$$ \def\CC{\bf C} \def\QQ{\bf Q} \def\RR{\bf R} \def\ZZ{\bf Z} \def\NN{\bf N} $$

Calculatrice et arithmétique avec SymPy

SymPy est une librairie Python de mathématiques symboliques et un outil de calcul formel. SymPy offre un ensemble riche de fonctions documentées qui facilite la modélisation de problèmes mathématiques (arithmétique, calcul symbolique, résolution d'équations, recherche de racines, dessin de fonctions, limites et séries, calcul différentiel et intégral, algèbre linéaire). La librairie offre aussi des fonctionalités de mathématiques plus avancées (géométrie différentielle et algébrique, intégration numérique, théorie des catégories) et pour la physique (optique, mécanique classique, mécanique et informatique quantique).

Le projet contient deux applications Web, SymPy Gamma et SymPy Live, permettant aux étudiants, enseignants et chercheurs d’effectuer des expériences mathématiques en ligne. SymPy Gamma est une interface d’apprentissage pour le calcul et la visualisation basée sur des exemples : algébrique, géométrique, trigonométrique et combinatoire. SymPy Live offre un terminal en ligne avec des fonctionnalités telle que l’écriture des équations en LaTeX, la manipulation symbolique avec le langage Python.

Pour plus d'informations sur SymPy:

Tutoriel sur SymPy en français: http://docs.sympy.org/dev-py3k/tutorial/tutorial.fr.html

Aperçu de fonctionalités de SymPy (anglais): http://www.sympy.org/en/features.html

Documentation complète sur SymPy (anglais): http://docs.sympy.org/

Les exemples dans les sections qui suivent sont parfois nouveaux sinon inspirés de la documentation en ligne de SymPy.



In [ ]:

    
from __future__ import division, print_function  # Python 3

Nombres rationels

Les nombres rationnels en SymPy doivent être construits à l'aide de la fonction Rational :



In [ ]:

    
from sympy import Rational
Rational(53, 9)









    Out[ ]:





53/9



In [ ]:

    
Rational(1,4) + Rational(1,3)









    Out[ ]:





7/12

Une autre façon plus courte de construire un nombre rationnel en SymPy est d'utiliser la fonction raccourcie S qui traduit des types de Python comme une chaîne de caractères ou un entier en des nombres entiers ou rationnels de SymPy:



In [ ]:

    
from sympy import S
S("5/2")    # traduction d'une chaîne de caractères en un rationel









    Out[ ]:





5/2

La division d'un nombre entier de sympy par un nombre entier retourne un nombre rationnel plutôt qu'un nombre à virgule flottante:



In [ ]:

    
S(5)/2      # S(5) transforme 5 (type int) en un nombre entier de sympy









    Out[ ]:





5/2

Nombres complexes

En SymPy, les nombres complexes s'écrivent avec la lettre majuscule I pour symboliser la partie imaginaire. Il faut d'abord l'importer:



In [ ]:

    
from sympy import I

Par exemple, le nombre complexe $2+5i$ s'écrit 2+5*I :



In [ ]:

    
2 + 5*I









    Out[ ]:





2 + 5*I

On vérifie que le carré du nombre imaginaire I retourne bien -1 :



In [ ]:

    
I ** 2









    Out[ ]:





-1

Les opérations de base sont définies sur les nombres complexes comme pour les nombres entiers et les nombres décimaux:



In [ ]:

    
(13 + 34*I) + (3 + 4*I)









    Out[ ]:





16 + 38*I

NOTE: Le résultat n'est pas toujours simplifié. Pour ce faire, on peut utiliser la fonction simplify de SymPy:



In [ ]:

    
(13 + 34*I) / (3 + 4*I)









    Out[ ]:





(13 + 34*I)/(3 + 4*I)



In [ ]:

    
from sympy import simplify
simplify( (13 + 34*I) / (3 + 4*I) )









