用Mathematica实现各类积分图形区域绘制与积分计算及结果的快速检验方法(一) |
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各类积分图形区域绘制与积分计算及结果的快速检验方法
在学习重积分、曲线、曲面积分的过程中,我们知道,对于它们的计算一般都是转换为累次积分(定积分)的描述形式,然后逐步计算定积分来得到结果的;而且,在一般的数学软件中,当希望借助计算机来计算这些积分,或验证这些积分的计算思路及结果是否正确性时,一般也是首先构建这些积分的累次积分表达式,然后逐步定积分来得到!这样的过程不仅要求对描述积分区域的图形非常熟悉,而且还需要给出积分区域的不等式描述形式;尤其对于一些复杂的积分区域,可能还需要基于积分对积分区域的可加性来分割积分区域,通过子区域的不等式描述形式构建累次积分表达式,分成多个积分求和来完成验证过程. 既然借助于数学软件来验证思路与结果,当然希望是操作简单、方便、快捷、有效的. 那么有没有这么好的软件能够不通过构建累次积分表达式的方式,直接计算积分得到结果,来计算或验证多元函数积分的思路与结果的正确性呢?数学软件Mathematica提供了一种快捷、有效的计算操作方法. 该方法通过构建区域,将积分范围直接约束在定义的区域范围内,不需要构建累次积分表达式直接实现多元函数积分的计算. 区域的构建与几何描述 Mathematica使用的Wolfram 语言提供了创建、分析、求解和可视化区域的全面功能. 区域的描述常用方法两种,一种是直接图元法,一种是函数命令描述法,另外就是区域之间的运算更快构建复杂区域. 1、直接图元描述法 直接图元描述就是借助Mathematica中的图元构建函数命令来描述积分范围. 在积分中常用的描述有Line(线)、Circle(圆、椭圆)、Triangle(三角形域)、Rectangle(矩形域)、Polygon(多边形域)、Disk(圆域、椭圆域)、Sphere(球面)、Ball(球体)、Cylinder(圆柱体)、Cone(圆锥体)、Tetrahedron(四面体)、Cuboid(立方体)等等,都是完整的英文单词,更多图元对象的创建可以参见帮助指南中的“基本几何区域”列表. 以上图元命令积分范围的创建直接与绘制图形一样,并且其描述的图形对象对于二维图形可以直接用Graphics显示,三维图形可以直接用Graphics3D显示. 例1:绘制圆心在,半径为,圆心角为的四分之一圆周与顶点坐标为, , , 的四面体图形. 在Mathematica中输入表达式: A=Circle[{1,1},2,{0,Pi/2}]; B=Tetrahedron[{{1,0,0},{1,0,1},{1,1,1},{0,0,1}}];{Graphics[A],Graphics3D[B]} 执行后的结果如图1所示.
图1 【注】对于显示不完整的Mathematica表达式或数学公式,请在上面左右滑动查看不完整内容! 2、函数命令描述法 除了以上特殊图元的方法构建区域,基于区域的等式、不等式及参数方程描述,Mathematica也可以快速创建复杂区域,常用的函数命令为 ImplicitRegion:描述由不等式和等式给出的区域 ParametricRegion:描述由参数化函数给出的区域 Region:显示区域描述的图形 DiscretizeRegion:离散化显示区域范围 例2:分别构建不等式和,,,描述的区域,并显示其图形. 在Mathematica中输入表达式: A=ImplicitRegion[1{0,0,0},{0,0,3}},3]; B=RegionBoundary[A];{Volume[A],Area[B],RegionCentroid[A]}执行后的结果为 其中Volume和Area也可以替换为RegionMeasure,Mathematica会自动根据区域类型得到相应的立体的体积和表面的面积. 例5:计算抛物线与直线所围成的图形的面积. 采用区域交运算操作定义曲线围成区域并计算面积,输入的Mathematica表达式为: A=RegionIntersection[ImplicitRegion[y^2=x-4,{x,y}]]Area[A]执行后的显示的结果为 即区域定义运算的结果的等价区域描述形式,并显示曲线所围平面区域面积为18. 四多元函数积分的计算 下面以实例的形式给出Mathematica中直接以区域范围方式直接计算多元函数的积分. 例6:(二重积分)计算二重积分 其中为半圆周及轴所围成的闭区域. 输入Mathematica表达式: A=ImplicitRegion[0 |
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