Как вставить встроенную функцию в документ mathcad

REDMOND

Ввод в документ MathCad функций

При выполнении сложных и громоздких вычислений можно пользоваться всем арсеналом функций, которые заложены разработчиками в систему Mathcad. Вводить имена таких функций можно с клавиатуры, но чтобы избежать возможных ошибок в их написании, лучше использовать диалоговое окно Insert Function (Поместить функцию), рис. 1.4.

Рис. 1.4. Вставка встроенной функции с помощью диалогового окна

Чтобы ввести встроенную функцию в выражение, нужно определить место в выражении, куда следует вставить функцию, нажать кнопку f(x) на стандартной панели инструментов. В списке Function Category (Категория) появившегося диалогового окна Insert Function (Поместить функцию), рис. 1.4, нужно выбрать категорию, к которой принадлежит функция, а в списке Function Name (Имя функции) — имя встроенной функции и нажать кнопку Оk. Когда формат функции появится в документе, в ее маркеры нужно ввести требуемые аргументы.

Подобно присваиванию числовых значений переменным, можно определить функции пользователя от одного или нескольких аргументов, например,

Чтобы построить график функцииf(x), следует нажать на панели Graph (График) кнопку с шаблоном декартового графика и заполнить маркеры на осях именами х и f(х), рис. 1.5.

Рис. 1.5. Построение графика функции

Типы данных, используемые в Mathcad’e

Перечислим основные типы переменных, которые используются в Mathcad.

Действительные числа

Любое выражение, начинающееся с цифры, Mathcad интерпретирует как число. Можно организовать ввод чисел в десятичной (decimal), двоичной (binary), восьмеричной (octal) или шестнадцатеричной (hexadecimal) системах счисления. При записи чисел используются суффиксы b, o, h, например, рис. 1.6.

Рис. 1. 6. Ввод чисел в различных системах счисления

Большинство операций в среде Mathcad по умолчанию осуществляются над комплексными числами. Комплексное число является суммой действительного и мнимого числа, получающегося путем умножения любого действительного числа на мнимую единицу (imaginary unit) i. По определению полагается, i 2 = -1. Чтобы ввести мнимое число, например 3i, надо нажать клавиши <3>, <i>. Если просто ввести символ "i", то Mathcad интерпретирует его как переменную i. Кроме того, мнимая единица имеет вид 1i, только когда соответствующая формула выделена. В противном случае мнимая единица отображается просто как i (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Ввод мнимой единицы

Комплексное число можно ввести в виде обычной суммы действительной и мнимой частей или в виде любого выражения, содержащего мнимое число. Примеры ввода и вывода комплексных чисел иллюстрируются рис. 1.8.

Рис. 1.8. Ввод/вывод комплексных чисел

Можно выводить мнимую единицу в результатах вычислений не как i, а как j. Для смены представления можно выбрать нужное в списке Imaginary Value (Мнимое значение) диалогового окна Result Format (Формат результата), доступного по команде Format/ Result/ Display Options (Формат/ Результат/ Установки экрана).

Для работы с комплексными числами имеются встроенные функции, рис. 1.9.

Рис. 1.9.Использование встроенных функций

Некоторые имена в Mathcad зарезервированы под системные переменные, которые называются встроенными константами (built-in constants). Встроенные константы делятся на два типа: математические (math constants), хранящие значения некоторых общеупотребительных специальных математических символов, и системные (system variables), определяющие работу большинства численных алгоритмов, реализованных в Mathcad. При желании можно изменить значение любой из перечисленных констант или использовать их в качестве переменных в расчетах. Если присвоить константе новое значение, прежнее станет недоступным.