    Out[ ]:





7 + 2*I

La division de nombre complexes entiers de partie imaginaire nulle retourne bien un nombre rationnel:



In [ ]:

    
(3+0*I) / (2+0*I)









    Out[ ]:





3/2

Pour obtenir les parties réelles et imaginaires d'un nombre complexe, on peut utiliser les fonctions re et im de SymPy:



In [ ]:

    
from sympy import re,im
re(3 + 7*I)









    Out[ ]:





3



In [ ]:

    
im(3 + 7*I)









    Out[ ]:





7

Pour obtenir le module et l'argument d'un nombre complexe, on utilse les fonctions arg et abs de SymPy. Notez qu'il n'est pas nécessaire d'importer abs, car cette fonction qui retourne la valeur absolue d'un nombre réel est déjà dans Python et fonctionne pour les nombres complexes:



In [ ]:

    
from sympy import arg
arg(3 + 7*I)









    Out[ ]:





atan(7/3)



In [ ]:

    
abs(3 + 7*I)









    Out[ ]:





sqrt(58)

Quand c'est possible, SymPy procède à des simplifications:



In [ ]:

    
arg(1 + I)









    Out[ ]:





pi/4



In [ ]:

    
abs(3 + 4*I)









    Out[ ]:





5

Le conjugué d'un nombre complexe s'obtient avec la fonction conjugate :



In [ ]:

    
from sympy import conjugate
conjugate(3 + 7*I)









    Out[ ]:





3 - 7*I

On peut aussi obtenir le conjugué d'un nombre complexe en utilisant la méthode conjugate de la façon suivante (une méthode est une fonction définie dans la classe d'un objet, ici dans la classe des nombres complexes):



In [ ]:

    
a = 3 + 7*I
a.conjugate()









    Out[ ]:





3 - 7*I

Utiliser la deuxième façon (méthode conjugate) plutôt que la première (fonction globale conjugate) permet d'éviter d'importer la fonction et aussi permet d'utiliser la touche TAB (dans IPython ou Jupyter) pour choisir ou compléter l'écriture du nom de la méthode.

Calculer une valeur numérique

Calculer la valeur numérique d'un nombre se fait avec la méthode evalf ou de façon équivalente n avec la syntaxe nombre.n(prec) où prec est le nombre de chiffres à afficher:



In [ ]:

    
from sympy import pi
pi.evalf(60)









    Out[ ]:





3.1415926535897932384626433832795028841971693993751



In [ ]:

    
pi.n(60)









    Out[ ]:





3.1415926535897932384626433832795028841971693993751

Le nombre de chiffres inclut les chiffres à gauche et à droite de la virgule:



In [ ]:

    
from sympy import exp, pi, sqrt
exp(pi * sqrt(163)).evalf(50)









    Out[ ]:





262537412640768743.99999999999925007259719818568888

Factoriser un nombre entier

Pour factoriser un nombre entier, il suffit d'utiliser la fonction factorint. La valeur retournée est un dictionnaire qui associe à chaque diviseur une valeur qui représente la multiplicité du diviseur:



In [ ]:

    
from sympy import factorint
factorint(240)









    Out[ ]:





{2: 4, 3: 1, 5: 1}

Il est possible d'afficher un résultat plus visuel de la factorisation au moyen de la fonction pprint et de l'option visual=True :



In [ ]:

    
from sympy import pprint
pprint(factorint(240, visual=True))









    Out[ ]:





 4  1  1
2 ⋅3 ⋅5

Accéder à la documentation et au code source d'une fonction

Comme on l'a déjà vu, pour obtenir de l'aide sur une fonction f, il suffit d'écrire ?f ou f?. Par exemple:



In [ ]:

    
from sympy import Rational
Rational?

Comme SymPy est un logiciel libre, on peut aussi accéder au code source en ajoutant un deuxième point d'interrogation:



In [ ]:

    
Rational??