Функции и переменные в MathСad
Mathcad раскрывается в полной мере при использовании переменных и функций.
Два знака равенства
В математических вычислениях мы используем множество различных констант, переменных, операторов и знаков равенства. Обычно в жизни мы используем знак равенства для многих разных операций, но Mathcad отличает их. Наиболее важными операциями являются:
- определение (присвоение значения) — используется двоеточие;
- вычисление — используется знак равенства.
Важность оператора определения не меньше, чем важность оператора вычисления. В приведенном ниже примере значение y можно вычислить лишь после присвоения ему определенного значения. х и у здесь являются переменными.
Два знака равенства, которые изображены выше, имеют совершенно разные значения, поэтому нужно очень внимательно относится к ним.
Поставьте курсор перед числом 4 в примере выше.
Удалите число 4 клавишей [Delete], и введите 5. Нажмите на пустой области, чтобы выйти из области вычисления и увидите, что результат вычислений поменялся на 25:
Теперь попробуйте провести операцию удаления с числом 25. Вы увидите, что при попытке удаления число подсвечивается красным, а при следующем нажатии удалиться и знак равно.
Использование переменных
Введите такие выражения в область вычисления
Проведите операции замены значения х на такие: 100, 0.5, -4 и 0.
В первых двух случаях вы получите число в качестве результата. В третьем случае у вас будет мнимое число. При значении х ноль программа выведет ошибку и обведет результат красным. Если вы нажмете на красное выделение, то увидите описание проблемы:
Дальше мы поговорим о том, какие имена можно использовать для переменных, а какие нельзя. Существуют такие правила: имя переменной не может начинаться с цифры и в ней нельзя использовать пробелы или знаки операторов. Имена могут начинаться:
- с любой буквы как большой, так и маленькой;
- с других символов, которые не являются операторами;
- с символов из вкладки Математика -> Операторы и символы -> Символы;
- с символов из таблицы символов ОС Windows.
Использование переменных доступно, только если вы определите их заранее. Термин «заранее» обозначает, что присвоение значения переменной должно производиться выше или левее выражения, где эта переменная используется. Если вы не объявили переменную заранее, то появится сообщение об ошибке:
Подстрочные индексы
Mathcad существует два типа подстрочных индексов:
- Описательный подстрочный индекс.
- Индекс массива (матрицы).
Для ввода описательного индекса сначала введите желаемое имя переменной, а потом нажмите комбинацию [Ctrl+-], далее вводите подстрочный индекс.
Переменная, которая имеет описательный индекс — это простая переменная, которой присвоено имя. Индекс массива сильно отличается от него. Такой индекс можно присвоить, если ввести квадратную скобку [ после имени переменной. Переменная может иметь один или два индекса массива:
Индекс массива может иметь только числовое значение. При этом не путайте разные типы индексов, так как они довольно схожи визуально.
Более четко разницу видно, если нажать мышкой на выражение
Любая переменная может иметь оба индекса одновременно: описательный и индекс массива. Сначала всегда будет прописан описательный.
Функции
Использование переменных возможно только при определении их заранее. Но есть исключение из этого правила — определение функции. Можно произвести определение своей функции. Пример ниже.
Переменная а имеет для функции локальное значение. Она не несет определения за пределами этой функции.
Если вы присвоили значение переменной а до определения функции, то значение этой переменной не будет меняться в процессе вычисления функции. Внимание: Если вы присвоили переменной такое же имя, как и функции, вы не сможете использовать эту функцию. Переменная и функции должны иметь разные имена.
Вы не будете сталкиваться с такой проблемой, если будете задавать переменной и функции различные имена. Об обозначениях мы поговорим в уроке 10.
Функции могут иметь более одной переменной.
Значения переменных х и у не изменяются и в этой функции.
Встроенные функции
Mathcad имеет очень много встроенных функций. Перейдите во вкладку Функции.
Все функции вы можете увидеть, если нажмете на кнопку Все функции.
