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作者:Richard H. Rand 翻译:dbzhang800 Maxima: http://wiki.ubuntu.org.cn/Maxima ==简介== 在linux中运行Maxma,键入 maxima <回车> 计算机将显示如下的欢迎词: Distributed under the GNU Public License. See the file COPYING. Dedicated to the memory of William Schelter. This is a development version of Maxima. The function bug_report() provides bug reporting information. (%i1) 此处(%i1) 是一个“标签”。每一个输入或输出行都贴有一个标签,每一行都可以在随后的会话中通过标签被 调用。标签i代表该行是你输入的命令,标签o代表该行为机器的响应。 永远不要尝试使用形如 %i1 或 %o5 的变量名,那将会和采用该标签的行相混淆。 Maxima 对字符的大小写是敏感的。所有内建函数的函数名都是小写的 (sin, cos, save, load,等)。内建的常数采用小写形式 (%e, %pi, inf, 等)。如果你键入 SIN(x) 或者 Sin(x), Maxima 认为你指代其他的函数 而不是内建的 sin 函数。用户自定义函数和变量可以采用大写或小写的形式。 foo(XY), Foo(Xy), FOO(xy) 是不同的函数。 == 特殊键和符号== # 要结束一个Maxima会话,键入 quit();. # 要终止一次计算而不退出Maxima,键入 ^C。 (这儿 ^ 代表Ctrl键,因此 ^C 意味着先按住Ctrl键,然后再按下C。)了解这一点在有些情况下对你是很重要的,比如,在一次计算需要耗费太长时间的时候。举例如下: (%i1) sum (1/x^2, x, 1, 10000); Maxima encountered a Lisp error: Console interrupt. Automatically continuing. To reenable the Lisp debugger set *debugger-hook* to nil. (%i2) #要告诉Maxima你已经完成了命令的输入,键入分号(;)并回车。注意到单独一个回车并不代表输入的结束。 #另一个可以代替分号 (;) 的终止符是一个美元符号($),而且,它可以取消 MAXIMA 计算结果的显示,当你在进行一次有着很长结果的计算,并且你不想浪费时间显示结果的时候,这会很有用。 #如果你想重复一条你已经给出的命令,比如说在 (%i5) 行,你可以在上述的行号前加两个单引号 (") 的方法来避免再次输入,比如, ''%i5。(注是简单地输入 %i5 并不能实现这种效果──试试吧。) #如果你想引用Maxima上一步计算的结果,你可以用它的 o 标签,也可以使用专门的百分号(%)。 #标准量 e (自然对数的底数),i (-1 的平方根) 和 p (3.14159?) 分别表示成 %e,%i, 和 %pi。注意这里% 只是作为一个前缀使用, 与用 % 来查询先前计算结果的用法完全无关。 #为了把一个值赋给一个变量,Maxima使用冒号 (:),而不是等号。等号被用来表示方程或等式。 == 算术 == 常见的算术操作符有: * + 加法 * - 减法 * * 标量乘法 * / 除法 * ^或 ** 指数 * . 矩阵乘法 * sqrt(x) x的平方根 Maxima输出的特点是严格的算术(有理)运算。例如: (%i1) 1/100 + 1/101; 201 (%o1) ----- 10100 如果计算中涉及无理数,它们将保持符号形式: (%i2) (1 + sqrt(2))^5; 5 (%o2) (sqrt(2) + 1) (%i3) expand (%); (%o3) 29 sqrt(2) + 41 尽管如此,将计算结果用小数显示出来往往是有用的。这可以通过在你想要展开的表达式后面加上“ ,numer” 来实现。 (%i4) %, numer; (%o4) 82.01219330881976 注意在这里使用了% 来引用上一步的结果. 在这个版本的 Maxima 里, numer 给出 16 位的有效数字, 但最后 一位往往是不可靠的. 尽管如此, Maxima 可以通过使用 bfloat函数来提供 任意高的的精度: (%i5) bfloat (%o3); (%o5) 8.201219330881976B1 显示的有效数字的位数由Maxima的变量fpprec控制,它的缺省值是16: (%i6) fpprec; (%o6) 16 在这儿我们重置 fpprec 以产生100个有效数字: (%i7) fpprec: 100; (%o7) 100 (%i8) ''%i5; (%o8) 8.20121933088197564152489730020812442785204843859314941221# 2371240173124187540110412666123849550160561B1 注意在(%i8)中用两个单引号('')来重复命令 (%i5)。