Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лабораторная работа - Организация расчетов в системе Maple. Часть 2

.pdf
Скачиваний:
68
Добавлен:
14.04.2015
Размер:
2.44 Mб
Скачать

Окончание табл. 12.1

Функция

l

n

d

Максималь-

 

 

 

 

 

 

ная погреш-

 

 

 

 

 

 

ность

 

3,

0 х 1;

 

 

 

 

14

 

1 х 5;

7

8

0,8

0,5

f (x) 0,

 

3,

5 х 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

(x 2)3

2

5

0,8

1

 

 

 

 

 

 

 

 

3,

0 х 2;

 

 

 

 

16

 

2 х 3;

5

7

0,95

1

f (x) 2,

 

5,

3 х 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, 0 х 2;

 

 

 

 

17

 

 

7

7

0,8

1

f (x) 2, 2 х 4;

 

5,

4 х 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,

0 х 2;

 

 

 

 

18

 

2 х 4;

6

7

0,8

1

f (x) 4,

 

 

4 х 6

 

 

 

 

 

6,

 

 

 

 

19

(0, 5x 2)3

3

5

0,8

1

 

3, 0 х 2;

 

 

 

 

20

 

2 х 4;

6

7

0,95

1

f (x) 8,

 

5,

4 х 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

61

Контрольные вопросы

1.Как вывести формулы для коэффициентов ряда

Фурье?

2.В чем состоят достаточные условия разложения функции в ряд Фурье (приведите примеры функций, удовлетворяющих и не удовлетворяющих этим условиям)?

3.Как вывести формулы для коэффициентов ряда Фурье для четных и нечетных функций?

4.Обладает ли свойством четности (нечетности) линейная комбинация четных (нечетных) функций?

5.Обладает ли свойством четности (нечетности) произведение нескольких функций, каждая из которых является четной или нечетной?

6.Может ли функция f(x) одновременно быть четной и нечетной? Всякая ли функция обладает свойством четности (нечетности)?

7.Можно ли всякую функцию представить в виде суммы четной и нечетной функций?

8.Есть ли в Maple функции, напрямую предназначенные для разложения в ряд Фурье?

9.Какую роль играет функция "assume" при проведении разложения в ряд Фурье?

10.Как найти частичную сумму членов ряда Фурье

вMaple?

11.Каковы особенности разложения в ряд Фурье разрывных функций в системе Maple?

12.Как с помощью анимации показать повышение точности разложения в ряд Фурье с увеличением числа членов разложения?

62

Лабораторная работа № 13. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Цель работы

Изучение теоретических основ работы с интегральными преобразованиями (Лапласа и Фурье).

Получение навыков проведения прямых и обратных преобразований Лапласа и Фурье в программе Maple.

Получение навыков решения дифференциальных уравнений и их систем операторным методом.

Проведение частотного анализа в программе Maple.

Функции Maple, полезные при выполнении лабораторной работы

В составе Maple есть целый пакет, предназначенный для проведения интегральных преобразований пакет

"inttrans". Перечислим основные функции этого пакета:

"laplace" и "invlaplace" (соответственно прямое и обратное преобразование Лапласа);

"fourier" и "invfourier" (прямое и обратное преоб-

разование Фурье);

"fouriercos" и "fouriersin" (косинус и синус-

преобразование Фурье);

"hilbert" и "invhilbert" (прямое и обратное преоб-

разование Гильберта);

"mellin" и "invmellin" (прямое и обратное преоб-

разование Меллина);

"hankel" (преобразование Ганкеля).

Приведем форматы вызова функций прямого и об-

ратного преобразования Лапласа: laplace(expr, t, s);

63

invlaplace(expr, s, t);

Здесь "expr" – выражение, подвергаемое преобразованию; "t" и "s" – переменные (первой указывается переменная, являющаяся аргументом исходного выражения, а второй – та, относительно которой составляется преобразованная зависимость).

Функции прямого и обратного преобразования Фурье имеют форматы вызова, аналогичные форматам для функций, связанных с преобразованиями Лапласа.

Задание на лабораторную работу

1.Изучите необходимые теоретические сведения

[2, с. 184–222].

Выберите один из вариантов задания из табл. 13.1.

2.Получите изображение для заданного оригинала, реализовав непосредственное вычисление интеграла по [2, формула (5.1)] и с помощью функции "laplace".

3.Найдите изображение первой и второй производных оригинала, проверьте полученные выражения на соответствие формулам (5.11) из [2].

4.Для оригинала и найденного для него изображения опытным путем проверьте формулы связи начального и конечного значений изображения и оригиналов

(см. [2, формулы (5.10)]).

Выберите один из вариантов задания из табл. 13.2.

