在Python中对具有多维系数的赫米特级数进行微分

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在Python中对具有多维系数的赫米特级数进行微分,可以通过使用SciPy库中的hermvalhermder函数来实现。下面是实现的完整攻略:

导入库

在Python代码中,首先需要导入相关库。

from scipy.special import hermval, hermder

定义多维赫米特级数

假设我们定义的多维赫米特级数是:

H_n(x, y) = (-1)^n * exp(-x^2-y^2/2) * (d^n/dx^n) * (d^n/dy^n) exp(x^2+y^2/2)

这里n是一个整数,xy是自变量,d/dxd/dy是对xy求导的操作符。

定义多维赫米特系数

我们需要定义多维赫米特系数来表示多维赫米特级数的系数。在二维情况下,多维赫米特系数可以定义为:

c_{n,m} = (-1)^n * (-1)^m * 2^n * sqrt(n! * m!) / (pi * (n+m)!)

这里nm是整数,n!m!分别表示nm的阶乘,sqrt表示平方根,pi表示圆周率。

在代码中,我们可以定义一个多维数组来表示多维赫米特系数。

import numpy as np

def herm_coeffs(n):
    coeffs = np.zeros((n+1, n+1))
    for i in range(n+1):
        for j in range(n+1):
            p = i + j
            if (p % 2 == 0):
                c = (-1)**i * (-1)**j * 2**i * np.sqrt(np.math.factorial(i) * np.math.factorial(j)) / (np.pi * np.math.factorial(p))
                coeffs[i,j] = c
    return coeffs

计算多维赫米特级数

我们可以使用SciPy库中的hermval函数来计算多维赫米特级数。hermval函数的第一个参数是自变量的数组,第二个参数是多维赫米特系数的数组。在二维情况下,我们可以这样计算:

x = 1.0
y = 2.0
n = 2

coeffs = herm_coeffs(n)
xi, yi = np.meshgrid(np.linspace(-1, 1, 101), np.linspace(-1, 1, 101))
Z = hermval([x,y], coeffs)

这里xy是自变量的值,n是赫米特级数的阶数,herm_coeffs(n)返回包含多维赫米特系数的数组,xiyi是自变量的网格点,Z是多维赫米特级数的值。

计算多维赫米特级数的偏导数

我们可以使用SciPy库中的hermder函数来计算多维赫米特级数的偏导数。hermder函数的第一个参数是自变量的数组,第二个参数是多维赫米特系数的数组,第三个参数是一个整数数组,表示需要对哪些自变量求导。在二维情况下,我们可以这样计算:

dx = 0  # 对x求一阶偏导数
dy = 1  # 对y求一阶偏导数
dZdx = hermder([x,y], coeffs, dx)
dZdy = hermder([x,y], coeffs, dy)

这里dxdy分别表示对xy求一阶偏导数,dZdxdZdy分别是多维赫米特级数对xy的偏导数。

示例1:计算二维多项式的二阶偏导数

假设我们定义以下二维多项式:

P(x,y) = x^3*y^5 - 2*x^2*y^4 + x*y^3 + x^4 - 3*x^2 + y^2

我们可以使用上述攻略,计算该多项式的二阶偏导数。首先,我们需要将该多项式写成多维赫米特级数的形式:

P(x,y) = 12 * H_3(x) * H_5(y) - 24 * H_2(x) * H_4(y) + 6 * H_1(x) * H_3(y) + 2 * H_4(x) - 6 * H_2(x) + 2 * H_2(y)

其中,H_n表示一维赫米特级数,n表示赫米特级数的阶数。

然后,我们可以使用上述攻略来计算这些赫米特级数的偏导数。例如,对H_3(x)求一阶偏导数,可以得到:

(d/dx) H_3(x) = 6 * x * H_2(x) - 6 * H_1(x)

使用这个偏导数,我们可以计算P(x,y)x的二阶偏导数:

(d^2/dx^2) P(x,y) = 72 * H_1(x) * H_5(y) - 48 * H_2(x) * H_4(y) + 24 * x^2 * H_3(x) * H_3(y) + 8 * H_3(x) - 12

同样,我们可以计算P(x,y)y的二阶偏导数。

示例2:计算二维高斯分布的梯度

假设我们定义一个二维高斯分布:

f(x,y) = exp(-x^2-y^2)

我们可以使用上述攻略,计算该高斯分布在某一点的梯度向量。首先,我们可以将该高斯分布表示成多维赫米特级数的形式:

f(x,y) = sum_{n,m=0}^{\infty} c_{n,m} H_n(x) H_m(y)

其中c_{n,m}是多维赫米特系数。

然后,我们可以使用上述攻略来计算该高斯分布在某一点的梯度向量。例如,在点(1,2)处,该高斯分布的梯度向量是:

grad f(1,2) = [-2 * exp(-5) / pi, -4 * exp(-5) / pi]

使用上述攻略,我们可以验证这个结果。