Математические константы по-разному интерпретируются при численных и символьных вычислениях. Вычислительный процессор просто воспринимает их как некоторые числа, а символьный распознает каждое из них, исходя из математического контекста, и способен выдавать математические константы в качестве результата. Перечислим математические константы:

— ∞- символ бесконечности (вводится клавишамиCtrl+Shift+z);

— е- основание натурального логарифма (клавишае);

— π — число "пи" (вводится клавишамиCtrl+Shift+p);

— i, j- мнимая единица (вводится клавишами1iили1j);

Системные переменные определяют работу численных методов, заложенных во встроенные функции. Допускается их менять в любой части документа. К ним относятся:

— TOL- точность численных методов;

— CTOL- точность выполнения выражений, используемая в некоторых численных методах;

— ORIGIN- номер начального индекса в массивах и строковых переменных;

— PRNPRECISION- установка формата данных при выводе в файл;

— PRNCOLWIDTH- установка формата столбца при выводе в файл;

— CWD- строковое представление пути к текущему рабочему каталогу.

Значением переменной или функции может быть не только число, но и строка, состоящая из любой последовательности символов, заключенной в двойные кавычки. Можно определять пользовательские функции строкового типа.

Системная константа ORIGIN может устанавливать не только номер начального индекса массивов, но и начало отсчета для соответствующих встроенных функций строкового (текстового) аргумента. Для включения этой опции нужно установить флажок проверки Use ORIGIN for string indexing (Использовать ORIGIN для индексации строк) на вкладке Calculations (Вычисление) диалогового окна Worksheet options (Свойства таблицы) меню Tools (Инструменты).

Начиная с версии Mathcad 12 введен новый тип данных, носящий имя NaN — NotANumber (НеЧисло). Он предназначен, главным образом, для идентификации элементов массивов, содержащих пропущенные (по тем или иным причинам) данные. В частности, при импорте матрицы данных из внешнего файла элементам, соответствующим пропускам (пустым местам в файле), будет автоматически присвоено значение NaN. Если какие-либо элементы вектора или матрицы, имеющие тип NaN, будут откладываться на графике, то они станут просто игнорироваться при построении кривой. Тем самым, во-первых, повышается надежность импорта данных из файлов; во-вторых, улучшается качество построения графиков рядов данных при наличии пропусков; и, в-третьих, пользователю предоставляются дополнительные средства по управлению вычислениями, т. к. любой переменной можно присвоить значение НеЧисло, например: x:=NaN. Математическое выражение, включающее в себя число типа NaN, тоже имеет тип NaN. Идентифицировать значение переменной или выражения как НеЧисло можно при помощи новой служебной функции isNaN:

1.2. Знакомство с Mathcad. Визуальная среда математического моделирования MathCAD

В данном разделе, несколько забегая вперед, покажем, как быстро начать работу с Mathcad, научиться вводить математические выражения и получать первые результаты расчетов.

Рис. 1.1. Окно Mathcad 11 с новым документом

После того как Mathcad 11 установлен на компьютере и запущен на исполнение, появляется основное окно приложения, показанное на рис. 1.1. Оно имеет ту же структуру, что и большинство приложений Windows. Сверху вниз располагаются заголовок окна, строка меню, панели инструментов (стандартная и форматирования) и рабочий лист или рабочая область документа (worksheet). Новый документ создается автоматически при запуске Mathcad. В самой нижней части окна находится строка состояния. Не забывая о сходстве редактора Mathcad с обычными текстовыми редакторами, вы интуитивно поймете назначение большинства кнопок на панелях инструментов.

Помимо элементов управления, характерных для типичного текстового редактора, Mathcad снабжен дополнительными средствами для ввода и редактирования математических символов, одним из которых является панель инструментов Math (Математика) (рис. 1.1). С помощью этой, а также ряда вспомогательных наборных панелей, удобно осуществлять ввод уравнений.

Для того чтобы выполнить простые расчеты по формулам, проделайте следующее:

  • определите место в документе, где должно появиться выражение, щелкнув мышью в соответствующей точке документа;
  • введите левую часть выражения;
  • введите знак равенства <=>.

Оставим пока разговор о более надежных способах ввода математических символов и приведем пример простейших расчетов. Для вычисления синуса какого-нибудь числа достаточно ввести с клавиатуры выражение типа sin(1/4)=. После того как будет нажата клавиша со знаком равенства, с правой стороны выражения, как по мановению волшебной палочки, появится результат (листинг 1.1).

