Использование Wolfram Mathematica в решении дифференциальных уравнений
Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
NovaInfo55, с. 5-9
Опубликовано 20 ноября 2016
Раздел: Физико-математические науки
Просмотров за месяц: 50
CC BY-NC
Аннотация
В статье рассматриваются примеры решения обыкновенных дифференциальных уравнений в системе Wolfram Mathematica.
Ключевые слова
Текст научной работы
Системы компьютерной математики (Maple, Mathematica, MatLab, Derive и др.) применяются в различных областях науки. Они содержат процедуры для численных и аналитических расчетов, средства программирования, визуализации. В настоящее время пакеты прикладных программ используются не только при решении численных задач, но и при доказательстве теорем. Системы компьютерной математики используются в решении математических проблем в работах Д.С. Воронова, О.П. Гладуновой, Е.С. Корнева, М.В. Куркиной, Е.Д. Родионова, Я.В. Славолюбовой, В.В. Славского, Н.К. Смоленцева, Л.Н. Чибриковой и др.
Система компьютерной математики Wolfram Mathematica является одним из наиболее распространенных программных средств, которое позволяет выполнять численные, символьные вычисления, имеет развитую двумерную и трехмерную графику, а также встроенный язык программирования высокого уровня. Для знакомства с языком программирования Wolfram Language рекомендуется интернет-ресурс Wolfram Language & System «Documentation Center» (http://reference.wolfram.com/language/). Выбирая раздел, можно познакомиться с имеющимися командами для решения задач и с примерами их использования. Примеры использования Mathematica в решении геометрических задач приведены в 5.
Система Mathematica обладает обширными возможностями решения обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем в символьном виде. Для этого используется функция DSolve, в алгоритме которой реализовано большинство известных на сегодняшний день аналитических методов.
Пример 1. Решим дифференциальное уравнение и построим график решений при различных значениях постоянной.
Пример 2. Решим уравнение y’=\frac
Попытаемся решить уравнение с помощью функции DSolve:
В данном случае функция DSolve не может решить нелинейное уравнение. Поэтому запишем уравнение в виде:
и будем интегрировать обе части уравнения:
Следовательно, общее решение уравнения примет вид
-(-2+y^2)\cos y+2y\sin y=x-10\ln (1-x)+13\ln(2-x)+C
Пример 3. Решим дифференциальное уравнение и построим поле направлений и график решения уравнения при различных значениях константы.
Построим таблицу решений, заменив С[1] на a, где a изменяется от -2 до 2 с шагом 0,5:
Отобразим два графика одновременно и покажем, что векторы поля направлений являются касательными к решениям дифференциального уравнения:
Система Wolfram Mathematica используется для решения дифференциальных уравнений не только в математике, но и актуальна в других научных областях. Ее можно применять и в механике, в частности, для решения различных постановок задач, где в качестве математических объектов используются дифференциальные уравнения. В работах [6,7] рассмотрены уравнения движения мембран и акустических сред в виде обыкновенных дифференциальных уравнений. Для их решения может быть использована система компьютерной математики Wolfram Mathematica.
Читайте также
Математическая подготовка студентов в вузе в контексте будущей профессиональной деятельности
Использование прикладных программ при изучении математической статистики
Применение систем компьютерной математики при изучении комплексного анализа
Организация самостоятельной работы студентов в условиях информационно-образовательной среды вуза
Системы компьютерной математики в решении дифференциальных уравнений
Список литературы
- Букушева А.В. Использование Mathematica для описания геометрии динамических систем // Математика и ее приложения: фундаментальные проблемы науки и техники : сборник трудов всероссийской конференции, Барнаул, 24 — 26 ноября 2015. — Барнаул : Изд-во Алт. ун-та, 2015. С. 248-249.
- Букушева А.В. Применение Wolfram Language для выделения специальных классов почти контактных метрических структур // Компьютерные науки и информационные технологии : Материалы Междунар. науч. конф. — Саратов : Издат. центр.»Наука», 2016. С. 105-107.
- Букушева А.В. Использование систем компьютерной математики для решения геометрических задач сложного уровня // Информационные технологии в образовании: Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции. – Саратов: ООО «Издательский центр «Наука»». 2014. – С. 76-77.
- Букушева А.В. Решение учебно-исследовательских задач с использованием систем компьютерной математики // Информационные технологии в образовании: Материалы VII Всеросс. научно-практ. конф. – Саратов: ООО «Издательский центр «Наука»», 2015. С.185-187.
- Букушева А.В. Учебно-исследовательские задачи в продуктивном обучении будущих бакалавров-математиков // Образовательные технологии. 2016. №2. С. 16-26.
- Вельмисова А.И. Распространение и отражение гармонических волн в плоском акустическом слое с гибкими стенками в случае разрыва упругих свойств на одной из стенок // Математика. Механика: Сб. науч. тр. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. Вып.12. С. 136-140.
