Лабораторная работа № 6. Построение графиков функций

Цель. Научиться использовать возможности программы MathCAD для построения двух- и трехмерных гистограмм, двухмерных графиков в декартовых и полярных координатах, трехмерных графиков поверхностей, линий уровня поверхностей, изображений векторных полей, пространственных кривых.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Существует три способа построения графиков в системе MathCAD:

• можно воспользоваться позицией Главного меню Insert, выбрав команду Graph и в раскрывающемся списке - тип графика;

• выбрать тип графика на наборной панели Graph, которая включается кнопкой на панели Math;

• воспользоваться быстрыми клавишами ( они предусмотрены не для всех типов графиков).

Рассмотрим более подробно команды меню Insert->Graph (слева изображены соответствующие кнопки наборной панели Math):

X-Y Plot (X-Y Зависимость) клавиша [@]. Служит доля построения графика функции y=f(x) в виде связанных друг с другом пар координат (x_i,y_i) при заданном промежутке изменения для i.

Polar Plot (Полярные координаты)клавиши [Ctrl+7]. Служит для построения графика функции r(q), заданной в полярных координатах, где полярный радиус r зависит от полярного угла q.

Surface Plot (Поверхности) клавиши [Ctrl+2]. Служит для представления функции z=f(x,y) в виде поверхности в трехмерном пространстве. При этом должны быть заданы векторы значений x_i и y_j), а также определена матрица вида A_i,j=f(x_i,y_j). Имя матрицы A указывается при заполнении рамки-шаблона. С помощью этой команды можно строить параметрические графики.

Contour Plot (Контурный график). Строит диаграмму линий уровня функции вида z=f(x,y), т.е. отображает точки, в которых данная функция принимает фиксированное значение z = const.

3D Scatter Plot (3D Точечный). Служит для точечного представления матрицы значений A_i,j или отображения значений функции z=f(x,y) в заданных точках. Эта команда может также использоваться для построения пространственных кривых.

3D Bar Plot (3D Диаграммы). Служит для представления матрицы значений A_i,j или отображения значений функции z=f(x,y) в виде трехмерной столбчатой диаграммы.

Vector Field Plot (Поле векторов). Служит для представления двухмерных векторных полей V=(V_x, V_y). При этом компоненты векторного поля V_x и V_y должны быть представлены в виде матриц. При помощи этой команды можно построить поле градиента функции f(x,y).

3D Plot Wizard (вызов мастера для быстрого построения 3-мерного графика). При выборе этой команды возникает ряд всплывающих окон, в которых требуется выбрать параметры построения трехмерного графика (задаются тип трехмерного графика, стиль его изображения, цветовая гамма). График по умолчанию строится на промежутке от -5 до +5 (по обеим переменным).

Ход работы

I. Двумерные графики в декартовой системе координат

Задание 1.

Задайте ранжированную переменную х, меняющуюся от 0 до 2π с шагом 0,01. Построить график функции f(x) = sin(x). На графике дополнительно отобразить функцию f(x) = cos(x). Линии графика и оси оформить так, как показано на рис. 4 (см. п. 2.1.).

1. При выполнении команды Inset → Graph → Plot в документ помещается рамка-шаблон с двумя незаполненными ячейками для построения графика. (Клавиша [@]). 2. В ячейке, расположенной под осью абсцисс, указывается независимая переменная x. Ее следует определить заранее как переменную, принимающую значения из промежутка (ранжированная переменная) с определенным шагом.

Рис. 4. Двумерный график в декартовой системе координат, построенный в MathCAD

3. В ячейке рядом с осью ординат необходимо задать функцию f(x), график которой мы хотим построить. Если эта функция была определена заранее, то в ячейку достаточно ввести f(x), в противном случае следует ввести изображаемую функцию в явном виде (например, cos(x)).

4. После ввода x и f(x) в графической области появятся еще четыре ячейки, которые не обязательно заполнять. MathCAD автоматически находит подходящие значения для x_min, x_max, y_min, y_max. Если же предлагаемые MathCAD значения вас не устраивают, вы можете задать свои.

Примечания.

1. В MathCAD существует возможность строить график функции, не задавая предварительно промежуток изменения независимой переменной. По умолчанию этот промежуток принимается равным [-10, 10].

2. Для представления на одной диаграмме графиков нескольких функций необходимо выделить ячейку рядом с осью ординат и через запятую ввести вторую функцию. По умолчанию график этой функции будет представлен пунктирной линией другого цвета.