2.1微分 Mu/hTTiNx
^c?$$Tq
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: StU9r0`
5E0dX3-
diff(f) 传回f对预设独立变数的一次微分值 ?b x ak
ca,U>'(y
diff(f,'t') 传回f对独立变数t的一次微分值 w:/QB-`%
!xE@r,'oN
diff(f,n) 传回f对预设独立变数的n次微分值 J=Hyoz+9
h~s h!W8
diff(f,'t',n) 传回f对独立变数t的n次微分值 Lrq e:\
+u;RFY^
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。 lf}%^od~6
*Ke\Yb
先定义下列三个方程式,接著再演算其微分项: {QVs[
J1
'wVi>{?
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; gXe`G(w
>r.W \
>>S2 = 'sin(a)'; qKk|2ecTB5
FY"csZ
>>S3 = '(1 - t^3)/(1 + t^4)'; .x][ _I>
qz8Jvgu?
>>diff(S1) s3y"y_u
WT jy"p*
ans=18*x^2-8*x+b 6xoCB/]
o ^""=Z
>>diff(S1,2) 0gH;y+\=*
DeTLh($\
ans= 36*x-8 OPC8fX5.
*H~&hs>k
>>diff(S1,'b') 0X}0,
+^ `n- m
ans= x USzO):o
[}`-KpV!;
>>diff(S2) gbziEjRe
1@xdzKua1
ans= _*CbtQb5
bVOJp% *s
cos(a) F[*/D/y(
Ca
?d8
>>diff(S3) lH/7m;M
|"YE_aYu
ans=-3*t^2/(1+t^4)-4*(1-t^3)/(1+t^4)^2*t^3 8dwKJ3*.
$^`@ lyr
>>simplify(diff(S3)) (: @7IWZf@
/]-a 1
ans= t^2*(-3+t^4-4*t)/(1+t^4)^2
bU$M)
nhRpb9f`1@
2.2积分 id[caP=`
zoZ10?ojC
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 ei(S&u<
lPw`KW
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: QBb%$_Z
Nf%/)Tk
int(f) 传回f对预设独立变数的积分值 W~/{ct$Y
;e$YM;;d
int(f,'t') 传回f对独立变数t的积分值 5A+r^xN
vGwpDu\RgX
int(f,a,b) 传回f对预设独立变数的积分值,积分区间为[a,b],a和b为数值式 ^9 ^DA!'
X=V2^zrt
int(f,'t',a,b) 传回f对独立变数t的积分值,积分区间为[a,b],a和b为数值式 C4)m4r%
+h8`8k'}-2
int(f,'m','n') 传回f对预设变数的积分值,积分区间为[m,n],m和n为符号式 jmF)iDvjuZ
p\DSFB
我们示范几个例子: RcOfesW
o
+!)_[ zo
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; Y(=A HmR
[F
24xC+
>>S2 = 'sin(a)'; 6N[X:F
3`,
-Eoq#ULvR
>>S3 = 'sqrt(x)'; WWT1_&0
U04&z 91"
>>int(S1) tgY/8&$M
X'j9l4Ph7
ans= 3/2*x^4-4/3*x^3+1/2*b*x^2-5*x o8~<t]Ejw
>65\
>>int(S2) OO\$'%
y`
N v6=[_D
ans= -cos(a) Z29aRi
b8!
>>int(S3) Nka 3H7`
Uh+6fE]p
ans= 2/3*x^(3/2) \-8aTF
WZ=$c]gG
>>int(S3,'a','b') D9!$H!T _
c$x>6&&L
ans= 2/3*b^(3/2)- 2/3*a^(3/2) 'xGTaKlm,
b4Pa5w
>>int(S3,0.5,0.6) 49YN@PXC
*Tr9pq%m
ans= 2/25*15^(1/2)-1/6*2^(1/2) +G)a+r'0Q
/!fJ`pu!
