計算機代數系統第6章 圖形製作

2022-03-12 00:07:19 字數 4609 閱讀 2525

圖形無疑是數學中最令人著迷的部分, 一些枯燥的公式可以從圖形看出其美. 歷史上有許多學者利用函式圖形解決了學科中的許多難題.

客觀地說, maple不是一種視覺化的語言—它不會產生出版品質的圖形. 然後, 它的圖形功能非常強大, 足以提供更多的關於函式的資訊. 當然, 如果需要, 它的圖形作適當改進即可滿足出版要求.

限於篇幅, 本章所有圖形未作列印, 讀者只需在計算機上按照書中語句操作即可觀其效果, 更多圖形功能可通過maple幫助獲得.

maple所提供的二維繪圖指令plot可以繪製二維的函式圖、引數圖、極座標圖、等高線圖、不等式圖,等等. 這些繪圖指令有些已經內嵌在其核心程式裡, maple啟動時即被裝入,直接呼叫函式命令即可,有些則需要使用with(plots)呼叫plots函式庫才能完成.

plot (f(x), x=xmin .. xmax

plot (f(x), x=xmin .. xmax, y=ymin .. ymax);

plot ([f1(x), f2(x), …], x=xmin .. xmax);

plot (f(x), x=xmin .. xmax, option

其中,xmin..xmax為x的變化範圍,ymin..ymax為y(即f(x))的變化範圍. option選項引數主要有:

axes:設定座標軸的顯示方式, 一般有frame(座標軸在圖形的左邊與下面)、boxed(座標軸圍繞圖形)、normal(一般方式顯示)或none(無)

color:設定圖形所要塗的顏色(可選用也可自設)

coords:指定繪圖時所用的座標系(笛卡爾座標系(cartesian,預設)、極座標系(polar)、雙極座標系(bipolar)、logarthmic(對數座標系)等

discont:設定函式在不是否用線段連線起來(discont=true則不連線, 預設是discont=false)

labels:設定座標軸的名稱(labels=[x, y], x與y分別為x與y座標軸的名稱)

linestyle:設定所繪線條的線型(linestyle=n, n為1是實線, 2為點, 3為虛線, 4為虛線與點交錯)

numpoints:設定產生乙個函式圖形所需的最少樣點

scaling:設定x與y軸的比例(unconstrained非約束,constrained約束,比例為1:1)

style:設定圖形的顯示樣式(line(線形)、point(點)、patch(顯示多邊形與邊線)、patchnogrid(只顯示色彩而無邊界)

symbol:設定點的格式(主要有box(方塊)、cross(十字)、circle(圓形)、point(點)、diamond(菱形)等幾項)

thickness:設定線條的粗細(0、1、2、3幾種引數, 數值越大線條越粗)

tickmarks:設定座標軸刻度的數目(設定tickmarks=[m, n], 則x軸刻度為m, y軸為n)

title:定義圖形的標題(要用" "把標題引起來)

view:設定螢幕上圖形顯示的最大座標和最小座標,預設是整個曲線

下面通過一些例項學習:

> plot(sin(1/x),x=-0.1..0.1,title="y=sin(1/x)",axes=normal);

> plot(1/(2*sin(x)),x=-10..10,y=-30..30);

試比較下述三圖的效果:

> plot(tan(x),x=-2*pi..2*pi);

> plot(tan(x),x=-2*pi..2*pi, y=-5..5);

> plot(tan(x),x=-2*pi..2*pi, y=-5..5,discont=true);

(此處命令discont=true的作用是去除垂直漸近線)

> plot(sin(cos(6*x))/x, x=0..15*pi, y=-0.6..0.5, axes=none);

> plot(zeta(x),x=-3..3,y=-3..3,discont=true);

除了繪製基本的函式圖之外, plot還可繪製自定義函式的圖形, 也可以同時繪製多個函式圖.

> f:=x->sin(x)+cos(x)^2;

plot(f(x),x=0..16);

> plot([sin(x),sin(x^2),sin(x^3/10)],x=-2*pi..2*pi);

利用seq指令產生乙個由函式所組成的序列, 並將此函式的序列賦給變數, 然後將函式序列繪於同一張圖上.

