GTR - Maple Tabelle: Unterschied zwischen den Versionen

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=Funktionsanalyse mit Hilfe der Prozeduren=
 
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==Übung zum Download==
 
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=Wendepunkte "von Hand" bestimmen=
 
=Wendepunkte "von Hand" bestimmen=

Version vom 8. März 2012, 15:08 Uhr

Inhaltsverzeichnis

Einige Rechenbefehle

5 durch 7

>5/7;

Wurzel aus 14

>sqrt(14);

Logarithmus

Logarithmus von 2 zur Basis 10:

>log[10](2);

>evalf(%,8);

Umrechnung zwischen Grad- und Bogenmaß

>convert(81*degrees,radians); (Anmerkung: oder umgekehrt)

\pi

>Pi;

Eulersche Zahl

>exp(1);

e hoch 2

>exp(2);

Worksheet zu den Rechenbefehlen

Media:Rechenoperationen.mws

Arbeiten mit dem Speicher

Den Buchstaben A,B,C können beliebige Werte zugeordnet werden. Ein Beispiel verdeutlicht das Vorgehen:

>A:=5;

Die Zahl 5 wird dem Buchstaben zugeordnet mit := .

Möchte man ein Zwischenergebnis einem Speicher zuordnen, dann geht das so:

>B:=%;

Speicher zurücksetzen

restart;

Worksheet zum Speicher

Media:Speicher.mws

Umgang mit Termen

Einfache Operationen

Maple heißt für Maple
>restart; "Setze alle Werte zurück"
>g1:=(x-5)^3*(x+5)*x; "Lege in der Variable g1 den Term ab"
>g1; "Gib mir den Inhalt der Variable g1 aus"
>subs(x=4,g1); "Ersetze in der Variable g1 das x durch die Zahl 4"
>eval(g1,x=exp(1)); "Setze in die Variable g1 e für x ein"
>evalf(%); "Berechne das numerische Ergebnis der letzten Operation"
>expand(g1); "Multipliziere den Term in der Variable g1 aus"
>g2:=x^3-7*x^2+7*x+15; "Lege in der Variable g2 den Term ab"
>factor(g2); "Zerlege den Term in g2 in seine Faktoren"
>solve(g2=0); "Löse die Gleichung x^3-7*x^2+7*x+15=0"
>fsolve(g2); "Löse die Gleichung x^3-7*x^2+7*x+15=0"
>fsolve(g2+3,x); "Addiere 3 zum Term in g2 hinzu und gib die Lösung für den Fall aus, dass der Term =0 gesetzt wird"


Terme mit Parametern

>g3:=a*x^2+b*x+c;

>solve(g3=0,x); Hier gibt das x am Ende der Klammer an, dass die Lösung für den Parameter x gesucht wird. Entsprechend geht auch:

>solve(g3=0,a);

Worksheet zu Termen

Media:Terme.mws

Gleichungssysteme

mit solve lösen

>solve({x+y+z=a,2*x+y+z=3,x-y+2*z=0},{x,y,z});

als Matrix lösen

LGS: 1*a+2*b=3 und -3*a-2*b=-1

Vorbereitung: Matrixoperationen zulassen

>with(linalg):

Matrix eingeben:

>MA:=matrix(2,3,[1,2,3,-3,-2,-1]);

>MA[2,1];

weitere Varianten

siehe Seite Lineare Gleichungssyteme

Worksheet zu Gleichungssystemen

Media:Gleichungssysteme.mws

Umgang mit Matrizen

linalg-Paket aktivieren !!!!

> restart;

> with(linalg):

Matrix eingeben

> A:=matrix([[1,2,3],[-1,2,-3],[4,5,6]]);

oder

> A:=matrix(3,3,[1,2,3,-1,2,-3,4,5,6]);

Einzelne Elemente ausgeben lassen

> A[2,3];

Einheitsmatrix: (gleich viele Spalten wie Zeilen, nur in der Diagonalen 1-er)

> E:=matrix([[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]);

Addieren und subtrahieren mit evalm (und mit Linalg-Paket!):

> B:=evalm(E-A);

Multiplizieren mit &*:

> evalm(A &* A);

Die inverse Matrix bilden, z.B. B^-1: (Das geht aber nur manchmal ohne Error)

> inverse(B);

Auf Diagonalgestalt umformen

Zum Befehl rref siehe weiter oben beim Lösen von Gleichungen.

>rref(MA);

Also gilt: a=-1 und b=2.

Worksheet zu Matrizrn

Media:Matrizen.mws

Funktionen

Eingabe

für einfache Operationen reicht diese Variante:

y=0,37x+2,53 wird zu:

y:=0.37*x+2.53;

Anstelle von Komma nimmt man Punkt.