>>numeric(int(S3,0.5,0.6)) % 使用numeric函数可以计算积分的数值 8vQR'<,
?C']R(fQ\
ans= 0.0741 u:H:N]
R{pF IyR
2.3求解常微分方程式 vRH2[{KQ9
}ld^zyL
MATLAB解常微分方程式的语法是dsolve('equation','condition'),其中equation代表常微分方程式即y'=g(x,y),且须以Dy代表一阶微分项y' D2y代表二阶微分项y'' , 6Ad=#MM
t9)S^: 0
condition则为初始条件。 i&{%}==7
[Y.=bfV!
假设有以下三个一阶常微分方程式和其初始条件 z0Z1J8Qq6.
ij1YV2v
y'=3x2, y(2)=0.5 {nw.bKq7
D@kf^1G
y'=2.x.cos(y)2, y(0)=0.25 '4CD
}
*K BaKS
y'=3y+exp(2x), y(0)=3 }}Z2@}
RFX{]bQp9
对应上述常微分方程式的符号运算式为: /EuH2cy$l
[s{[
.0P]+
>>soln_1 = dsolve('Dy = 3*x^2','y(2)=0.5') MBAj.J
?!O4ia3nFk
ans= x^3-7.500000000000000 LqNyi
3R-5&!i
>>ezplot(soln_1,[2,4]) % 看看这个函数的长相 Tgh?=]H
UuC-R)
tq?a3
EWr7eH
>>soln_2 = dsolve('Dy = 2*x*cos(y)^2','y(0) = pi/4') >P]gjYN
UmY{2 nzY
ans= atan(x^2+1) %>5>wP
/4@
[^}x
>>soln_3 = dsolve('Dy = 3*y + exp(2*x)',' y(0) = 3') @_W13@|
c=zSq%e
ans= -exp(2*x)+4*exp(3*x) /nn~&OU
$x,EPRNs
SPXvi0Jg
9M5W4&
2.4非线性方程式的实根 Qqx!'fft
)@P*F)g~
要求任一方程式的根有三步骤: bwj{5-FU
sG)aw`_j
先定义方程式。要注意必须将方程式安排成 f(x)=0 的形态,例如一方程式为sin(x)=3, /0$fYrg>J
{&UA60~6
则该方程式应表示为 f(x)=sin(x)-3。可以 m-file 定义方程式。 _,IjB/PR(
"eqzn KT%u
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」。 o\]U;#YD
tP"6H-)X&
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。 s;Gg
HUAYtUBH
以下分别介绍几数个方程式,来说明如何求解它们的根。 E
AZX
[cco/=c
例一、方程式为 v$w}UC%uf
/sj*@HF=
sin(x)=0 Ow.DBL)x'>
/'5d0' ,M
我们知道上式的根有 ,求根方式如下: ?c+$9
jM
@N<k
>> r=fzero('sin',3) % 因为sin(x)是内建函数,其名称为sin,因此无须定义它,选择 x=3 附近求根 .g1x$cQ1<
^;rjs|`K#
r=3.1416 t
7o4 aBl"
,.}%\GhY
>> r=fzero('sin',6) % 选择 x=6 附近求根 wc.=`Me
x)GheM^
r = 6.2832 AI|+*amTd
O5Z9`_9<
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: ^g5E&0a`g
EwkSUA>Tm
>> x=linspace(-2,3); $;'M8L
.a7RGT3]m
>> y=humps(x); miu?X !
=QGmJ3
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在0和1附近有二个根 ^L)TfI_n
GBT|1c'i
d9BFeq8
s\pukpf@
?|+e*{4k
h`dQOH#
Wbei{3~$Y"
ENIg_s4
Y0T :%
`[g$EXX
kfZ`|w@q
Qrg- xu=
"YY<T&n
Pd\4hy
@j_o CDS
>> r=fzero('humps',1.2) XsQ81j.
]% HxzJ
r = 1.2995 I;%1xdPt
_uLpU4# ?
