Álgebra Y Cálculo Básicos#

Sage puede efectuar cómputos relacionados al algebra y cálculo básicos: por ejemplo, encontrar soluciones de ecuaciones, diferenciación, integración y transformadas de Laplace. Véa la documentación «Construcciones En Sage» para más ejemplos.

Método De Euler Para Sistemas De Ecuaciones Diferenciales#

En el siguiente ejemplo, ilustraremos el método de Euler para EDOs de primer y segundo órden. Primero, recordemos la idea básica para ecuaciones de primer órden. Dado un problema con valor inicial de la forma

\[y'=f(x,y) y(a)=c\]

queremos encontrar el valor aproximado de la solución en \(x=b\) con \(b>a\).

Recuerda de la definición de derivada que

\[y'(x) \approx \frac{y(x+h)-y(x)}{h},\]

donde \(h>0\) está dado y es pequeño. Esto, junto con la ED, dan \(f(x,y(x))\approx \frac{y(x+h)-y(x)}{h}\). Ahora resuelve para \(y(x+h)\):

\[y(x+h) \approx y(x) + h*f(x,y(x)).\]

Si llamamos a \(h f(x,y(x))\) el «término de corrección» (a falta de algo mejor), llamamos a \(y(x)\) «el valor viejo de y», y llamamos a \(y(x+h)\) el «nuevo valor de y», entonces, esta aproximación puede re-expresarse como

\[y_{nuevo} \approx y_{viejo} + h*f(x,y_{viejo}).\]

Si descomponemos el intervalo desde a a b en n pasos, de modo que \(h=\frac{b-a}{n}\), podemos guardar la información dada por este método en una tabla.

\(x\)	\(y\)	\(hf(x,y)\)
\(a\)	\(c\)	\(hf(a,c)\)
\(a+h\)	\(c+hf(a,c)\)	…
\(a+2h\)	…
…
\(b=a+nh\)	???	…

La meta es llenar todos los espacios de la tabla, una fila cada la vez, hasta que lleguemos a la casilla ???, que será la aproximación del método de Euler para \(y(b)\).

La idea para los sistemas de EDOs es similar.

Ejemplo: Aproxima numéricamente \(z(t)\) en \(t=1\) usando 4 pasos del método de Euler, donde \(z''+tz'+z=0\), \(z(0)=1\), \(z'(0)=0\).

Debemos reducir la EDO de segundo órden a un sistema de dos EDs de primer órden (usando \(x=z\), \(y=z'\)) y aplicar el método de Euler:

Sage

sage: t,x,y = PolynomialRing(RealField(10),3,"txy").gens()
sage: f = y; g = -x - y * t
sage: eulers_method_2x2(f,g, 0, 1, 0, 1/4, 1)
      t                x            h*f(t,x,y)                y       h*g(t,x,y)
      0                1                  0.00                0           -0.25
    1/4              1.0                -0.062            -0.25           -0.23
    1/2             0.94                 -0.12            -0.48           -0.17
    3/4             0.82                 -0.16            -0.66          -0.081
      1             0.65                 -0.18            -0.74           0.022

Python

>>> from sage.all import *
>>> t,x,y = PolynomialRing(RealField(Integer(10)),Integer(3),"txy").gens()
>>> f = y; g = -x - y * t
>>> eulers_method_2x2(f,g, Integer(0), Integer(1), Integer(0), Integer(1)/Integer(4), Integer(1))
      t                x            h*f(t,x,y)                y       h*g(t,x,y)
      0                1                  0.00                0           -0.25
    1/4              1.0                -0.062            -0.25           -0.23
    1/2             0.94                 -0.12            -0.48           -0.17
    3/4             0.82                 -0.16            -0.66          -0.081
      1             0.65                 -0.18            -0.74           0.022

Por tanto, \(z(1)\approx 0.75\).

También podemos dibujar los puntos \((x,y)\) para obtener una representación aproximada de la curva. La función que hace esto es eulers_method_2x2_plot. Para poder usarla, necesitamos definir las funciones f y g que toman un argumento con tres coordenadas: (t, x,*y*).

Sage

sage: f = lambda z: z[2]        # f(t,x,y) = y
sage: g = lambda z: -sin(z[1])  # g(t,x,y) = -sin(x)
sage: P = eulers_method_2x2_plot(f,g, 0.0, 0.75, 0.0, 0.1, 1.0)

Python

>>> from sage.all import *
>>> f = lambda z: z[Integer(2)]        # f(t,x,y) = y
>>> g = lambda z: -sin(z[Integer(1)])  # g(t,x,y) = -sin(x)
>>> P = eulers_method_2x2_plot(f,g, RealNumber('0.0'), RealNumber('0.75'), RealNumber('0.0'), RealNumber('0.1'), RealNumber('1.0'))

A estas alturas, P está guardando dos gráficas: P[0], el gráfico de x vs. t, y P[1], el gráfico de y vs. t. Podemos mostrar ámbas como sigue:

Sage

sage: show(P[0] + P[1])

Python

>>> from sage.all import *
>>> show(P[Integer(0)] + P[Integer(1)])

Funciones Especiales#

Se han implementado varios polinomios ortogonales y funciones especiales, utilizando tanto PARI [GAP] como Maxima [Max]. Estas funciones están documentadas en las secciones apropiadas («Polinomios Ortogonales» y «Funciones Especiales», respectivamente) del manual de referencia de Sage.

Sage

sage: x = polygen(QQ, 'x')
sage: chebyshev_U(2,x)
4*x^2 - 1
sage: bessel_I(1,1).n(250)
0.56515910399248502720769602760986330732889962162109200948029448947925564096
sage: bessel_I(1,1).n()
0.565159103992485
sage: bessel_I(2,1.1).n()  # los últimos digitos son al azar
0.16708949925104...

Python

>>> from sage.all import *
>>> x = polygen(QQ, 'x')
>>> chebyshev_U(Integer(2),x)
4*x^2 - 1
>>> bessel_I(Integer(1),Integer(1)).n(Integer(250))
0.56515910399248502720769602760986330732889962162109200948029448947925564096
>>> bessel_I(Integer(1),Integer(1)).n()
0.565159103992485
>>> bessel_I(Integer(2),RealNumber('1.1')).n()  # los últimos digitos son al azar
0.16708949925104...

Hasta este punto, Sage únicamente ha encapsulado estas funciones para uso numérico. Para uso simbólico, por favor utiliza directamente la interfaz a Maxima, como en el siguiente ejemplo:

Sage

sage: maxima.eval("f:bessel_y(v, w)")
'bessel_y(v,w)'
sage: maxima.eval("diff(f,w)")
'(bessel_y(v-1,w)-bessel_y(v+1,w))/2'

Python

>>> from sage.all import *
>>> maxima.eval("f:bessel_y(v, w)")
'bessel_y(v,w)'
>>> maxima.eval("diff(f,w)")
'(bessel_y(v-1,w)-bessel_y(v+1,w))/2'

[GAP]

El Grupo GAP, GAP - Grupos, Algorítmos y Programación, https://www.gap-system.org

[Max] (1,2)

Maxima, http://maxima.sf.net/

Álgebra Y Cálculo Básicos#

Resolviendo Ecuaciones#

Resolviendo Ecuaciones De Manera Exacta#

Resolviendo Ecuaciones Numéricamente#

Diferenciación, Integración, etc.#

Resolviendo Ecuaciones Diferenciales#

Método De Euler Para Sistemas De Ecuaciones Diferenciales#

Funciones Especiales#