17587

ПРИЛОЖЕНИЯ ПАКЕТА MATHCAD В ЗАДАЧАХ ЛИНЕЙНОЙ АЛГЕБРЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

ЛЕКЦИЯ 5. Приложения пакета Mathcad в задачах линейной алгебры и математического анализа 4.1 Задачи линейной алгебры в среде пакета Mathcad. 4.1.1 Определение и ввод матрицы в рабочий документ Mathcad Чтобы определить матрицу нужно: ввести с клавиатуры имя матрицы и знак п...

Русский

2013-07-04

268 KB

5 чел.

ЛЕКЦИЯ 5.

Приложения пакета Mathcad в задачах линейной алгебры и математического анализа

4.1 Задачи линейной алгебры в среде пакета Mathcad.

4.1.1 Определение и ввод матрицы в рабочий документ Mathcad

Чтобы определить матрицу нужно:

  1.  ввести с клавиатуры имя матрицы и знак присваивания (для ввода знака присваивания нужно нажать на клавиатуре комбинацию клавиш <Shift>+<:> или щелкнуть по кнопке<:=> панели Evaluation);
  2.  щелкнуть по кнопке Vector or Matrix Toolbar  в панели математических инструментов, чтобы открыть панель матричных операций Matrix);
  3.  открыть щелчком по кнопке Matrix or Vector окно диалога определения размерности матрицы и ввести размерность матрицы: число строк (Rows), число столбцов (Columns);
  4.  закрыть окно диалога, щелкнув по кнопке Ok.

В рабочем документе, справа от знака присваивания, открывается поле ввода матрицы с помеченными позициями для ввода элементов.

Для того, чтобы ввести элемент матрицы, установите курсор в помеченной позиции и введите с клавиатуры число или выражение.

4.1.2 Нумерация элементов матриц и векторов

Номер первой строки (столбца) матрицы или первой компоненты вектора, хранится в Mathcad в переменной ORIGIN.
По умолчанию в Mathcad координаты векторов, столбцы и строки матрицы нумеруются начиная с
0 (ORIGIN:=0). Поскольку в математической записи чаще используется нумерация с 1, удобно перед началом работы с матрицами  определять значение переменной ORIGIN равным 1, выполнять команду ORIGIN:=1.

4.1.3 Панель операций с матрицами и векторами

Панель векторных и матричных операций открывается щелчком по

кнопке Vector and Matrix Toolbar в панели математических инструментов.

За кнопками панели закреплены следующие функции:

— определение размеров матрицы;

— ввод нижнего индекса;

 — вычисление обратной матрицы;

— вычисление определителя матрицы: |A|=det A; вычисление длины вектора |x|;

 — поэлементные операции с матрицами:
если
A={aij }, B={bij }, то ;

— определение столбца матрицы: — j -й столбец матрицы M;

— транспонирование матрицы: M={mij }, M T ={mji };

— вычисление скалярного произведения векторов: ;

 — вычисление векторного произведения векторов:
a x b = (a2 b3 -a3 b2 , a3 b1 -a1 b3 , a1 b2 -a2 b1 );

 — вычисление суммы компонент вектора: ;

— определение диапазона изменения переменной;

— визуализация цифровой информации, сохраненной в матрице.

Для того чтобы выполнить какую-либо операцию с помощью панели инструментов, нужно выделить матрицу и щелкнуть в панели по кнопке операции, либо щелкнуть по кнопке в панели и ввести в помеченной позиции имя матрицы.

4.1.4 Меню символьных операций с матрицами

Меню символьных операций с матрицами (пункт Matrix меню Symbolics) содержит три функции:

  •  транспонирование (Transpose),
  •  обращение матрицы (Invert),
  •  вычисление определителя матрицы (Determinant).

Если требуется произвести какую-либо операцию через пункт Matrix меню Symbolics, нужно выделить матрицу и щелкнуть в меню по строке нужной операции.

4.1.5 Функции, предназначенные для решения задач линейной алгебры

Функции, предназначенные для решения задач линейной алгебры, можно разделить на три группы.

  •  Функции определения матриц и операций с блоками матриц.
  •  Функции отыскания различных числовых характеристик матриц.
  •  Функции, реализующие численные алгоритмы решения задач линейной алгебры.