> f:=x->sin(x)+cos(x);

fs:=seq(f(x)^(n-1)+f(x)^n,n=1..4):

plot([fs],x=0..20);

> f:=x->x*ln(x^2):g:=x->ln(x):

plot(,0..2,-1.5..1.5);

也可以直接把seq指令放在plot裡來繪出一系列的函式圖.

> plot([seq(f(x)^(2/n),n=1..3)],x=0..10);

更多情況下,我們無法把隱函式化成顯函式的形式, 因而plot指令無法在二維的平面裡直接繪圖. 但是, 在某些情況下, 我們可以把平面上的曲線f(x, y)化成 x=x(t), y=y(t)的形式, 其中t為引數(parameter). 據此即可繪圖, 其命令格式如下:

plot ([x(t), y(t), t=tmin .. tmax]);

plot ([x(t), y(t), t=tmin .. tmax], xmin .. xmax, y=ymin .. ymax);

plot ([x(t), y(t), t=tmin .. tmax], scaling=constrained);

plot ([[x1(t), y1(t), t1=t1min .. t1max], [x2(t), y2(t), t2=t2min .. t2max],…]);

> plot([t*exp(t),t,t=-4..1],x=-0.5..1.5,y=-4..1);

> plot([sin(t),cos(t),t=0..2*pi]);

> plot([sin(t),cos(t),t=0..2*pi],scaling=constrained);

上述兩上語句都是繪製圓的命令, 但由於後者指定的x、y座標的比例為1:1, 所以才得到了乙個真正的圓, 而前者由於比例不同, 則像個橢圓. 下面則是內擺線的圖形:

> x:=(a,b)->(a-b)*cos(t)+b*cos((a-b)*t/b);

> y:=(a,b)->(a-b)*sin(t)-b*sin((a-b)*t/b);

當a=1, b=0.58時,(x(a,b), y(a,b))圖形繪製命令為:

> plot ([x(1,0.58), y(1,0.58), t=0..60*pi], scaling=constrained);

再作a, b取其它值時的情形:

> plot([x(2,1.2),y(2,1.2),t=0..6*pi],scaling=constrained);

> plot([x(2,8),y(2,8),t=0..16*pi],scaling=constrained);

> plot([x(2,12),y(2,12),t=0..16*pi],scaling=constrained);

下面再看同時繪製多個圖形的情形.

> plot([[cos(3*t),sin(2*t),t=0..2*pi],[sin(t),cos(3*t),t=0..2*pi]]);

如果所繪的圖形是間斷性的資料, 而不是乙個連續的函式, 那麼我們可以把資料點繪在x-y座標系中, 這就是所謂的資料點繪圖. 其命令格式如下:

plot([[x1, y1], [x2, y2], …], style=point);

plot([[x1, y1], [x2, y2], …] );

> data1:=seq([2*n,n^3+1],n=1..10):

plot([data1],style=point);

> data2:=seq([n,1+(-1)^n/n],n=1..15):

plot([data2],style=point,view=[0..20,0..2]);

> data3:=seq([t*cos(t/3),t*sin(t/3)],t=1..30):

plot([data3],style=point);

由於所研究的問題的特殊性,常常需要選用不同的座標系, 在maple中除笛卡爾座標系 (cartesian, 也稱平面直角座標系, 預設)外,還提供了polar(極座標系)、elliptic(橢圓座標系)、bipolar(雙極座標系)、maxwell(麥克斯韋座標系)、logarithmic(雙數座標系)等14種二維座標系,其中最常用的是極座標系。設定座標系的命令是coords.

> plot(ln(x+1)^2,x=0..8*pi, coords=polar, scaling=constrained,thickness=2);

> plot(sin(6*x),x=0..68*pi, coords=polar, scaling=constrained, tickmarks=[3,3]);

> plot([sin(20*x),cos(sin(2*x))],x=0..2*pi,coords=elliptic, scaling=constrained,

color=[red,blue]);

> plot(exp(sin(68*t)+cos(68*t)), t=0..2*pi, coords=polar, scaling=constrained);

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