2.1微分 3'.@aMA@
B,\VLX
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: i*=~mO8E
RKP,w%
diff(f) 传回f对预设独立变数的一次微分值 J[<Zy^"Y;
]P3m=/w
diff(f,'t') 传回f对独立变数t的一次微分值 44}5o
_nqnO8^IG4
diff(f,n) 传回f对预设独立变数的n次微分值 d#v@NuO6
h
o*H U^
diff(f,'t',n) 传回f对独立变数t的n次微分值 i3,.E]/wX@
d[_26.
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。 dLp1l2h!0
&MSU<S?1
先定义下列三个方程式,接著再演算其微分项: {[2o
5z_d$.CIc
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; ~gpxK{
e>z"{ u(F0
>>S2 = 'sin(a)'; ^0.8-RT
a6LL]_&g
>>S3 = '(1 - t^3)/(1 + t^4)'; 2'@m'4-N
V^,gpTyv*
>>diff(S1) S[K5ofV
uHI(-!O
ans=18*x^2-8*x+b G[mqLI{q
$/M-@3wro
>>diff(S1,2) -UkK$wP5
fLe~X!#HF
ans= 36*x-8 C{bxPILw
{J==y;dK
>>diff(S1,'b') fc+-/!v
+fk*c[FG
ans= x Jb"FY:/Qv+
=R=V
>>diff(S2) x/O;8^b
K+`GVmD
ans= ~3 :VM_
zufphS|
cos(a) <2)AbI+3
zgGysjV
>>diff(S3) r)|~Rs!y,
4fKvB@O@.
ans=-3*t^2/(1+t^4)-4*(1-t^3)/(1+t^4)^2*t^3 uU 7 <8G
%k#+nad
>>simplify(diff(S3)) iL;V5|(sb
j~N*T XkC
ans= t^2*(-3+t^4-4*t)/(1+t^4)^2 ATkd# k%S
lBfthLBa
2.2积分 dT0W8oL
r^
Dm|^f#
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 QDn_`c
zls^JTE
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: pX_
MZ"V\6T]
int(f) 传回f对预设独立变数的积分值 !kSemDC
g!~SHW)l
int(f,'t') 传回f对独立变数t的积分值 vNw(hT5750
J920A^)j!
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 '^)'q\v'k
=CFjG)L
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 9YI@c_1 Q
'f{13-#X@
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 X}Q4;='C-
^P9mJ:
我们示范几个例子: C)U4Fr ?E:
,&,%B|gT]
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; h^(U:M=A
`e ZDG
>>S2 = 'sin(a)'; )r.Wge
;:=j{,&dl[
>>S3 = 'sqrt(x)'; _qE9]mU
%/3+:}@G
>>int(S1) G
T~rr*X
B5 /8LEWw
ans= 3/2*x^4-4/3*x^3+1/2*b*x^2-5*x jP<6J(
+(DzE
H |
>>int(S2) 3YLK?X8
Ct `)R
ans= -cos(a) )s>|;K{
oL~1M=r
>>int(S3) ,IhQ %)l
UhJS=YvT
ans= 2/3*x^(3/2) _kBmKE
Mcc%&j
>>int(S3,'a','b') /HUT6B
}uMu8)Q
ans= 2/3*b^(3/2)- 2/3*a^(3/2) w(bvs&`{uC
J <z
^C
>>int(S3,0.5,0.6) U>kaQ54/
U`)
";WN
ans= 2/25*15^(1/2)-1/6*2^(1/2) }*J04o$oI
NCg("n,jx
>>numeric(int(S3,0.5,0.6)) % 使用numeric函数可以计算积分的数值 iJh{,0))g
GdC=>\]
ans= 0.0741 @wD#+Oz
hD#Mhy5h
2.3求解常微分方程式 w)<.v+u.Y
I 8i|tQz
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'' , jA^yUd-
-5e8m4*
condition则为初始条件。 4%}iKoT
V?t*c [
假设有以下三个一阶常微分方程式和其初始条件 ,r3`u2)
J_+2]X7n
y'=3x2, y(2)=0.5 GF@`~im
e lM<S3
y'=2.x.cos(y)2, y(0)=0.25 6 [bQ'Ir^8
@[FO;4w
y'=3y+exp(2x), y(0)=3 &iD&C>;pf
I5j|\ /Ht
对应上述常微分方程式的符号运算式为: [2Y@O7;nI
N\s-{7K
>>soln_1 = dsolve('Dy = 3*x^2','y(2)=0.5') <b~~X`Z
KD\%B5Jy
ans= x^3-7.500000000000000 V,zFHXO
}x6)}sz7
>>ezplot(soln_1,[2,4]) % 看看这个函数的长相 xGOmvn^lQ
PQi(Oc
>8>s
K(S]
[#aJ- Uu
>>soln_2 = dsolve('Dy = 2*x*cos(y)^2','y(0) = pi/4') nCV7(ldmH
pQZ`dS\
ans= atan(x^2+1) fM&
fqI
k N* I_#
>>soln_3 = dsolve('Dy = 3*y + exp(2*x)',' y(0) = 3') 2ETv H~23
0WZd $
ans= -exp(2*x)+4*exp(3*x) :V6t5I'_
/V/)A\g
0T@axQ[%
SPe%9J+
2.4非线性方程式的实根 *k&V;?x|wt
A]%*ye"NT
要求任一方程式的根有三步骤: >C{8}Lg-.
