PDF de programación - Maxiplot: Maxima y Gnuplot en LATEX

Maxiplot: Maxima y Gnuplot en LATEX.

21 de septiembre de 2013

1.

Introducción.

Para los que aun no conocen Maxima, se trata de un programa de cálculo
simbólico que permite, entre otras cosas, calcular derivadas, integrales, re-
solver ecuaciones y límites, manejo de vectores y matrices, generar gráficos...
Además es posible crear programas, pudiendo así ampliar sus capacidades.
Por si esto fuese poco, está bajo licencia GNU, y se puede descargar gratui-
tamente desde http://maxima.sourceforge.net, donde también se puede
encontrar toda la documentación en varios idiomas (incluyendo el español).
El propósito de este paquete LATEX es, precisamente, permitir ‘progra-
mar’ e importar los resultados sin necesidad de trabajar con varios ficheros
y entornos. Dentro del documento LATEX se podrá incluir código en Ma-
xima; al compilar el documento se genera un fichero (con extensión .mac)
directamente procesable por Maxima, que a su vez genera otro fichero (con
extensión .mxp) que, al recompilar el documento LATEX, será automática-
mente insertado.

De igual forma se pueden insertar comandos Gnuplot gracias a los co-
mandos añadidos por J. M. Mira. Así, además de los ficheros anteriores,
se generará un fichero con la extensión .gnp que, tras ser procesados por
Gnuplot podrán agregarse a su documento.

2.

Instalación.

Simplemente coloque el archivo maxiplot.sty en una ruta conocida para
LATEX o en el mismo directorio de su documento. Para los que hayan usado
las primeras versiones del paquete maxima, decirles que ya no es necesario
ningún otro fichero.

1

3. El paquete maxiplot para LATEX.

3.1.

¿Cómo se usa?

Sencillo. Compile normalmente su documento, por ejemplo, desde la linea

de comandos:

latex midocumento.tex
Encontrará entonces en su directorio de trabajo que se ha generado un

archivo midocumento.mac. Procese este documento con Maxima:

maxima -b midocumento.mac
Y, si contiene comandos Gnuplot:
gnuplot midocumento.gnp
Vuelva ahora a compilar su documento LATEX et voil`a!.
Si su distribución lo permite puede activar el comando write18 que per-
mitirá que Maxima y Gnuplot se ejecuten automáticamente al compilar su
documento LATEX (previamente deberá añadir el directorio de su instalación
a la ruta de búsqueda de su sistema operativo).

3.2. La interfaz de usuario.

3.2.1. Maxima.

En esta sección y las siguientes se presentan algunos ejemplos de uso del
paquete maxiplot. Es conveniente que el usuario tenga algún conocimiento
básico sobre Maxima.

Este paquete admite (por el momento) una opción, que permite la com-
patibilidad con el entorno pmatrix del paquete amsmath. Así, si va a usar
matrices en dicho entorno deberá especificar

\usepackage{amsmath}
\usepackage[amsmath]{maxiplot}

Los entornos más importantes son maxima y maximacmd. El contenido de
estos entornos será copiado a un archivo con extensión .mac para ser pro-
cesado después por Maxima. Así, no podrá contener comentarios al estilo
LATEX (esto es, comenzando por %), puesto que este símbolo es utilizado por
Maxima, sino que se insertan como en C (/* comentario */). Los coman-
dos serán insertados como argumentos de una función, así que deberán ir
separados por comas.

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Comencemos por un ejemplo sencillo:

%Comienzo modo matem\’aticas

\[
\begin{maxima}

/* Integrando */

f: x/(x^3-3*x+2),
tex(’integrate(f,x)), /* Presenta la integral... */
print("="),
tex(integrate(f,x)), /* ...y el resultado */
print("+K")

\end{maxima}
\]

%F\’in modo matem\’aticas

En el lugar donde coloquemos este código obtendremos:



x

x3 − 3 x + 2

dx = − 2 log (x + 2)

9

+

2 log (x − 1)

