[整理]-8-《数值计算方法》实习作业(模板-小)

2.1函数图形与极限
2.1.1 实验目的
1.熟悉Mathematica 基本绘图语句。

2.掌握函数极限的有关操作命令。

3.学会利用Mathematica 软件对函数进行分析研究。

4.熟悉Mathematica 二元函数绘图语句。

2.1.2 实验内容
【基本语句】
1.Plot[f[x],{x,xmin,xmax},选项]; 功能: 画出函数f[x] 从min 到max 间的图形;
2.Plot[{f1[x],f2[x],...},{x,xmin,xmax},选项]; 功能: 在同一坐标系下画出函数f1,f2,...的图形。

3. ParametricPlot[{fx,fy},{t,tmin,tmax}]; 功能: 画出参数方程fx=x(t),fy=y(t)的图形;
ParametricPlot[{{f1x,f1y},{f2x,f2y}},{t,tmin,tmax}]; 功能：在同一坐标系下画出用参数方程表示的两幅函数图形。

【备注】fx,fy 的给出方式:
⑴fx=x(t) , fy=y(t)
⑵fx=x ,fy=f(x)与fx=f(x) ,fy=x 构成反函数的图形关系
⑶r=r(t) , fx=r(t)Cos(t) , fy=r(t)Sin(t)
4. Show[tu1,tu2] 功能：将tu1及tu2两幅函数图形重叠在一起，将两个函数图形一起显示。

5. Plot3D[f[x,y],{x,x0,x1},{y,y0,y1}] 功能：作出函数f[x,y]在区域[x0,x1]×[y0,y1]上的图形； ParametricPlot3D[{x[u,v],y[u,v],z[u,v]},{u,u0,u1},{v,v0,v1}] 功能：作出参数方程表示的曲面。

6. Limit[f[x],x->x0] 功能：求函数f[x]在x0处的极限。

7. Limit[f[x],x->x0,Direction->+1] 功能：求函数f[x]在x0处的左极限。

8. Limit[f[x],x->x0,Direction->-1] 功能：求函数f[x]在x0处的右极限。

9. Limit[f[x],x->Infinity] 功能：求函数f[x]在 x->无穷时的极限。

10. Limit[f[x],x->-Infinity] 功能：求函数f[x]在 x->负无穷时的极限。

【实验2.1】画出以下函数的图形。

（1）x y ln = 其中]10,1.0[∈x 。

（2）)6
cos(,sin 21π+==x y x y ，其中]6,4[-∈x 。

（3）14233221,,,--====x y x y x y x y ，其中]4,4[-∈x 。

【实验2.2】画出以下函数的图形。

（1）⎩⎨⎧==t
y t x sin 其中],0[π∈t 。

（2）⎩⎨⎧==⎪⎩
⎪⎨⎧==⎩⎨⎧==t y t x t y t x t y t x 和2
2, 其中]2,2[-∈t 。

（3）⎩⎨⎧===t
r y t r x t r sin cos 2cos 9且 其中]4,4[ππ-∈t 。

（3）Mathematica 语句：
【实验2.4】利用图形显示命令作出下列函数的图形：
(1))sin(),(xy y x f =，其中)4,0(),4,0(∈∈y x
（2）⎪⎩
⎪⎨⎧===2sin cos u z v u y v u x ，其中)2,0(),2,0(π∈∈v u
【实验2.5】求。

和x x x
x x x x x x x x x x x x sin lim sin lim ,sin lim ,tan lim ,tan lim ,tan lim 000
2)2()2(→→→→→→+-+
-
πππ 【实验2.6】求。

和x x x x x x e e e e 4
104
1012lim 12lim -+++++→→
【实验2.7】求
)122(lim )122(lim ,arctan lim ,arctan lim 2222+-++-++∞
→-∞→-∞→+∞→x x x x x x x x x x x x 和。

