기본 콘텐츠로 건너뛰기

pandas_ta를 적용한 통계적 인덱스 지표

함수의 그래프: 유리함수와 점근선

다음 그림들은 전자책 파이썬과 함께하는 미분적분의 5.3장에 수록된 그래프들과 코드들입니다.

import numpy as np 
import pandas as pd
from sympy import *
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
sns.set_style("darkgrid")
#그림 5.3.1
x=symbols('x')
f=(x**2-1)/(x**2+x-6)
x1, x2, x3=np.linspace(-6, -3.01, 30), np.linspace(-2.99, 1.99, 30), np.linspace(2.01, 6, 30)
y1, y2, y3=[f.subs(x, i) for i in x1], [f.subs(x, i) for i in x2], [f.subs(x, i) for i in x3]
plt.figure(figsize=(4, 3))
plt.plot(x1, y1, color="g", label="f(x)")
plt.plot(x2, y2, color="g")
plt.plot(x3, y3, color="g")
plt.vlines(-3, -10, 10, ls="--", color="brown" , label="x=-3")
plt.vlines(2, -10, 10, ls="--", color="brown" , label="x=2")
plt.hlines(1, -6, 6, ls="--", color="r" , label="y=1")
plt.xlabel("x",loc="right", fontsize="11")
plt.ylabel("y", rotation="horizontal", loc="top", fontsize="11")
plt.ylim((-5, 5))
plt.legend(loc=(0.8, 0.6), labelcolor=['g','brown',"brown",'r'], frameon=False)
plt.show()
#그림 5.3.2
a=symbols('a', real=True)
f=(a**2-2*a)/(a**3-a)
x1, x2, x3=np.linspace(-3, -1.01, 30), np.linspace(-0.99, 0.99, 30), np.linspace(1.01, 3, 30)
y1, y2, y3=[f.subs(a, i) for i in x1], [f.subs(a, i) for i in x2], [f.subs(a, i) for i in x3]
plt.figure(figsize=(4, 3))
plt.plot(x1, y1, color="g", label=r"$f(x)=\frac{x^{2} - 2 x}{x^{3} - x}$")
plt.plot(x2, y2, color="g")
plt.plot(x3, y3, color="g")
plt.vlines(-1, -10, 10, ls="--", color="brown" , label="x=-1")
plt.vlines(1, -10, 10, ls="--", color="brown" , label="x=1")
plt.xlabel("x", fontsize="11")
plt.ylabel("y", rotation="horizontal", fontsize="11")
plt.ylim((-5, 5))
plt.legend(loc=(0.8, 0.6), labelcolor=['g','brown',"brown"], frameon=False)
plt.show()
#그림 5.3.3
a=symbols('a', real=True)
f=(3*a**2+2*a-4)/(2*a**2-a+1)
x=np.linspace(-6, 6, 100)
fy=[f.subs(a, i) for i in x]
plt.figure(figsize=(4, 3))
plt.plot(x, fy, color="g", label=r"$f(x)=\frac{3 x^{2} + 2 x - 4}{2 x^{2} - x + 1}$")
plt.hlines(3/2, -6, 6, ls="--", color="brown" , label=r"$y=\frac{3}{2}$")
plt.xlabel("x",fontsize="11")
plt.ylabel("y", rotation="horizontal",  fontsize="11")
plt.ylim((-5, 5))
plt.legend(loc=(0.8, 0.7), labelcolor=['g','brown',"brown"], frameon=False)
plt.show()
#그림 5.3.4
a=symbols('a')
f=(a**2-4)/(a-1)
x1, x2=np.linspace(-3, 0.99, 50), np.linspace(1.01, 3, 50)
fy1, fy2=[f.subs(a, i) for i in x1], [f.subs(a, i) for i in x2]
plt.figure(figsize=(4, 3))
plt.plot(x1, fy1, color="g", label=r"$f(x)=\frac{x^2-4}{x-1}$")
plt.plot(x2, fy2, color="g" )
plt.vlines(1, 10, -10, ls="--", color="b", label="x=1")
x0=np.linspace(-3, 3, 100)
plt.plot(x0, x0+1, ls="--", color="r", label="y=x+1")
plt.xlabel("x", fontsize="11")
plt.ylabel("y", rotation="horizontal",  fontsize="11")
plt.ylim((-10,10))
plt.legend(loc=(0.8, 0.7), labelcolor=['g','b','r'], frameon=False)
plt.show()
#그림 5.3.5
a=symbols('a')
f=8/(a**2-4)
x1, x2, x3=np.linspace(-5, -2.01, 50), np.linspace(-1.99, 1.99, 30), np.linspace(2.01, 5, 30)
y1, y2, y3=[f.subs(a, i) for i in x1], [f.subs(a, i) for i in x2], [f.subs(a, i) for i in x3]
plt.figure(figsize=(4, 3))
plt.plot(x1, y1, color="g", label=r"$f(x)=\frac{8}{x^{2} - 4}$")
plt.plot(x2, y2, color="g")
plt.plot(x3, y3, color="g")
plt.vlines(-2, -10, 10, ls="--", color="r" , label="x=-2")
plt.vlines(2, -10, 10, ls="--", color="r" , label="x=2")
plt.hlines(0, -5, 5, ls="--", lw=3, color="b", label="y=0")
plt.xlabel("x", fontsize="11")
plt.ylabel("y", rotation="horizontal", fontsize="11")
plt.ylim((-5, 5))
plt.legend(loc=(0.8, 0.6), labelcolor=['g','r',"r","b"], frameon=False)
plt.show()
#그림 5.3.6
x=np.linspace(-1, 5, 100)
y=1-np.exp(-2*x)
plt.figure(figsize=(4, 3))
plt.plot(x, y, color="g", label="f(x)=1-exp(2x)")
plt.hlines(1, -1, 5, ls="--", lw=3, color="r", label="y=1")
plt.xlabel("x", fontsize="11")
plt.ylabel("y", rotation="horizontal",fontsize="11")
plt.ylim((-1, 1.3))
plt.legend(loc=(0.6, 0.6), labelcolor=['g','r',"r","b"], frameon=False)
plt.show()