Функции определения матриц и операции с блоками матриц:

  •  matrix(m, n, f) — создает и заполняет матрицу размерности m x n, элемент которой, расположенный в i -й строке, j -м столбце, равен значению f(i, j) функции f(x, y);
  •  diag(v) — создает диагональную матрица, элементы главной диагонали которой хранятся в векторе v;
  •  identity(n) — создает единичную матрицу порядка n;
  •  augment(A, B) — формирует матрицу, в первых с т о л б ц а х которой содержится матрица A, а в последних — матрица B (матрицы A и B имеют одинаковое число строк);
  •  stack(A, B) — формирует матрицу, в первых с т р о к а х которой содержится матрица A, а в последних — матрица B (матрицы A и B имеют одинаковое число столбцов);
  •  submatrix(A, ir, jr, ic, jc) — формирует матрицу, которая является блоком матрицы A, расположенным в строках с ir по jr и в столбцах с ic по jc, ir <= jr, ic <= jc.

Функции отыскания различных числовых характеристик матриц:

  •  last(v) — вычисление номера последнего элемента вектора v;
  •  lenght(v) — вычисление количества элементов v вектора;
  •  rows(A) — вычисление числа строк в матрице A;
  •  cols(A) — вычисление числа столбцов в матрице A;
  •  max(A) — вычисление наибольшего элемента в матрицы A;
  •  tr(A) — вычисление следа квадратной матрицы A (след матрицы равен сумме ее диагональных элементов);
  •  rank(A) — вычисление ранга матрицы A;
  •  norm1(A), norm2(A), norme(A), normi(A) — вычисление норм квадратной матрицы A.

Функции, реализующие численные алгоритмы решения задач линейной алгебры:

  •  rref(A) — приведение матрицы к ступенчатому виду с единичным базисным минором (выполняются элементарные операции со строками матрицы);
  •  eigenvals(A) — вычисление собственных значений квадратной матрицы А ;
  •  eigenvecs(A) — вычисление собственных векторов квадратной матрицы А; значением функции является матрица, столбцы которой есть собственные векторы матрицы А; порядок следования векторов отвечает порядку следования собственных значений, вычисленных функцией eigenvals(A);
  •  eigenvec(A, l) — вычисление собственного вектора матрицы А, отвечающего собственному значению l;
  •  lsolve(A, b) — решение системы линейных алгебраических уравнений Ax=b.

4.2 Задачи математического анализа в среде пакета Mathcad

4.2.1 Вычисление пределов

Для вычисления пределов предназначены три кнопки в панели Calculus панели математических инструментов:

 -   оператор вычисления предела функции в точке или на бесконечности;

и  -   операторы вычисления односторонних пределов соответсвенно справа и слева.

Для вычисления предела нужно:

  •  щелкнуть по свободному месту в рабочем документе, затем щелкнуть по нужной кнопке, ввести с клавиатуры в помеченных позициях имя или выражение допредельной функции и предельной точки;
  •  выделить все выражение и щелкнуть по строке Symbolically в пункте Evaluate меню Symbolics (или щелкнуть по кнопке в панели символьных операций Symbolic).

4.2.2 Дифференцирование

Чтобы найти производную нужно:

  •  щелкнуть по свободному месту в рабочем документе, щелкнуть в панели Calculus по кнопке , ввести с клавиатуры в помеченных позициях имя или выражение функции и аргумента;
  •  заключить все выражение в выделяющую рамку и щелкнуть по строке Symbolically в пункте Evaluate меню Symbolics  (или щелкнуть по кнопке в панели символьных операций Symbolic).

Чтобы найти производные высших порядков нужно:

  •  щелкнуть по свободному месту в рабочем документе, щелкнуть в панели Calculus по кнопке , ввести с клавиатуры в помеченных позициях имя или выражение функции и аргумента;
  •  заключить все выражение в выделяющую рамку и щелкнуть по строке Symbolically в пункте Evaluate меню Symbolics  (или щелкнуть по кнопке в панели символьных операций Symbolic).

Чтобы найти производную с помощью меню нужно:

  •  ввести в рабочий документ выражение для функции;
  •  выделить аргумент и щелкнуть по строке Differentiate в пункте Variable меню Symbolics.

4.2.3 Интегрирование

Чтобы найти неопределенный интеграл нужно:

  •  щелкнуть по свободному месту в рабочем документе, щелкнуть в панели Calculus по кнопке ,   ввести с клавиатуры в помеченных позициях выражение функции и имя переменной интегрирования;
  •  заключить все выражение в выделяющую рамку и щелкнуть по строке Symbolically в пункте Evaluate меню Symbolics  (или щелкнуть по кнопке в панели символьных операций Symbolic).

Чтобы вычислить определенный интеграл нужно:

  •  щелкнуть по свободному месту в рабочем документе, щелкнуть в панели Calculus по кнопке ,   ввести с клавиатуры в помеченных позициях выражение функции, имя переменной интегрирования и пределов интегрирования;
  •  заключить все выражение в выделяющую рамку и щелкнуть по строке Symbolically в пункте Evaluate меню Symbolics  (или щелкнуть по кнопке в панели символьных операций Symbolic).

Чтобы найти неопределенный интеграл с помощью меню нужно:

  •  ввести в рабочий документ выражение для интегрируемой функции;
  •  выделить аргумент и щелкнуть по строке Integrate в пункте Variable меню Symbolics.

4.2.4 Суммирование рядов

Чтобы вычислить конечную сумму и сумму сходящегося ряда нужно:

  •  щелкнуть по свободному месту в рабочем документе, щелкнуть в панели Calculus по кнопке ,   ввести с клавиатуры в помеченных позициях выражение функции, имя индекса суммирования, его первое и последнее значения (для рядов нужно ввести в качестве последнего значения символ бесконечности, щелкнув по кнопке в той же панели);
  •  заключить все выражение в выделяющую рамку и щелкнуть по строке Symbolically в пункте Evaluate меню Symbolics  (или щелкнуть по кнопке в панели символьных операций Symbolic).
    Чтобы получить вычисленное значение в десятичном формате, нужно выделить его, щелкнуть   по строке
    Floating Point в пункте Evaluate меню Symbolics и ввести в окне диалога требуемое число десятичных знаков.

Можно сразу получить значение суммы в десятичном формате, щелкнув вместо Symbolically по строке Floating Point.

4.2.5 Разложение функций по формуле Тейлора

Чтобы найти разложение функции по формуле Тейлора в окрестности любой точки из области определения функции нужно:

  •  щелкнуть по свободному месту в рабочем документе, щелкнуть в панели Symbolic по кнопке ;
  •  ввести с клавиатуры перед ключевым словом  series выражение для функции, после ключевого слова - выражение <имя переменной = точка, в окрестности которой строится разложение> и степень старшего члена в разложении (знак равенства можно ввести, щелкнув по соответсвующей кнопке панели Boolean);
  •  щелкнуть в рабочем документе вне выделяющей рамки;
    в рабочем документе отображается только сам многочлен Тейлора (частичная сумма ряда Тейлора).

Чтобы найти разложение функции по формуле Тейлора с помощью меню нужно:

  •  ввести функцию, выделить переменную, щелкнуть по строке Expand to Series в пункте Variable меню Symbolics;
  •  ввести в окне диалога степень старшего члена в разложении и щелкнуть по кнопке Ok; в рабочем документе отображается соответствующее разложение с остаточным членом в форме Пеано.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72726. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА 93 KB
  Цель работы: Изучение конструкции синхронного генератора и экспериментальное определение его характеристик и параметров. Программа работы Ознакомиться с конструкцией генератора и схемой испытательного стенда. Снять характеристику холостого хода генератора...
72727. ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ И СМЕШАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 298.5 KB
  Изучение устройства двигателя постоянного тока, условий его пуска, реверсирования и исследование эксплуатационных свойств. Ознакомиться с лабораторной установкой. Записать паспортные (номинальные) данные электродвигателя.
72728. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ 290.5 KB
  Полупроводниковые стабилизаторы напряжения используются в основном для питания электронной аппаратуры. При их разработке нужно обеспечить две группы показателей: 1 максимальное выходное напряжение заданный диапазон регулирования выходного напряжения допустимую относительную...
72730. Создание простейшего прикладного приложения: калькулятор, просмоторщик рисунков, графический редактор, текстовый редактор, медиаплеер 4.9 MB
  Цель работы. Разработка приложений использующих главное меню формы всплывающего меню строки состояния панели инструментов быстрых кнопок с картинками подсказок к кнопкам а также стандартных диалогов открытия и сохранения файлов на примере создания приложения для просмотра графических файлов точечных рисунков.
72732. Изучение компонентов среды С++ Builder 6: TStringGrid (таблица строк), TMainMenu. Работа с массивами данных 264 KB
  Получение навыков работы с компонентами TStringGrid (таблица строк), TMainMenu (главное меню), программирования ввода матрицы смежности графа с помощью компоненты TStringGrid, разработки классов для решения задач на графах.
72733. История одного ордена (орден Отечественной войны) 75.5 KB
  Цель: Через знакомство с историей ордена Отечественной войны установить имена ветеранов Великой Отечественной войны проживающих в нашем поселке награжденных этим орденом. Актуальность: В 2011 году 22 июня весь наш народ вспоминал одну из самых трагичных страниц в истории России начало Великой Отечественной...
72734. История семьи в судьбе Отечества (вечер воспоминаний) 35 KB
  Цель: Затронуть патриотические чувства учащихся, сделать акцент на выборе доблестной и почетной профессии военного. Побуждать родителей делиться опытом о том, как в семье хранит память о старшем поколении, воспитываются моральные ценности, строятся отношения между поколениями, формируется отношение к окружающему миру.