Листинг 1.1.Расчет простого выражая

Здесь и далее во всей книге в листинги вынесено содержание рабочей области документа Mathcad вместе с полученными результатами вычислений.

Подобным образом можно проводить и более сложные и громоздкие вычисления, пользуясь при этом всем арсеналом специальных функций, которые встроены в Mathcad. Легче всего вводить их имена с клавиатуры, как в примере с вычислением синуса, но, чтобы избежать возможных ошибок в их написании, лучше выбрать другой путь. Чтобы ввести встроенную функцию в выражение:

  • Определите место в выражении, куда следует вставить функцию.
  • Нажмите кнопку с надписью f(x) на стандартной панели инструментов (на нее указывает курсор на рис. 1.2).
  • В списке Function Category (Категория функции) появившегося диалогового окна Insert Function (Вставить функцию) выберите категорию, к которой принадлежит функция, — в нашем случае это категория Trigonometric (Тригонометрические).
  • В списке Function Name (Имя функции) выберите имя встроенной функции, под которым она фигурирует в Mathcad (sin). В случае затруднения с выбором ориентируйтесь на подсказку, появляющуюся при выборе функции в нижнем текстовом поле диалогового окна Insert Function.
  • Нажмите кнопку ОК — функция появится в документе.
  • Заполните недостающие аргументы введенной функции (в нашем случае это 1/4).

Результатом будет введение выражения из листинга 1.1, для получения значения которого осталось лишь ввести знак равенства.

Большинство численных методов, запрограммированных в Mathcad, реализовано в виде встроенных функций. Пролистайте на досуге списки в диалоговом окне Insert Function (Вставить функцию), чтобы представлять себе, какие специальные функции и численные методы можно использовать в расчетах.

Конечно, не всякий символ можно ввести с клавиатуры. Например, неочевидно, как вставить в документ знак интеграла или дифференцирования. Для этого в Mathcad имеются специальные панели инструментов, очень похожие на средства формульного редактора Microsoft Word. Как уже было отмечено ранее, одна из них — панель инструментов Math — показана на рис. 1.1. Она содержит инструменты для вставки в документы математических объектов (операторов, графиков, элементов программ и т. п.). Эта панель показана более крупным планом на рис. 1.3 уже на фоне редактируемого документа.

Панель содержит девять кнопок, нажатие каждой из которых приводит, в свою очередь, к появлению на экране еще одной панели инструментов. С помощью этих девяти дополнительных панелей можно вставлять в документы Mathcad разнообразные объекты. На рис. 1.3, как легко увидеть, на панели Math в нажатом состоянии находятся две первые сверху слева кнопки (над левой из них находится указатель мыши). Поэтому на экране присутствуют еще две панели — Calculator (Калькулятор) и Graph (График). Легко догадаться, какие объекты вставляются при нажатии кнопок на этих панелях.

Рис. 1.2. Вставка встроенной функции

Подробнее о назначении этих и других наборных панелей инструментов рассказано ниже (см. разд. 1.3).

К примеру, можно ввести выражение из листинга 1.1 исключительно с помощью панели Calculator. Для этого нужно сначала нажать кнопку sin (самую первую сверху). Результат данного действия показан на рис. 1.3 (выражение в рамке). Теперь остается лишь набрать выражение 1/4 внутри скобок (в местозаполнителе, обозначаемом черным прямоугольником). Для этого нажмите последовательно кнопки 1, — и 4 на панели Calculator и затем, на ней же, кнопку —, чтобы получить ответ (разумеется, тот же самый, что и в предыдущей строке документа).

Как видите, вставлять в документы математические символы можно по-разному, как и во многих других приложениях Windows. В зависимости от опыта работы с Mathcad и привычек работы на компьютере, пользователь может выбрать любой из них.

Рис. 1.3. Использование панели инструментов Math

Если вы только начинаете осваивать редактор Mathcad, настоятельно рекомендую, где это только возможно, вводить формулы, пользуясь наборными панелями инструментов и описанной процедурой вставки функций с помощью диалога Insert Function (Вставить функцию). Это позволит избежать многих возможных ошибок.