9

−

1

3 x − 3

+ K

Hay entornos dentro de los cuales no podrá incluir un bloque maxima.
Para estos casos puede usar la version maxima*, el cual no produce sali-
da inmediata. Posteriormente podrá insertar dicha salida con el comando
\maximacurrent:

\begin{maxima*}

suml(L):=lsum(i,i,L),
printrow(L):=block(

[str:""],
for i:1 step 1 thru length(L)-1 do(

str:concat(str,L[i],"&")),

str:concat(str,L[length(L)],"\\\\"),
print(str)),

xi:[1,2,3,4,5,6],
fi:[3,4,7,10,8,2],
for i:1 while i<=length(xi) do (

printrow([xi[i],fi[i],(fi*xi)[i],(fi*xi^2)[i]])
),

print("\\hline"),
printrow(["",N:suml(fi),fx:suml(fi*xi),fx2:suml(fi*xi^2)])

\end{maxima*}

\begin{center}

\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
$x_i$&$n_i$&$n_i\cdot x_i$&$n_i\cdot x_i^2$\\
\hline
\maximacurrent

3

\end{tabular}

\end{center}

i

xi ni ni · xi ni · x2
1
2
3
4
5
6

3
16
63
160
200
72
514

3
4
7
10
8
2
34

3
8
21
40
40
12
124

Es importante tener en cuenta que el comando \maximacurrent será sus-
tituido por el resultado del último bloque maxima, así que deberá ser usado
antes del siguiente bloque. Si quiere usar dicha salida posteriormente, o si
la va a insertar varias veces en su documento, puede usar como parámetro
opcional el nombre de un comando que almacenará su contenido. En tal caso
podríamos implementar el ejemplo anterior como:

\begin{maxima*}[tabla]

suml(L):=lsum(i,i,L),
printrow(L):=block(

[str:""],
for i:1 step 1 thru length(L)-1 do(

str:concat(str,L[i],"&")),

str:concat(str,L[length(L)],"\\\\"),
print(str)),

xi:[1,2,3,4,5,6],
fi:[3,4,7,10,8,2],
for i:1 while i<=length(xi) do (

printrow([xi[i],fi[i],(fi*xi)[i],(fi*xi^2)[i]])
),

print("\\hline"),
printrow(["",N:suml(fi),fx:suml(fi*xi),fx2:suml(fi*xi^2)])

\end{maxima*}

\begin{center}

\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
$x_i$&$n_i$&$n_i\cdot x_i$&$n_i\cdot x_i^2$\\
\hline
\tabla
\end{tabular}

\end{center}

Observemos que al pasar ‘tabla’ como parámetro no debe de usarse la

barra invertida (\).

4

Existe una versión ‘en linea’ del entorno maxima, cuyo uso y opciones es

similar: el comando \imaxima (de ‘inline maxima’).

\[
\overline{x}=\imaxima{tex(xx:fx/N)}\qquad
\sigma^2=\imaxima{tex(sx2:fx2/N-xx^2)}\qquad
\sigma=\imaxima{tex(sqrt(sx2))}
\]

x =

62
17

σ2 =

525
289

√

5

21

17

σ =

Para los casos en que no se espere salida alguna, sino que sólo se pre-
tenda definir funciones, o cargar paquetes de Maxima, tenemos el entorno
maximacmd y su correspondiente comando \imaximacmd. Éstos no admiten
la versión * ni parámetro alguno, ya que no son necesarios. Además los co-
mandos Maxima usados aquí deberán ir separados por ‘punto y coma’ (;) o,
mejor por el símbolo ‘dólar’ ($). Como ejemplo, veamos algunas capacida-
des de la interfaz Maxima/Gnuplot. En este ejemplo vemos las gráficas de
la función seno y su tangente en π
3 :

\begin{maximacmd}

tangente(fx,a):=expand(ev(fx,x=a)

plot2d([sin(x),tangente(sin(x),%pi/3)], [x,-3,3],

+subst(a,x,diff(fx,x))*(x-a))$

[gnuplot_preamble,"set zeroaxis;"],
[gnuplot_term, png],
[gnuplot_out_file,"./\jobname2D.png"])$

\end{maximacmd}
\begin{center}

\mxpIncludegraphics[scale=0.60]{\jobname2D.png}

\end{center}

5

Este código genera el archivo en formato png maxiplot2D.png:

Los entornos presentados hasta ahora pueden contener comandos LATEX
que serán sustituidos antes de pasar al archivo mac. Ahora bien, esta ca-
pacidad puede, a veces, no ser deseable o puede dar problemas con algu-
nas secuencias de caracteres. Para evitar esto están los entornos vmaxima y
vmaximacmd, cuyo uso es similar a los anteriores, pero el volcado es literal.
Estos entornos están basados en el paquete verbatim de LATEX.