习题2.1
1. 利用Mathematica 语句作下列函数的图形，以分析函数的性质。

（1）]16,0[,sin )()(2∈-=x x x x x f
（2）]5,5[,sin )(22
-∈=x x
x x f （3）]2,0[,2sin )(,sin )(21π∈==x x x f x x f
（4）]2,0[,2sin sin π∈⎩
⎨⎧==t t y t x 2. 利用Mathematica 语句求下列函数的极限.
（1）n n n 1sin lim ∞→ （2）221sin 1lim n
n n n n ++∞→ （3） n n n n n n )2()1(l i m 1+++∞→
（4）30sin tan lim x x x x -→ （5）3
0sin tan lim x x x x -→ （6）11261lim 22++-∞→x x x x
2.2 函数微分学
2.2.1 实验目的
1.熟悉Mathematica 基本求导语句。

2.掌握函数求导数和求微分的有关操作命令。

3.学会利用Mathematica 软件求解隐函数和参数方程导数。

4. 用Mathematica 求显函数的偏导数和全微分。

5. 用Mathematica 求隐函数的偏导数和全微分。

2.2.2 实验内容
【基本语句】
在Mathematica 系统中，表示导数的方法有如下几种：
（1）f`’[x],f’’[x],……等表示关于x 的n 阶导数。

（2）用D[f ，x]表示f[x]对x 的一阶导数, 用D[f[x],{x,n}]表示f[x]对x 的n 阶导数。

1. D[f[x],x] 功能：求()x f 对x 的一阶导数。

2. D[f[x],{x,n}] 功能：求()x f 对x 的n 阶导数。

3. Dt[f[x],x] 功能：求()x f 的微分。

4. equ=D[F[x]= =0,x] 功能：方程两边对x 求导，得到含有y '方程。

5. Solve[equ,y ’[x]] 功能：解出y '。

6. D[f[x1,x2,...,xn],xi] 功能：求函数f 对i x 的偏导数i
n x x x x f ∂∂)...,(21。

7. D[f[x1,x2,...,xn],xi,xk] 功能：求函数f 对k i x x ,的混合偏导数。

8. D[f[x1,x2,...,xn],{xi,k}] 功能：求函数f 对i x 的k 阶偏导数。

9. Dt[f] 功能：求函数f 的全微分。

10. Dt[f,x] 功能：求函数f 对x 的全导数。

11. Solve[f[x]==0,x] 功能：解方程0)(=x f 。

12. Solve[{f[x,y]==0,g[x,y]==0},{x,y}] 功能：解方程组0),(,0),(==y x g y x f 。

【实验2.8】求以下函数的导数：
（1）13245+++=x x x y ，求函数一阶到五阶导数。

（2）()
21ln x x y ++=，求dy 并绘制y y ',图形。

【实验2.9】函数⎪⎩
⎪⎨⎧≥+<=0,10,cos )(2x x x x x f ，求()0f '并绘制()x f 图形。

【实验2.10】,0)cos(sin =--y x x y 求解22,dx
y d dx dy 。

【实验2.11】设()⎩⎨⎧+=+-=231ln t
t y t t x ，求22,dx y d dx dy 。

【实验2.12】求以下函数的偏导数：
（1）()x
ye y x y x f +=sin , ，求一阶偏导数，二阶偏导数，全微分。

【实验2.13】设方程233a xyz z =-确定了函数),(y x z z =,求x z ∂∂，y
z ∂∂。

【实验2.14】设方程⎪⎩⎪⎨⎧=+++=20
3222222z y x y x z 确定了y ,z 都是x 的函数，求dx dz dx dy ,。

习题2.2
1. 求下列函数的二阶导函数
(1) 7x y = (2)x x y ln 7= (3) t t t t t f sin sin )(+-=
(4) 3
2cos )(3+=x x x f 2. 求下列方程确定函数的22,dx
y d dx dy 。