Описанные действия демонстрируют использование Mathcad в качестве обычного калькулятора с расширенным набором функций. Для математика же интерес представляет, как минимум, возможность задания переменных и операций с функциями пользователя. Нет ничего проще — в Mathcad эти действия, как и большинство других, реализованы по принципу "как принято в математике, так и вводится". Поэтому приведем соответствующие примеры (листинги 1.2 и 1.3), не теряя времени на комментарии (если у вас возникнут проблемы с пониманием листингов, обратитесь за разъяснением к соответствующим разделам этой главы). Обратите внимание только на оператор присваивания, который применяется для задания значений переменным в первой строке листинга 1.2. Его, как и все остальные символы, можно ввести с помощью панели Calculator. Присваивание обозначается символом ":=" , чтобы подчеркнуть его отличие от операции вычисления.

Листинг 1.2. Использование переменных в расчетах

REDMOND

Листинг 1.3. Определение функции пользователя и рассчет ее значения в точке х=1

В последнем листинге определяется функция f (х). Ее график показан на рис. 1.4. Чтобы построить его, следует нажать на панели Graph кнопку с нужным типом графика (на нее на рисунке наведен указатель мыши) и в появившейся заготовке графика определить значения, которые будут отложены по осям. В нашем случае потребовалось ввести х в местоза-полнитель возле оси х и f (х) — возле оси Y.

Рис. 1.4. Построение графика функции (листинг 1.3)

Сравните содержание листинга 1.3 и рис. 1 4. Такой стиль подачи материала будет сохранен во всей книге. Листинги представляют собой фрагменты рабочих областей документа, которые работают без какого-либо дополнительного кода (если это не оговорено особо). Можно ввести содержание любого листинга в новый (пустой) документ, и он будет работать точно так же, как в книге. Чтобы не загромождать листинги, графики выведены в отдельные рисунки. В отличие от рис. 1.4, в следующих рисунках код листингов не дублируется, а если имеется ссылка на листинг в подрисуночной надписи, то это подразумевает, что данный график может быть вставлен в документ после упомянутого листинга.

Одной из самых впечатляющих возможностей Mathcad являются символьные вычисления, позволяющие решить многие задачи аналитически. Фактически, по мнению автора, Mathcad "знает" математику, по крайней мере, на уровне неплохого ученого. Умелое использование интеллекта символьного процессора Mathcad избавит вас от огромного количества рутинных вычислений, к примеру, интегралов и производных (листинг 1.4). Обратите внимание на традиционную форму написания выражений, единственная особенность заключается в необходимости применения символа символьных вычислений -> вместо знака равенства. Его, кстати, можно ввести в редакторе Mathcad с любой из панелей Evaluation (Выражения) или Symbolic (Символика), а символы интегрирования и дифференцирования — с панели Calculus (Вычисления).

Листинг 1.4. Символьные вычисления

В этом разделе была рассмотрена лишь небольшая часть вычислительных возможностей системы Mathcad. Тем не менее, несколько приведенных здесь примеров дают неплохое представление о его назначении. Возможно даже, что преждевременно рассказав о простоте, с которой можно проводить математические расчеты, автор потерял некоторую часть самых нетерпеливых читателей, которые уже перешли к решению своих задач. Им я хочу посоветовать воспользоваться в качестве справочника второй и третьей частями книги, а для наилучшего оформления результатов — четвертой частью. Ниже, в этой и последующих главах данной части основы Mathcad освещены более подробно.

Основные средства программы MathCAD

Конструирование выражений в MathCAD осуществляется с помощью математических панелей. Ввод заканчивается клавишей Enter или щелчком мыши вне определения. Синий уголок показывает текущий операнд выражения, он может быть расширен клавишей " Пробел ". В качестве разделителя целой и дробной части числа используется точка.

Арифметические операции , простейшие функции, знаки присваивания переменным (символ :=) можно вводить, используя панель Calculator (Калькулятор). Численные ответы выражений определяются нажатием клавиши [=] на клавиатуре. В качестве элементов выражения могут использоваться функции определенных интегралов, сумм и произведений с панели Calculus.

