Построение поверхностей по матрице аппликат их точек

До появления Mathcad версии 2000 при построении графика поверхности, представленной функцией z(x, у) двух переменных, приходилось предваритель­но определять матрицу М аппликат (высот z) ее точек. Разумеется, этот способ возможен и в Mathcad 2000.

Поскольку элементы матрицы М - переменные с целочисленными индексами, то перед созданием матрицы требуется задать индексы в виде ранжированных переменных с целочисленными значениями, а затем уже из них формировать сетку значений х и у - координат для аппликат z(x, у). Значения х и у при этом обычно должны быть вещественными числами, нередко как положительными, так и отрицательными.

В каждом конкретном случае получение матрицы значений связано с конкретной поставленной задачей. Например, построить график функции двух переменных.

Переменная z (с областью изменения Z) называется функцией независимых переменных x и y в множестве M, если каждой паре (x, y) их значений из M по некоторому правилу или закону ставится в соответствие одно определенное значение z из множества Z.

Множество M - область определения функции, множество Z - область ее значений. Функциональная зависимость z от x, y обозначается z = f(x, y).

Возьмем в пространстве систему координатных осей x, y, z, изобразим на плоскости xOy множество M; в каждой точке (x, y) этого множества - восстановим перпендикуляр к плоскости и отложим на нем значение z = f(x, y) (аппликаты точек).

Геометрическое место полученных таким образом точек и является пространственным графиком функции z = f(x, y).

Поэтому для построения в Mathcad графика функции двух переменных необходимо предварительно вычислить значения функции на прямоугольной сетке, т.е. построить таблицу значений функции. Надо определить функцию двух переменных f(x, y), определить количество узлов квадратной сетки n в плоскости переменных x, y, определить диапозон изменения целых индексов i и j узлов сетки x_i и y_j соответственно.

В простейшем случае определим x_i = i и y_j = j, соответственно в этом случае функцию z можно записать как z = f(i, j). Построим матрицу значений такой функции.

Пусть количество узлов квадратной сетки n = 10, диапазон изменения индексов от 1 до 10, функция f(i, j) = 3 – i + j. При задании элементов матрицы по формулам необходимо помнить, что начальный индекс элементов матрицы по умолчанию равен нулю и обозначается символом ORIGIN.

Определяем ORIGIN:=1 для того, чтобы индексы первого элемента матрицы были равны 1. Переменные i и j определим как ранжированные переменные, которые изменяются от 1 до 10 с шагом 1. Чтобы задать индексы i и j, после ввода имени матрицы М нажать клавишу «[», после чего появится шаблон для ввода индексов. Пример задания матрицы М в Mathcad приведен на рис.8.10.

После выполнения указанных выше определений вводится шаблон графика (например, команда Surface Plot). В шаблоне необходимо заполнить единственный темный прямоугольник у левого нижнего угла основного шаблона. В него надо занести имя матрицы М, которая определена в примере на рис. 8.10. После этого надо установить указатель мыши и стороне от графического блока и щелк­нуть левой кнопкой. На рис. 8.11 показан пример построенного графика. По умол­чанию строится поверхность в виде «проволочного каркаса» со всеми видимы­ми линиями.

Рисунок 8.10 - Пример задания матрицы М - матрицы аппликат (высот)

Рисунок 8.11- График поверхности, построенный автоматически

Наглядность представления поверхностей трехмерных фигур зависит от мно­жества факторов: масштаба построения, углов поворота фигуры относительно осей, применения алгоритма удаления невидимых линий или отказа от него, использования функциональной закраски и т.д. Для изменения этих параметров следует отформатировать график.

Вид трехмерных фигур сильно зависит от того, под какими углами относительно осей X, Y и Z фигуру рассматривают. Вращение фигуры эквивалентно ее просмотру с разных сторон.

Для этого и иных действий надо поместить указатель мыши в область графика, нажать левую кнопку мыши и удерживая ее, начать двигать мышь по столу в том или ином направлении. Фигура вместе с осями координат и «ящиком», и который она помещена, начнет вращаться в ту или иную сторону.

Если оперировать мышью при нажатой клавише Ctrl, можно с ее по­мощью отдалять объект от наблюдателя или наоборот приближать. Если проделать те же действия с нажатой клавишей Shift, то после отпускания левой кнопки можно вообще наблюдать анимационную («живую») картину вращения объекта в любом заданном предварительно направлении. Для остановки вращения надо щелкнуть левой кнопкой мыши.

8.3.2. Построение трехмерных графиков в Mathcad 2000 без задания матрицы

Mathcad версии 2000 обладает новой возможностью построения трех­мерных графиков - без задания матрицы аппликат поверхностей. Для построения графика необходимо задать функцию двух переменных x и y. Пример построения такого графика приведен на рис.8.12.

Недостатком этого упрощенного метода построения поверхности является неопределенность в масштабировании, поэтому график требует форматирования.

Рисунок 8.12 - График поверхности, построенной автоматически