(1)22ln arctan y x y
x += (2) 22)sin(y y x e xy =+
3. 求下列参数方程确定函数的22,dx
y d dx dy 。

(1) ⎪⎩
⎪⎨⎧=+=t y t x arctan )1ln(2 (2) ⎩⎨⎧=+=)
tan()
1sin(t e y t x
4. 求偏导数。

(1) 设x x x y tan =，求
dx dy (2) 设22cos y x z +=，求10
10202,,,y x z y x z y z x z ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (3) 已知,10⎩
⎨
⎧=+=-xv yu yv xu 求y v x v y u x u ∂∂∂∂∂∂∂∂,,, 2.3 中值定理及应用
2.3.1 实验目的
1. 会用Mathematica 画出函数()f x 和它的导数()f x '的图形；
2. 会用Mathematica 求函数在某个区间上的极小(大)值；
3. 会用Mathematica 验证不等式成立。

4. 用Mathematica 求解多元函数的极值问题。

2.3.2 实验内容
【基本语句】
1. Plot[Evaluate[D[f(x)],{x,a,b}] 功能：画出()f x 的导数()f x '在区间[,]a b 上的图形。

2. FindMinimum[f[x],{x,x0}] 功能：在点x0附近找函数f[x]的极小值。

3. FindMinimum[-f[x],{x,x0}] 功能：在点x0附近找函数f[x]的极大值。

【实验2.15】画出下列函数()f x 和的导数()f x '的图形。

（1）2sin(1)y x =+一阶导数在[2,2]-上的图形
此结果说明由函数零点的个数推出其导数零点的个数只适用于多项式函数，而对以一般函数来说，结果不一定成立。

（2）cos5x y e x -=一阶导数和二阶导数在[0,3]上的图形
在本例实验中,在(0,1)区间上,一阶导数为零的点是曲线增减区间的分界点;二阶导数为零的点是函数凹凸区间的分界点。

【实验2.16】求函数sin 4y x x =在区间]5.3,1[的极小值与极大值，并根据图形对照其正确性。

【实验2.17】证明不等式sin 2x x π
>,((0,)x π∈)。

【实验2.18】求函数z=x^3+y^3-3xy 的极值。

习题2.3
1. 证明不等式31sin (0)32x x x x π>+
<<。

2. 求函数2(sin cos )y x x x =+在区间[1,3]的极小值与极大值，并根据图形对照其正确性。

2.4 函数积分学
2.4.1 实验目的
1. 学习求不定积分的命令Integrate 。

2. 了解Mathematica 软件在积分运算的重要作用。

3. 加深理解积分理论中分割、近似、求和、取极限的思想方法。

4. 学习求积分的命令Integrate 与NIntegrate 。

5. 了解Mathematica 软件在积分运算的重要作用。

6. 掌握绘制空间图形的Mathematica 语句。

7. 展示空间曲线、曲面和立体图形。

8. 进一步学习求积分的命令Integrate ，学会用画图的手段化重积分为累次积分。

9. 了解Mathematica 软件在重积分运算的重要作用。

10. 掌握Mathematica 求曲线积分的命令。

11. 掌握Mathematica 求曲面积分的命令。

2.4.2 实验内容
【基本语句】
1. Integrate[被积函数,自变量] 功能：计算被积函数的一个原函数。

2. Module[{j,tu},...] 功能：定义新的模块，便于计算积分和作图。

3. NIntegrate [被积函数,自变量,积分区间] 功能：求被积函数在积分区间上的定积分值。

4. 常用Mathematica 绘图命令
三维图形的修饰(三维图形输出选项、缺省值和说明)
(1)BoxRatios->{1,1,1} 图形高宽比{x ，y,z}
(2)Axes-> True 是否包括坐标轴
(3)Axes Label -> None 在轴中加标志{xLabel ，yLabel}
(4)Boxed-> True 是否在曲面周围加立方体
(5)Mesh-> True 是否在表面画出x ，y 网格
(6)Shading-> True 表面是阴影还是留白的
(7)View Point->{1.3,-2.4,2} 视 点
5. Plot3D[f[x,y],{x,a,b},{y,c,d},可选项} 功能：Plot3D 为空间直角方程绘图函数，f[x,y]为直角方程式曲面y=f[x,y]的表达式，u 与v 为自变量，x 的下限为a ，上限为b ，y 的下限为c ，上限为d ，可选项内容为对三维图形的修饰项。

