简化一个表达式,使用给定的另一个表达式的替代。

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英文:

Simplify an expression with the given substitution of another expression

问题

假设一个表达式 expr2=expr3(expr1*expr2)+expr2... 如何进行简化或替换,以便可以用单个字母 A 替代 expr1

from sympy import Function
f = Function('f')
from sympy import *
x, y = symbols('x y', real=True)
A, B, C = symbols('A B C')

a = 1/f(x)
b = (1/f(x)).diff(x)
c = (1/f(x)).diff(x, 2)

func = 1/f(x)*(1-f(x)**2*y)
expr = func.diff(x, 2)

其中

expr
(-2*y*(f(x)*Derivative(f(x), (x, 2)) + Derivative(f(x), x)**2) + 4*y*Derivative(f(x), x)**2 + (y*f(x)**2 - 1)*(Derivative(f(x), (x, 2)) - 2*Derivative(f(x), x)**2/f(x))/f(x))/f(x)

显然,expr 包含表达式 c

c
(-Derivative(f(x), (x, 2)) + 2*Derivative(f(x), x)**2/f(x))/f(x)**2

然而,当我尝试以下操作时

expr.subs(c, C)
expr.expand().subs(c, C)
expr.simplify().subs(c, C)
expr.expand().simplify().subs(c, C)

这些尝试都没有成功。

如何使用给定的表达式替换来简化表达式?

英文:

Suppose an expression expr2=expr3(expr1*expr2)+expr2... How to make a simplification or substitution such that expr1 can be replaced by a single letter A?

from sympy import Function
f= Function('f')
from sympy import *
x,y=symbols('x y',real=True)
A,B,C=symbols("A B C")

a=1/f(x)
b=(1/f(x)).diff(x)
c=(1/f(x)).diff(x,2)

func=1/f(x)*(1-f(x)**2*y)
expr=func.diff(x,2)

where

expr
(-2*y*(f(x)*Derivative(f(x), (x, 2)) + Derivative(f(x), x)**2) + 4*y*Derivative(f(x), x)**2 + (y*f(x)**2 - 1)*(Derivative(f(x), (x, 2)) - 2*Derivative(f(x), x)**2/f(x))/f(x))/f(x)

Clearly, expr contain the expression c

c
(-Derivative(f(x), (x, 2)) + 2*Derivative(f(x), x)**2/f(x))/f(x)**2

However, when I tried

expr.subs(c,C)
expr.expand().subs(c,C)
expr.simplify().subs(c,C)
expr.expand().simplify().subs(c,C)

None of those attempts worked.

How to simplify an expression with the given substitution of another expression?

答案1

得分: 1

以下是代码的中文翻译:

from sympy import *
init_printing()

f = Function('f')
x, y = symbols('x y', real=True)
A, B, C = symbols("A B C")

a = 1 / f(x)
b = (1 / f(x)).diff(x)
c = (1 / f(x)).diff(x, 2)

func = 1 / f(x) * (1 - f(x) ** 2 * y)
expr = func.diff(x, 2)
expr

让我们看看 c

c

显然,expr 不包含 c,不直接包含。您可以使用 expr.has(c) 来验证,它会返回 False。我们可以看到 c 的分子(带有反号),但分母应用于不同的表达式。这就是为什么 SymPy 在 expr 中看不到 c:它们在结构上不同。但我们可以处理这个问题。

num, den = fraction(c)
num, den

现在,我们寻找 -num 并用 C * den 替换它:

new_expr = expr.subs(-num, C * den)
new_expr

您可以再进一步:new_expr1/f(x) 与一个加法的乘法。因此,我们可以应用乘法的分配性质:

new_expr2 = Add(*[1 / f(x) * a for a in new_expr.args[1].args])
new_expr2

在这里,您可以验证 new_expr2.equals(new_expr)

英文:
from sympy import *
init_printing()

f= Function('f')
x,y=symbols('x y',real=True)
A,B,C=symbols("A B C")

a=1/f(x)
b=(1/f(x)).diff(x)
c=(1/f(x)).diff(x,2)

func=1/f(x)*(1-f(x)**2*y)
expr=func.diff(x,2)
expr

简化一个表达式,使用给定的另一个表达式的替代。

Let's look at c:

c

简化一个表达式,使用给定的另一个表达式的替代。

Clearly, expr doesn't contain c, not directly. You can verify it with expr.has(c) which returns False. We can spot the numerator of c (with the sign flipped), but the denominator is applied to different expressions. That's why SymPy doesn't see c into expr: they are structurally different. But we can work on that.

num, den = fraction(c)
num, den

简化一个表达式,使用给定的另一个表达式的替代。

Now, we look for -num and replace it with C * den:

new_expr = expr.subs(-num, C * den)
new_expr

简化一个表达式,使用给定的另一个表达式的替代。

You can go a step further: new_expr is a multiplication between 1/f(x) and an addition. Hence, we can apply the distributive property of multiplication:

new_expr2 = Add(*[1 / f(x) * a for a in new_expr.args[1].args])
new_expr2

简化一个表达式,使用给定的另一个表达式的替代。

Here, you can verify that new_expr2.equals(new_expr).

huangapple
  • 本文由 发表于 2023年8月5日 13:25:09
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