2.1微分 {aP5Mem
>oi`%V
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: cmF&1o3_
uc9t0]o=h
diff(f) 传回f对预设独立变数的一次微分值 o@j]yA.5)
^l|{*oj2
diff(f,'t') 传回f对独立变数t的一次微分值 H%NIdgo}
FI++A`
diff(f,n) 传回f对预设独立变数的n次微分值 K5gh7
+@[T0cXp
diff(f,'t',n) 传回f对独立变数t的n次微分值 ?#"rI6
4hdxqI!y2
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。 :4s{?IY)l
{pMbkAQ@
先定义下列三个方程式,接著再演算其微分项: f.acH]p
(&R/ns~
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; fH?e9E4l
aP^,@RrL
>>S2 = 'sin(a)'; Y`jvza%
t%Hg8oya
>>S3 = '(1 - t^3)/(1 + t^4)'; NfizX!w&
I\E`xkbBu
>>diff(S1) 1o\P7PLe
>aXyi3B
ans=18*x^2-8*x+b U 2am1}
8enlF\I8g
>>diff(S1,2) ?t++IEoP
nN1\
ans= 36*x-8 b,"gBg
zu}oeAQc$
>>diff(S1,'b') ! iuDmL
-
y[nMEE
ans= x P6'Oe|+'
DXu915
>>diff(S2) |}s)Wo
dPplZ,Y%
ans= .%;`:dtj
_u TaN
cos(a) 1!_$HA
P{j2'gg3
>>diff(S3) #DK@&Gv
Xkcy~e
ans=-3*t^2/(1+t^4)-4*(1-t^3)/(1+t^4)^2*t^3 )90 Q
.CGPG,\2
>>simplify(diff(S3)) J'c]':U
ZDEz&{3U;
ans= t^2*(-3+t^4-4*t)/(1+t^4)^2 jMv qKJ(<
" &2Kvsz
2.2积分 n{sF'n</
0Oy.&C T
int函数用以演算一函数的积分项, 这个函数要找出一符号式 F 使得diff(F)=f。如果积 }jHS
o %GVg
分式的解析式 (analytical form, closed form) 不存在的话或是MATLAB无法找到,则int 传回原输入的符号式。相关的函数语法有下列 4个: 2F*spu
GaV6h|6_
int(f) 传回f对预设独立变数的积分值 3z7SK Gy
~ 8L]!OQ9=
int(f,'t') 传回f对独立变数t的积分值
kI7c22OJ
ZL/iX~}a'
int(f,a,b) 传回f对预设独立变数的积分值,积分区间为[a,b],a和b为数值式 D5lzrpg _e
-PX Rd)~
int(f,'t',a,b) 传回f对独立变数t的积分值,积分区间为[a,b],a和b为数值式 "Bl]_YPv
n;&08M5an}
int(f,'m','n') 传回f对预设变数的积分值,积分区间为[m,n],m和n为符号式 vbEAd)*S
}j<:hDQP
我们示范几个例子: 8~*<s5H
u5D@,wSNz
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; pG"pvfEl9f
k1Z"Qmz
>>S2 = 'sin(a)'; Jw13
Wb-
Mttt]]
>>S3 = 'sqrt(x)'; `pr$l
0u[Vd:()v(
>>int(S1) MLD1%* &0
wUb5[m
ans= 3/2*x^4-4/3*x^3+1/2*b*x^2-5*x A|jmp~@K)+
2to~=/.
>>int(S2) =' %r"_`}
^`M,ju
ans= -cos(a) y04md A6<
RcJ.=?I!