6. ParametricPlot3D[{x[u,v],y[u,v],z[u,v]},{u,a,b},{v,c,d}，可选项} 功能：ParametricPlot3D 为空间参数式绘图函数，x[u,v],y[u,v],z[u,v]为参数式曲面的表达式，u 与v 为参变量，参量的下限为a ，上限为b ，变量v 的下限为c ，上限为d ，可选项内容为对三维图形的修饰项。

【实验2.19】计算以下函数的不定积分。

（1）x y sin =
（2）22x a y -=
【实验2.20】观察函数x y =的原函数的连续性。

【实验2.21】观察函数x e y =的原函数的连续性。

【实验2.22】定义新的模块，利用其求解不定积分并作图。

【实验2.23】观察原函数族。

【实验2.24】计算函数在区间上的积分值和其近似值。

【实验2.25】计算函数在区间上的积分值和其近似值。

【实验2.26】计算变上限积分。

【实验2.27】计算平面曲线x x e x f πcos )2(2)(--=和)2cos(4)(-=x x g 所围成的平面图形面积S 。

【实验2.28】绘制下列函数所表示的曲面。

(1) )sin(22y x y +=
(2) 绘制双曲抛物面、抛物柱面、马鞍面的图形
【说明】本例实验中，可选项的选择中，图形长、宽、高比定义为1:1:1，使得图形更美观。

【实验2.29】绘制下列参数方程表示的曲面。

（1）22(,)(,)(,)22
x u v u y u v v u v z u v ⎧⎪=⎪=⎨⎪⎪=-⎩ （1,1u v -≤≤） ；
（2）(,)sec cos (,)sec sin (,)tan x u v u v y u v u v z u v u =⎧⎪=⎨⎪=⎩（,0233u v πππ-≤≤≤≤）；
（3）(,)sin cos (,)sin sin (,)4
x u v u v y u v u v v z u v ⎧⎪=⎪=⎨⎪⎪=⎩（02,02u v ππ≤≤≤≤）
（2）Mathematica 语句：
（3）Mathematica 语句：
x[u_,v_]:=Sin[u]Cos[v];
y[u_,v_]:=Sin[u]Sin[v];
z[u_,v_]:= v/4;
ParametricPlot3D[{x[u,v],y[u,v],z[u,v]},{u,0,2Pi},{v,0,2Pi},Boxed->False,BoxRatios->{1,1,1}]
【说明】本例实验中，可选项的选择中去掉方框，图形长、宽、高比定义为1：1：1，使得图形更美观。

【实验2.30】绘制高维麦比乌斯曲面。

(,)[2cos()sin sin()sin 2]cos 22(,)[2cos()sin sin()sin 2]sin 22(,)sin()sin cos()sin 222u u f u t t t u u u g u t t t u u u h u t t t ⎧=+-⎪⎪⎪=+-⎨⎪⎪=+⎪⎩
(02,02u t ππ≤≤≤≤) 【实验2.31】（1）绘制2222
(,),(,)16()f x y x y g x y x y =+=-+两个曲面。

（2）绘制二曲面10.2()0.1z x y =++与2220.5()z x y =-在区域11x -≤≤，11y -≤≤上相交部分的图形。

【实验2.32】试求二曲面的相交部分在坐标面上的投影。

【实验2.33】绘制正螺旋线sin cos 4
x t y t t z ⎧⎪=⎪=⎨⎪⎪=⎩的图形。

图2.46
【实验2.35】计算⎰⎰D
xydxdy ，其中12,
10:2+≤≤≤≤x y x x D 。

【实验2.36】计算dxdy e D y x ⎰⎰+-)(22，其中1:22≤+y x D 。

（由积分区域和被积函数的结构可知，此积分用极坐标计算简单，从而可把二重积分化为二次积分）
【实验2.37】计算抛物面2
2y x z +=在平面1=z 下方的面积。

