Einfuhrung in Maple V Springer Berlin Heidelberg New York Barcelona Budapest Hongkong London Mailand Paris Santa Clara Singapur Tokio K. M. Heal M. L. Hansen K. M. Rickard Einfiihrung • In MapleV J. Mit Unterstiitzung von S. Devitt Teilweise auf der Grundlage der Arbeiten von B. W. Char Mit 160 Abbildungen, davon 8 in Farbe Springer Waterloo Maple Inc. 450 Phillip St. Waterloo, ON N2L 5J2, Kanada Obersetzer: Karsten Homann . Anita Lulay . Werner M. Seiler Institut fur Algorithmen und Kognitive Systeme Universitiit Karlsruhe Am Fasanengarten 5, D-76131 Karlsruhe e-mail: (homannllulaylwms)@ira.uka.de Titel der englischen Originalausgabe 1996: Maple V - Learning Guide ISBN 0-387-94536-9 Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg ISBN 0-387-94575-X Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg (Maple V software boxed version) Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Heal, K. M.: Einfiihrung in Maple V: [release 4] 1 K. M. Heal; M. L. Hansen; K. M. Rickard. Mit Unterstiitzung von J. S. Devitt. Teilw. auf der Grundlage der Arbeiten von B. W. Char. [Waterloo Maple Inc. Dbers.: Karsten Homann ... ]. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer, 1996 ISBN 3-540-60545-2 NE: Hansen, M. L.:; Rickard, K. M.: Mathematics Subject Classification (1991): 68Q40, OS-XX, llYxx, 12YOS, 13Pxx, 14Qxx, 20-04, 28-04, 30-04, 33-XX, 62-XX, 65-XX, 92Bxx, 94A60, 94Bxx ISBN 3-540-60545-2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York ISBN 3-540-14561-3 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York (mit DOSlWindows-Disketten) ISBN 3-540-14560-5 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York (mit Macintosh-Disketten) ISBN 3-540-14562-1 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York (mit CD-ROM: DOS+Mac) Maple und Maple V sind eingetragene Warenzeichen von Waterloo Maple Inc. © Waterloo Maple Inc. 1996. Printed in Germany Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbeson dere die der Dbersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfiiltigung auf ande ren Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur aus zugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwider handlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Satz: Springer-TEX-Haussystem; Druck und Bindearbeiten: Konrad Triltsch, Wiirzburg SPIN 10507949 44/3143 -5 4 3 2 1 0 - Gedruckt auf saurefreiem Papier Inhalt 1. Der interaktive Einsatz von Maple 1 1.1 Arbeitsbhitter 3 1.2 Ubungseinheit 1: L6sen von Problemen 6 1.3 Ubungseinheit 2: Dokumentation Ihrer Arbeit 13 Einfiigen eines Titels 13 Einfiigen von Uberschriften 14 Mathematik im Text 16 1.4 Ubungseinheit 3: Mehrere Arbeitsblatter 17 Ausschneiden und Einsetzen 18 Einfiigen von Hyperlinks 20 Lesezeichen 21 1.5 Ubungseinheit 4: Hilfe erhalten 21 Der Inhalt des Hilfesystems 22 Schlagwortsuche 22 Volltextsuche 23 1.6 Zusammenfassung 24 2. Mathematik mit Maple: die Grundlagen 25 2.1 Einleitung 25 2.2 Numerische Berechnungen 27 Rechnen mit ganzen Zahlen 27 Exakte Arithmetik - rationale Zahlen, irrationale Zahlen und Konstanten 28 Gleitkommanaherungen 30 Arithmetik mit speziellen Zahlen 32 Mathematische Funktionen 33 • vi Inhalt 2.3 Grundlegende symbolische Berechnungen 34 2.4 Ausdriicken Namen zuweisen 35 2.5 Weitere grundlegende Typen von Maple-Objekten 37 Ausdrucksfolgen 37 Listen 38 Mengen 39 Befehle fiir Mengen und Listen 41 Felder 42 Tabellen 45 2.6 Manipulation von Ausdriicken 46 Der Befehl simplify 47 Der Befehl factor 48 Der Befehl expand 48 Der Befehl convert 49 Der Befehl normal 50 Der Befehl combine 50 Der Befehl map 51 Die Befehle lhs und rhs 52 Die Befehle numer und denom 52 Die Befehle nops und op 53 Haufige Fragen zum Umformen von Ausdriicken 53 2.7 Zusammenfassung 55 3. Bestimmen von Losungen 56 3.1 Einfaches solve 56 Uberpriifen von Losungen 58 Einschranken von Losungen 59 Untersuchen von Losungen 60 Der Befehl unapply 61 Der Befehl assign 63 Der Befehl RootOf 64 3.2 Numerisches Losen: fsolve 65 Grenzen von solve 66 3.3 Andere Loser 69 Berechnen von ganzzahligen Losungen 69 Berechnen von Losungen modulo m 69 Losen von Rekurrenzrelationen 70 3.4 Polynome 70 Sortieren und Zusammenfassen 71 Mathematische Operationen 72 Koeffizienten und Grade 73 Nullstellenbestimmung und Faktorisierung 74 • Inhalt vii 3.5 Infinitesimalrechnung 74 3.6 Differentialgleichungen: dsolve 79 3.7 Der Aufbau von Maple 85 3.8 Die Pakete von Maple 87 Liste von Paketen 87 Das Studentenpaket fur Analysis 89 Das Paket fur Lineare Algebra 92 Das Paket fur Statistik 94 Das Paket fur line are Optimierung 96 3.9 Zusammenfassung 98 4. Graphik 99 4.1 Graphische Darstellung in zwei Dimensionen 99 