Уравнения и неравенства
Mathematica включает в себя средства поиска корней различных типов уравнений и систем. Чаще всего для этих целей используется функция Solve[eqn, var], где eqn — уравнение или система, задаваемая списком уравнений, var — переменная или список переменных, которые требуется определить. Результат вычислений — список корней (возможно пустой).
Палитра Basic Calculations в разделе Algebra содержит несколько шаблонов для ввода функции Solve (пункт Solving Equations). Обратите внимание, что левая и правые части уравнения соединяются символами ==, например,
Решения ищутся на множестве комплексных чисел, причем мнимая единица обозначается символом I. Для тригонометрических уравнений выдается только одно из бесконечного множества решений.
Программа позволяет также решать логарифмические и показательные уравнения. Натуральные логарифмы задаются функцией Log, а логарифмы по произвольному основанию n — в виде Log[n, expr], где expr — аргумент логарифмической функции, например, Log[2, 1024]. Для Эйлеровой константы (основания натурального логарифма) используется обозначение E.
Пример
Следующий фрагмент демонстрирует решение уравнения :
Для решения неравенств предварительно следует подключить дополнительный модуль расширения Algebra:
Имя функции, решающей неравенства, совпадает с названием подпакета — InequalitySolve. Для задания неравенств используют знаки > (строго больше), >= (больше или равно), < (строго меньше) и <= (меньше или равно), например,
При решении неравенств, отличных от дробно-рациональных, система выдает предупреждение о возможном некорректном решении:
В тех случаях, когда невозможно решить заданное уравнение аналитически, можно приближенно вычислить значение корня следующим образом. Сначала при помощи функции Plot строются графики левой и правой частей уравнения и по рисунку находится первое приближение x0. Затем для уточнения значения корня применяется функция FindRoot. Если L(x) и R(x) — соответственно левая и правая части уравнения, x — искомый корень, а x0 — его приближенное значение, определенное с помощью графика, то функция для поиска корня имеет вид:
Пример
Найдем приближенное решение уравнения e x =x 2 . Построим графики функций e x и x 2 , выполнив команду Plot[
Мы получим изображение графиков функций e x и x 2 на одном чертеже для значений аргумента x, изменяющегося на отрезке [-1,1].
Для уточнения решения нашего уравнения воспользуемся командой FindRoot[Exp[x]==x^2,
Пример
Как правило, тригонометрические уравнения имеют бесконечно много решений, поэтому можно указывать различные начальные приближения и получать приближенные значения разных корней уравнения. Так, выполнив команду FindRoot[Sin[x^2]==0,
Новое в Wolfram Language | Аналитическое решение уравнений в частных производных
Перевод поста Devendra Kapadia «New in the Wolfram Language: Symbolic PDEs».
Код, приведенный в статье, можно скачать здесь.
Выражаю огромную благодарность Кириллу Гузенко KirillGuzenko за помощь в переводе и подготовке публикации. Уравнения в частных производных (УрЧП) играют очень важную роль в математике и ее приложениях. Их можно использовать для моделирования реальных явлений, таких как колебания натянутой струны, распространения потока тепла в стержне, в финансовых областях. Цель этой статьи — приоткрыть завесу в мир УрЧП (тем кто еще с ним не знаком) и ознакомить читателя с тем, как можно эффективно решать УрЧП в Wolfram Language, используя новый функционал для решения краевых задач в DSolve, а так же новую функцию DEigensystem, которая появилась в версии 10.3.
История УрЧП восходит к работам известных математиков восемнадцатого века — Эйлера, Даламбера, Лапласа, однако развитие этой области в последние три столетия так и не остановилось. И потому в статье я приведу как классические, так и современные примеры УрЧП, что позволит рассмотреть эту область знаний под разными углами.
Давайте начнем с рассмотрения колебаний натянутой струны с длиной π, закрепленной на обоих концах. Колебания струны можно смоделировать с помощью одномерного волнового уравнения, приведённого ниже. Здесь u(x,t) — вертикальное смещение точки струны с координатой х в момент времени t:
Затем мы задаём граничные условия, указав тем самым, что концы струны при колебаниях сохраняют свои положения.
