2.1微分 =;0#F&
eP|:b &
diff函数用以演算一函数的微分项,相关的函数语法有下列4个: 3'Q H\t5
bT*MJ7VVm
diff(f) 传回f对预设独立变数的一次微分值 {bl&r?[y
bS<lB!
diff(f,'t') 传回f对独立变数t的一次微分值 QS,IM>Nr
v&i M/pJU
diff(f,n) 传回f对预设独立变数的n次微分值 %F9%t
V"*|`z)
diff(f,'t',n) 传回f对独立变数t的n次微分值 K5z*DYT
GptJQ=pV
数值微分函数也是用diff,因此这个函数是靠输入的引数决定是以数值或是符号微分,如果引数为向量则执行数值微分,如果引数为符号表示式则执行符号微分。 1j# ~:=I
RtGETiA\b
先定义下列三个方程式,接著再演算其微分项: <w(UDZ
uz".!K[,wE
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; 7m{ 'V`F
!]&a/$U
>>S2 = 'sin(a)'; !`hjvJryw
`+1+0?9
>>S3 = '(1 - t^3)/(1 + t^4)'; Y2!OJuyGc
9}iEEI
>>diff(S1) pvQw+jX
`MlQPLH
ans=18*x^2-8*x+b 'ADt<m_$
49^;T;'v
>>diff(S1,2) FF6[qSV
cP`f\\c
ans= 36*x-8 )TFaG[tj
YvHP]N{SA'
>>diff(S1,'b') mEv<r6qDT
9xyj,;P>
ans= x ZOK2BCoW
z 3fS+x:E{
>>diff(S2) )7Gm<r
wAkpk&R
ans= k q8:h
[94A?pn[z
cos(a) ]Vo;ZY_\
D' ZR>@w@
>>diff(S3) zJ93EtlF
?<]BLkx
ans=-3*t^2/(1+t^4)-4*(1-t^3)/(1+t^4)^2*t^3 _,"T;i
w<<>XIL
>>simplify(diff(S3)) v{$X2z_$w
oS0l Tf\
ans= t^2*(-3+t^4-4*t)/(1+t^4)^2 U2
QxH%4 )?
2.2积分 ]@vX4G/
X#'DS&{
int函数用以演算一函数的积分项, 这个函数要找出一符号式 F 使得diff(F)=f。如果积 )."_i64
YD
H!Nl
分式的解析式 (analytical form, closed form) 不存在的话或是MATLAB无法找到,则int 传回原输入的符号式。相关的函数语法有下列 4个: ?>cx;"xF
Hgu$)yhlj
int(f) 传回f对预设独立变数的积分值 a$yAF4HR<
('xIFi
int(f,'t') 传回f对独立变数t的积分值 6O
bB/*h
rCGXHbj%
int(f,a,b) 传回f对预设独立变数的积分值,积分区间为[a,b],a和b为数值式 D+P(
Ci4`,
int(f,'t',a,b) 传回f对独立变数t的积分值,积分区间为[a,b],a和b为数值式 %i{Z@
P}29wr IZ
int(f,'m','n') 传回f对预设变数的积分值,积分区间为[m,n],m和n为符号式 =,$*-<p=3
Gole7I
我们示范几个例子: L15?\|':Y
3p6QJuSB
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; rn $a)^!
xHq"1Vs=
>>S2 = 'sin(a)'; B(7oHj.i2
n/6#rj^$
>>S3 = 'sqrt(x)'; i'OFun+-,
|tIr?nXSW3
>>int(S1) jj_z#6{
< aJl
i
ans= 3/2*x^4-4/3*x^3+1/2*b*x^2-5*x 0uV3J
_8A
>>int(S2) !iA3\Ai"
Z<L}ur
ans= -cos(a) ;$,=VB:'
_QBN/KE9
>>int(S3) kH~ z07:
@W6:JO
ans= 2/3*x^(3/2) FlGU1%]m
H
xs'VK*
>>int(S3,'a','b') ]xC#XYE:dy
}A jE- K{
ans= 2/3*b^(3/2)- 2/3*a^(3/2) \~m\pf?