5.Определите оригинал выражения f1(s) с помощью функции "invlaplace", а также с помощью реализации разложения Хевисайда (корни знаменателя – однократные).

6.Определите оригинал выражения f2(s) с помощью функции "invlaplace", а также с помощью реализации разложения Хевисайда (корни знаменателя – кратные).

64

7.Выберите один из вариантов задания из табл.

13.3.С помощью операторного метода решите дифференциальное уравнение с учетом заданных начальных условий.

8.Выберите один из вариантов задания из табл.

13.4.С помощью операторного метода решите систему дифференциальных уравнений с учетом заданных начальных условий.

Выберите один из вариантов задания из табл. 13.5.

9.Для функции f1(t) найдите косинуспреобразование Фурье по [2, формула (5.45)] и с использованием стандартной функции Maple.

10.Для функции f2(t) найдите синуспреобразование Фурье по [2, формула (5.48)] и с использованием стандартной функции Maple.

11.Для функции f(t) (считая, что при t < 0 функция имеет нулевые значения) найдите вид преобразования Фурье. При этом попытайтесь реализовать расчет по [2, формула (5.53)], применить стандартную функцию Maple и использовать связь преобразования Фурье с преобразованием Лапласа.

12.Для функции f(t) получите выражения и постройте графики амплитудного и фазового частотного спектров.

13.Оформите отчет по лабораторной работе.

Таблица 13.1. Задания к теме "Интегральные преобразования" (часть 1)

Оригинал

Оригинал

1

t2 sin2 t

11

t2 cos3 3t

2

t2 cos3

2t

12

t2 sin3 t

3

t2 sin4

3t

13

t2 cos4 3t

4

t4 2 t

 

14

t4 3 t

5

t2arctg5t

15

t2arctg4t

65

 

 

 

Окончание табл. 13.1

 

 

 

 

Оригинал

Оригинал

 

 

 

 

6

t2 cos2 t

16

t2 sin2 3t

7

t2 sin3 2t

17

t2 cos3 t

8

t2 cos4 2t

18

t2 sin4 2t

9

t3 4 t

19

t3 5 t

10

t2arctg3t

20

t2arctg2t

Таблица 13.2. Задания к теме "Интегральные преобразования" (часть 2)

 

 

 

 

 

 

 

f1(s)

 

 

 

 

 

 

 

f2(s)

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

6s 15

 

 

 

 

 

 

4s4 9s3 22s2 13s 14

 

 

 

 

s3 3s2 6s 8

 

 

 

 

 

 

s5 s4 5s3 s2 8s 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2s2

12s 13

 

 

 

 

2s4 19s3 49s2 26s 15

 

 

 

s3 7s2 14s 8

 

 

 

s5 4s4 s3 10s2 4s 8

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

6s2

23s 21

 

 

 

5s4 32s3 67s2 70s 82

 

 

 

s3 6s2 11s 6

 

s5 7s4 10s3 18s2 27s 27

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

4s2

9s 1

 

 

 

 

 

2s4 7s3

74s2

9s 213

 

 

 

 

 

s3 4s2 s 6

 

 

 

 

 

s5 5s4 5s3 45s2 108

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

4s2

3s 7

 

 

 

 

4s4 5s3

37s2

120s 16

 

 

 

 

s3 2s2 5s 6

 

 

 

 

 

s5 15s3

10s2

60s 72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

5s2

18s 15

 

 

 

 

 

 

 

s4 3s3

14s2

39s 14

 

 

6s3 6s2 11s 6

 

 

 

 

 

 

s5 s4 5s3 s2 8s 4

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

4s2

3s 5

 

 

 

 

5s4 16s3 14s2 12s 34

 

 

 

 

 

 

s3 7s 6

 

 

 

s5 4s4 s3 10s2 4s 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

5s2

10s 3

 

 

 

 

 

 

s4 5s3

55s2

55s 50

 

 

 

 

 

s3 4s2 s 6

 

s5 7s4 10s3 18s2 27s 27

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

4s2

9s 1

 

 

 

5s4 32s3

46s2 78s 114

 

 

 

 

 

s3 4s2 s 6

 

 

 

 

 

s5 5s4 5s3 45s2 108

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

66

Окончание табл. 13.2

 

 

 

 

 

 

 

f1(s)

 

 

 

 

 

 

 

f2(s)

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

5s2

7s 4

 

 

 

 

 

s4 8s3 2s2 146s 179

 

 

 

 

s3 2s2 5s 6

 

 

 

 

s5 15s3 10s2 60s 72

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

4s 1

 

 

 

 

 

 

4s4 s3

2s2

27s 6

 

 

 

 

s3 s2 10s 8

 