Funktionen im Sinne von f(x)=0,37x+2,53 gibt man ein als

>f:=x->0.37x+2.53;

heißt: "Ordne jedem x einen Wert zu der sich so berechnet: 0.37x+2.53"

ein weiteres Beispiel:

>f:=x->x^2;

Ausgabe des Werts an einer bestimmten Stelle

>f(2);

>f(2*a);

Funktionsgraph

>plot(f(x),x=-2..3,y=-1..10);

Ableitung, Aufleitung, Integration

siehe Ableiten und Integrieren

Worksheet zu Funktionen

Media:Funktionen.mws

Funktionsanalyse mit Hilfe der Prozeduren

Wertetabelle einer Funktion

Zur Darstellung einer Wertetabelle muss man die Prozedur einmailg in Maple installieren. Entsprechend der | Anleitung.

Als nächstes muss man die Prozedur mit dem Befehl

read "Prozeduren.m";

aufrufen.

Mit dem Befehl

>wertetabelle(y, x= 0..10);

werden alle Werte zwischen 0 und 10 ausgegeben.

Schaubild einer Funktion

> plot(y,x=0..10);

Die Funktion f wird im Bereich zwischen 1 und 10 dargestellt.

Nullstellen bestimmen

> read "Prozeduren.m";

Einbinden, wenn noch nicht eingebunden.

1. Muss die Funktion die zu bestimmen ist definiert werden.

> f:=x->3*x+2;

2. Mit diesem Befehl werden die Nullstellen der Prozedur f ermittelt. Diese werden in der Variablen Nullstellen abgespeichert.

> nullstellen(f);

3. Der Inhalt der Variablen wird aufgerufen mit:

> Nullstellen;

Schnittpunkte bestimmen

> read "Prozeduren.m";

Einbinden, wenn noch nicht eingebunden.

1. Die Funktionen f (x) und g(x) für die der Schnittpunkt bestimmt werden soll definieren.

> g:= x -> -x^2+5;

> f:= x -> -1/4*x^2+2;

2. Mit diesem Befehl werden die Schnittpunkte bestimmt:

> schnittpunkte(f,g);

Die erste Zahl in einer eckigen Klammer ist die x-Wert, die Zweite der y-Wert.

3. Beide Funktionen lassen sich wie folgt in einem Schaubild darstellen.

> plot({f(x),g(x)},x=-4..4);

Betrag f(x) zeichnen

Der Befehl Betrag ist für Maple abs().

Also gibst du einfach deine Funktion wie folgt ein:

> f:=x->abs(2-x);

f := x -> | 2 - x |

Anschließend muss die Funktion nur noch mit plot gezeichnet werden.

> plot(f(x),x=-10..14);

Plot Betrag von X2.gif

Worksheet zu den Prozeduren

Hier befindet sich das ganze noch als Worksheet zu ausprobieren.

Media:GTR.mws

Hoch und Tiefpunkte bestimmen - eine Alternative zur Prozedur

Zum Bestimmen von Hoch- und Tiefpunkten kann man auch die Befehle minimize und maximize benutzen. Bei dieser Möglichkeit ist es auch möglich den Bereich anzugeben. Achtung! Der hier dargestellte Weg findet Extremstellen bei trigonometrischen Funktionen nur eingeschränkt! Zur Ausgabe aller Maxima und Minima muss die Funktion mehrfach mit unterschiedlichen Bereichen angewendet werden!

restart;

Funktion definieren

f(x):=sin(x)+4;

plot(f(x), x=0..2*Pi);

Tiefpunkt:

Maple 9.5

minimize(f(x), x=0..2*Pi, location);

"location" dient dazu die x-Stellen zu ermitteln.

Maple 14

with(Optimization);

Minimize(f(x),x=0..2*Pi);

Maple 15

Minimize(f(x),x=0..2*Pi);

Hochpunkt:

Maple 9.5

maximize(f(x), x=0..2*Pi, location);

Maple 14

with(Optimization);

Maximize(f(x),x=0..2*Pi);

Maple 15

Maximize(f(x),x=0..2*Pi);

Übung zum Download

Wendepunkte "von Hand" bestimmen

Problemstellung: die Prozedur "Wendepunkte" liefert für trigonometrische Funktionen nur ein Ergebnis. Ursache: Maple erkennt die Periodizität der Funktion, verschweigt diese aber in der Prozedur. Deshalb der folgende Workaround:

Maple 9

  • Funktion definieren

> f:=x->1.4*sin((Pi/6.15)*(x-7))+5.2;

  • zweite und dritte Ableitung werden gebildet und als f2 und f3 in den Speicher gelegt..

> f1:=D(f):

> f2:=D(f1):

> f3:=D(f2):

  • Maple gibt die erste Stelle aus, an der die zweite Ableitung =0 ist.

> solve(f2(x)=0);

7.

  • Maple gibt dasselbe nochmal aus, hinter der Stelle steht +Faktor*_Z1, _Z1 ist der Platzhalter für jede ganze Zahl.

_EnvAllSolutions:=true;

> solve(f2(x)=0);


7.+6.150000001*_Z1

  • von Hand ausrechnen, welches Ergebnis sich für _Z1=1 (etc.) ergibt, dann hat man die Stellen der weiteren Wendepunkte.