例三、方程式为y=x.^3-2*x-5 c:u*-lYmK%
ZY]$MZf5yo
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: hTzj{}w
cWZITT{A
% m-function, f_1.m \t&! &R#
n qO*z<
function y=f_1(x) % 定义 f_1.m 函数 5X=1a*2']
ix2i.wdD
y=x.^3-2*x-5; ;!A8A4~nu
I`X!M!dB)
>> x=linspace(-2,3); grzmW4Cw
Q=Mv"~2>B
>> y=f_1(x); rzIWQFv
q
i yK
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在2和-1附近有二个根 "Gp Tmu?
(ct1i>g
Mf#@8"l
R}gdN-941
Dg.~"h5mT
:?\29j#*V
py:L-5
.1RQ}Ro,<
4X]/8%]V
Lw,}wM5X
m(U.BXo
SNOc1c<~
H\oxj,+N
,HTwEq>-G
>> r=fzero('f_1',2); % 决定在2附近的根 }6\,kFc
F_'{:v1GW
r = 2.0946 v4s4D1}
t2)uJN`a$X
>> p=[1 0 -2 -5] 6Q7=6
"h_f-vP
>> r=roots(p) % 以求解多项式根方式验证 ]pBEoktp
k-
9i
r = IC'+{3.m8
3WF]%P%
2.0946 4;J.$
H 4ELIF#@
-1.0473 + 1.1359i F$tzsz,9n
Mb2a;s
-1.0473 - 1.1359i 3-hcKE
>;,23X
2.5线性代数方程(组)求解 kE'p=dXx
]sb?lAxh{
我们习惯将上组方程式以矩阵方式表示如下 aUZ?Ue9l>2
S1^/W-yoc~
AX=B iXo;e
Xydx87L/-e
其中 A 为等式左边各方程式的系数项,X 为欲求解的未知项,B 代表等式右边之已知项 PWl;pBo
=t-Ud^3
要解上述的联立方程式,我们可以利用矩阵左除 \ 做运算,即是 X=A\B。 i4D]>
{U_ ,y(V
如果将原方程式改写成 XA=B
gPB=Z!
e8 ]CB
其中 A 为等式左边各方程式的系数项,X 为欲求解的未知项,B 代表等式右边之已知项 GBb8}lx
j1g$LAe
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('D]u$Hdk
eC"e
v5v
若以反矩阵运算求解 AX=B, X=B,即是 X=inv(A)*B,或是改写成 XA=B, X=B,即是X=B*inv(A)。 iu=Mq|t0
ty['yV-;a
我们直接以下面的例子来说明这三个运算的用法: s3JzYDpy
02;'"EmP$
>> A=[3 2 -1; -1 3 2; 1 -1 -1]; % 将等式的左边系数键入 /r'Fq
=z
jRC{8^98
>> B=[10 5 -1]'; % 将等式右边之已知项键入,B要做转置 u->[y1JY
7=fNvES2
>> X=A\B % 先以左除运算求解 q!0HsF
HLDv{G'7
X = % 注意X为行向量 V)~b+D
{ObY1Y`ea
-2 [rcM32
!O!:=wq
5 s-Gd{=%/q
)fXw ~
6 #@BhGB`9Qt
83V\O_7j
>> C=A*X % 验算解是否正确 n-M6~
!1R?3rVQS
C = % C=B /7Sg/d%c
8v4krz<Iq
10 I_8 n>\u
*y<eK0
5 Ou4hAm91s
J#wf`VR%
-1 jNX6Ct?
/PaS<"<P@
>> A=A'; % 将A先做转置 X{cB%to
#B?lU"f8q^
>> B=[10 5 -1]; /V+7:WDj
[g"nu0sOK
>> X=B/A % 以右除运算求解的结果亦同 B=W#eu
<1
r\fkx>
X = % 注意X为列向量 `dX0F=Ag?
zp9l u B
10 5 -1 5#f_1
V
Ew.6y=Ba
>> X=B*inv(A); % 也可以反矩阵运算求解