2.1微分 M9Nk=s! 3
\[[TlB>
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: FDVI>HK @
\ W
'i0+
diff(f) 传回f对预设独立变数的一次微分值 T/GgF&i3
#h gmUa
diff(f,'t') 传回f对独立变数t的一次微分值 s%N`
{=bg5I0|a
diff(f,n) 传回f对预设独立变数的n次微分值 jr,&=C(
{d 1N&
diff(f,'t',n) 传回f对独立变数t的n次微分值 qe5tcv}u
.'^6QST
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。 T_@[k
C#U<k0R
先定义下列三个方程式,接著再演算其微分项: NK7H,V}T
FJsK5-
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; W;Ud<7<;Z
&'5@azU
>>S2 = 'sin(a)'; ]aC':55(
L_THU4^j
>>S3 = '(1 - t^3)/(1 + t^4)'; <XQN;{xSa
SON^CvMs{
>>diff(S1) QKp+;$SE'
'Q:i&dTg
ans=18*x^2-8*x+b V!T^wh;
Ws-6W!Ib%
>>diff(S1,2) ;cv.f>Cm
:3KO6/+
ans= 36*x-8 O.@g/05C
Q`.'-iq
>>diff(S1,'b') n-b>m7O(
L6|Hgrj -u
ans= x VHXI@UT*
A Gv!c($
>>diff(S2) 6gj]y^}
dT5J-70Fl
ans=
#4vV%S
m b%C}8D
cos(a) ]b4pI*:$I
h5L=M^z!>
>>diff(S3) %04:z77
BZovtm3E
ans=-3*t^2/(1+t^4)-4*(1-t^3)/(1+t^4)^2*t^3 i&'#+f4t
^cYStMjpy
>>simplify(diff(S3)) kQ@gO[hS
b;S6'7Jf9
ans= t^2*(-3+t^4-4*t)/(1+t^4)^2 8)L'rW{q#
'e}uvbK
2.2积分 X AQGG>
To3^L_v"
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 lVP9=
R'rTE
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: !Tv?%? 2l
JZ `>|<W
int(f) 传回f对预设独立变数的积分值 h,^BC^VU9-
?q\FLb%"7
int(f,'t') 传回f对独立变数t的积分值 3^{8_^I
)VNM/o%Q
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 ZB-QABn
Vwjk[ DOL
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 \ jECSV|
$j57LY|r
int(f,'m','n') 传回f对预设变数的积分值,积分区间为[m,n],m和n为符号式 }$l8d/_$[
GxxDY]!
我们示范几个例子: +wipfL~&S
m;dm|4L^
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; G3G/xC"
b3}Q#Y\G
>>S2 = 'sin(a)'; &,J*_F<s2<
Odm#wL~E
>>S3 = 'sqrt(x)'; vB^uxdt|m
_}D%iJg#
>>int(S1) bG"HD?A_
>QXzMN}o
ans= 3/2*x^4-4/3*x^3+1/2*b*x^2-5*x l09Fn>wa
)B6# A0
>>int(S2) <0#^7Z
7AFE-'S
ans= -cos(a) 2Zy_5>~
kBo;h.[l
>>int(S3) 2UiR~P]%
K}x_nW
ans= 2/3*x^(3/2) o+NMA
(
r088aUO
P
>>int(S3,'a','b') Mi]I:ka
Jy]Id*u9
ans= 2/3*b^(3/2)- 2/3*a^(3/2) -ey)J
+?t
>L gVj$Z
>>int(S3,0.5,0.6) {Bh("wg$Lk
% #u.J
ans= 2/25*15^(1/2)-1/6*2^(1/2) 3V?817&6z
K/^
+eoW(
>>numeric(int(S3,0.5,0.6)) % 使用numeric函数可以计算积分的数值 <?YA,"~
%]!adro~
ans= 0.0741 Ql8bt77eI-
~O{W;Cyh
2.3求解常微分方程式 %t*[T
P>(P2~$Y"
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'' , /;Yy@oc
vg)Z]F=t(
condition则为初始条件。 rFey4zzz
=LI:S|[4
假设有以下三个一阶常微分方程式和其初始条件 ?DPHo)w
v`x|]-/M&
y'=3x2, y(2)=0.5 =\Iu$2r`
Ow@v"L;jF!
y'=2.x.cos(y)2, y(0)=0.25 F)SP aC4
^]>aHz9
y'=3y+exp(2x), y(0)=3 je%l dY]/@
(Sv>NQp
对应上述常微分方程式的符号运算式为: @E%DP9.I
dY!u)M;~~
>>soln_1 = dsolve('Dy = 3*x^2','y(2)=0.5') E)W@{?.o#
jAC78n,Fi@
ans= x^3-7.500000000000000 F}36IM9/:
M&KyA
>>ezplot(soln_1,[2,4]) % 看看这个函数的长相 c7K!cfO:{N
$shp(T,q
| kXm}K
)&,{?$ .
>>soln_2 = dsolve('Dy = 2*x*cos(y)^2','y(0) = pi/4') _Zc4=c,K
6ZOy&fd,Ty
ans= atan(x^2+1) xq[Yg15d%
D."=k{r.
>>soln_3 = dsolve('Dy = 3*y + exp(2*x)',' y(0) = 3') ~Y7dH
Dn
})Yv9],6
ans= -exp(2*x)+4*exp(3*x) rjk ( X|R*
[=uIb._Wv
*jITOR!uF`
I4t*?