Зададим теперь начальные условия для движения струны, указав смещения и скорости различных точек струны в момент времени t=0:
Теперь мы можем использовать DSolve для решения волнового уравнения с начальными и краевыми условиями:
Как указано выше, решение есть бесконечная сумма тригонометрических функций. Сумма возвращается в невычисленной форме (Inactive), поскольку каждый отдельный член разложения имеет физическую интерпретацию, и зачастую даже небольшое количество членов может являться хорошим приближением. К примеру, мы можем взять первые четыре члена для получения приближенного решения asol(x,t)
Каждый член в сумме представляет собой стоячую волну, которые могут быть представлены следующим образом:
И все эти стоячие волны складываются воедино, образуя гладкую кривую, как показано на анимации ниже:
Волновое уравнение относится к классу линейных гиперболических уравнений в частных производных, описывающих распространение сигналов с конечными скоростями. Это УрЧП представляет собой удобный способ для моделирования колебаний в струне или в каком-то другом деформирумом теле, однако ещё более важную роль оно играет в современной физике и инженерных приложениях, т.к. оно описывает распространение света и электромагнитных волн.
Давайте теперь смоделируем поток тепла в стержне единичной длины, изолированном с обоих концов, с помощью представленного ниже уравнения теплопроводности:
Поскольку стержень изолирован с обоих концов, то через них проходит нулевой поток тепла, что можно выразить как граничные условия вида х = 0 и х = 1:
Теперь нужно указать начальное температурное распределение в стержне. В этом примере мы будем использовать приведённую ниже линейную функцию. В левом конце (х = 0) начальная температура — 20 градусов, в правом (х = 1) — 100:
И теперь мы можем решить уравнение теплопроводности с заданными условиями:
Как и в приведённом выше примере с волновым уравнением, мы можем извлечь несколько членов суммы и получить приближенное решение:
Первый член приближенного решения — 60 — среднее от температур на границах стержня, и она является стационарной температурой для этого стержня. Как показано на графике функции температуры от длины, представленном ниже, температура стержня быстро достигает стационарного значения в 60 градусов:
Уравнение теплопроводности относится к классу линейных параболических уравнений в частных производных, которые описывают процессы диффузии. Это простое на вид уравнение часто можно встретить в самых различных, а иногда и весьма неожиданных областях. Далее в статье мы рассмотрим два примера этого явления.
Рассмотрим теперь уравнение Лапласа, которое используется для моделирования стационарного состояния систем, т. е. поведения после некоторых зависящих от времени уже законченных переходных процессов. В двумерном случае это уравнение можно представить следующим образом:
Ограничим координаты х и у прямоугольной областью Ω, как показано ниже:
Классическая задача Дирихле — найти функцию u(x,y), удовлетворяющую уравнению Лапласа внутри области Ω с заданным условием Дирихле (DirichletCondition), которое определяет значения на границах области Ω, как показано ниже:
Задачу Дирихле можно решить с помощью функции DSolve, весьма изящно задав при этом область:
Как и в примерах ранее, мы можем извлечь некоторое количество членов (скажем, 100) из суммы и визуализировать решение:
Следует заметить, что решение u(x,y) задачи Дирихле представляется гладким в Ω, несмотря на то, что граничные условия имеют резкие черты. Помимо этого, u(x,y) достигает экстремальных значений на границах, в то время как в центре прямоугольника находится седловая точка. Эти черты характерны для линейных эллиптических уравнений — класса уравнений в частных производных, к которым и принадлежит уравнение Лапласа.
Волновое уравнение, уравнение теплопроводности, уравнение Лапласа — самые известные примеры классических УрЧП. Теперь мы рассмотрим три примера типичных современных УрЧП, первым среди которых будет уравнение Бюргерса для вязкой жидкости, которое может быть представлено следующим образом:
Это нелинейное УрЧП было введено Иоханнесом Бюргерсом в сороковых годах в качестве простой модели для турбулентных потоков (параметр ϵ в уравнении представляет собой вязкость жидкости). Однако, десять лет спустя, Э. Хопф и Д. Коул показали, что уравнение Бюргерса сводится к уравнению теплопроводности, а это значит, что данное уравнение не может проявлять хаотического поведения. Преобразование Коула-Хопфа позволяет решать уравнения Бюргерса в замкнутой форме для начального условия, заданного, к примеру, так:
В этом примере мы будем использовать функцию DSolveValue, которая возвращает только выражение для решения. Члены с функцией ошибок (Erf) в формуле ниже возникают из решения соответствующей граничной задачи теплового уравнения:
Представленный ниже график демонстрирует изменение во времени гипотетического одномерного поля скоростей потока. Решение представляется гладким для положительного ϵ, при том что начальное условие есть кусочно заданная функция:
Как можно заметить на нижепреведённых графиках, решение стремится к разрывному при сремлении вязкости ϵ к нулю. Подобные решения с резким переходом (shock solutions) — известная особенность уравнений Бюргерса для невязкой (ϵ = 0) среды.