Обратите внимание, что все тригонометрические функции в качестве аргумента получают угол не в градусах, а в радианах. Чтобы использовать градусы нужно выбрать их во вкладке Математика -> Операторы и символы -> Символы.
Математика в тексте
В текстовую область можно поместить область вычислений. Так вы сможете использовать в тексте подстрочные и надстрочные символы. Чтобы сделать это, при редактировании текстовой области нужно нажать на кнопку Математика во вкладке Математика -> Области.
Резюме
1. Mathcad использует два знака равенства отдельно для определения := и для вычисления =.
2. Имя переменной нельзя начинать с цифры. Можно использовать для этого только буквы или символы, отличные от символов операторов. Символы можно вводить с панели Математика -> Операторы и символы -> Символы, а также брать из панели символов Windows.
3. Для определения значения переменной нужно:
- щелкнуть на пустую область;
- ввести имя переменной;
- ввести оператор определения [:=];
- ввести значение переменной.
4. Для присвоения переменной подстрочного описательного индекса нужно:
- нажать мышкой в конце имени переменной;
- нажать [Ctrl+-];
- ввести подстрочный индекс.
5. Для присвоения переменной индекса массива:
- нажмите мышкой в конце имени переменной;
- нажмите на клавиатуре на открывающуюся квадратную скобку [;
- ввести нужный подстрочный индекс.
6. Определять переменную нужно только выше или левее места использования ее в вычислениях.
7. Имя функции вводится с теме же правилами, что и имя переменной, с той лишь разницей, что заканчивать имя функции нужно вводом открывающейся скобки [(]. В них будут размещаться аргументы функции.
8. Переменные в функциях имеют определение только в рамках этой функции.
9. В тексте можно размещать математическую область. Это можно применять при интеграции в текст надстрочных или подстрочных символов.
Какие виды функций в mathcad вам известны
Встроенные функции и ключевые слова
В этом приложении дан список основных встроенных функций Mathcad. В приведенных ниже функциях для систем класса Mathcad используются следующие обозначения:
- х и у – вещественные числа;
- z – вещественное либо комплексное число;
- m, n, i, j и k – целые числа;
- v, u и все имена, начинающиеся с v – векторы;
- А и B – матрицы либо векторы;
- М и N – квадратные матрицы;
- F – вектор-функция;
- file – либо имя файла, либо файловая переменная, присоединенная к имени файла.
Все углы в тригонометрических функциях выражены в радианах. Многозначные функции и функции с комплексным аргументом всегда возвращают главное значение. Имена приведенных функций нечувствительны к шрифту, но чувствительны к регистру – их следует вводить с клавиатуры в точности, как они приведены. Все функции возвращают указанное для них значение
Функции системы MathCAD
MathCAD содержит более двухсот встроенных функций. Все они разбиты на группы. Для вставки стандартной функции необходимо на панели инструментов щелкнуть по кнопке f(x)- вставить функцию. Раскроется новое окно, в котором в левом списке будут представлены группы функции, а в правом — сами функции. Необходимо выбрать из списка нужную функцию и щелкнуть по кнопке «вставить»- Insert.
Основные встроенные функции:
1. тригонометрические функции [sin(x), cos(x), tan(x), cot(x), csc(x)];
2. гиперболические [sinh(x), cosh(x), tanh(x), coth(x), csch(x), sech(x)];
3. обратные тригонометрические [asin(x), acos(x), atan(x) и т.д.];
4. обратные гиперболические [asinh(x), acosh(x) и т.д.];
5. показательные и логарифмические[exp(x), ln(x), log(x), ].
Функции пользователя в MathCAD.
ользовательские функции применяются если одно и то же выражение должно быть рассчитано несколько раз для разных наборов исходных данных.
Формат записи функции пользователя:
где <ИФ> — имя функции (задается как любой идентификатор разрешенный системой);
(<СП >) — список параметров (в скобках через запятую указывается список функции);
<Выражение> — содержит доступные системе операторы и функции с аргументом указанным в списке параметров.
Переменные В MathCAD
Переменными в MathCAD называются объекты, имеющие некоторые значения, которые могут меняться в процессе вычисления.