>>int(S3) 6/{V#.(
!O|d,)$q
ans= 2/3*x^(3/2) J,N='~kfh
QuFzj`(
>>int(S3,'a','b') k;EG28
,Dh+-}
ans= 2/3*b^(3/2)- 2/3*a^(3/2) 0,a/t
jSr
scr`] tD
>>int(S3,0.5,0.6) >ZRCM
]QM{aSvXA
ans= 2/25*15^(1/2)-1/6*2^(1/2) 117`=9F
~x67v+I
>>numeric(int(S3,0.5,0.6)) % 使用numeric函数可以计算积分的数值 wXUP%i]i=
WFHS8SI
ans= 0.0741 >~%!#,C(|U
\iN3/J4
2.3求解常微分方程式 X8(H#Ef[
9gWR djK:
MATLAB解常微分方程式的语法是dsolve('equation','condition'),其中equation代表常微分方程式即y'=g(x,y),且须以Dy代表一阶微分项y' D2y代表二阶微分项y'' , S
^5EG;[
<HYK9{Q
condition则为初始条件。 Oe#*-
j%w}hGW%,
假设有以下三个一阶常微分方程式和其初始条件 =yT3#A~<G
%w9/gD
y'=3x2, y(2)=0.5 pTzwyj!SD
s,z$Vt"h*K
y'=2.x.cos(y)2, y(0)=0.25 KImBQ2 ^Tu
w_gFN%8
y'=3y+exp(2x), y(0)=3 4c})LAwd&
#:q$sKQ_$
对应上述常微分方程式的符号运算式为: &\n<pXQ
_aJo7
>>soln_1 = dsolve('Dy = 3*x^2','y(2)=0.5') *U<l$gajq
[nSlkl
ans= x^3-7.500000000000000 .$ o0$`}
.8.4!6~@
>>ezplot(soln_1,[2,4]) % 看看这个函数的长相 R=7,F6.
G
51l_
*8I+D>x
B|fh 4FNy
>>soln_2 = dsolve('Dy = 2*x*cos(y)^2','y(0) = pi/4') $m
hIXA.
&XvSAw+D@
ans= atan(x^2+1) AiF'*!1
ejFGeR
>>soln_3 = dsolve('Dy = 3*y + exp(2*x)',' y(0) = 3') tVUC@M>'
rofGD9f
ans= -exp(2*x)+4*exp(3*x) A'zXbp:%
pxGDzU
-(oFO'Lbg
HpXQD;
2.4非线性方程式的实根 "Y1]6
Zu
k vuSE
要求任一方程式的根有三步骤: ^i"~6QYE
:m&cm%W]ts
先定义方程式。要注意必须将方程式安排成 f(x)=0 的形态,例如一方程式为sin(x)=3, xr*%:TwCta
SlaHhq3
则该方程式应表示为 f(x)=sin(x)-3。可以 m-file 定义方程式。 ~10 >mg
(GCe D-
代入适当范围的 x, y(x) 值,将该函数的分布图画出,藉以了解该方程式的「长相」。 W{El^')F
;q"Yz-3
由图中决定y(x)在何处附近(x0)与 x 轴相交,以fzero的语法fzero('function',x0) 即可求出在 x0附近的根,其中 function 是先前已定义的函数名称。如果从函数分布图看出根不只一个,则须再代入另一个在根附近的 x0,再求出下一个根。 9Z[EzKd<~'
%&Fsk]T%:
以下分别介绍几数个方程式,来说明如何求解它们的根。 hx.ln6=4
^ ,cwm:B@
例一、方程式为 xs}3=&c(
|_h$}~;
sin(x)=0 @$*LU:[
VG=mA4Dd
我们知道上式的根有 ,求根方式如下: u4KP;_,m
&^7^7:Y=?