댓글

이 블로그의 인기 게시물

[Linear Algebra] 유사변환(Similarity transformation)

유사변환(Similarity transformation) n×n 차원의 정방 행렬 A, B 그리고 가역 행렬 P 사이에 식 1의 관계가 성립하면 행렬 A와 B는 유사행렬(similarity matrix)이 되며 행렬 A를 가역행렬 P와 B로 분해하는 것을 유사 변환(similarity transformation) 이라고 합니다. $$\tag{1} A = PBP^{-1} \Leftrightarrow P^{-1}AP = B $$ 식 2는 식 1의 양변에 B의 고유값을 고려한 것입니다. \begin{align}\tag{식 2} B - \lambda I &= P^{-1}AP – \lambda P^{-1}P\\ &= P^{-1}(AP – \lambda P)\\ &= P^{-1}(A - \lambda I)P \end{align} 식 2의 행렬식은 식 3과 같이 정리됩니다. \begin{align} &\begin{aligned}\textsf{det}(B - \lambda I ) & = \textsf{det}(P^{-1}(AP – \lambda P))\\ &= \textsf{det}(P^{-1}) \textsf{det}((A – \lambda I)) \textsf{det}(P)\\ &= \textsf{det}(P^{-1}) \textsf{det}(P) \textsf{det}((A – \lambda I))\\ &= \textsf{det}(A – \lambda I)\end{aligned}\\ &\begin{aligned}\because \; \textsf{det}(P^{-1}) \textsf{det}(P) &= \textsf{det}(P^{-1}P)\\ &= \textsf{det}(I)\end{aligned}\end{align} 유사행렬의 특성 유사행렬인 두 정방행렬 A와 B는 'A ~ B' 와 같...