2.4非线性方程式的实根 =-#G8L%Q
z-r2!^q27
要求任一方程式的根有三步骤: p?# pT}1
hH>``gK
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, D-&an@
94/BG0
则该方程式应表示为 f(x)=sin(x)-3。可以 m-file 定义方程式。 taWqSq!
gb" 4B%Hm
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」。 4w93}t.z
28I^$> [
由图中决定y(x)在何处附近(x0)与 x 轴相交,以fzero的语法fzero('function',x0) 即可求出在 x0附近的根,其中 function 是先前已定义的函数名称。如果从函数分布图看出根不只一个,则须再代入另一个在根附近的 x0,再求出下一个根。 Z>P*@S,6G
[XR$F@o
以下分别介绍几数个方程式,来说明如何求解它们的根。 {ci.V*:"
*[}^[J
x
例一、方程式为 [f/I2
}m-"8\_D
sin(x)=0 [}z,J"Un
/=: j9FF
我们知道上式的根有 ,求根方式如下: G~,:2
o3
6'vbT~S!
>> 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 |~0UM$OB^3
F3Maqr y
r=3.1416 j;0vAf
sG7u}r
>> r=fzero('sin',6) % 选择 x=6 附近求根 g>JLDQdc
";SiL{Z
r = 6.2832 (s<s@`
ino:N5&;;
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: <0P5 o|
O`[aU%4b
>> x=linspace(-2,3); EgjR^A1W2
nh+l78
>> y=humps(x); zp}eLm:=d
8'
DW#%
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在0和1附近有二个根 Mkxi~p%<r
I:98 $ r$
$g0+,ll[6
o 5U(i
zP\7S}p7%
fWnD\mx?0
\3f&7wU
"R>FqX6FB
4GdX/6C.
').}N z
,f3pqi9|
v=@TWEE
'k0[rDFc#3
`l;n:]+
"*1f;+\
>> r=fzero('humps',1.2) -a,-J]d0+
u$#Wv2| mk
r = 1.2995 B%CTOi
a8k; (/
例三、方程式为y=x.^3-2*x-5 [epi#]m
GPz(j'jU
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: 'rp }G&m
}o4N<%/+
% m-function, f_1.m Q_-_^J
\>LnLH(
function y=f_1(x) % 定义 f_1.m 函数 eV:9y
IJYL s
y=x.^3-2*x-5; Q1d'~e
lGwl1,=
>> x=linspace(-2,3); tz4
]qOH8
J%09^5:-z
>> y=f_1(x); LEMfG~Czq
F:@70(<w%
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在2和-1附近有二个根 9{k97D/
]^':Bmq
* _a@z1
C2LL|jp*
gb
^?l~SS
IW 21T
m(RXJORI
@1.QEyXG
B~o\+n
{!6/x9>
\^ghdU
(" LQll9
1)
ta
-F'b8:m
>> r=fzero('f_1',2); % 决定在2附近的根 "k]CW\H6z
g?-lk5
r = 2.0946 _^Mx>hb4.
7VcmVq}X
>> p=[1 0 -2 -5]
;};wq&b#
l @^3Exwt
>> r=roots(p) % 以求解多项式根方式验证 }|PY!O
}*.0N;;C
r = JkW9D)6
@u==x*{|
2.0946 !vG'J\*xc
I%-
" |]$
-1.0473 + 1.1359i T,|
1g6
i4^o59}8
-1.0473 - 1.1359i (Qa/EkE^*w
-S3MH1TZ
2.5线性代数方程(组)求解 J[f;Xlh
sR/b$j>i3
我们习惯将上组方程式以矩阵方式表示如下 =Umw$+fJr
c478P=g=5
AX=B ZPbpp@,
jqPkc28
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 pdE3r$C
| WvU q
要解上述的联立方程式,我们可以利用矩阵左除 \ 做运算,即是 X=A\B。 W5SJ^,d)J
J,Ks0MA
如果将原方程式改写成 XA=B .'Y]R3\M+
G:zua`u[
其中 A 为等式左边各方程式的系数项,X 为欲求解的未知项,B 代表等式右边之已知项 #1>X58I^
}Ho Qwy|&
注意上式的 X, B 已改写成列向量,A其实是前一个方程式中 A 的转置矩阵。上式的 X 可以矩阵右除 / 求解,即是 X=B/A。 8Y5
,3@#F/c3i~
若以反矩阵运算求解 AX=B, X=B,即是 X=inv(A)*B,或是改写成 XA=B, X=B,即是X=B*inv(A)。 ^tXJj:wtS
-jMJAYj V
我们直接以下面的例子来说明这三个运算的用法: c%=IL M4
aH^RoG}
>> A=[3 2 -1; -1 3 2; 1 -1 -1]; % 将等式的左边系数键入 6`f2-f9%iq
lsJnI|
>> B=[10 5 -1]'; % 将等式右边之已知项键入,B要做转置 Z)jw|T'X
lT(oL|{#P
>> X=A\B % 先以左除运算求解 1Tu
*79A
qh`t-
X = % 注意X为行向量 F&&$Qn_+
\hB5@e4i2
-2 TY1I=8
OoWyPdC+P
5 iezO9`
Q=]w !I\
6 Y.*y9)#S6
0:+WO%z
>> C=A*X % 验算解是否正确 U\Z?taXB
u9N 1pZ~
C = % C=B ^Vpq$'!
b,CaWg
10 *hw\35%P`?
J>\B`E
5 ub|V\M{
f"<O0Qw
-1 ~$~5qwl
B'fb^n<
>> A=A'; % 将A先做转置 dH-s2r%s
e d<n9R
>> B=[10 5 -1]; P'`r
wu)w
>> X=B/A % 以右除运算求解的结果亦同 ^/r7@:
.FLy;_f+
X = % 注意X为列向量 sQ
fFu
gM
_hi
10 5 -1 dxmE3*b`
Bro9YP4<
>> X=B*inv(A); % 也可以反矩阵运算求解