В качестве второго примера современных УрЧП рассмотрим уравнение Блэка-Шоулза, используемое в финансовых расчётах. Это уравнение впервые представили Фишер Блэк и Майрон Шоулз в 1973 году в качестве модели для определения теоретической цены на европейские опционы, и формулируется оно следующим образом:
где:
c — цена опциона как функция от стоимости акций s и времени t,
r — процентная ставка без риска,
σ — волатильность акций.
В их эпохальной статье (которая была процитирована более 28000 раз), Блэк и Шоулз отметили, что их уравнения с помощью преобразования переменных могут быть сведены к уравнению теплопроводности. Это резкое упрощение приводит к знаменитой формуле Блэка-Шоулза для европейских опционов с конечными условиями, основанными на цене исполнения (strike price) k актива в момент времени t=Т:
Вооружившись этой формулой, мы можем вычислить значения финансовых опционов для типичных значений параметров:
Ответ согласуется со значением, полученным с помощью встроенной функции FinancialDerivative:
В качестве третьего примера современных УрЧП рассмотрим уравнение Шредингера для электрона в одномерной потенциальной яме с глубиной d и соответствующим начальным условием. Уравнение и условия можно сформулировать следующим образом:
Этот пример имеет элементарное решение, которое принимает мнимые значения из-за наличия I в уравнении Шредингера:
Функция плотности вероятности для электрона ρ = Ψ ⊹ Ψ, с использованием подходящих значений параметров в задаче, может быть вычислена следующим образом:
Мы можем создать анимацию изменения плотности вероятности во времени, которая показывает, что «центр» электрона в яме движется из стороны в сторону:
Собственные значения и собственные функции играют важную роль как в решении уравнения Шрёдингера, так и в других УрЧП. В частности, они предоставляют «строительные блоки» для решений волновых уравнений и уравнений теплопроводности в виде бесконечных сумм, которые приводились ранее в статье. Поэтому, в качестве нашего последнего примера рассмотрим задачу о нахождении девяти наименьших собственных значений и собственных функций для оператора Лапласа с однородным (нулевым) условием Дирихле для трехмерной сферической области. Найдем девять наименьших значений λ и соответствующих им функций ϕ, удовлетворяющих Λϕ = λ ϕ, которые определяются следующим образом:
Новая функция DEigensystem в версии 10.3 позволяет вычислить требуемые собственные значения и функции следующим образом:
Собственные значения в этой задаче выражаются через BesselJZero. Вот пример:
Собственные значения можно визуализировать с помощью функции DensityPlot3D, которая возвращает красивые графики, как показано ниже:
УрЧП являются важным инструментом во многих отраслях науки и техники, в статистике и финансах. На более фундаментальном уровне они предоставляют точные математические формулировки некоторых самых глубоких и тонких вопросов о нашей Вселенной, скажем, о возможности существования голых сингулярностей. По моему опыту, изучение УрЧП награждает редким сочетанием из практических идей и интеллектуального удовлетворения.
Рекомендую изучить документацию по DSolve, NDSolve, DEigensystem, NDEigensystem и методу конечных элементов, чтобы узнать больше о различных подходах к решению УрЧП в Wolfram Language.
УрЧП в символьной форме поддерживаются в Wolfram Mathematica и Wolfram Language с версии 10.3, а в ближайшее время будут представлены и во всех остальных программных продуктах Wolfram.
Algebra
Algebra is one of the core subjects of mathematics. Algebra consists of the study of variables within number systems, along with operations that act on numbers and symbols. Wolfram|Alpha is a tremendous resource for solving equations; exploring polynomials; and studying fields, groups, vectors and matrices.
Solve equations in one or more variables both symbolically and numerically.
