2.1微分 9BD|uU;0
70
UgK E
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: c;rp@_ULG?
*@arn Eu
diff(f) 传回f对预设独立变数的一次微分值 =P;;&j3Z
f5GR#3-h(
diff(f,'t') 传回f对独立变数t的一次微分值 z{3%Hq
O4PdN?
diff(f,n) 传回f对预设独立变数的n次微分值 :5K~/=6x
N^yO- xk
diff(f,'t',n) 传回f对独立变数t的n次微分值 UVCMB_T
Eb[H3v48,
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。 /^33 e+j
<oaBh)=7
先定义下列三个方程式,接著再演算其微分项: e3={$A h
ls"\YSq$
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; ?*R^?[
4Eh BpTg
>>S2 = 'sin(a)';
iRwW> a3/
]6%%X+$7
>>S3 = '(1 - t^3)/(1 + t^4)'; `{|}LFS>
NVA`t]gn
>>diff(S1) {.D2ON
%M)oHX1p
ans=18*x^2-8*x+b LYy:IBI7_
g.Caapy
>>diff(S1,2) x$5nLS2.
)47j8jL
ans= 36*x-8 LJNie*
%QsSR'`
>>diff(S1,'b') !:5`im;i
1|EU5<
ans= x M`C~6Mf+
P$6f +{
>>diff(S2) &Rl3y\
r
%AEK[W+0
ans= ptWG@"j/b
>uchF8)e|
cos(a) Xk&F4BJQk<
&v
auLp
>>diff(S3) p[@oF5M
;x3 ]4^
ans=-3*t^2/(1+t^4)-4*(1-t^3)/(1+t^4)^2*t^3 #1jtprc
d1uG[
>>simplify(diff(S3)) emkMR{MY
W]!@Zlal
ans= t^2*(-3+t^4-4*t)/(1+t^4)^2 1Oca@E\Z.
D#/%*|
2.2积分 f.$aFOn
c6Yf"~TD0
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 =8$0$d
Ql:
b1C,
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: {glqWFT
^iV`g?z
int(f) 传回f对预设独立变数的积分值 .e FOfV)
uzVG q!'H
int(f,'t') 传回f对独立变数t的积分值 |`k1zc)9
38*'8=Y#>
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 0?6If+AC
y=oVUsG
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 \=EY@*=
3I;xU(rv
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 w]W`R.
38w.sceaT
我们示范几个例子: 0279g
(pT(&/\8
>>S1 = '6*x^3-4*x^2+b*x-5'; /jjW/lr
}1a <{&
>>S2 = 'sin(a)'; ,#P,B;r~
#Cg}!38
>>S3 = 'sqrt(x)'; ]F"(OWW
z<yNG/M1>U
>>int(S1) [xZ/ZWb/
daA47`+d
ans= 3/2*x^4-4/3*x^3+1/2*b*x^2-5*x "RV`L[(P*k
*l> [`U+
>>int(S2) L@1,7@
O?nPxa<
ans= -cos(a) j.=UI-&m
D0Vyh"ua
>>int(S3) i14[3bPLk!
6m, KL5>W
ans= 2/3*x^(3/2) \A'|XdQ
SE,o7_k'S
>>int(S3,'a','b') .%x"t>]
Sc;iAi
(
ans= 2/3*b^(3/2)- 2/3*a^(3/2) )(:+q(m
*Fa)\.XX
>>int(S3,0.5,0.6) Sk6b`W7$
lj
"Z
ans= 2/25*15^(1/2)-1/6*2^(1/2) yCF"Z/.
RLYU\@kK?
>>numeric(int(S3,0.5,0.6)) % 使用numeric函数可以计算积分的数值 a)3O? Y
j!zA+hF(
ans= 0.0741 ]dPVtk
&\;<t,3A~
2.3求解常微分方程式 2-vJv+-
'}U_D:o.b
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'' , Q!4i_)rM
wF|0n t
condition则为初始条件。 ioB|*D<U2
g".d"d{
假设有以下三个一阶常微分方程式和其初始条件 (Oxz'#TX
Zi 2o
y'=3x2, y(2)=0.5 .ocx(_3G
t$U3|r
y'=2.x.cos(y)2, y(0)=0.25 ;]2x
vOos*&
y'=3y+exp(2x), y(0)=3 ,sO:$
i0k+l
对应上述常微分方程式的符号运算式为: Jt##rVN
rPRrx-A
>>soln_1 = dsolve('Dy = 3*x^2','y(2)=0.5') $7Jfb<y
"KMLk
ans= x^3-7.500000000000000 6eOrs-ty
IZv~[vi_
>>ezplot(soln_1,[2,4]) % 看看这个函数的长相 ^y:FjQC:
_LJ5o_-N
7m@
)Lv
c5X`_
>>soln_2 = dsolve('Dy = 2*x*cos(y)^2','y(0) = pi/4') w-
UKMW9"
3^!Hl8P7
ans= atan(x^2+1) uWUR3n
J__;.rnk
>>soln_3 = dsolve('Dy = 3*y + exp(2*x)',' y(0) = 3') }X=87ud
HH"$#T^-
ans= -exp(2*x)+4*exp(3*x) -G8c5b[
zL9VR;q
.4wTjbO6
uA~YRKer
2.4非线性方程式的实根 -@rxiC:Q
dSwm|kIa
要求任一方程式的根有三步骤: ,VAp>x+O
Ej'