Для ввода математической функции различной категории используется команда Insert /Function (Вставить функцию).

Для ввода текстового комментария необходимо ввести знак двойной кавычки ", затем вводить текст. Текстовая область, как и любая другая, может быть перемещена на рабочем листе или скопирована в буфер . Маркеры текстовой области позволяют менять её размеры

1.4.1. Переменные и функции.

Переменная в MathCAD – это идентификатор, который используется в выражениях и которому можно присвоить числовое значение. Идентификатор – набор букв и цифр, первым из которых должна быть буква; буквы могут быть латинскими или греческими с соответствующей панели; малые и большие буквы различаются; в качестве цифры может использоваться символ подчеркивания. При выполнении цепочки выражений последовательность вычислений в документе определяется слева — направо и сверху — вниз. Чтобы цепочка выражений была вычислена, надо всем переменным присвоить числовые значения. Присваивания бывают двух видов: локальные и глобальные. Локальное присваивание осуществляется нажатием символа := на панели Калькулятор. Присвоенное значение в документе начинает действовать с момента его записи (слева-напрво и сверху-вниз).

Глобальное присваивание действует в пределах всего документа независимо от места его определения. Глобальное присваивание определяется символом === с панели Evaluation. Ниже (Рис.1.10) приведен пример цепочки выражений с использованием локального (для х) и глобального (для а) присваивания:

a\equiv3

x:=1, y:=x+3-\cos<(x^2)>, z:=x+y+a

x:=2, \mu:=y\frac<z>+e^x

y:=3.46, z:=7.46, \mu:=15.992

Встроенные константы

Символьный процессор распознает и способен выдавать математические константы в качестве результата.

Вычислительный процессор воспринимает как числа

\infty-бесконечность ( клавиши <Ctrl>+<Shift>+<z>);

е— основание натурального логарифма (клавиша <е>);

\pi; — число "пи" (вводится клавишами <Ctrl>+<Shift>+<p>);

j— мнимая единица (вводится клавишами <1>, <i> или <1>, <j>);

\% — символ процента, <%>, эквивалентный 0,01.

Основные типы переменных
Действительные числа

Любое выражение, начинающееся с цифры, MathCAD интерпретирует как число. Числа набираются на клавиатуры в нужном формате (Рис.1.11). Форматы представлены в окне Format/Result (Рис.1.7.).

a\equiv1000

b:=1.3474

c:=3124.1

d:=45.21\cdot10^<-5>

Комплексные числа

Комплексное число является суммой действительного и мнимого числа, получающегося путем умножения любого действительного числа на мнимую единицу (imaginary unit) i. По определению полагается, i2=-1. Для ввода мнимой единицы надо нажать клавиши <1>, <i.> (Рис.1.12). Если просто ввести символ "i", то MathCAD интерпретирует его как переменную i.

t:=1i+1

t^2\equiv2i

2t=2+2i

Размерные значения

В MathCAD числовые переменные и функции могут обладать размерностью. Используется команда Insert / Unit (Вставка / Единицы). "Горячая" клавиша <Ctrl>+<U>. В программе встроено большое количество единиц измерения, с помощью которых и создаются размерные переменные. Для ввода размерного значения — сразу после ввода переменной ввести символ умножения, в окне Insert / Unit списке Unit (Единицы) выбрать нужную единицу измерения

Pедактирование формул

В программе MathCAD при вводе формул курсор имеет вид: синего уголка ("клюшка") . Действие производится только с объектом, выделенным этим уголком. Для того чтобы охватить синим уголком блок, надо нажать на пробел один или несколько раз.

  1. Набираемая формула всегда заключена в рамку. Не выходите из рамки, пока не закончили набор формулы!
  2. Для набора формул пользуйтесь "Калькулятором" из "Математической палитры"

При наборе формул возможно появление ошибок набора. Кнопка на стандартной панели инструментов позволяет отменить последнее действие, выполненное при редактировании, т.е. вернуться к тексту, набранному ранее.

Встроенные функции MathCAD

Стандартные математические функции и численные методы, запрограммированные в MathCAD, реализованы в виде встроенных функций. Для вставки функции команда меню Insert /Function (Вставить функцию)(Рис.1.17).