Solve a polynomial equation:
Solve a system of linear equations:
Solve an equation with parameters:
Compute discontinuities and other properties of rational functions.
Compute properties of a rational function:
Compute a partial fraction decomposition:
Perform computations with the quaternion number system.
Get information about a quaternion:
Do calculations with quaternions:
Find the domain and range of mathematical functions.
Compute the domain of a function:
Compute the range of a function:
Solve, plot and find alternate forms of polynomial expressions in one or more variables.
Как решить уравнение в вольфрам математика
1. Решение рациональных, дробно-рациональных уравнений любой степени, показательных, логарифмических, тригонометрических уравнений.
Пример 1 . Чтобы решить уравнение x 2 + 3 x — 4 = 0, нужно ввести solve x^2+3x-4=0
Пример 2. Чтобы решить уравнение log32x = 2 , нужно ввести solve log(3, 2x)=2
Пример 3. Чтобы решить уравнение 25 x-1 = 0.2 , нужно ввести solve 25^(x-1)=0.2
Пример 4. Чтобы решить уравнение sin x = 0.5 , нужно ввести solve sin(x)=0.5
2. Решение систем уравнений.
Пример . Чтобы решить систему уравнений
нужно ввести solve x+y=5 && x-y=1
Знаки && в данном случае обозначает логическое «И».
3. Решение рациональных неравенств любой степени.
Пример . Чтобы решить неравенство x 2 + 3 x — 4 < 0, нужно ввести solve x^2+3x-4<0
4. Решение систем рациональных неравенств.
Пример. Чтобы решить систему неравенств
нужно ввести solve x^2+3x-4<0 && 2х^2 — x + 8 > 0
Знаки && в данном случае обозначает логическое «И».
5. Раскрытие скобок + приведение подобных в выражении.
Пример . Чтобы раскрыть скобки в выражении (c+d) 2 (a-c) и привести подобные, нужно
ввести expand (c+d)^2*(a-c) .
6. Разложение выражения на множители.
Пример . Чтобы разложить на множители выражение x 2 + 3 x — 4, нужно ввести factor x^2 + 3x — 4 .
7. Вычисление суммы n первых членов последовательности (в том числе арифметической и геометрической прогрессий).
Пример . Чтобы вычислить сумму 20 первых членов последовательности, заданной формулой an = n 3 +n, нужно ввести sum n^3+n, n=1..20
Если нужно вычислить сумму первых 10 членов арифметической прогрессии, у которой первый член a 1 = 3, разность d = 5, то можно, как вариант, ввести a1=3, d=5, sum a1 + d(n-1), n=1..10
Если нужно вычислить сумму первых 7 членов геометрической прогрессии, у которой первый член b 1 = 3, разность q = 5, то можно, как вариант, ввести b1=3, q=5, sum b1*q^(n-1), n=1..7
8. Нахожд ение производной.
Пример . Чтобы найти производную функции f(x) = x 2 + 3 x — 4, нужно ввести derivative x^2 + 3x — 4
9. Нахожд ение неопределенного интеграла.
Пример . Чтобы найти первообразную функции f(x) = x 2 + 3 x — 4, нужно ввести integrate x^2 + 3x — 4
10. Вычисление определенного интеграла.
Пример . Чтобы вычислить интеграл функции f(x) = x 2 + 3 x — 4 на отрезке [5, 7],
нужно ввести integrate x^2 + 3x — 4, x=5..7
11. Вычисление пределов.
Пример . Чтобы убедиться, что
введите lim (x -> 0) (sin x)/x и посмотрите ответ. Если нужно вычислить какой-то предел при x, стремящемся к бесконечности, следует вводить x -> inf .
12. Исследование функции и построение графика .
Пример . Чтобы исследовать функцию x 3 — 3 x 2 и построить ее график, просто введите x^3-3x^2 . Вы получите корни (точки пересечения с осью ОХ), производную, график, неопределенный интеграл, экстремумы.
13. Нахождение наибольшего и наименьшего значений функции на отрезке .
Пример . Чтобы найти минимальное значение функции x 3 — 3 x 2 на отрезке [0.5, 2],
нужно ввести minimize (x^3-x^2),
Чтобы найти максимальное значение функции x 3 — 3 x 2 на отрезке [0.5, 2],
нужно ввести maximize (x^3-x^2),