/N= }wC
>>int(S3,0.5,0.6) (VDY]Q)
lC/1,Z/M
ans= 2/25*15^(1/2)-1/6*2^(1/2) 5;'(^z-bL
]8q#@%v}
>>numeric(int(S3,0.5,0.6)) % 使用numeric函数可以计算积分的数值 *N>n5B2
-!;2?6R9{
ans= 0.0741 WoM;) Q
B-^r0/y;
2.3求解常微分方程式 _D~l2M
9<n2-l|)
MATLAB解常微分方程式的语法是dsolve('equation','condition'),其中equation代表常微分方程式即y'=g(x,y),且须以Dy代表一阶微分项y' D2y代表二阶微分项y'' , pHQrjEF*
9d&@;&al
condition则为初始条件。 YBh|\
"uCO?hv0
假设有以下三个一阶常微分方程式和其初始条件 '
`
_TFTO
GWFF.Mo^
y'=3x2, y(2)=0.5 V=^B7a.;>
F!7dGa$
y'=2.x.cos(y)2, y(0)=0.25 ezimQ
Jq>rA
y'=3y+exp(2x), y(0)=3 Vu.VH([b]Q
GDF/0-/Z
对应上述常微分方程式的符号运算式为: M[ {O%!
a+'k#m
>>soln_1 = dsolve('Dy = 3*x^2','y(2)=0.5') @k=UB&?I
SR%k|YT
ans= x^3-7.500000000000000 V>Dqw!
6/Iq@BZ&
>>ezplot(soln_1,[2,4]) % 看看这个函数的长相 i;Dj16h
<fHJ9(5$V
}NjZfBQW`
]K?;XA3 dZ
>>soln_2 = dsolve('Dy = 2*x*cos(y)^2','y(0) = pi/4') ;w/@_!~
"C0?s7Y
ans= atan(x^2+1) -pmb-#`M
5{/uHscwLa
>>soln_3 = dsolve('Dy = 3*y + exp(2*x)',' y(0) = 3') )]}G8A
r>: ~!o*
ans= -exp(2*x)+4*exp(3*x) "; 1@f"kw
|d$4Fu(M~
RW{y.WhB
"I3
#/~q
2.4非线性方程式的实根 ziDvDu=
b5Q|$E
要求任一方程式的根有三步骤: @C-03`JWuK
NSawD.9mV
先定义方程式。要注意必须将方程式安排成 f(x)=0 的形态,例如一方程式为sin(x)=3, {N3&JL5\"E
{Qi J-[q
则该方程式应表示为 f(x)=sin(x)-3。可以 m-file 定义方程式。 CvHE7H|-{
3Fb9\2<H
代入适当范围的 x, y(x) 值,将该函数的分布图画出,藉以了解该方程式的「长相」。 &(7=NAQsE
Gv[s86AP,
由图中决定y(x)在何处附近(x0)与 x 轴相交,以fzero的语法fzero('function',x0) 即可求出在 x0附近的根,其中 function 是先前已定义的函数名称。如果从函数分布图看出根不只一个,则须再代入另一个在根附近的 x0,再求出下一个根。 pMHF u/|Pr
p}oGhO&=
以下分别介绍几数个方程式,来说明如何求解它们的根。 1 |
4#CHX^De
例一、方程式为 X+1Mv
Rh}}8 sv
sin(x)=0 1:JwqbZKJ
aFaioE#h(
我们知道上式的根有 ,求根方式如下: ({ O~O5k
7fI2b,~
>> r=fzero('sin',3) % 因为sin(x)是内建函数,其名称为sin,因此无须定义它,选择 x=3 附近求根 5JHWt<n{P
KomMzG:
r=3.1416 6hMKAk
2E8G5?qe)
>> r=fzero('sin',6) % 选择 x=6 附近求根 ^T:L6:
}DQTy.d;P
r = 6.2832 Ngj&1Ta&[
+h@.P B^`~
例二、方程式为MATLAB 内建函数 humps,我们不须要知道这个方程式的形态为何,不过我们可以将它划出来,再找出根的位置。求根方式如下: tr5j<O
ollsB3]]
>> x=linspace(-2,3); ]1FLG*sB
QM![tZt%;
>> y=humps(x); ua"2nVxK_K
q{&\nCy
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在0和1附近有二个根 l?QA;9_R'
tLi91)oG
Gx
%=&O
35Fxzj $
pdB\D