（先画图，由积分区域和被积函数的
结构可知，此积分用极坐标计算简单，从而可把二重积分化为二次积分）
【实验2.38】计算dxdydz y x z ⎰⎰⎰Ω
+22，其中Ω为柱面0222=-+x y x ，平面0=z ，0>=a z ，0≥y 所围成。

（先画图，再把三重积分化为三次积分求解） 【实验2.39】已知曲线L ：⎪⎩⎪⎨⎧===kt z t a y t a x sin cos ，π20≤≤t ，用Mathematica 求曲线积分⎰
++L ds z y x )(222。

【实验2.40】用Mathematica 求曲线积分
1)
⎰+L dy x xydx 22，其中2:x y L =从)0,0(到)1,1(。

2) ⎰+L
dy x xydx 22，其中2:y x L =从)0,0(到)1,1(。

【实验2.41】用Mathematica 求曲面积分⎰⎰∑++ds z y x )(，其中2222:a z y x
=++∑。

【实验2.42】用Mathematica 求曲面积分
⎰⎰∑-++zdxdy dzdx dydz x z 0)(2，其中)20(,:222≤≤+=∑z y x z 的上侧。

习题2.4
1. 求下列函数的一个原函数： (1) x x
(2) x
x 21
(3) )tan (sec sec x x x - (4)
x 2cos 11+ (5)
x b x a 2222sin cos 1+ (6) 10
33
22-++x x x 2. 求下列函数的定积分。

（1）
⎰-1021dx x （2）
⎰+94)1(dx x x （3）
⎰+2131dx x x （4）dx x x
e ⎰+1
ln 1
（5）⎰-2
0|1|dx x （6） ⎰
--202)4(|1|dx x x 3. 求下列函数的定积分并求其结果对x 的导数。

（1）
⎰x dt t t 1sin （2）
⎰x t dt e ln 12 （3）
⎰+x dx x x 021arctan （4）⎰-2
2x x t dt e
4. 绘制下列函数的图形。

（1）)sin(),(y x y x f -=
（2）2222),(y x e y x y x f +=
5. 绘制下列参数方程表示的函数的图形。

（1）柱面⎪⎩
⎪⎨⎧===u v u z v v u y v v u x ),(sin ),(cos ),( )20,20(π≤≤≤≤v u 6. 绘制螺旋线4sin 20cos 4sin 20sin cos 20x t t y t t z t =+⎧⎪=+⎨⎪=⎩
（02t π≤≤）
2.5 无穷级数与函数逼近
2.5.1 实验目的
1.掌握Mathematica 的求和命令;
2.掌握函数展开成幂级数的Mathematica 命令;
3.加深理解幂级数是如何逼近函数图形的;
4.掌握Mathematica 对级数进行解析运算的命令.
2.5.2 实验内容
【基本语句】
1. Sum[f[n],{n,nmin,nmax}] 功能：求
∑=m ax
m in )(n n f 。