Maxima可以处理非常大的数而不用近似值: (%i9) 100!; (%o9) 9332621544394415268169923885626670049071596826438162146859# 2963895217599993229915608941463976156518286253697920827223758251# 185210916864000000000000000000000000 == 代数 == 当我们看到 MAXIMA 在代数上的便利后,作为一个使符号运算的计算机工具,它的重要性就变得更明显了。 这里有一个分解多项式的例子: (%i1) (x + 3*y + x^2*y)^3; 2 3 (%o1) (x y + 3 y + x) (%i2) expand (%); 6 3 4 3 2 3 3 5 2 3 2 (%o2) x y + 9 x y + 27 x y + 27 y + 3 x y + 18 x y 2 4 2 3 + 27 x y + 3 x y + 9 x y + x 现在假定我们想把上面表达式中的 x用 5/z 替代: (%i3) %o2, x=5/z; 2 3 2 3 135 y 675 y 225 y 2250 y 125 5625 y 1875 y (%o3) ------ + ------ + ----- + ------- + --- + ------- + ------ z 2 2 3 3 4 4 z z z z z z 2 3 9375 y 15625 y 3 + ------- + -------- + 27 y 5 6 z z Maxima 内建函数ratsimp 用来进行通分操作: (%i4) ratsimp (%); 3 6 2 5 3 4 (%o4) (27 y z + 135 y z + (675 y + 225 y) z 2 3 3 2 2 + (2250 y + 125) z + (5625 y + 1875 y) z + 9375 y z 3 6 + 15625 y )/z 表达式也可以使用factor进行因式分解: (%i5) factor (%); 2 3 (3 y z + 5 z + 25 y) (%o5) ---------------------- 6 z Maxima可以求解非线性代数方程系统的精确解。在这个例子中,我们使用函数solve解一个三元方程组, 三个未知数分别为 a, b, c: (%i6) a + b*c = 1; (%o6) b c + a = 1 (%i7) b - a*c = 0; (%o7) b - a c = 0 (%i8) a + b = 5; (%o8) b + a = 5 (%i9) solve ([%o6, %o7, %o8], [a, b, c]); 25 sqrt(79) %i + 25 5 sqrt(79) %i + 5 (%o9) [[a = -------------------, b = -----------------, 6 sqrt(79) %i - 34 sqrt(79) %i + 11 sqrt(79) %i + 1 25 sqrt(79) %i - 25 c = ---------------], [a = -------------------, 10 6 sqrt(79) %i + 34 5 sqrt(79) %i - 5 sqrt(79) %i - 1 b = -----------------, c = - ---------------]] sqrt(79) %i - 11 10 注意上面的显示由一个“列表”组成,也就是说,由两个方括号[ ... ]括住的一些表达式, 它本身还包含两个列表,每个列表包含方程组的一组解。Maxima可以轻松处理三角问题,函数trigexpand利用sum-angles公式使得每个三角函数的参数尽可能简单。 (%i10) sin(u + v) * cos(u)^3; 3 (%o10) cos (u) sin(v + u) (%i11) trigexpand (%); 3 (%o11) cos (u) (cos(u) sin(v) + sin(u) cos(v)) 与此相反,函数 trigreduce把一个表达式转换成几项和的形式,每一项只含有1个 sin 或 cos: (%i12) trigreduce (%o10); sin(v + 4 u) + sin(v - 2 u) 3 sin(v + 2 u) + 3 sin(v) (%o12) --------------------------- + ------------------------- 8 8 函数 realpart 和 imagpart 返回一个复数表达式的实部和虚部: (%i13) w: 3 + k*%i; (%o13) %i k + 3 (%i14) w^2 * %e^w; 2 %i k + 3 (%o14) (%i k + 3) %e (%i15) realpart (%); 3 2 3 (%o15) %e (9 - k ) cos(k) - 6 %e k sin(k) ==微积分== Maxima可以计算导数和积分,按 Taylor 级数展开,求极限和普通的微分方程的精确解。