Maple 9.5/10 в математике, физике и образовании

Y(t) = (1 - ехр(-t)) sin(2πt).

Ее график и попытки вычисления интеграла с такой подынтегральной функцией приведены на рис. 4.7.

Рис. 4.7. График «экспоненциально нарастающей синусоиды» и интеграл от нее с пределами от 0 до ∞

Обратите внимание на то, что здесь прямое вычисление интеграла к успеху не привело, хотя из графика функции видно, что каждая положительная полуволна в близкой к t=0 области явно больше по амплитуде, чем последующая отрицательная полуволна. Однако, в отличие от предыдущей функции, при больших значениях аргумента данная функция вырождается в обычную синусоиду с неизменной (и равной 1) амплитудой. Вот почему Maple честно отказывается вычислять не сходящийся интеграл от такой «коварной» функции.

4.4.6. Вычисление несобственных интегралов первого рода

Несобственными интегралами называют интегралы, у которых хотя бы один из пределов или подынтегральная функция устремляются в бесконечность. Соответственно различают несобственные интегралы первого и второго родов. Вычисления таких интегралов требует повышенного внимания и порой использования специальных методов. Из-за этого в старых реализациях Maple нередко такие интегралы просто не вычислялись, хотя на самом деле их решения (порою в виде специальных функций) существовали.

Последние версии Maple существенно продвинулись в направлении решения многих несобственных интегралов. Это видно из благополучного решения ряда таких несобственных интегралов первого рода, о которых спотыкались старые версии Maple и которые требуют специальных решений (файл intspec):

> Int(sin(х)/х^2,х=1..infinity);

> value(%);evalf(%);

sin(1) - Ci(1)

0.5040670619

> Int(sin(x)^2,х=0..infinity);

> value(%);

∞

> Int(exp(-t^2)*sin(t^2),t=0..infinity);

> value(%);evalf(%);

> r:=Int(cos(x)/sqrt(х+х^2),x=0..infinity);

> value(r);evalf(r11);

> Int(ехр(-t^2), t=-infinity..infinity);

> value(%);

√π

> Int(exp(-t^2)*t*2, t=-infinity..infinity);

> value(%);

> Int(exp(-t)/t^(1/3), t=0..infinity);

> value(%);

> Int(exp(-t)*ln(t),t=0..infinity);

> value(%);

– γ

> Int(exp(-t)*ln(t)/t=1..infinity);

> value(%);

> evalf(%);

0.0506523094

> Int(exp(-x)*cos(x),x=0..infinity);

> value(%);

½

Для подавляющего большинства интегралов результат вычислений с применением функций Int и int оказывается абсолютно идентичным. Однако есть и исключения из этого правила. Например, следующий интеграл благополучно очень быстро вычисляется функцией Int с последующей evalf:

> Int(cos(х)/(x^4+x+1),x=-infinity..infinity);

> evalf(%);

1.878983562

Однако в Maple 9 функция int вместо числа возвращает «страшное» выражение:

> int(cos(х)/(х^4+х+1),x=-infinity..infinity);

Увы, но функция evalf(%), примененная после него, к более простому выражению не приводит — она просто повторяет выражение в выходной строке. Maple 9.5 при вычислении этого интеграла просто «завис» и спустя минуту так и не выдал результат.

Построив график подынтегрального выражения (проделайте это сами) можно убедиться в том, он представляет собой сильно затухающую волну с узким высоким пиком в точке x=1. Попытаемся выполнить интегрирование в достаточно больших, но конечных пределах, где волна почти полностью затухает:

> int(cos(х)/(х^4+х+1),х=-1000..1000);

> evalf(%);

1.878983561 +0.I

На сей раз результат получен (Maple 9.5 затратил на это около секунды). Он очень близок к полученному функцией Int, но все же имеет подозрительную мнимую часть с вроде бы нулевым значением. Он показывает, что не все здесь благополучно и что «пенки» в вычислении некоторых интегралов в Maple 9.5 все же возможны.

4.4.7. Вычисление несобственных интегралов второго рода

К несобственным интегралам второго рода относятся интегралы, имеющие в пределах интегрирования особенности подынтегральной функции. При этом сами пределы могут быть и конечными. Некоторые интегралы не имеют в среде Maple 9.5 общего решения, но исправно вычисляются для частных случаев (см. ниже для n неопределенного и конкретного n=6):

> Int(1/sqrt(1-х^n),х=0..1);

> value(%);
Definite integration: Can't determine if the integral is convergent. Need to know the sign of —> n
Will now try indefinite integration and then take limits.

> Int(1/sqrt(1-х^6),х=0..1)=evalf(int(1/sqrt(1-х^6) , х=0..1));

Приведем тройку примеров, требующих для вычислений «вручную» заметных умственных усилий, но прекрасно выполняемых системой Maple:

> Int((х-1)/ln(х),х=0..1)=int((х-1)/ln(х),х=0..1);

> Int(ln(1-х)/x,x=0..1)=int(ln(1-х)/x,x=0..1);

> Int(exp(-x)*sin(x)/x,x=0..infinity)=int(exp(-x)*sin(x)/x, x=0..infinity);

Однако не стоит думать, что всегда «коту масленица». Следующий интеграл дает весьма подозрительный результат:

> Int(1/(х^2*(sqrt(х^2-9))),х=0..infinity);

> value(%);