>> r=fzero('sin',3) % 因为sin(x)是内建函数,其名称为sin,因此无须定义它,选择 x=3 附近求根 4Ou5Vp&y
S-
N
[
r=3.1416 \jpm
2{Johqf
>> r=fzero('sin',6) % 选择 x=6 附近求根 K*/X{3 J;
}x~1w:zHd
r = 6.2832 \/8oua_)
Sb|9U8h
例二、方程式为MATLAB 内建函数 humps,我们不须要知道这个方程式的形态为何,不过我们可以将它划出来,再找出根的位置。求根方式如下: au;ZAXM|
Ovhd%qV;Y
>> x=linspace(-2,3); vVyX[ZZ
xb (Cd
>> y=humps(x); @ L=dcO{r
qib4DT$v-6
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在0和1附近有二个根 \UEO$~Km
2R`dyg
a W9_[#z5
JVe!(L4H
+
FG Xx
+t
JEG:
X~VJO|k pz
sQ
aP:@
"q]r{0
AdL>?SG%
[h0.k"&[
@s%!R
,3,(/%=k
KmX?W/%R
v*lj>)L
>> r=fzero('humps',1.2) 6V&HlJH
EG#mNpxE
r = 1.2995 JU`5K}H<
K)&oDwk
例三、方程式为y=x.^3-2*x-5 K?]c
,&ld: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: 2PDU(R
nl/~7({
% m-function, f_1.m @\?QZX(H
mhi^zHpa
function y=f_1(x) % 定义 f_1.m 函数 lBZhg~{
:YUQKy
y=x.^3-2*x-5; gCP f1z
3q)y;T\yW
>> x=linspace(-2,3); /DxeG'O
7f_tH_(
>> y=f_1(x); ^77X?nDz=h
@#1T-*
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在2和-1附近有二个根 d#cEAy
O
<#H5/Tq
\wb0%>
0
}HLV'^"k
d3&l!DoX
zi?G
wh~
u?V
Tnsu
( SiwO.TZ
$/|2d4O:{
*U:0c
;h
S&z8-D=8k
TYu(;~
h/xV;oj
BWev(SF{Ny
>> r=fzero('f_1',2); % 决定在2附近的根 b75en{aDi*
]s>y se
r = 2.0946 u8N"i),
P0O=veCf
>> p=[1 0 -2 -5] 8=DZ;]XD.
w<$0n#5
>> r=roots(p) % 以求解多项式根方式验证 ~0T,_N
bU{lV<R,
r = 2E_d$nsJ
<-s5
;xwtS
2.0946 g'<ekY+V:
g"|/^G_6S
-1.0473 + 1.1359i kx6-8j3gD7
oBI@.&tG}
-1.0473 - 1.1359i ]]!&>tOlI
jrLV \(p
2.5线性代数方程(组)求解 Q)%a2s;
;pVnBi
我们习惯将上组方程式以矩阵方式表示如下 4Tn97G7
BQF7S<O+
AX=B Ojs^-R_
*]+5T-R% $
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 AEO7I
f@
!UF(R^
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。 }e8u p*#me
%P HYJc
如果将原方程式改写成 XA=B 3.@I\p}
^7-l<R[T
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\'|[bY
P> [,,w
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。 &p83X
K>S:Z
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)。 Qm5Sf=E7Q
QNxY`
我们直接以下面的例子来说明这三个运算的用法: m={TBV,L
uj^l&"
>> A=[3 2 -1; -1 3 2; 1 -1 -1]; % 将等式的左边系数键入 H?$gHZPI
I6.}r2?;A
>> B=[10 5 -1]'; % 将等式右边之已知项键入,B要做转置 XTS%:S
"C'T>^qw*
>> X=A\B % 先以左除运算求解 gf^XqTLs
q-R'5p\C?|
X = % 注意X为行向量 "fZWAGDBO\
~%Xs"R1c,
-2 ,); -v4$
^rssZQKY[
5 dH_g:ocA
kCvf-;b
6 ?CO..l
JH`oa1b
>> C=A*X % 验算解是否正确 Z;[f,Oj
:WHbwu,L$
C = % C=B /^Ng7Mi!
tL}_kK_!
10 pL pBP+i
SU>cJ*
5 f,0,:)
]m@p? A$
-1 L6n<h
K</="3
HK
>> A=A'; % 将A先做转置 <EM'|IR?
d[$YTw
>> B=[10 5 -1]; Z<W`5sop^
{1m.d;(1
>> X=B/A % 以右除运算求解的结果亦同 _>4Qh#6K
}/g1s71
X = % 注意X为列向量 zot_ jSV
!lk9U^wnd
10 5 -1 7?a!x$-U(
q~G@S2=}0}
>> X=B*inv(A); % 也可以反矩阵运算求解