2. NSum[f[n],{n,nmin,nmax}] 功能：求
∑=m ax m in
)(n n f 的近似值（保留6位有效数字）。

3. Series[f[x],{x,x0,n} 功能：将)(x f 在0x 点展开，展开到n x 项。

4. Series[f[x],{x,x0,n}];
Normal[%] 功能：将)(x f 在0x 点展开，展开到n x 项的近似值。

【实验2.43】
（1）求∑=15121n n
（2）求∑=15121n n 的近似值（保留6位有效数字）
(3)求∑=40n n n x ！。

【实验2.44】
（1）求将x e y =在0=x 点展开到4x 项的精确表达式。

（2）求将x e y =在0=x 点展开到4x 项的近似表达式。

（3）求将)(x f y =在0x 点展开到2x 项的精确表达式。

（4）求将)(x f y =在0x 点展开到2x 项的近似表达式。

【实验2.45】通过比较x y sin =的图形与其在0=x 点的展开式图形，观察级数展开式的逼近情况。

（分别取前7、21、51项展开式）
【实验2.46】幂级数的分项展开图形：通过比较x y sin =的图形与其在1=x 点的分项展开式图形，观察级数展开式的情况。

（取前11项，即10,,1,0 =n ）
图2.55
【实验2.47】幂级数的展开式合成图形：通过比较x y sin =的图形与其在0=x 点的展开式图形，观察级数展开式的情况。

（取前11项，即10,,1,0 =n ）
【实验2.48】 求将x y -=
11在0=x 点展开到4x 项的近似表达式。

【实验2.49】 求将x y -=
11在0=x 点展开到4x 项的表达式。

【实验2.50】 求将x x
y sin 11+-=
在0=x 点展开到4x 项的表达式。

【实验2.51】 求将x x
y sin 11+-=在0=x 点展开到4x 项的表达式对x 的导数和不定积分。

【实验2.52】 求将x x y sin 11+-=
在0=x 点展开到4x 项的表达式在811-=x 处的近似值，并与实际值进行比较（取19位有效数字）。

习题2.5
1. 求下列幂级数的和函数
(1) 观察级数∑∞=1
21n n 的部分和序列的变化趋势。

(2) 观察级数∑∞=1
1
n n 的部分和序列的变化趋势。

2. 求∑∞=+-021
)3(4n n n n x 的和函数。

3. 求x ln 在1=x 处的6阶泰勒展开式。

2.6 常微分方程解法
2.6.1 实验目的
1. 掌握Mathematica 求解微分方程的通解方法
2. 掌握Mathematica 求解微分方程组的通解方法
2.6.2 实验内容
【基本语句】
1. DSolve[equ==0,y[x],x] 功能：求常微分方程的通解。

2. DSolve[{equ==0，初始条件,y[x],x] 功能：求常微分方程满足初始条件的特解。

3. DSolve[{equ1==0，equ2==0},{y1[x],y2[x]},x] 功能：求常微分方程的通解。

4. DSolve[{equ1==0，equ2==0，初始条件,{y1[x],y2[x]},x] 功能：求常微分方程组满足初始条件的特解。

5. NSolve[equ==0,y[x],x] 功能：求常微分方程的所有根的近似形式。

6. NSolve[equ1==0，equ2==0, {y1[x],y2[x]},x] 功能：求常微分方程组的所有根的近似形式。

【实验2.53】求常微分方程的通解。

（1）求一阶微分方程2
0y y xy '++=的通解
（2）求二阶微分方程20x y y ''+=的通解
【实验2.53】求方程x y y ='-''满足1)0(,0)0(='=y y 的特解。

【实验2.54】求方程组⎪⎩⎪⎨⎧+=+=11x dt dy y dt dx 且满足⎩⎨⎧=-=0)0(2)0(y x 的特解。

【实验2.55】求微分方程（组）满足初始条件的特解。

（1）求微分方程初值问题0)0(,=+='y y x y 在区间]1,0[内的数值解
（2）求方程y x y sin cos +='在区间]20,0[上满足条件1)0(=y 的特解
（3）求方程组⎩⎨⎧--='='x t y t y t y t x sin )(01.0)()
()(在1000≤≤t 上，满足条件1.2)0(,0)0(==y x 的特解。

习题2.6
1. 求方程30y y x '''++=在区间[0,8]上满足条件(0)0,(0)1y y '==的特解。

2. 求2
223x y xy y x '''-+=满足条件(1),(1)y m y n '==的特解。