数学软件Mathematica在高等数学中的应用

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Vol.31No.10Oct.2015赤峰学院学报渊自然科学版冤JournalofChifengUniversity渊NaturalScienceEdition冤第31卷第10期渊上冤2015年10月

数学软件Mathematica在高等数学中的应用

孔祥强

渊菏泽学院数学系袁山东菏泽274015冤

摘要院Mathematica是应用广泛的数学软件袁具有强大的数值计算和绘图功能.针对高等数学内容抽象尧计算繁琐的特点袁通过具体案例袁利用Mathematica软件绘图和计算袁通过编程袁实现了教学内容的直观化尧交互化袁提升了教学质量袁提高了教学效率袁激发起学生的学习兴趣.关键词院Mathematica曰数学软件曰绘图曰应用中图分类号院G642.0文献标识码院A文章编号院1673-260X渊2015冤10-0004-03

Mathematica软件是一款集符号计算尧数值运算和绘图

功能于一身的数学类软件.其主要特点有院(1)入门简单袁命令

多样袁易操作曰(2)软件的编程语言简单袁便于编程曰(3)强大的

绘图功能袁可绘制平面图形和空间图形曰(4)可与MATLAB软

件尧Maple软件之间互相调用[1].高等数学是高等院校学生重

要的基础课程袁对学生专业课的学习有很好的辅助作用袁而

高等数学的内容比较抽象袁概念较难理解袁计算较繁琐袁使

得部分同学不知如何学这门课.为了提高学习的积极性袁调

动起学习的主动性袁在大学课堂里引入数学软件是一种非

常好的教学模式.通过Mathematica软件袁将抽象的内容以图

形的方式展现出来袁方便观察或验证一些规律和结论[2].

Mathematica软件学生版的出现袁学生们使用起来会更加方

便[3].

文章通过案例袁说明了软件在函数极值尧立体体积尧中

值定理和二次型中的具体应用.1Mathematica软件在求函数极值中的应用

一元函数求极值袁主要的是利用一阶导数和二阶导数

的知识袁一般计算量不大.而二元函数求极值袁用到二阶偏导

数袁计算量大.利用软件袁可快速求出驻点袁判断在二阶偏导

处的值袁得出极值点袁通过作图袁直观理解所求的极值点在

图形上的位置袁加深对多元函数极值点的理解.

案例1求s(x,y)=x3-2y3+6x2+3y2+9x-9的极值袁并通过

作图对结果进行说明.源程序如下

s[x_,y_]:=x^3-2*y^3+6*x^2+3*y^2+9*x-9;sx=D[s[x,y],x];

sy=D[s[x,y],y];

dian=Solve[{sx0,sy0}]

{{x→-3,y→0},{x→-3,y→1},{x→-1,y→0},{x→-1,y→1}}

求出驻点的坐标为(-3,0)袁(-3,1)袁(-1,0)袁(-1,1).

sxx=D[s[x,y],x,x];syy=D[s[x,y],y,y];sxy=D[s[x,y],x,y];zhi=sxx

syy-sxy^2;{zhi,sxx,s[x,y]}/.{x→-3,y→0}{zhi,sxx,s[x,y]}/.{x→-3,y→

1}

{zhi,sxx,s[x,y]}/.{x→-1,y→0}{zhi,sxx,s[x,y]}/.{x→-1,y→

1}

求出在驻点处的AC-B2的值尧A的值尧s(x,y)的值为

{-36,-6,-9}袁{36,-6,-8}袁{36,6,-13}袁{-36,6,-12}

在点(-3,0)处袁AC-B2=-36<0袁故不是极值点曰

在点(-3,1)处袁AC-B2=36>0袁故是极值点袁又A=-6<0袁是

极大值点曰

在点(-1,0)处袁AC-B2=36>0袁故是极值点袁又A=6>0袁是

极小值点曰

在点(-1,1)处袁AC-B2=-36<0袁故不是极值点.

因此s(x,y)在(-3,1)处取得极大值袁为-8曰在(-1,0)处取得

极小值袁为-13.

作出函数s(x,y)的图形

s[x_,y_]:=x^3-2*y^3+6*x^2+3*y^2+9*x-9;

tuxing=Plot3D[s[x,y],{x,-4,4},{y,-4,4}];

m=ParametricPlot3D[{x,0,0},{x,-3,3}];

n=ParametricPlot3D[{0,y,0},{y,-3,3}];

p=ParametricPlot3D[{0,0,z},{z,-30,30}];

mnp=Show[m,n,p];

Show[tuxing,mnp,PlotRange→{-40,30},BoxRatios→

{1.05,1.05,1.45},

ViewPoint→{1.25,2,1.25}]

从图1明显得出袁函数有两个极值点.在Mathematica窗

口下袁用鼠标点击图形袁任意改变视角袁可方便观察两个极

值点的位置袁比较极值点和周围点所对应的函数值袁深刻理

解极值的概念.

除了上面的方法袁还可用等高线研究s(x,y)的极值.调用

ContourPlot命令袁

基金项目院2013年菏泽学院重点课题组项目渊201311冤

4--.com.cn. All Rights Reserved.

图1s(x,y)=x3-2y3+6x2+3y2+9x-9图形

编程s[x_,y_]:=x^3-2*y^3+6*x^2+3*y^2+9*x-9;

ContourPlot[s[x,y],{x,-5,5},{y,-5,5},ContourShading→None,

Frame→False,

Axes→True,Contours→198]

从上图看出袁s(x,y)有两个极值点袁分别为(-3,1)和(-1,0)袁

验证了所求的结论是正确的.2Mathematica软件在求空间立体体积中的应用

要求空间立体的体积袁首先应作出立体图形袁再选择用

直角坐标尧极坐标尧柱面坐标或球面坐标.利用软件袁可方便

作图.

