python计算微积分

时间:2022-10-05 15:55:50
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本文将使用sympy库计算微积分pip install sympy

符号说明: 默认导入库的方式为from sympy import *

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一.计算极限

limit(f,x,h)f是表达式,x是对谁求极限,h是x趋于多少
lim ⁡ x → 0 sin ⁡ x − tan ⁡ x + e tan ⁡ x − 1 x − tan ⁡ x + sin ⁡ x \\ \lim_{x\rightarrow 0} \frac{\sin x-\tan x+e^{\tan x}-1}{x-\tan x+\sin x} \\ x0limxtanx+sinxsinxtanx+etanx1

from sympy import *
x=Symbol("x")
f=(sin(x)-tan(x)+exp(tan(x))-1)/(x-tan(x)+sin(x))
limit(f,x,0)#如果没有输出结果请print(limit(f,x,0))

输出结果为1

二.求导数

1.求一阶导数

求 x 4 + x 3 + x + 1 的一阶导数 求 x^4+x^3+x+1的一阶导数 x4+x3+x+1的一阶导数

from sympy import *
x=Symbol("x")
expr=x**4+x**3+x+1
expr.diff(x)#注意如果没有输出任何内容,请使用print(expr.diff(x)),以下同理
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2.求高阶导数


求 sin ⁡ x 的 100 阶导数 求 \sin x的100阶导数 sinx100阶导数

from sympy import *
x=Symbol("x")
expr=sin(x)
expr.diff(x,100)
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3.多元函数求导

f ( x , y ) = ( x + 1 ) 3 y 2 ( z − 1 ) ( 其中 z 是常数 ) 求 : ∂ 2 f ( x , y ) ∂ x ∂ y f\left( x,y \right) =\left( x+1 \right) ^3y^2\left( z-1 \right) \left( \text{其中}z\text{是常数} \right) \\ \text{求}:\frac{\partial ^2f\left( x,y \right)}{\partial x\partial y} f(x,y)=(x+1)3y2(z1)(其中z是常数):xy2f(x,y)

#多元函数
from sympy import *
x=Symbol("x")
y=Symbol('y')
z=Symbol("z")
expr=(x+1)**3*y**2*(z-1)
expr.diff(x,y)
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4.多元函数求高阶导数

f ( x , y ) = ( x + 1 ) 3 y 2 ( z − 1 ) ( 其中 z 是常数 ) 求 : ∂ 3 f ( x , y ) ∂ x 2 ∂ y f\left( x,y \right) =\left( x+1 \right) ^3y^2\left( z-1 \right) \left( \text{其中}z\text{是常数} \right) \\ \text{求}:\frac{\partial ^3f\left( x,y \right)}{\partial x^2\partial y} f(x,y)=(x+1)3y2(z1)(其中z是常数):x2y3f(x,y)

from sympy import *
x=Symbol("x")
y=Symbol('y')
z=Symbol("z")
expr=(x+1)**3*y**2*(z-1)
expr.diff(x,2,y,1)#注意这里2和1的位置
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三.计算积分

1.不定积分

计算 ∫ x 5 sin ⁡ x d x \text{计算}\int{x^5\sin x}dx 计算x5sinxdx

from sympy import *
x=Symbol("x")
expr=x**5*sin(x)
integrate(expr,x)#如果输出为空,就换为print(integrate(expr,x))
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2.计算定积分

∫ 0 ∞ ln ⁡ x sin ⁡ x d x \int_0^{\infty}{\ln x\sin x}dx 0lnxsinxdx

无穷大的表示:oo(没错就是两个o)

from sympy import *
x=Symbol("x")
expr=log(x)*sin(x)
integrate(expr,(x,0,oo))

抱歉,他不收敛,返回我输入的表达式了,我们换一个

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计算: ∫ 0 ∞ a sin ⁡ ( x cos ⁡ x ) d x \displaystyle\int_0^{\infty}{a\sin \left( x\cos x \right)}dx 0asin(xcosx)dx,其中a为常数

呃呃呃,这个有点难算,又返回原函数了,但是这个是发散的吗?

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我有点不服啊,掏出我的Wolfram Mathematic试试,好吧,咱也看不懂,总之就是这样计算的

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3.计算二重积分

∬ ( x + sin ⁡ y ) e x d x d y \iint{\left( x+\sin y \right) e^xdxdy} (x+siny)exdxdy

from sympy import *
x=Symbol("x")
y=Symbol("y")
expr=(x+sin(y))*exp(x)
integrate(expr,x,y)
python计算微积分 $$ \int_0^1{\int_0^1{\left( x+\sin y \right) e^xdxdy}} $$
from sympy import *
x=Symbol("x")
y=Symbol("y")
expr=(x+sin(y))*exp(x)
integrate(expr,(x,0,1),(y,0,1))
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四.级数展开

cos ⁡ x 在 x = 0 处 3 阶展开 \cos x\text{在}x=0\text{处}3\text{阶展开} cosxx=03阶展开

from sympy import *
x=Symbol("x")
cos(x).series(x,0,n=3)#偶数项展开为0,所以只有两项
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我们可以不写后面的0和n,因为默认是在0处展开

e x e^x ex的泰勒展开

from sympy import *
x=Symbol("x")
# cos(x).series(x,0,n=3)
exp(x).series(x)

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任意表达式的展开

f ( x ) = cos ⁡ ( x ) 1 + sin ⁡ ( x y ) 在 x = 0 处展开四阶 f\left( x \right) =\frac{\cos \left( x \right)}{1+\sin \left( xy \right)}\text{在}x=0\text{处展开四阶} f(x)=1+sin(xy)cos(x)x=0处展开四阶

from sympy import *
x,y=symbols("x,y")#注意这里是symbols
expr=cos(x)/(1+sin(x*y))
expr.series(x,n=4)

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