помнить, что символьный процессор системы MathCAD обладает заметно урезанной библиотекой функций и преобразований (в сравнении с библиотекой системы Maple V). Поэтому часто система не находит решение в замкнутом виде, хотя оно и приводится в справочнике. Тогда система повторяет введенное выражение или сообщает об ошибке.

Следует также отметить, что при выполнении командами меню Symbol символьных вычислений выражения необходимо указывать явно. Например, недопустимо вводить некоторую функцию пользователя F (x) и пытаться найти ее производные или интеграл. Это существенное ограничение, и котором надо всегда помнить. Однако оно преодолимо при выполнении вычислений с помощью функций системы SmartMath, которая описывается в дальнейшем;

Рис. 8. 6 Вычисление сумм и произведений символьных последовательностей

главное в том, что для вывода символьных вычислений в этом случае используется оператор —>.

В результате преобразований могут появляться специальные функции — как встроенные в систему (функции Бесселя, гамма-функция, интеграл вероятности и др.), так и ряд функций, дополнительно определенных при загрузке символьного процессора (интегральные синус и косинус, интегралы Френеля, эллиптические интегралы и др.) Последние нельзя использовать при создании математических выражений.

8. 5. Расширение выражений (Expand)

Действие операции Expand (Разложить по степеням) в известном смысле противоположно действию операции Simplify. Подвергаемое преобразованию выражение расширяется с использованием известных (и введенных в символьное ядро) соотношений, например алгебраических разложений многочленов, произведений углов и т. д Разумеется, расширение происходит только в том случае, когда его результат однозначно возможен Иначе нельзя считать, что действие этой операции противоположно действию операции Simplify. К примеру, операция Simplify преобразует сумму квадратов синуса и косинуса в 1, тогда как обратное преобразование многозначно и потому в общем виде невыполнимо

При преобразовании выражений операция Expand Expression старается более простые функции представить через более сложные, свести алгебраические выражения, представленные в сжатом виде, к выражениям в развернутом виде и т д Примеры действия операции Expand Expression даны на рис. 8 7

Последний пример на этом рисунке показывает, что результатом операции может быть специальная математическая функция, которая считаегся более сложным выражением, чем порождающее ее выражение С виду, однако, выражения со специальными математическими функциями обычно выглядят гораздо проще, чем исходные выражения

Рис. 8. 7 Действие операции Expand Expression