В MathCAD различают три вида переменных:
1. Простые переменные в MathCAD используются в качестве операндов при выполнении операций сложения, вычитания, умножения, деления, возведения в степень, а также в качестве аргументов встроенных математических функций, при вычислении арифметических выражений и в операциях отношения.
Для определения переменной необходимо ввести имя переменной, затем знак : = далее присваиваемое значение или выражение.
Этап определения переменных должен быть по ходу вычислений выше, чем этап вычислений. Однако при определении глобальных переменных нет разницы в их местоположении. Для таких переменных необходимо вводить знак глобального присваивания .
2. Ранжированные переменные берут свои значения из диапазона с заданным шагом и изменяются от начального значения до конечного. Формат записи ранжированными переменными:
где ИП- имя переменной;
НЗ- начальное значение переменной;
CЗ- первое следующее за начальным значение переменной;
КЗ- конечное значение переменной;
[ ]- данный параметр может отсутствовать. В этом случае шаг изменения переменной будет равен единице.
3. Индексированные переменные — это известные нам массивы (матрицы).
Доступ к каждому элементу массива происходит при указании имени массива и порядкового номера элемента (индекса) в данном массиве.
Для задания массива необходимо:
1) ввести имя массива;
2) вести знак присвоить;
3) вызвать панель с матричными операторами;
4) щелкнуть по шаблону матрицы;
5) ввести количество столбцов и строк матрицы;
6) ввести значение элементов матрицы.
По умолчанию нумерация строк и столбцов в матрицах, массивах и векторах начинается с нуля, т.е. первый столбец имеет номер 0 и т.д.
Для того чтобы измерение начиналось с единицы необходимо в самом начале документа MathCAD встроенной переменной, отвечающей за нумерацию строк и столбцов присвоить значение 1:
Каждая переменная имеет свое имя (идентификатор). Имя переменной — это набор из букв, цифр или иных символов системы, обязательно начинающихся с буквы.
Научная электронная библиотека
Рассмотрим некоторые стандартные функции системы MathCAD. Введем специальные обозначения для аргументов функций. Пусть первый символ имени аргумента обозначает его тип:
M – квадратная матрица;
V – вектор (матрица из одного столбца);
A – произвольная матрица;
S – симметричная матрица;
G – произвольная матрица или число;
X – вектор или число;
Z – комплексная матрица или число;
z – комплексное число;
прочие символы – скалярные величины.
Экспоненциальные и логарифмические функции
exp(X) – экспонента от X;
ln(X) – натуральный логарифм от X;
log(X) – десятичный логарифм от X;
log(X,b) – логарифм от X по основанию b.
Гиперболические и тригонометрические (прямые и обратные) функции
sin(X), cos(X), tan(X), cot(X), sec(X), csc(X) – соответственно синус, косинус, тангенс, котангенс, секанс, косеканс от X, причем аргументы указываются в радианах;
sinh(X), cosh(X), tanh(X), coth(X), sech(X), csch(X) – аналогичные гиперболические функции;
asin(z), acos(z), atan(z), acot(z), asec(z), acsc(z) – соответственно арксинус, арккосинус, арктангенс, арккотангенс, арксеканс, арккосеканс от z.
Функции для работы с комплексными числами
Re(Z), Im(Z) – соответственно вещественная и мнимая части комплексного числа Z;
arg(z) – аргумент комплексного числа z (в радианах).
length(V) – возвращает число элементов вектора V;
cols(A) – возвращает число столбцов матрицы A;
rows(A) – возвращает число строк матрицы A;
matrix(m, n, f) – матрица размером mxn, значения элементов матрицы определяются f – функцией f (i, j) от двух переменных (номера строки и номера столбца). Эта функция должна быть предварительно определена пользователем;
identity(n) – единичная матрица n×n;
tr(M) – след матрицы M (сумма элементов главной диагонали);
rank(A) – ранг матрицы M;
norme(M) – эвклидова норма матрицы M, то есть корень квадратный из суммы квадратов всех элементов;
eigenvals(M) – вектор, элементы которого являются собственными числами матрицы M;
eigenvecs(M) – матрица, состоящая из нормализованных собственных векторов матрицы M;
cholesky(S) – возвращает нижнетреугольную матрицу L – результат разложения Холецкого вида L∙LT = S;
lu(M) – возвращает матрицу размера n×3n, состоящую из трех соединенных матриц P, L, U, являющихся результатом LU-разложения вида P∙M = L∙U.