> 7.+6.150000001*1;

13.15000000

  • hinreichende Bedingung mit f3 überprüfen (\not 0 heißt =Wendepunkt)

> evalf(f3(7));

-.1866174739

> evalf(f3(13.15));

.1866174739

  • x-Werte eingeben, um die y-Werte zu berechnen.

> f(7);

5.2

> f(13.15);

1.4*sin(.9999999999*Pi)+5.2

Worksheet zum Download

Worksheet zum Download

Maple 14

  • Funktion definieren

> f:=x->1.4*sin((Pi/6.15)*(x-7))+5.2;

  • zweite und dritte Ableitung werden gebildet und als f2 und f3 in den Speicher gelegt..

> f1:=D(f):

> f2:=D(f1):

> f3:=D(f2):

  • Maple gibt die erste Stelle aus, an der die zweite Ableitung =0 ist.

> solve(f2(x)=0);

7.

  • Maple gibt dasselbe nochmal aus, hinter der Stelle steht +Faktor*_Z1, _Z1 ist der Platzhalter für jede ganze Zahl.

> solve(f2(x)=0,AllSolutions=true);

7.+6.150000001*_Z1

  • von Hand ausrechnen, welches Ergebnis sich für _Z1=1 (etc.) ergibt, dann hat man die Stellen der weiteren Wendepunkte.

> 7.+6.150000001*1;

13.15000000

  • heinreichende Bedingung mit f3 überprüfen (\not 0 heißt =Wendepunkt)

> evalf(f3(7));

-.1866174739

> evalf(f3(13.15));

.1866174739

  • x-Werte eingeben, um die y-Werte zu berechnen.

> f(7);

5.2

> f(13.15);

1.4*sin(.9999999999*Pi)+5.2

Worksheet zum Download

Worksheet zum Download

Regression:

Lösung mit Maple 9.x

>restart;

> with(stats): with(statplots): with(plots):

Warning, these names have been redefined: anova, describe, fit, importdata, random, statevalf, statplots, transform

Warning, these names have been redefined: boxplot, histogram, scatterplot, xscale, xshift, xyexchange, xzexchange, yscale, yshift, yzexchange, zscale, zshift

Warning, the name changecoords has been redefined

>xwerte:=[1,2,4,5,6]; ywerte:=[.5,1,1.5,3,4];

>reg:=fit[leastsquare[[x,y],y=a*x^3+b*x^2+cx+d]]([xwerte,ywerte]);

>f:=eval(rhs(reg));

>punkte:=scatterplot(xwerte,ywerte, color=black, symbol= cross, labels=["x","y"]):

>kurve:=plot(f,x=0..8,color=red):

>display([punkte,kurve]);

Hinweis: So lassen sich Polynom-Regressionen beliebigen Grades durchführen. Exponentielle oder sinusförmige Regressionen gehen so leider nicht!!! y=a*b^x ; ln auf beiden Seiten dieser Gleichung liefert: ln(y)=ln(a)+x*ln(b) Eine lineare Regression liefert also ln(a) und ln(b).

Ab Maple 10 wäre das Thema Regression durch den Befehl Fit im Paket Statistics sehr einfach!!!

Worksheet zum Download

Media:Regression_M9.mws

Lösung mit Maple 14

Am Beispiel einer Gleichung dritten Grades:

restart;

with(Statistics):

X := [1, 2, 4, 5, 6];

Y := [.5, 1, 1.5, 3, 4];

Fit(a*x^3+b*x^2+c*x+d, X, Y, x);

f := convert(%, fraction);

ScatterPlot(X, Y, fit = [a*x^3+b*x^2+c*x+d, x]):gwp(%);

Das "convert(%, fraction)" dient in diesem Fall der bessern Übersicht über das Ergebnis. Man beachte die Vereinfachung im Plotbefehl!

Einen Regressionskoeffizienten wie im GTR kann Maple nicht ausgeben, behelfen kann man sich mit dem Aufruf der Option "residualmeansquare":

Fit(a*x^3+b*x^2+c*x+d, X, Y, x, output=residualmeansquare);

Je näher der so berechnete Wert an 0 liegt, desto genauer passt die errechnete Gleichung zu den Tabellenwerten.

Zip-File zum Download

Dieses ZIP enthält Worksheets zur Regression für folgende Funktionstypen:

  • Geradenfunktionen
  • Funktionen 2. Grades
  • Funktionen 3. Grades
  • Funktionen 4. Grades
  • sin-Funktionen
  • ExponenteialFunktionen

Download des ZIP-Files (26kB)

Stochastik

  • Fakultät: analog zur Standardschreibweise, z. B. 6!
  • Binomialkoeffizient n \choose k: binomial (n,k)

Normalen mit Maple bestimmen

Was der GTR per Knopfdruck kann, ist hier als Worksheet umgesetzt. Damit wird zum Bestimmen der Normalengleichung nur noch die Funktionsgleichung und die Stelle der Normalen benötigt.

Worksheet zum Download

Vektoren

siehe Seite Vektoren