;yajt\a
J5(0J7C
76bMy4re
dB6['z)2
"u]&~$
C6EGM/m8
,{mv6?_
?JG^GD7D
p^|6 /b
IMr#5
>> r=fzero('humps',1.2) /o%VjP"<
HMC-^4\%[
r = 1.2995 Cdy,8*
|_+#&x
例三、方程式为y=x.^3-2*x-5 T60pw
RyP MzxV
这个方程式其实是个多项式,我们说明除了用 roots 函数找出它的根外,也可以用这节介绍的方法求根,注意二者的解法及结果有所不同。求根方式如下: F~i ~%f,
iGSA$U P|
% m-function, f_1.m e
pp04~
~+j2a3rv-{
function y=f_1(x) % 定义 f_1.m 函数 #CPLvg#
>s 6ye
y=x.^3-2*x-5; &e6UEG
rf-yUH]&S
>> x=linspace(-2,3); r<vy6
Xp_m=QQsm
>> y=f_1(x); i(pHJP:a:
]+46r!r|
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在2和-1附近有二个根 {aN pk,n
/2zan}
I ^m
0Dna+V/jI
$,2T~1tE
,%
QhS5e
&oMWs]0
SOq:!Qt
:IU7dpwDl
!b7"K|
}04mJY[
BO#tn{(#
vue^bn
aUzCKX%>C
>> r=fzero('f_1',2); % 决定在2附近的根 Lj(cCtb)
H)i|?3Ip
r = 2.0946 Hc=QSP
%2T
i
Rb
>> p=[1 0 -2 -5] E0R6qS:'
#kASy 2t
>> r=roots(p) % 以求解多项式根方式验证 ?9a%g\`?:
Fu_I0z
r = fCx(
?/"|tuQMW
2.0946 J6n>{iE
cu($mjC@T
-1.0473 + 1.1359i }1e4u{
Z.Yq)\it
-1.0473 - 1.1359i Hl0"
zS[
jZzTnmm&?
2.5线性代数方程(组)求解 GM0Q@`d
5K ;E*s,
我们习惯将上组方程式以矩阵方式表示如下 2^=.j2
4_kN';a4Q
AX=B #M16qOEw
`,-mXxTNT
其中 A 为等式左边各方程式的系数项,X 为欲求解的未知项,B 代表等式右边之已知项 A vq+s.h
|g)C `k
要解上述的联立方程式,我们可以利用矩阵左除 \ 做运算,即是 X=A\B。 <;S$4tux
]~I+d/k
d
如果将原方程式改写成 XA=B ve
ysW(z
g w([08
其中 A 为等式左边各方程式的系数项,X 为欲求解的未知项,B 代表等式右边之已知项 \"oZ\_
^sD
M>OHp
注意上式的 X, B 已改写成列向量,A其实是前一个方程式中 A 的转置矩阵。上式的 X 可以矩阵右除 / 求解,即是 X=B/A。 C)z4Cn9#
? +L,
若以反矩阵运算求解 AX=B, X=B,即是 X=inv(A)*B,或是改写成 XA=B, X=B,即是X=B*inv(A)。 :rUMmO -
k?14'X*7yu
我们直接以下面的例子来说明这三个运算的用法: 80*hi)ux[
cx$IWQf2
>> A=[3 2 -1; -1 3 2; 1 -1 -1]; % 将等式的左边系数键入 );h(D!D,
@|SeabN^-
>> B=[10 5 -1]'; % 将等式右边之已知项键入,B要做转置 mkn1LzE|F
din,yHu~
>> X=A\B % 先以左除运算求解 >\Dy
#m.e9MU
X = % 注意X为行向量 aDKb78 1d
p H y
-2 TwPQ8}pj?
TU0-L35P1
5 IC0L&;En
xmv%O&0^}
6 {R!yw`#^B
|6*Bu1
>> C=A*X % 验算解是否正确 q@ -B+
a/j;1xcc<
C = % C=B b&U1^{(
}tW-l*\U
10 N&NBn(
(`.OS)&
5 R ZY=c
>ou=}/<
-1 g#J aw|N
OoSk^U)
>> A=A'; % 将A先做转置 ! I@w3`
*y*tI}
>> B=[10 5 -1]; u#@/^h;
Y<xqws
>> X=B/A % 以右除运算求解的结果亦同 6h;(b2p{
JN0h3nZ_
X = % 注意X为列向量 (F4e}hr&
IL].!9
10 5 -1 qT$k%(
1INX#qTZ
>> X=B*inv(A); % 也可以反矩阵运算求解