- Вельмисова А.И., Вильде М.В., Кириллова И.В. Распространение и отражение гармонических волн в плоском акустическом слое с кусочно-неоднородными гибкими стенками // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2011. Т.11. №4. С. 68-73.
Цитировать
Зинина, А.И. Использование Wolfram Mathematica в решении дифференциальных уравнений / А.И. Зинина. — Текст : электронный // NovaInfo, 2016. — № 55. — С. 5-9. — URL: https://novainfo.ru/article/8754 (дата обращения: 23.02.2022).
Поделиться
Электронное периодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.
Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.
WolframAlpha по-русски
Математика с WolframAlpha ® . Объяснения с примерами.
Решение «буквенных» уравнений в Wolfram|Alpha
Задача «выразить х из уравнения (с несколькими неизвестными)» встречается довольно часто. Ее можно рассматривать, как решение уравнения с буквенными коэффициентами. Поэтому логично, что Wolfram|Alpha использует для решения таких «буквенных» уравнений запрос solve, который обычно служит для решения уравнений с одним неизвестным.
Вот простой пример такой задачи.
Запрос solve применительно к этому уравнению дает такой результат:
Здесь Wolfram|Alpha отдает приоритет отысканию переменной y. Возможно, полагая, что y это — функция, а x — ее аргумент? Кстати, тот же самый результат дает и запрос solve 2x+3y-1.
Если же из данного уравнения нужно найти именно х, то это следует указать явно. И вот, каким образом:
При этом, в отличие от первого варианта, здесь Wolfram|Alpha дает возможность посмотреть пошаговое решение задания с подробным текстовым комментарием:
(Эта замечательная особенность Wolfram|Alpha уже обсуждалась в одном из предыдущих постов Математика с Wolfram|Alpha: шаг за шагом. )
Итак, рассмотренный выше пример уже дает представление о том, как легко Wolfram|Alpha справляется с «буквенными» уравнениями. Однако, пойдет ли дело так же гладко, если вместо x и y взять другие буквы?
Запрос solve 2a+3b-1 дает следующее:
Однако, абсолютно аналогичный по структуре запрос solve 2n+3m-1 выводит совсем другой результат:
Конечно же! Логика здесь есть: Wolfram|Alpha по умолчанию считает неизвестным то, что обозначено буквой, расположенной ближе к концу алфавита. Но, если вы не уверены в своем знании английского алфавита, тогда, решая в Wolfram|Alpha буквенное уравнение, лучше каждый раз явно указывать неизвестную величину.
Естественно, теперь возникает вопрос: а что будет, если взять уравнение, которое содержит не два буквенных обозначения, а больше? Например, такое:
Как и следовало ожидать, здесь Wolfram|Alpha по запросу solve (без указания неизвестного) выводит решение квадратного уравнения относительно x:
Если же из данного уравнения нужно найти b, то запрос должен быть таким:
Аналогичным образом следует поступить, если ищем c:
Также ясно, что решение кубического уравнения
А вот, если нас интересует, как выражается из данного уравнения a, то запрос формулируем иначе:
Под конец, хочется задать Wolfram|Alpha вопрос посложнее. Например, сможет ли система решить такое «буквенное» уравнение?
Запрос solve без явного указания неизвестного выводит решение этого уравнения относительно z:
Если же нужно найти, к примеру, w, тогда, естественно, получим:
Что же касается решения трансцендентных «буквенных» уравнений, то все зависит от вида конкретного уравнения. Если уравнение допускает аналитическое решение, тогда это решение получается точно так же, как и ранее. Если же нет, тогда, по-возможности, Wolfram|Alpha выдает неявное решение в графическом виде.
Рассмотрим несколько типичных примеров.
Некоторые решения оказываются довольно неожиданными и по-своему красивыми:
Алгебра
Можно проводить факторизацию или раскрывать алгебраические выражения:
(Используйте CTRL + 6 для ввода степени.)
Out[1]= |
В Языке Wolfram символ == (два знака равенства) используется для проверки равенства:
Out[1]= |
Объединим алгебраические выражения с помощью == для формирования уравнения:
Out[2]= |
Функции, такие как Solve позволяют найти точные решения уравнений:
Out[1]= |
Для приближенных результатов используйте NSolve:
Out[2]= |
Систему уравнений можно передать функции в виде списка:
Out[3]= |
Найдем корни уравнения:
Out[1]= |
В случае если полином не так просто разложить на множители, то лучше использовать приближенные решения:
Out[2]= |
Функция Reduce сводит системы неравенств к простой форме:
Out[1]= |
Упрощенная форма может состоять из нескольких интервалов:
Out[2]= |
Функция NumberLinePlot — это удобный способ визуализации этих результатов:
Out[3]= |
Большое число уравнений и формул доступно через естественную форму ввода:
http://www.wolframalpha-ru.com/2011/10/wolframalpha_30.html
http://www.wolfram.com/language/fast-introduction-for-math-students/ru/algebra/