案例2求由平面x=0,y=0,z=0,x+y=-1及曲面z=8-3x2

-3y2所围成的立体赘的体积袁并作图.

由于赘为空间立体袁首先应该清楚赘的形状和在坐标

面上的投影袁然后用二重积分来求赘的体积.调用Mathe-

matica软件的ParametricPlot3D命令袁作出三个坐标面x-0,

y=0,z=0尧柱面x+y=-1尧抛物面z=8-3x2-3y2的图形.程序如下

s[x_,y_]:=8-3x^2-3y^2;

D1=ParametricPlot3D[{0,y,z},{y,-1,0},{z,0,s[0,y]},Mesh→

{6,5}];

D2=ParametricPlot3D[{x,0,z},{x,-1,0},{z,0,s[x,0]}];

D3=ParametricPlot3D[{x,y,0},{x,-1,0},{y,-1-x,0}];

C1=ParametricPlot3D[{x,y,s[x,y]},{x,-1,0},{y,-1-x,0},Plot-

Style→Green];

C2=ParametricPlot3D[{x,-1-x,z},{x,-1,0},{z,0,s[x,-1-x]},

Mesh→{6,5}];

m=ParametricPlot3D[{x,0,0},{x,-1,0}];

n=ParametricPlot3D[{0,y,0},{y,-1,0}];

p=ParametricPlot3D[{0,0,z},{z,0,8}];mnp=Show[m,n,p];

Show[C1,C2,D1,D2,D3,mnp,PlotRange→All,BoxRatios→{1,1,1}]

赘在坐标面x=0上的投影为直角三角形袁见图4.

分析清楚赘的空间形状和在坐标面上的投影后袁利用

Integrate命令袁就可求出赘的体积袁

s[x_,y_]:=8-3x^2-3y^2;s1=-1;s2=0;

y1[x_]:=-x-1;y2[x_]:=0;

V=Integrate[s[x,y],{x,s1,s2},{y,y1[x],y2[x]}]

7/2

故V赘=72.

3Mathematica软件在中值定理中的应用

高等数学中的泰勒定理非常抽象袁较难掌握.麦克劳林

公式作为泰勒定理的特例[4]袁一般考察函数的麦克劳林展式.

案例3求函数f(x)=1(1+x)2的1,2,3,4阶麦克劳林展

式袁并在同一界面下作出它们的图形.

若函数f(x)在点x0=0的某领域内U(x0)内有n+1阶导数袁

f(x)在x0=0处的n阶麦克劳林展式为

f(x)=f(0)+f'(0)x+12!f"(0)x2+噎+1n!f(n)(0)xn+o(xn).

调用Series命令袁得展开式.

s[x_]:=1/(1+x)^2;x0=0;

Do[Print[n,"",Normal[Series[s[x],{x,x0,n}]]],{n,1,4}]

展开式为11-2x

21-2x+3x2

31-2x+3x2-4x3

41-2x+3x2-4x3+5x4

调用Plot命令袁作出图形.

s[x_]:=1/(1+x)^2;

x0=0;m=4;图2函数s(x,y)的等高线

图图3立体赘的图形

图4立体赘在xoy面上的投影

5--.com.cn. All Rights Reserved.a=Plot[Evaluate[Table[Normal[Series[s[x],{x,x0,n}]]

,{n,1,m}]],{x,-0.9,3},PlotLegends→"Expressions"];

tuxing=Plot[s[x],{x,-0.9,3},PlotLegends→"Expressions"];

Show[a,tuxing,PlotRange→{{-1,2.5},{-10,10}}]

在Mathematica窗口下袁可动态观察各阶曲线与函数

f(x)=1/(1+x)2的逼近程度袁阶数越高袁和函数的逼近程度越

好袁误差很小.4Mathematica软件在二次型中的应用

二次型是大学数学中的重要内容袁其中化二次型为标

准形是重要的题型.这类题目的特点是用到的知识点多袁计

算繁琐.利用Mathematica软件和多媒体技术袁作起来非常轻

松.

案例4用正交变换的方法化二次型f(x1,x2,x3)=

x12-2x22-2x32-4x1x2+4x1x3+8x2x3为标准形袁并指出f(x1,x2,x3)=1

表示何种二次曲面[5].

针对这种题型袁一般先求出二次型所对应的矩阵A袁再

求A的所有特征值和属于每一个特征值的特征向量袁然后

用Schmidt正交化过程[6]袁将特征向量正交化尧单位化袁从而

得到正交矩阵P袁正交变换为x=Py袁最终得到二次型的标准

形.这个计算过程非常复杂袁稍有不慎就会出错.引入Mathe-

matica软件袁调用Eigenvalues和Eigenvectors命令分别得特

征值和特征向量袁用Orthogonalize命令进行Schmidt正交化

过程.

A={{1,-2,2},{-2,-2,4},{2,4,-2}};

Eigenvalues[A]求特征值

P=Eigenvectors[A]求特征向量

P=Orthogonalize[P]Schmidt正交化

P=Transpose[P]转置

P//MatrixForm输出矩阵形式

Inverse[P].A.P//MatrixForm将A对角化后的矩阵

Simplify[%]//MatrixForm化简

结果为{-7,2,2}

{{-1,-2,2},{2,0,1},{-2,1,0}}{{-(1/3),-(2/3),2/3},{1/5姨,0,1/5姨},{-2/35姨,5姨/3,