유리함수 그래프와 점근선 그리기

내용 유리함수(Rational Function) 점근선(asymptote) 유리함수 그래프와 점근선 그리기 유리함수(Rational Function) 유리함수는 분수형태의 함수를 의미합니다. 예를들어 다음 함수는 분수형태의 유리함수입니다. $$f(x)=\frac{x^{2} - 1}{x^{2} + x - 6}$$ 분수의 경우 분모가 0인 경우 정의할 수 없습니다. 이와 마찬가지로 유리함수 f(x)의 정의역은 분모가 0이 아닌 부분이어야 합니다. 그러므로 위함수의 정의역은 분모가 0인 부분을 제외한 부분들로 구성됩니다. sympt=solve(denom(f), a); asympt [-3, 2] $$-\infty \lt x \lt -3, \quad -3 \lt x \lt 2, \quad 2 \lt x \lt \infty$$ 이 정의역을 고려해 그래프를 작성을 위한 사용자 정의함수는 다음과 같습니다. def validX(x, f, symbol): ① a=[] b=[] for i in x: try: b.append(float(f.subs(symbol, i))) a.append(i) except: pass return(a, b) #x는 임의로 지정한 정의역으로 불연속선점을 기준으로 구분된 몇개의 구간으로 전달할 수 있습니다. #그러므로 인수 x는 2차원이어야 합니다. def RationalPlot(x, f, sym, dp=100): fig, ax=plt.subplots(dpi=dp) # ② for k in x: #③ x4, y4=validX(k, f, sym) ax.plot(x4, y4) ax.spines['left'].set_position(('data', 0)) ax.spines['right...

부분분수의 미분

내용 방법 1 방법 2 방법 3 부분분수의 미분 분수의 미분은 일정한 공식 을 적용하여 계산할 수 있습니다. 그러나 분수 자체가 단순한 표현으로 이루어지지 않았다면 미분 과정이나 결과는 매우 복잡할 수 있습니다. 만약 복잡한 분수 함수를 간단한 분수들로 분해할 수 있다면 계산이 보다 간편해질 것입니다. 이와 같이 분해된 간단한 분수들을 부분분수 라고 합니다. 예를 들어 다음 두 분수의 합을 계산해 봅니다. $$\begin{align} \frac{1}{x+1}+\frac{2}{x-1}&=\frac{x-1+2(x+1)}{(x+1)(x-1)}\\ &=\frac{3x+1}{x^2-1} \end{align}$$ 위 과정은 3개 이상의 여러 분수에서도 이루어질 수 있습니다. 또한 역으로 진행될 수 있습니다. 즉, 분수를 부분 분수로 분할할 수 있습니다. 그러나 이러한 과정은 대수분수 (분자의 가장 큰 차수가 분모의 최고의 차수보다 작은 분수)에서만 이루어질 수 있습니다. 예를 들어 $\displaystyle \frac {x^2+2}{x^2-1}$의 경우는 분자와 분모의 차수는 2차로 같습니다. 이러한 경우 다음과 같이 분리할 수 있습니다. $$\frac{x^2+2}{x^2-1}=1+\frac{3}{x^2-1}$$ 위의 식 중 $\displaystyle \frac{3}{x^2-1}$은 분자의 차수가 분모의 차수 보다 낮은 대수 분수이므로 부분 분수로 분리할 수 있습니다. 이와같이 부분 분수로 분해하는 방법은 다음과 같이 몇 가지로 구분할 수 있습니다. 방법 1 위 예의 결과 $\displaystyle \frac{3x+1}{x^2-1}$의 경우를 역으로 생각해 봅니다. 분모의 인수분해가 가능하면 그 분모의 인수에 의해 다음과 같이 분해할 수 있습니다. $$\begin{align} \frac{3x+1}{x^2-1}&=\frac{3x+1}{(x+1)(x-1)}\\ &=\frac{A}{x+1...