8YPX8d8u
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, o]]tH
x*j
eCD,
则该方程式应表示为 f(x)=sin(x)-3。可以 m-file 定义方程式。 `p)U6J
Qo]qs+
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」。 18j>x3tn
3:w_49~:~
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。 .i;?8?
]"O*&
以下分别介绍几数个方程式,来说明如何求解它们的根。 y9T5
o=zl{tZV
例一、方程式为 0}`
-<(
KAVkYL0
sin(x)=0 Vv`94aQTD
av'[k<
我们知道上式的根有 ,求根方式如下: +s7w@
.|P
:n'
>> 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 Om;`"5
c<Ud[x.
r=3.1416 gLFSZ
all2?neK
>> r=fzero('sin',6) % 选择 x=6 附近求根 8B "^}y\0
k:mW ,s|a
r = 6.2832 O#{`Fj`
6xr%xk2E
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: @eESKg(,
hq&9S{Ep
>> x=linspace(-2,3); -U7,~z
Q7zpu/5?
>> y=humps(x); ym` 4v5w
AnE]
kq u
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在0和1附近有二个根 |g!$TUS.
>%N,F`^3
#N"QTD|i
YoK )fh$
"ChJR[4@
d&ff1(j(
(6
RWI#
zlkW-rRkR
R9K~b^`
XQOM6$~,
U9\w)D|+eE
!X[7m
qjg Z
(BK_A{5
m3(p7Z^Bq
>> r=fzero('humps',1.2) fCX8s(|F
"d0D8B7HI@
r = 1.2995 s=K?-O
tHM0]Gb}
例三、方程式为y=x.^3-2*x-5 EAC I>
jnM}N:v
这个方程式其实是个多项式,我们说明除了用 roots 函数找出它的根外,也可以用这节介绍的方法求根,注意二者的解法及结果有所不同。求根方式如下: p%#'`*<a_
2P=~6(
% m-function, f_1.m {=,I>w]T|W
rodqa
function y=f_1(x) % 定义 f_1.m 函数 alsD TQ'
z$ {[Z=
y=x.^3-2*x-5; :/"5x
S
C}@eA'
>> x=linspace(-2,3); 5Z:qU{[
m G+=0Rn^
>> y=f_1(x); : Hu{MN\
}{&;\^i
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在2和-1附近有二个根
<LJb,l"
U+["b-c
8WKY 4nkj
bFH`wLW
>V\^oh)t]t
p3T:Y_
L7.SH#m
7y.iXe!P
QTN'yd?WE
"];@N!dA
_lm^v%J$
5IF$M2j
@a
7U0$,O#
y(^\]-fE
>> r=fzero('f_1',2); % 决定在2附近的根 Tv
5J
P>`|.@
r = 2.0946 vWa\8y f
BP\6N%HC%&
>> p=[1 0 -2 -5] 8 tIy"5
_]eyt_
>> r=roots(p) % 以求解多项式根方式验证 dI!/H&`B]
)me`Ud
r = y3PrLBTz
#k)t.P
Q
2.0946 P^<to(|
Jz P0D'
-1.0473 + 1.1359i )V_;]9<wt
_8\B~;0
-1.0473 - 1.1359i "I9 r>=
,]Xn9W
2.5线性代数方程(组)求解
deTD|R
OEC/'QOae
我们习惯将上组方程式以矩阵方式表示如下 k*Aee7
!aL=R)G&e
AX=B o)R<sT
4GXS(
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 2Vw2r@S/
l@-h.tS
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。 $ \o)-3
%}XyzGq{
如果将原方程式改写成 XA=B (Q8r2*L
`46.!
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 t`>Z#=cl\
uv^x
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。 xH}bX- m
DQaE9gmC
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)。 @7V~CNB+
n1:q:qMR1
我们直接以下面的例子来说明这三个运算的用法: #VVfHCy
gFTlP
>> A=[3 2 -1; -1 3 2; 1 -1 -1]; % 将等式的左边系数键入 1X9s\JKQ
"^;h'
>> B=[10 5 -1]'; % 将等式右边之已知项键入,B要做转置 NSH4 @x
!]RSG^%s{
>> X=A\B % 先以左除运算求解 )?c,&
U=U5EdN;
X = % 注意X为行向量 TY'61xWi
$em'H,*b3
-2 ;oDr8a<A
9\/oL{
5 %H,s~IU
W8;!rFW
6 2i1xSKRYrD
kRBO]
>> C=A*X % 验算解是否正确 =Vazxt@[
a(ITv roM/
C = % C=B 5Z5x\CcC3
KLE)+|
10 t8rFn
T#*H
5 Au}l^&,zN
pe\Nwq
-1 2CneRKQy
7')W+`o8eL
>> A=A'; % 将A先做转置 mtn^+*
xIC@$GP
>> B=[10 5 -1]; pRL:,q\
n+te5_F
>> X=B/A % 以右除运算求解的结果亦同 K7K/P{@9[9
o[fg:/5)A
X = % 注意X为列向量 &
d2`{H
Y0A(-"
10 5 -1 "J=Cy@SSa
ahy6a,)K~
>> X=B*inv(A); % 也可以反矩阵运算求解