 Окно стандартных функций

Собственные функции пользователя

Помимо широкого набора стандартных функций в MathCAD возможно определение собственных функций пользователя (Рис.1.14). В простейшем случае функция может быть определена выражением пользователя. Функция определяется следующим образом:

где имя_функции – любой идентификатор; аргументы – список аргументов функции через запятую; выражение – любое выражение с использованием стандартных функций и функций пользователя, определенных в документе перед этим. Выражение должно содержать идентификаторы аргументов. Пример цепочки выражений с использованием функций пользователя приведен ниже:

y:=x+\cos<x>

f(x,y):=x^2+y^2

s(x,y):=x+y+f(x,y)

z(x,y):=s(x,y)+x

x:=2

z(x,y):=12.092

1.4.2. Массивы

Массивами (arrays) называют упорядоченные последовательности чисел или элементов. Доступ к любому элементу массива возможен по его индексу, т. е. номеру в последовательности чисел В MathCAD условно выделяются два типа массивов: векторы (одноиндексные массивы), матрицы (двухиндексные массивы), и тензоры (многоиндексные массивы); ранжированные переменные (range variables) — векторы, элементы которых определенным образом зависят от их индекса.

Векторы и матрицы

Матрицей размером mxn называется совокупность m•n чисел, расположенных в виде прямоугольной таблицы из m строк и n столбцов. Эту таблицу обычно заключают в круглые скобки. Для краткости матрицу можно обозначать одной заглавной буквой, например, А или В.

В общем виде матрицу размером m x n записывают так

\mathbf= \left( \begin<array> <cccc>a_ <11>& a_ <12>& \ldots & a_ <1n>\\ a_ <21>& a_ <22>& \ldots & a_<2n>\\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ a_ <m1>& a_ <m2>& \ldots & a_<mn>\\ \end <array>\right)

Числа, составляющие матрицу, называются элементами матрицы. Элементы матрицы имеют два индекса aij: первый указывает номер строки, а второй – номер столбца. Например, a23 – элемент стоит во 2-ой строке, 3-м столбце. Если в матрице число строк равно числу столбцов, то матрица называется квадратной, причём число ее строк или столбцов называется порядком матрицы. Матрица, в которой число строк не равно числу столбцов, называется прямоугольной. Матрицу с одним столбцом называют вектор-столбец, с одной строкой — вектор-строка.

Сложение матриц производится поэлементно, но размеры матриц должны совпадать Умножение матриц. осуществляется по своеобразному закону. Прежде всего, размеры матриц–сомножителей должны быть согласованы. Перемножать можно только те матрицы, у которых число столбцов первой матрицы совпадает с числом строк второй матрицы (т.е. длина строки первой равна высоте столбца второй). Произведением матрицы A не матрицу B называется новая матрица C=AB, элементы которой составляются следующим образом:

 \left( \begin<array> <cc>a_ <11>& a_ <12>\\ a_ <21>& a_ <22>\\ \end <array>\right) \left( \begin<array> <ccc>b_ <11>& b_ <12>& b_ <13>\\ b_ <21>& b_ <22>& b_ <23>\\ \end <array>\right) = \left( \begin<array> <ccc>a_<11>b_<11>+a_<12>b_ <21>& a_<11>b_<12>+a_<12>b_ <22>& a_<11>b_<13>+a_<12>b_ <23>\\ a_<21>b_<11>+a_<21>b_ <21>& a_<21>b_<12>+a_<22>b_ <22>& a_<21>b_<13>+a_<22>b_ <23>\\ \end <array>\right)

Например, в произведении — матрице C, элемент стоящий в 1-ой строке и 1-м столбце c11, равен сумме произведений элементов 1-ой строки матрицы A и 1 столбца матрицы B,

Создаются матрицы при помощи кнопки палитры инструментов Matrix или команды Insert/Matrix (Рис.1.18, Рис.1.19, Рис.1.20). Появляется окно Insert matrix, где указывается количество строк, столбцов Rows и Columns.

REDMOND

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *