Maple 9.5/10 в математике, физике и образовании - Владимир Дьяконов

> evalf(%);

> Int(exp(-x)*cos(x),x=0..infinity);

> value(%);

Для подавляющего большинства интегралов результат вычислений с применением функций Int и int оказывается абсолютно идентичным. Однако есть и исключения из этого правила. Например, следующий интеграл благополучно очень быстро вычисляется функцией Int с последующей evalf:

> Int(cos(х)/(x^4+x+1),x=-infinity..infinity);

> evalf(%);

Однако в Maple 9 функция int вместо числа возвращает «страшное» выражение:

> int(cos(х)/(х^4+х+1),x=-infinity..infinity);

Увы, но функция evalf(%), примененная после него, к более простому выражению не приводит — она просто повторяет выражение в выходной строке. Maple 9.5 при вычислении этого интеграла просто «завис» и спустя минуту так и не выдал результат.

Построив график подынтегрального выражения (проделайте это сами) можно убедиться в том, он представляет собой сильно затухающую волну с узким высоким пиком в точке x=1. Попытаемся выполнить интегрирование в достаточно больших, но конечных пределах, где волна почти полностью затухает:

> int(cos(х)/(х^4+х+1),х=-1000..1000);

> evalf(%);

На сей раз результат получен (Maple 9.5 затратил на это около секунды). Он очень близок к полученному функцией Int, но все же имеет подозрительную мнимую часть с вроде бы нулевым значением. Он показывает, что не все здесь благополучно и что «пенки» в вычислении некоторых интегралов в Maple 9.5 все же возможны.

4.4.7. Вычисление несобственных интегралов второго рода

К несобственным интегралам второго рода относятся интегралы, имеющие в пределах интегрирования особенности подынтегральной функции. При этом сами пределы могут быть и конечными. Некоторые интегралы не имеют в среде Maple 9.5 общего решения, но исправно вычисляются для частных случаев (см. ниже для n неопределенного и конкретного n=6):

> Int(1/sqrt(1-х^n),х=0..1);

> value(%);

Definite integration: Can't determine if the integral is convergent. Need to know the sign of —> n

Will now try indefinite integration and then take limits.

> Int(1/sqrt(1-х^6),х=0..1)=evalf(int(1/sqrt(1-х^6) , х=0..1));

Приведем тройку примеров, требующих для вычислений «вручную» заметных умственных усилий, но прекрасно выполняемых системой Maple:

> Int((х-1)/ln(х),х=0..1)=int((х-1)/ln(х),х=0..1);

> Int(ln(1-х)/x,x=0..1)=int(ln(1-х)/x,x=0..1);

> Int(exp(-x)*sin(x)/x,x=0..infinity)=int(exp(-x)*sin(x)/x, x=0..infinity);

Однако не стоит думать, что всегда «коту масленица». Следующий интеграл дает весьма подозрительный результат:

> Int(1/(х^2*(sqrt(х^2-9))),х=0..infinity);

> value(%);

Это наглядный пример, когда Maple 9.5 «нагло врет», несмотря на заверения его создателей о том, что эта система прошла полную сертификацию на вычисления интегралов. Выполнив некоторые преобразования, найдем интеграл в системе Maple 8:

> Int(1/(t^2*(sqrt(t^2-9))), t=3..x) = int(1/(t^2*(sqrt(t^2-9))), t=3..x);

Увы, Maple 9.5 вычислять данный интеграл не желает — он его просто повторяет. Но, и в Maple 8 и в Maple 9.5 нужное значение определяется пределом этого выражения при х, стремящемся к бесконечности:

> Int(1/(x^2*(sqrt(х^2-9))),х=0..infinity) = value(Limit(rhs(%),x=infinity));

Этот пример наглядно показывает, что иногда полезны аналитические преобразования, выполняемые «вручную», то бишь с помощью своей головы. К сожалению, с подобными «фокусами» иногда приходится встречаться.

Приведенные примеры говорят о том, что и новые реализации Maple не лишены отдельных недостатков, возможно и привнесенных в их доработанное ядро. В общем, как говорят у нас в армии «Доверяй, но — проверяй!». Интегралы, представляемые через специальные математические функции, Maple 9.5/10 нередко вычисляет хуже, чем система Mathematica 4.5/5.

4.4.8. Интегралы с переменными пределами интегрирования

К интересному классу интегралов относятся определенные интегралы с переменными пределами интегрирования. Если обычный определенный интеграл представлен числом (или площадью в геометрической интерпретации), то интегралы с переменными пределами являются функциями этих пределов.

На рис. 4.8 показано два примера задания простых определенных интегралов с переменным верхним пределом (сверху) и обоими пределами интегрирования (снизу).

Рис. 4.8. Примеры интегралов с переменными пределами интегрирования

На этом рисунке построены также графики подынтегральной функции (это наклонная прямая) и функции, которую задаёт интеграл.

4.4.9. Вычисление кратных интегралов

Функции int и Int могут использоваться для вычисления кратных интегралов, например, двойных и тройных. Для этого функции записываются многократно (файл intm):

> restart;

> Int(int(1/(x*y),x=4.0..4.4),y=2.0..2.6);

> value(%);

> Int(Int(Int((х^2+у^2)*z, x=0..a), y=0..a), z=0..a);

> value(%);

> Int(Int(2-х-у, x=sqrt(у)..у^2), у=0..1);

> value(%);

> evalf(I1);

Обратите внимание на нечеткую работу функции evalf в последнем примере. Эта функция уверенно выдает значение evalf(Pi) в форме вещественного числа с плавающей точкой, но отказывается вычислить значение интеграла, в которое входит число Pi. Этот пример говорит о том, что отдельные недостатки у Maple все же есть, как и поводы для ее дальнейшего совершенствования. В пакете расширения student имеются дополнительные функции интегрирования, которые дополняют уже описанные возможности. В частности, в этом пакете есть функции для вычисления двойных и тройных интегралов.

4.4.10. О вычислении некоторых других интегралов

Maple открывает большие возможности в вычислении криволинейных, поверхностных и объемных интегралов. Нередко такие интегралы довольно просто заменяются на интегралы с переменными пределами интегрирования, что и иллюстрируют приведенные ниже примеры.

Пусть требуется вычислить объем фигуры, ограниченной координатными плоскостями и плоскостью х+у+z=1. Он, с учетом равенства z=1-х-у, задается интегралом:

который заменяется следующим интегралом:

> Int(Int(1-х-у,у=0..1-х),х=0..1)=int(int(1-х-у,у=0..1-х),х=0..1);

Последний, как видно, легко вычисляется.

Теперь вычислим массу указанной фигуры, которая задается тройным интегралом:

Здесь k — константа, характеризующая удельную площадь вещества. Этот интеграл также сводится к легко решаемому в Maple 9.5:

> m=Int(Int(Int(k*x*y*z,z=0..1-x-y),y=0..1-х),x=0..1);

> value(%);

Специальные средства для вычисления подобных интегралов имеет пакет расширения VectorCalculus, который описывается в конце этой главы.

4.4.11. Maplet-демонстрация построения графика первообразной

В составе самоучителей Maple 9.5 есть раздел Antiderivative, который иллюстрирует технику построения первообразной функции при интегрировании. Для доступа к окну этого инструмента (рис. 4.9) достаточно исполнить команду Tools→Tutors→Calculus-Single Variables→Antiderivative….

Рис. 4.9. Окно Maplet-демонстрации графиков функций и первообразных

Окно Maplet-демонстрэции интегрирования позволяет задать подынтегральную функцию и построить ее график и график первообразной функции, представляющей неопределенный интеграл. В окне а и b это не пределы интегрирования, а пределы изменения х при построении графиков. Опция Show class of antiderivatives позволяет построить графики множества первообразных, с выделением графика первообразной функции для заданного начального значения Initial Value. По завершении работы с окном демонстрации графики выводятся в документ Maple 9.5 — рис. 4.10.

Рис. 4.10. Графики исходной функции и первообразных в окне документа Maple 9 5

4.4.12. Maplet-демонстрация методов интегрирования

Для демонстрации методов пошагового интегрирования имеется Maplet-инст-румент Step-by-step Integration Tutor. Для вызова его окна (рис. 4.11) нужно исполнить команду (в стандартном варианте интерфейса): Tools→Tutors→Calculus-Single Variables→Antiderivative….

Рис. 4.11. Окно Maplet-демонстрации методов пошагового интегрирования

Нетрудно заметить, что это окно практически аналогично окну для демонстрации методов пошагового дифференцирования, описанному в разделе 4.3.4 (рис. 4.2). В связи с этим подробное описание средств этого инструмента можно опустить. Отметим лишь, что он позволяет задавать подынтегральную функцию и пределы интегрирования и по шагам (автоматически или вручную) вычислять интегралы. По окончании работы с окном соответствующий интеграл и результат его вычисления появляется в окне документа — рис. 4.12.