Пример вычислений с матричными функциями: нахождение собственного числа путем решения матричного уравнения det(M – λE) = 0 и с помощью функции eigenvals.
Элементы статистического анализа данных
gmean(G1,G2,G3…) – среднее геометрическое аргументов;
mean(G1,G2,G3…) – среднее арифметическое аргументов;
stdev(G1,G2,G3…) – среднеквадратичное отклонение.
fft(V1), ifft(V2) – прямое и обратное быстрые преобразования Фурье над вещественными данными. V1 – вектор из 2m элементов, V2 – вектор из 1 + 2m–1 элементов, m > 2;
cfft(A), icfft(A) – прямое и обратное преобразования Фурье над вещественными и комплексными векторами и матрицами;
wave(V), iwave(V) – прямое и обратное вейвлет-преобразования, V – вектор из 2m элементов, m – целое число.
Аппроксимация, интерполяция и экстраполяция
Аппроксимация – поиск функции, которая с заданной степенью точности описывает исходные данные.
Интерполяция – определение наиболее правдоподобных промежуточных значений в интервале между известными значениями (подбор гладкой кривой, проходящей через заданные точки или максимально близко к ним).
Экстраполяция – определение наиболее правдоподобных последующих значений на основании анализа предыдущих значений (предсказание дальнейшего поведения неизвестной функции).
Применяются следующие функции MathCAD:
regress(VX,VY,k) – возвращает вектор данных, используемый для поиска интерполирующего полинома (a0 + a1x + a2x2 + . + akxk) порядка k. Полином должен описывать данные, состоящие из упорядоченных значений аргумента (VX) и соответствующих значений неизвестной функции (VY), то есть график полинома должен проходить через все точки, заданные координатами (VX, VY), или максимально близко к этим точкам;
interp(VS,VX,VY,x) – возвращает интерполированное значение неизвестной функции при значении аргумента x. VS – вектор значений, который вернула функция regress. VX,VY – те же данные, что и для regress. Функции interp и regress используются в паре;
predict(V,m,n) – возвращает вектор из n предсказанных значений на основании анализа m предыдущих значений из вектора V. Предполагается, что значения функции в векторе V были получены при значениях аргумента, взятых последовательно, с одинаковым шагом. Используется алгоритм линейной предикции. Наиболее целесообразно использовать predict для предсказания значений по данным, в которых отмечены колебания.
Для интерполяции система MathCAD использует подход, основанный на применении метода наименьших квадратов.
Примеры интерполяции и экстраполяции:
1.5.1. Пусть заданы координаты пяти точек (1; 1), (2; 2), (3; 3), (4; 2), (5; 3), представляющих результаты измерения значений некоторой неизвестной функции при различных значениях x. Необходимо подобрать интерполирующую функцию (гладкую кривую), проходящую через заданные точки.
1.5.2. Дана функция y(i) = e–i/10∙sin (i). Известны значения данной функции при i = 0, 1, …, 10. Основываясь на десяти последних значениях, необходимо предсказать последующие десять значений.
Решения показаны на рис. 19.
Рис. 19. Решения в MathCAD первой (а) и второй (б) задач
Нахождение корней полинома
polyroots(V) – возвращает вектор, содержащий все корни полинома a0 + a1x + a2x2 + . + akxk, заданного вектором-столбцом коэффициентов
max(G1,G2,…) – максимальное значение среди аргументов;
min(G1,G2,…) – минимальное значение среди аргументов;
if(a,b,c) – возвращает b, если a ≠ 0, иначе возвращает c;
sign(a) – возвращает –1, 0 или 1 в зависимости от знака числа a.