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3.2.2. Gnuplot.

Si bien Maxima permite la inclusión de gráficos a través de Gnuplot, a
veces puede ser preferible trabajar directamente con éste último. Para esto
usaremos los entornos gnuplot y su versión ‘verbatim’ vgnuplot.

Un ejemplo 3D

\begin{gnuplot}

set term png crop enhanced font "calibri, 10"
set output "toros.png"
set parametric
set urange [0:2*pi]
set vrange [-pi:pi]
set isosamples 36,24
set hidden3d
set view 75,15,1,1
unset key
set ticslevel 0
x1(u,v)=cos(u)+.5*cos(u)*cos(v)
y1(u,v)=sin(u)+.5*sin(u)*cos(v)
z1(u,v)=.5*sin(v)
x2(u,v)=1+cos(u)+.5*cos(u)*cos(v)
y2(u,v)=.5*sin(v)
z2(u,v)=sin(u)+.5*sin(u)*cos(v)
set multiplot
splot x1(u,v), y1(u,v), z1(u,v) w pm3d, x2(u,v), y2(u,v), z2(u,v) w pm3d
splot x1(u,v), y1(u,v), z1(u,v) lt 3,

x2(u,v), y2(u,v), z2(u,v) lt 5

\end{gnuplot}
\begin{center}

\mxpIncludegraphics[scale=0.75]{toros.png}

\end{center}

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Observemos el comando \mxpIncludegraphics: el uso es el mismo que
includegraphics del paquete graphicx, de hecho lo que hace es asegurarse
de que existe el archivo gráfico e invocar dicha macro.

3.3. Problemas.

Esta es aún una versión en pruebas, y todavía no han sido probadas
muchas de las capacidades de Maxima, ni se ha comprobado con los paque-
tes más importantes de LATEX, así que seguramente necesite unos cuantos
retoques.

Aunque a mi parecer los mayores problemas aparezcan a la hora de
presentar algunas salidas. Por ejemplo, si el resultado de una operación es
muy largo no será fácil dividir en varias lineas (salvo, claro está, trabajando
en Maxima y luego copiando en el documento).

Otros ‘problemas’ sí que se pueden atajar desde LATEX. Por defecto Ma-
xima ordena las expresiones en orden alfabético inverso, así si escribimos:

$$\imaxima{tex(x+y+z+t=0)}$$

obtendremos:

z + y + x + t = 0

Para evitarlo podemos usar las funciones Maxima ordergreat y unorder:

\imaximacmd{ordergreat(x,y,z,t)$}
$$\imaxima{tex(x+y+z+t=0)}$$
\imaximacmd{unorder()$}

Si además queremos alinear varias ecuaciones, tendremos que meternos

un poco más en profundidad:

\begin{maximacmd}

ordergreat(x,y,z)$
:lisp(defprop mequal (&=) texsym)

\end{maximacmd}

\begin{maxima*}

eq1:a-2*b=x+y,
eq2:b=2*x-3*y+2*z,
tex(eq1),
print("\\\\"),
tex(eq2)

\end{maxima*}

\begin{maximacmd}

unorder()$
:lisp(defprop mequal (=) texsym)

\end{maximacmd}

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a − 2 b = x + y

b = 2 x − 3 y + 2 z

(1)

(2)

4. Para terminar:

Como he dicho antes, este es un paquete en pruebas y muy posible-
mente necesite correcciones y adiciones, así que cualquier idea o comentario
será bienvenido.

José Miguel M. Planas
<[email protected]>

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