 

 

 

 

s5 s4 5s3 s2 8s 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

2s2

 

10s 1

 

 

 

 

 

6s4 21s3 s2

58s 49

 

 

 

5s3 3s2 6s 8

 

 

 

s5 4s4 s3 10s2 4s 8

 

 

 

 

 

 

13

 

 

 

 

3s2

 

11s 9

 

 

 

5s4 24s3

7s2 142s 136

 

 

5s3 6s2 11s 6

 

s5 7s4 10s3 18s2 27s 27

 

 

 

14

 

 

 

 

5s2

 

10s 3

 

 

 

6s4 21s3

32s2 141s 21

 

 

 

 

 

s3 4s2 s 6

 

 

 

 

s5 5s4

5s3 45s2 108

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

5s2

2s 9

 

 

 

 

 

4s4 9s3

21s2

24s 56

 

 

 

 

s3 2s2 5s 6

 

 

 

 

s5 15s4

10s3

60s 72

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

 

 

 

4s2

15s 13

 

 

 

 

 

 

5s4 3s3 2s2 s 10

 

 

 

s3 6s2 11s 6

 

 

 

 

 

s5 s4 5s3 s2 8s 4

 

 

 

 

 

 

 

 

17

 

 

 

 

 

5s2

6s 3

 

 

 

 

5s4 10s3 26s2 52s 18

 

 

 

 

 

 

s3 7s 6

 

 

 

s5 4s4 s3 10s2 4s 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

 

 

4s2 9s 1

 

 

 

 

5s4 27s3 25s2 71s 50

 

 

 

 

 

s3 4s2 s 6

 

s5 7s4 10s3 18s2 27s 27

 

 

 

 

 

 

19

 

 

 

 

5s2

 

10s 3

 

 

 

5s4 28s3

4s2 162s 246

 

 

 

 

 

s3 4s2 s 6

 

 

 

 

s5 5s4

5s3 45s2 108

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

4s2

3s 7

 

 

 

 

5s4 4s3

20s2

22s 101

 

 

 

s3 2s2 5s 6

 

 

 

 

 

s5 15s3

10s2

60s 72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

67

Таблица 13.3. Задания к теме "Интегральные преобразования" (часть 3)

№ Дифференциальное уравнение Начальные условия

1

 

 

y (t) 6y (t) 13y(t)

y (0) 10;

12

2 1(t 2) 1(t 4) 3(t 6)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

2

 

 

y (t) 5y (t) 6y(t)

y (0) 9;

15

3 1(t 3) 1(t 5) 6(t 7)

y(0) 0

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

y (t) 4y (t) 13y(t)

y (0)

8;

8

2 1(t 3) 1(t 6) 6(t 9)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

y (t) 7y (t) 12y(t)

y (0)

7;

14

3 1(t 2) 1(t 4) 8(t 7)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

y (t) 2y (t) 5y(t)

y (0)

6;

6

2 1(t 1) 1(t 4) 4(t 8)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

6

 

 

y (t) 3y (t) 2y(t)

y (0) 5;

9

5 1(t 1) 1(t 5) 4(t 9)

y(0) 0

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

y (t) 8y (t) 16y(t)

y (0)

4;

8 3 1(t 2) 1(t 5) 5(t 10)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

y (t) 7y (t) 10y(t)

y (0)

3;

7

4 1(t 3) 1(t 6) 6(t 9)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

y (t) 10y (t) 29y(t)

y (0)

2;

20

3 1(t 2) 1(t 6) 4(t 8)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

y (t) 6y (t) 5y(t)

y (0)

1;

10

4 1(t 1) 1(t 5) 2(t 7)

y(0) 0

 

 

 

 

 

 

11

 

 

y (t) 6y (t) 25y(t)

y (0) 10;

12 3 1(t 3) 1(t 10) 5(t 12)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

y (t) 6y (t) 8y(t)

y (0)

9;

6

2 1(t 1) 1(t 8) 4(t 11)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

 

13

 

 

y (t) 4y (t) 5y(t)

y (0)

8;

4

3 1(t 2) 1(t 6) 5(t 9)

y(0)

0

 

68

Окончание табл. 13.3

Дифференциальное уравнение

Начальные

 

 

 

 

условия

14

 

y (t) 8y (t) 15y(t)

y (0)

7;

16

4 1(t 3) 1(t

9) 2(t 12)

y(0)

0

 

 

 

 

 

15

 

y (t) 2y (t) 26y(t)

y (0) 6;

2

5 1(t 2) 1(t

7) 4(t 9)

y(0) 0

 

 

 

 

 

 

16

 

y (t) 5y (t) 4y(t)

y (0)

9;