7h~ =v
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, #MUiL=
%moJF1
则该方程式应表示为 f(x)=sin(x)-3。可以 m-file 定义方程式。 vKU`C?,L
3AK(dC[ri
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」。 c\M#5+ 1j
,
Hn7(^t
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。 6MuWlCKF8
3=Z<wD s
以下分别介绍几数个方程式,来说明如何求解它们的根。 (Up'$J}
HzE1r+3Q@
例一、方程式为 gF3TwAr
mV<i JZh
sin(x)=0 , 7Xqte
Xq|nJ|h
我们知道上式的根有 ,求根方式如下: (B&h;U$HAH
O7v]p
>> 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 +O'vj
rnu
e(t
r=3.1416 Xem 05%,
`K w7"
>> r=fzero('sin',6) % 选择 x=6 附近求根 Id%_{),HX
*wwhZe4V
r = 6.2832 ^|aNG`|O
]c}=5m/
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: _Fizgs
aM$\#Cx
>> x=linspace(-2,3); 4YLs^1'TG0
+vz`go
>> y=humps(x); hY+R'9
GQx9u^>
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在0和1附近有二个根 E:FO_R(Xq
J='W+=N
W<NmsG})_g
#XI"@pD
h~w4, T
M/{g(|{
M-Y0xWs
x5OC;OQc
B;!f<"a8
)r9b:c\
w>qCg XU3
: tM?%=Q
H?uukmZl
ANMYX18M
Gy!P,a)z
>> r=fzero('humps',1.2) .Pw%DZ'
PKA }zZ
r = 1.2995 6e .v&f7(
Qw?+!-7TN
例三、方程式为y=x.^3-2*x-5 )p8I@E
cXN _*%
这个方程式其实是个多项式,我们说明除了用 roots 函数找出它的根外,也可以用这节介绍的方法求根,注意二者的解法及结果有所不同。求根方式如下: W&(f&{A
.
uR M{Bs
% m-function, f_1.m =XT)J6z^"
EA|k5W*b
function y=f_1(x) % 定义 f_1.m 函数 K)S;:MLG=
?} ( =
y=x.^3-2*x-5; TJaeQqob
st/n"HQ
>> x=linspace(-2,3); e"Rm_t
@u)
'yS
>> y=f_1(x); vG
Vd
=MLf[
>> plot(x,y), grid % 由图中可看出在2和-1附近有二个根 h1+hds+
q* !3C
H9`
f0(H
9s` /~ a@
M=y0PCD
4:mCXP,x
<y)E>Fl
M)!skU
47UO*oLS
4_LQ?U>$
7>i2OBkAhB
F9H~k"_ZJR
PuXUuJx(
b2kWjg.4
>> r=fzero('f_1',2); % 决定在2附近的根 1f4bt6[
LdTdQ,s<
r = 2.0946 q0O&UE)6Y
|dmh
>> p=[1 0 -2 -5] DQJG,?e{
I^3:YVR&
>> r=roots(p) % 以求解多项式根方式验证 :0^s0l
C3VLV&wF
r = lBA +zZ
cxP6-tV%
2.0946 T_#,
A0 G
f h<*8w0H
-1.0473 + 1.1359i x&=9P e(
#cKqnk
-1.0473 - 1.1359i [!"XcFY:a
J]pa4C`
2.5线性代数方程(组)求解 }
/:\U
p
SKXD^OH
我们习惯将上组方程式以矩阵方式表示如下 Vhg1/EgUr
oRq!=eUu_
AX=B ohQAA h
\u{8Bak0
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 YaY8 `M{
YQ(Po!NI\'
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~.c;EK
IFuZ]CBz
如果将原方程式改写成 XA=B "uD=KlA
w1|Hy2D`0
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 TGV
lCb+{OB
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。 {3edTu
.FP$ IWt/1
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)。 @q8an
uS5o?fg\e
我们直接以下面的例子来说明这三个运算的用法: KMjg;!y
#DI$Oc
>> A=[3 2 -1; -1 3 2; 1 -1 -1]; % 将等式的左边系数键入 t\R; < x
cF+ X,]=6
>> B=[10 5 -1]'; % 将等式右边之已知项键入,B要做转置
fCX*R"
G?hK9@ |v
>> X=A\B % 先以左除运算求解 O/OiQ^T
yA7)Y})>
X = % 注意X为行向量 9$l>\.6
4$"DbaC
-2 IazkdJX~
[Ot,q/hBJ
5 /c-nE3+rn
4j'd3WGpbN
6 rVryt<2:@r
~+n,1]W_
>> C=A*X % 验算解是否正确 8{I"q[GZ
%:u[MBe ,
C = % C=B m(47s
"mIgs9l$
10 R>)MiHcCg
hWEnn=BW
5 h)x_zZ%>o
4%ZM:/
-1 Q/^A #l[
G=d(*+&
B
>> A=A'; % 将A先做转置 oXY Moi
| {P|.
>> B=[10 5 -1]; iI?{"}BZ
.p@N:)W6
>> X=B/A % 以右除运算求解的结果亦同 3<(q }
lrEj/"M
X = % 注意X为列向量 (GU9p>2
eti`O
10 5 -1
'3,\@4
\cySWP[
>> X=B*inv(A); % 也可以反矩阵运算求解