Symbolic Computing Applications in Maple and Mathematica
Instructor’s Manual
Frank E. Harris
University of Utah, Salt Lake City, UT
and University of Florida, Gainesville, FL
,Contents
0 Introduction 1
1 Computers, Science, and Engineering 3
1.1 Computing: Historical Note���������������������������������������������������������������������3
1.2 Basics of Symbolic Computing����������������������������������������������������������������3
1.3 Symbolic Computation Programs������������������������������������������������������������8
1.4 Procedures���������������������������������������������������������������������������������������������10
1.5 Graphs and Tables���������������������������������������������������������������������������������12
1.6 Summary: Symbolic Computing������������������������������������������������������������15
2 Infinite Series 16
2.1 Definition of Series��������������������������������������������������������������������������������16
2.2 Tests for Convergence���������������������������������������������������������������������������18
2.3 Alternating Series����������������������������������������������������������������������������������20
2.4 Operations on Series�����������������������������������������������������������������������������21
2.5 Series of Functions��������������������������������������������������������������������������������22
2.6 Binomial Theorem���������������������������������������������������������������������������������26
2.7 Some Important Series��������������������������������������������������������������������������29
2.8 Some Applications of Series������������������������������������������������������������������29
2.9 Bernoulli Numbers��������������������������������������������������������������������������������30
2.10 Asymptotic Series���������������������������������������������������������������������������������32
2.11 Euler-Maclaurin Formula����������������������������������������������������������������������32
3 Complex Numbers and Functions 35
3.1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������������35
3.2 Functions in the Complex Domain��������������������������������������������������������36
3.3 The Complex Plane�������������������������������������������������������������������������������38
3.4 Circular and Hyperbolic Functions�������������������������������������������������������40
3.5 Multiple-Valued Functions��������������������������������������������������������������������43
4 Vectors and Matrices 47
4.1 Basics of Vector Algebra�����������������������������������������������������������������������47
4.2 Dot Product������������������������������������������������������������������������������������������50
4.3 Symbolic Computing, Vectors���������������������������������������������������������������51
, ii CONTENTS
4.4 Matrices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 54
4.5 Symbolic Computing, Matrices������������������������������������������������������������������ 57
4.6 Systems of Linear Equations���������������������������������������������������������������������� 61
4.7 Determinants���������������������������������������������������������������������������������������������� 63
4.8 Applications of Determinants��������������������������������������������������������������������� 64
5 Matrix Transformations 70
5.1 Vectors in Rotated Systems����������������������������������������������������������������������� 70
5.2 Vectors under Coordinate Reflections ������������������������������������������������������� 72
5.3 Transforming Matrix Equations���������������������������������������������������������������� .72
5.4 Gram-Schmidt Orthogonalization�������������������������������������������������������������� 73
5.5 Matrix Eigenvalue Problems���������������������������������������������������������������������� 74
5.6 Hermitian Eigenvalue Problems���������������������������������������������������������������� .75
5.7 Matrix Diagonalization������������������������������������������������������������������������������ 75
5.8 Matrix Invariants�������������������������������������������������������������������������������������� .77
6 Multidimensional Problems 79
6.1 Partial Differentiation�������������������������������������������������������������������������������� 79
6.2 Extrema and Saddle Points����������������������������������������������������������������������� .82
6.3 Curvilinear Coordinate Systems���������������������������������������������������������������� .83
6.4 Multiple Integrals�������������������������������������������������������������������������������������� .85
6.5 Line and Surface Integrals������������������������������������������������������������������������� .88
6.6 Rearrangement of Double Series��������������������������������������������������������������� .90
6.7 Dirac Delta Function���������������������������������������������������������������������������������� 91
7 Vector Analysis 93
7.1 Vector Algebra������������������������������������������������������������������������������������������� 93
7.2 Vector Differential Operators��������������������������������������������������������������������� 99
7.3 Vector Differential Operators: Further Properties�������������������������������������103
7.4 Integral Theorems�������������������������������������������������������������������������������������106
7.5 Potential Theory���������������������������������������������������������������������������������������108
7.6 Vectors in Curvilinear Coordinates�����������������������������������������������������������111
8 Tensor Analysis 119
8.1 Cartesian Tensors��������������������������������������������������������������������������������������119
8.2 Pseudotensors and Dual Tensors���������������������������������������������������������������124
8.3 NonCartesian Tensors�������������������������������������������������������������������������������125
8.4 Symbolic Computation������������������������������������������������������������������������������128
9 Gamma Function 130
9.1 Definition and Properties��������������������������������������������������������������������������130
9.2 Digamma and Polygamma Functions��������������������������������������������������������132
9.3 Stirling’s Formula��������������������������������������������������������������������������������������135
9.4 Beta Function�������������������������������������������������������������������������������������������136
9.5 Error Function������������������������������������������������������������������������������������������140
9.6 Exponential Integral����������������������������������������������������������������������������������142