我们从把 符号 f 定义为如下的 x 的函数开始: (%i1) f: x^3 * %e^(k*x) * sin(w*x); 3 k x (%o1) x %e sin(w x) 我们计算 f 对自变量 x 的导数: (%i2) diff (f, x); 3 k x 2 k x (%o2) k x %e sin(w x) + 3 x %e sin(w x) 3 k x + w x %e cos(w x 现在我们求 f 对 x 的不定积分: (%i3) integrate (f, x); 6 3 4 5 2 7 3 (%o3) (((k w + 3 k w + 3 k w + k ) x 6 2 4 4 2 6 2 + (3 w + 3 k w - 3 k w - 3 k ) x 4 3 2 5 4 2 2 4 + (- 18 k w - 12 k w + 6 k ) x - 6 w + 36 k w - 6 k ) k x 7 2 5 4 3 6 3 %e sin(w x) + ((- w - 3 k w - 3 k w - k w) x 5 3 3 5 2 + (6 k w + 12 k w + 6 k w) x 5 2 3 4 3 3 k x + (6 w - 12 k w - 18 k w) x - 24 k w + 24 k w) %e 8 2 6 4 4 6 2 8 cos(w x))/(w + 4 k w + 6 k w + 4 k w + k ) 稍微改变一下语法可以得到定积分: (%i4) integrate (1/x^2, x, 1, inf); (%o4) 1 (%i5) integrate (1/x, x, 0, inf); Integral is divergent -- an error. Quitting. To debug this try debugmode(true); 下面我们使用符号 f (在 %i1中已定义)和双曲正弦函数来定义符号g,并在 x = 0 点展开为泰勒 级数(高达3阶): (%i6) g: f / sinh(k*x)^4; 3 k x x %e sin(w x) (%o6) ----------------- 4 sinh (k x) (%i7) taylor (g, x, 0, 3); 2 3 2 2 3 3 w w x (w k + w ) x (3 w k + w ) x (%o7)/T/ -- + --- - -------------- - ---------------- + . . . 4 3 4 3 k k 6 k 6 k 当 x 趋向于0时 g 的极限计算如下: (%i8) limit (g, x, 0); w (%o8) -- 4 k Maxima也允许导数已非计算形式表示(注意引号): (%i9) 'diff (y, x); dy (%o9) -- dx (%i9) 中的引号操作符表示(不求值)。没有它的话,Maxima将得到0: (%i10) diff (y, x); (%o10) 0 使用引号操作符我们可以写微分方程: (%i11) 'diff (y, x, 2) + 'diff (y, x) + y; 2 d y dy (%o11) --- + -- + y 2 dx dx Maxima的 ode2 函数可以求解一阶和二阶的常微分方程: (%i12) ode2 (%o11, y, x); - x/2 sqrt(3) x sqrt(3) x (%o12) y = %e (%k1 sin(---------) + %k2 cos(---------)) 2 2 ==矩阵运算== Maxima 可以计算行列式,以及带符号元素(也就是说,带有代数变量的元素)的矩阵的逆, 特征值和 特征向量。我们从一个元素一个元素地输入一个矩阵 m开始: (%i1) m: entermatrix (3, 3); Is the matrix 1. Diagonal 2. Symmetric 3. Antisymmetric 4. General Answer 1, 2, 3 or 4 : 4; Row 1 Column 1: 0; Row 1 Column 2: 1; Row 1 Column 3: a; Row 2 Column 1: 1; Row 2 Column 2: 0; Row 2 Column 3: 1; Row 3 Column 1: 1; Row 3 Column 2: 1; Row 3 Column 3: 0; Matrix entered. [ 0 1 a ] [ ] (%o1) [ 1 0 1 ] [ ] [ 1 1 0 ] 下面我们求它的转置,行列式和逆矩阵: (%i2) transpose (m); [ 0 1 1 ] [ ] (%o2) [ 1 0 1 ] [ ] [ a 1 0 ] (%i3) determinant (m); (%o3) a + 1 (%i4) invert (m), detout; [ - 1 a 1 ] [ ] [ 1 - a a ] [ ] [ 1 1 - 1 ] (%o4) ----------------- a + 1 在 (%i4)中,修饰符 detout 将行列式的值保持在逆矩阵元素的外边。