10

3 1(t 3) 1(t

6) 6(t 10)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

17

 

y (t) 8y (t) 25y(t)

y (0)

4;

8 6 1(t 2) 1(t

8) 5(t 12)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

18

 

y (t) 8y (t) 15y(t)

y (0)

3;

16

7 1(t 3) 1(t

7) 3(t 11)

y(0) 0

 

 

 

 

 

19

 

y (t) 10y (t) 26y(t)

y (0) 2;

20 5 1(t 1) 1(t 6) 4(t 9)

y(0) 0

 

 

 

 

 

 

20

 

y (t) 4y (t) 3y(t)

y (0)

1;

12 3 1(t 2) 1(t

10) 5(t 14)

y(0)

0

 

 

 

 

 

 

 

Примечание. 1(t – a) означает функцию Хевисайда, δ(t – a) – функцию Дирака (дельта-функцию) с аргументом, равным t – a.

Таблица 13.4. Задания к теме "Интегральные преобразования" (часть 4)

 

 

Система дифференциальных

 

 

 

Начальные

 

 

 

 

 

уравнений

 

 

 

 

условия

 

 

 

(t) 3x(t)

 

 

 

 

 

 

 

x

y(t) 5 1(t 4) 1(t 6)

 

;

 

x(0) 0;

1

 

 

 

 

x(t) 10 (t 2)

 

 

 

 

y(0) 5

 

y (t) 3y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(t) 11(t 3);

 

 

 

 

x(0) 6;

 

x (t) 2x(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

5x(t) 9 1(t 1) 1(t 4)

 

y(0) 0

 

y (t) 6y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x (t) 4x(t)

2y(t) 6 1(t 3)

1(t 5)

 

;

x(0) 0;

3

 

 

 

x(t) 8 (t 4)

 

 

 

 

y(0) 4

 

y (t) 2y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

69

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение табл. 13.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система дифференциальных

 

 

 

 

 

Начальные

 

 

 

 

 

 

уравнений

 

 

 

 

 

 

условия

 

 

 

 

 

 

 

4 (t);

 

 

 

 

 

 

x(0) 5;

 

x (t) 3x(t) 8y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(0) 0

 

y (t) 5y(t) x(t) 3 1(t 2) 1(t 6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x (t) x(t)

y(t)

4 1(t 1) 1(t 3)

 

 

;

 

x(0) 0;

5

 

 

 

 

x(t) 3(t 3)

 

 

 

 

 

 

y(0) 3

 

y (t) y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 (t 3);

 

 

 

 

 

x(0) 4;

 

x (t) 3x(t) 2y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(0) 0

 

y (t) x(t) 4y(t) 2 1(t 1) 1(t 7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x (t) 3x(t)

2y(t) 5 1(t 1)

1(t 4)

 

 

;

x(0) 0;

7

 

 

 

 

 

x(t) 6 (t 2)

 

 

 

 

 

 

y(0) 2

 

y (t) 5y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(t) 7 (t 4);

 

 

 

 

 

 

x(0) 0;

 

x (t) 4x(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

21x(t) 8y(t)

4 1(t 1) 1(t 5)

y(0) 1

 

y (t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(t) 2x(t) y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3 1(t 2) 1(t 6)

 

 

;

x(0) 3;

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(0) 0

 

y (t) 2y(t) x(t) 7 (t 5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 (t 3);

 

 

 

 

 

x(0) 4;

 

x (t) 2x(t) y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(0) 0

 

y (t) 3x(t) 6y(t) 2 1(t) 1(t 4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x (t)

3x(t)

5y(t) 2 1(t 2)

1(t 5)

 

 

;

x(0) 2;

11

 

 

 

 

5y(t) x(t) 4 (t 4)

 

 

 

 

 

 

y(0) 0

 

y (t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(0) 0;

 

x (t) 4x(t)

y(t)

10 1(t 1)

1(t 9)

 

 

;

12

 

 

 

 

 

 

8 (t 6)

 

 

 

 

 

y(0) 5

 

y (t) 12x(t) 8y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(t) 4x(t) y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3 1(t 3) 1(t 6)

 

 

;

 

x(0) 1;

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(0) 0

 

y (t) 4y(t) x(t) 7 (t 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x (t)

3x(t)

3y(t) 4 1(t 2)

1(t 7)

 

 

;

x(0) 0;

14

 

 

 

 

x(t) 5y(t) 5 (t 3)

 

 

 

 

 

 

y(0) 4

 

y (t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(0) 5;

 

 

x (t) 4x(t) 2y(t) 3 (t 4);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

2 1(t) 1(t 7)

 

 

 

 

y(0) 0

 

 

y (t) x(t) 6y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

70