Parametrisierte Zeichnungen 101 Polarkoordinaten 103 Funktionen mit Unstetigkeiten 107 Mehrfache Zeichnungen 110 Zeichnen von Datenpunkten 112 Verfeinern von Zeichnungen 114 4.2 Graphische Darstellung in drei Dimensionen 115 Parametrisierte Zeichnungen 117 Spharische Koordinaten 118 Zylindrische Koordinaten 120 Verfeinern von Zeichnungen 122 Schattieren und Beleuchten 123 4.3 Animation 124 Animation in zwei Dimensionen 125 Animation in drei Dimensionen 127 4.4 Annotationen fur Zeichnungen 128 4.5 Zusammengesetzte Zeichnungen 130 Setzen von Text in Zeichnungen 132 4.6 Spezialtypen von Zeichnungen 134 4.7 Manipulieren von graphischen Objekten 139 4.8 Zusammenfassung 144 5. Auswertung und Vereinfachung 145 5.1 Mathematische Umformungen 145 Polynome als Summen schreiben 146 Zusammenfassen der Koeffizienten gleicher Potenzen 148 Faktorisieren von Polynomen und rationalen Funktionen 149 Entfernen rationaler Exponenten 152 • viii Inhalt Zusammenfassen von Termen 152 Faktorisierte Normalform 153 Vereinfachen von Ausdriicken 156 Vereinfachen mit Annahmen 156 Vereinfachen mit Nebenbedingungen 157 Sortieren algebraischer Ausdriicke 158 Umwandlungen zwischen aquivalenten Formen 159 5.2 Setzen von Annahmen 160 5.3 Strukturelle Umformungen 164 Abbilden einer Funktion auf eine Liste oder eine Menge 164 Elemente von Listen oder Mengen auswahlen 166 Zusammensetzen zweier Listen 167 Sortieren von Listen 168 Die Teile eines Ausdrucks 170 Ersetzen 177 .Andern des Typs eines Ausdrucks 180 5.4 Auswertungsregeln 182 Auswertungsebenen 182 Auswertung bis zum letzten Namen 183 Auswertung urn einen Schritt 185 Befehle mit speziellen Auswertungsregeln 185 Anfiihrungszeichen und verzogerte Auswertung 186 Variablen in Anfiihrungszeichen als Funktionsargumente 188 Verketten von Namen 189 5.5 Zusammenfassung 191 6. Beispiele aus der Analysis 192 6.1 Einfiihrung in die Infinitesimalrechnung 192 Die Ableitung 192 Approximation durch eine Taylor-Reihe 197 Das Integral 208 Gemischte partielle Ableitungen 211 6.2 Gewohnliche Differentialgleichungen 215 Der Befehl dsolv e 215 Beispiel: Taylor-Reihen 230 Wenn Sie keine geschlossene Losung finden konnen 235 Zeichnen gewohnlicher Differentialgleichungen 236 Unstetige auBere Kraft 240 6.3 Partielle Differentialgleichungen 245 Der Befehl pdesolv e 245 Inhalt • ix Transformation der abhangigen Variablen in einer partiellen Differentialgleichung 247 Das Zeichnen partieller Differentialgleichungen 250 6.4 Zusammenfassung 253 7. Eingabe und Ausgabe 254 7.1 Lesen von Dateien 255 Lesen von Zahlenspalten aus einer Datei 255 Lesen von Befehlen aus einer Datei 258 7.2 Schreiben von Daten in eine Datei 259 Schreiben von Spalten numerischer Daten in eine Datei 259 Speichern von Ausdriicken in Maples internem Format 262 Konvertieren in das ~TEX-Format 263 7.3 Exportieren ganzer Arbeitsblatter 263 Maple-Text 264 Exportieren als ~TEX 265 7.4 Ausgeben von Graphiken 268 7.5 Zusammenfassung 269 Index 271 Farbtafeln I-VIII nach 144 KAPITEL Der i nteraktive Einsatz von Maple Maple V ist ein System zum Symbolischen Rechnen oder ein Compu teralgebrasystem. Beide Ausdriicke beziehen sich auf die Fahigkeit von Maple V, Informationen symbolisch oder algebraisch zu manipulieren. Herk6mmliche mathematische Programme verlangen numerische Werte fiir alle Variablen. 1m Gegensatz dazu erhalt und verarbeitet Maple V die zugrundeliegenden Symbole und Ausdriicke. Sie k6nnen diese sym bolischen Fahigkeiten benutzen, urn exakte analytische L6sungen fiir viele mathematische Probleme wie Integrale, Gleichungssysteme, Systeme von Differentialgleichungen oder Probleme aus der Linearen Algebra zu er halten. Diese symbolischen Operationen werden erganzt durch eine groBe Anzahl von Graphikroutinen zur Visualisierung komplizierter math em a tischer Informationen, durch numerische L6sungsalgorithmen beliebiger Genauigkeit, die Abschatzungen liefern oder Probleme 16sen, bei denen keine exakte L6sung existiert, sowie durch eine vollstandige und umfas sende Programmiersprache zur Entwicklung maBgeschneiderter Funktio nen und Anwendungen. Die weitreichenden mathematischen Fahigkeiten von Maple V k6nnen am einfachsten iiber die moderne, auf Arbeitsblattern basierende, graphi sche Benutzeroberfliiche angesprochen werden. Ein Arbeitsblatt stellt ein flexibles Dokument dar zur Erforschung mathematischer Ideen und zum Erzeugen anspruchsvoller technischer Berichte. Benutzer von Maple haben eine Unzahl von Wegen gefunden, die Sprache und die Arbeitsbliitter von Maple auszunutzen. Ingenieure und Spezialisten in so unterschiedlichen Bereichen wie Land wirtschaft oder Raumfahrt benutzen Maple V als ein Produktionsmittel,