作为检验,我们用 矩阵 m 乘以它的逆(注意这儿用小数点表示矩阵的乘法): (%i5) m . %o4; [ - 1 a 1 ] [ ] [ 1 - a a ] [ 0 1 a ] [ ] [ ] [ 1 1 - 1 ] (%o5) [ 1 0 1 ] . ----------------- [ ] a + 1 [ 1 1 0 ] (%i6) expand (%); [ a 1 ] [ ----- + ----- 0 0 ] [ a + 1 a + 1 ] [ ] [ a 1 ] (%o6) [ 0 ----- + ----- 0 ] [ a + 1 a + 1 ] [ ] [ a 1 ] [ 0 0 ----- + ----- ] [ a + 1 a + 1 ] (%i7) factor (%); [ 1 0 0 ] [ ] (%o7) [ 0 1 0 ] [ ] [ 0 0 1 ] 要求得矩阵 m 的特征值和特征向量,我们使用函数 eigenvectors: (%i8) eigenvectors (m); sqrt(4 a + 5) - 1 sqrt(4 a + 5) + 1 (%o8) [[[- -----------------, -----------------, - 1], 2 2 sqrt(4 a + 5) - 1 sqrt(4 a + 5) - 1 [1, 1, 1]], [1, - -----------------, - -----------------], 2 a + 2 2 a + 2 sqrt(4 a + 5) + 1 sqrt(4 a + 5) + 1 [1, -----------------, -----------------], [1, - 1, 0]] 2 a + 2 2 a + 2 在 %o8中,第一个元组(triple)给出了m的特征值,第二个给出了它们各自的重数(此处都是不重复的)。下面的三个元组给出了 m 相应的特征向量。为了从这些表达式中提取一个特征向量,我们使用 part 函数: (%i9) part (%, 2); sqrt(4 a + 5) - 1 sqrt(4 a + 5) - 1 (%o9) [1, - -----------------, - -----------------] 2 a + 2 2 a + 2 ==Maxima编程== 到现在为止,我们都是在交互模式下使用的 Maxima,使用过程象个计算器一样,然而,对于那些需要多次调用的计算过程,还是编写一个自定义函数来得方便。这里我们展示了一个简短的自定义函数,用来计算二元函数 f(x,y) 的极值点。这个程序提示用户输入函数 f,之后就会计算 fx 和 fy 的偏导数,接着调用 Maxima 命令 solve 去得到 fx=fy=0的解。这个程序在 Maxima 之外用一个文本编辑器编写,然后用 batch 命令装载进 Maxima。下面是程序列表: /* -------------------------------------------------------------------------- this is file critpts.max: as you can see, comments in maxima are like comments in C Nelson Luis Dias, nldias@simepar.br created 20000707 updated 20000707 --------------------------------------------------------------------------- */ critpts():=( print("program to find critical points"), /* --------------------------------------------------------------------------- asks for a function --------------------------------------------------------------------------- */ f:read("enter f(x,y)"), /* --------------------------------------------------------------------------- echoes it, to make sure --------------------------------------------------------------------------- */ print("f = ",f), /* --------------------------------------------------------------------------- produces a list with the two partial derivatives of f --------------------------------------------------------------------------- */ eqs:[diff(f,x),diff(f,y)], /* --------------------------------------------------------------------------- produces a list of unknowns --------------------------------------------------------------------------- */ unk:[x,y], /* --------------------------------------------------------------------------- solves the system --------------------------------------------------------------------------- */ solve(eqs,unk) )$ 这个程序 (实际上是个没有参数的函数) 叫做 critpts。每一行都是一个有效的 Maxima 语句,由逗号隔开。偏导数被保存在一个叫做 eqs 的变量中。未知数保存在变量 unk 中。以下是运行示例: (%i1) batch ("critpts.max"); batching #p/home/robert/tmp/maxima-clean/maxima/critpts.max (%i2) critpts() := (print("program to find critical points"), f : read("enter f(x,y)"), print("f = ", f), eqs : [diff(f, x), diff(f, y)], unk : [x, y], solve(eqs, unk)) (%i3) critpts (); program to find critical points enter f(x,y) %e^(x^3 + y^2)*(x + y); 2 3 y + x f = (y + x) %e (%o3) [[x = 0.4588955685487 %i + 0.35897908710869, y = 0.49420173682751 %i - 0.12257873677837], [x = 0.35897908710869 - 0.4588955685487 %i, y = - 0.49420173682751 %i - 0.12257873677837], [x = 0.41875423272348 %i - 0.69231242044203, y = 0.4559120701117 - 0.86972626928141 %i], [x = - 0.41875423272348 %i - 0.69231242044203, y = 0.86972626928141 %i + 0.4559120701117]] ==Maxima函数的不完全列表== 看Maxima的参考手册doc/html/maxima_toc.html (在Maxima的安装目录下)。在Maxima运行时,你可以使用 describe(函数名)。 ;allroots(a) :求解多项式方程a所有的(复数)根,并把它们以数值格式(i.e. 采用16位有效数 字)列出来。 ;append(a,b) :将列表b追加到列表a,产生一个单一列表。 ;batch(a) :加载并运行一个文件名为a的程序。 ;coeff(a,b,c) :给出表达式a中b的c次方项的系数。 ;concat(a,b) :生成符号ab,比如concat(y,44)的结果为y44。 ;cons(a,b) :将a加入列表b的头部。 ;demoivre(a) :将表达式a中的复指数项变换为等价的三角形式。 ;denom(a) :给出表达式a的分母。 ;depends(a,b) :声明a是自变量b的函数。这在书写微分方程的时候很有用。 ;desolve(a,b) :使用拉普拉斯变换求解线性常微分方程a的未知量b。 ;determinant(a) :给出方阵a的行列式。 ;diff(a,b1,c1,b2,c2,...,bn,cn) :给出a对变量bi的ci阶偏导数。diff(a,b,1)可简写为diff(a,b)。’diff(...) 代表不经过计算(unevaluated)的求导,这在书写微分方程的时候很有用。 ;eigenvalues(a) :返回两个列表,第一个列表是矩阵a的本征值,第二个是本征值对应的重复次 数。 ;eigenvectors(a) :包含eigenvalues所有功能,并且计算矩阵a的本征向量。 ;entermatrix(a,b) :引导用户一个一个元素地输入一个a × b 的矩阵。 ;ev(a,b1,b2,...,bn) :在bi 的条件下计算表达式a的值。bi可以是方程、方程构成的列表(比如solve 返回的结果 )或者赋值语句 , 在这种情况下 ,ev将bi“插 入”到 表 达 式a中 。bi还 可 以 是关键词numer(它让结果以数值格式显示),detout(它使任一矩阵的逆矩阵把行列式 的值作为系数放在矩阵外),或者diff(它要求所有的微分都必须计算,即’diff被diff替 代 ) 。 对manual command(即 ,不在用户自定义函数内),ev可以省略 , :于 是 可 简 写 为a,b1,b2,...,bn. ;expand(a) :展开表达式a。 ;exponentialize(a) :将a中的所有三角函数转换为它们对应的复指数形式。 ;factor(a) :对表达式a进行因式分解。 ;freeof(a,b) :如果a不是表达式b的一部分,返回true。 ;grind(a) :Displays a variable or function a in a compact format.When used with writefile and an editor outside of Maxima, it offers a scheme for producing batch files which include Maxima- generated expressions. ;ident(a) :返回一个a × a的单位矩阵。 ;imagpart(a) :返回a的复数部分。 ;integrate(a,b) :计算a对变量b的不定积分。 ;integrate(a,b,c,d) :计算a在区间b ∈ [c, d]上的定积分。积分限c,d可以分别取minf(负无穷大), inf(正无穷大)。 ;invert(a) :计算方阵a的逆矩阵。 ;kill(a) :从当前的Maxima环境中移除变量a以及它的属性。 ;limit(a,b,c) :计算当b趋近于c时a的极限。与积分函数integrate一样,c可以取inf或minf。 ;lhs(a) :给出方程a的等号左边部分。 ;loadfile(a) :从磁盘的当前目录中加载文件名为a的文件 。 该文件必须具有正确的格式(i.e. 由save命令创建)。 ;makelist(a,b,c,d) :创建一个a(假定a以b为自变量)的列表 , 从b=c到b=d依次将a追加到列表。 ;map(a,b) :Maps the function a onto the subexpressions of b. ;matrix(a1,a2,...,an) :创建一个以ai为行向量的矩阵a,每一个行向量是一个包含m个元素的列 表[b1, b2, ..., bm]。 ;num(a) :给出表达式a的分子。 ;ode2(a,b,c) :求解一阶或二阶常微分方程a,其中b是c的函数。 ;part(a,b1,b2,...,bn) :首先取表达式的第b1部分,然后再在该部分中再取b2部分,依次... ;playback(a) :Displays the last a (an integer) labels and their associated expressions. If a is omitted, all lines are played back. See the Manual for other options. ;ratsimp(a) :化简并以两个多项式的商的形式显示。 ;realpart(a) :返回a的实部。 ;rhs(a) :给出方程a的等号右边部分。 ;save(a,b1,b2,..., bn) :在磁盘的当前目录下创建包含变量、函数或矩阵bi的文件a。该文件可以 在以后的会话中用loadfile命令重新载入。如果b1取all的话,每一个符号(包括标签)都可 以得以保存。 ;solve(a,b) :求解关于未知数b的代数方程a,将返回一个根的列表。简单起见,如果方程a是c=0的 形式(即方程右侧为0),a可以用表达式c替代。 ;string(a) :将表达式a转换为Maxima的线性表示(类似a的Fortran表示)就像是它被输入并放入 一个缓冲区以用来进行可能的编辑。这样string以后的表达式不能用于后续的计算。 ;stringout(a,b1,b2,...,bn) :在当前缺省磁盘目录下创建关于变量bi(比如labels)的文件a。该文 件采用文本格式并且不能被Maxima再次读入。尽管如此,这种字符串化的输出只需经过稍 许修改就可用于Fortran,Basic或C程序。 ;subst(a,b,c) :将表达式c中的b用a来替换。 ;taylor(a,b,c,d) :将表达式a在b=c处展开为泰勒级数,展开的级次不超过(b − c)d 。Maxima也支 持超过一个自变量的泰勒展开,详细资料查看手册。 ;transpose(a) :给出矩阵a的转置。 ;trigexpand(a) :这是一个三角化简的函数,它采用sum-of-angle公式使得每一个sin和cos函数的变 量尽可能简单。例如:trigexpand(sin(x+y))的结果为cos(x) sin(y) + sin(x) cos(y). ;trigreduce(a) :这是一个三角化简的函数,它采用三角恒等式将乘积或幂函数变换为sin或cos的 和的形式,每一项只含有一个sin或cos。例如:trigreduce(sin(x)^2)的结果为(1 - cos(2x))/2. ;trigsimp(a) :这也是一个三角化简的函数,它将表达式中的tan,sec等函数变换为cos和sin函数。 变换过程中它也使用恒等式sin()2 + cos()2 = 1。 [[Category:科学]]
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