Matlab工程应用基础

第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算7、符号方程求解符号方程求解线性方程组的符号解法线性方程组的符号解法 函数命令函数命令 linsolve 用来求解线性方程组符号解。用来求解线性方程组符号解。对方程对方程 A*X=B，linsolve 的调用格式为：的调用格式为：X=linsolve(A,B)等同于等同于 X=sym(A)sym(B)A=sym(10,-1,0;-1,10,-2;0,-2,10)A=10,-1,0-1,10,-2 0,-2,10 B=(9;7;6)B=a.9;7;6102021010110A679B linsolve(A,B)ans=473/475 91/95 376/475 vpa(ans,6)ans=.995789.957895.791579矩阵矩阵 A 必须至少是行满秩的必须至少是行满秩的。当当 A 的列数大于的列数大于行数时，将给出解不惟一的警告提示。行数时，将给出解不惟一的警告提示。b.非线性方程的符号解法非线性方程的符号解法用用函数零点法函数零点法求求非线性方程非线性方程的解有两个函数命令，即的解有两个函数命令，即 fzero 和和 fsolve。fzero命令用于求一元函数零点命令用于求一元函数零点 fsolve命令用于求命令用于求解非线性方程组解非线性方程组首先需将方程首先需将方程 f(x)=g(x)转化为转化为 F(x)=f(x)-g(x)=0，方程组也方程组也是如此是如此；然后再将函数；然后再将函数 F(x)写成写成 MATLAB 的的 m 函数，以函数，以便在便在 fzero 和和 fsolve 命令中调用。命令中调用。求解的过程为：求解的过程为：先猜测一个先猜测一个初始零点，初始零点，或者该零点大概所在的区间；或者该零点大概所在的区间；然后通过计算，然后通过计算，使猜测值不断精确化，使猜测值不断精确化，或使猜测区间不断或使猜测区间不断收缩收缩，直到达到预先指定的精度为止。，直到达到预先指定的精度为止。第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算求一元函数零点命令求一元函数零点命令fzero 的调用格式为：的调用格式为：x=fzero(fun,x0)：求一元函数零点命令的最简形式；求一元函数零点命令的最简形式；x,fval,exitflag=fzero(fun,x0,options,P1,P2,.)：求一元函求一元函数零点命令的完整格式。数零点命令的完整格式。x0 是初始猜测的零点；是初始猜测的零点；options 是优化迭代所采用的参数选项，是优化迭代所采用的参数选项，options的缺省设置可以用命令的缺省设置可以用命令 options=optimset(fzero)获得；获得；P1，P2是向函数是向函数 fun 传递的附加参数。它的具体取名和函数传递的附加参数。它的具体取名和函数 fun 中一中一致；致；x是输出参数，为所求的零点自变量值；是输出参数，为所求的零点自变量值；fval是输出参数，为函数是输出参数，为函数 fun 在在 x 处的值；处的值；exitflag是描述函数是描述函数 fun 的退出情况。若的退出情况。若 exitflag0，则表示找到函数则表示找到函数零点后退出；若零点后退出；若 exitflag0，则表示没有找到零点或在搜索过程中遇到则表示没有找到零点或在搜索过程中遇到了无穷大的函数值。了无穷大的函数值。第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算用用 fzero 命令求解函数命令求解函数 的零点的零点（1）建立函数建立函数 f(x)的的 M 文件。文件。function y=fun1(x)y=x.4-4*x-5;（2）建立水平横轴的建立水平横轴的 M 文件。文件。function y=fun2(x)y=0;（3）用作图法估计函数零点位置。用作图法估计函数零点位置。fplot(fun1,-5,5,r)hold on fplot(fun2,-5,5,r)（4）用）用 zoom 和和 ginput 命令获得零点的初始近似值命令获得零点的初始近似值 在程序中输入下列命令，在程序中输入下列命令，可得到函数的局部放大图及鼠标可得到函数的局部放大图及鼠标操作线操作线。zoom on%局部放大命令 tt=ginput(1)yy=ginput(1)%用鼠标获取 2 个零点猜测值 zoom off%恢复原来图形大小 54)(4xxxf显示所得零点初始猜测值，结果为：显示所得零点初始猜测值，结果为：tt=yy=（5）用函数用函数 fzero 命令求函数的精确零点命令求函数的精确零点 x,fval,exitflag=fzero(fun1,tt(1),)%靠近 tt(1)点处的精确零点 x,fval,exitflag=fzero(fun1,yy(1),)%靠近 yy(1)点处的精确零点 结果为：结果为：Zero found near tt.x=-1 fval=0 exitflag=1 第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算Zero found near yy.x=1.8812 fval=-6.2172e-015 exitflag=1解非线性方程组的解非线性方程组的函数命令函数命令fsolve 其调用格式为：其调用格式为：x=fsolve(fun,x0)：解非线性方程组最简单的调用格式。解非线性方程组最简单的调用格式。该式中除两个输入参数外，其余输入输出参数都可以缺省；该式中除两个输入参数外，其余输入输出参数都可以缺省；x,fval,exitflag,output,jacob=fsolve(fun,x0,options,P1,P2.)：解非解非线性方程组最完整的调用格式。线性方程组最完整的调用格式。x0 是表示零点数是猜测值的向量；是表示零点数是猜测值的向量；options 是是 优优 化化 迭迭 代代 所所 采采 用用 参参 数数 的的 结结 构构 数数 组组。P1 和和 P2是向函数是向函数 fun 传递的参数；传递的参数；x 和和 fval是输出参数，所求零点的自变量值和函数值；是输出参数，所求零点的自变量值和函数值；output是输出此命令所用的计算方法、迭代次数等信息。是输出此命令所用的计算方法、迭代次数等信息。jacob是函数在是函数在 x 处的处的 jacobian。第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算求方程组求方程组 的根。的根。首先编制函数文件首先编制函数文件function y=fc(x)y(1)=x(1)-0.7*sin(x(1)-0.2*sin(x(2);y(2)=x(2)-0.7*cos(x(1)+0.2*sin(x(2);y=y(1),y(2);然后用然后用fsolve求解求解x,fval,exitflag,output,jacob=fsolve(fc,1.,1.,)%1.,1.为初值为初值x=fval=1.0e-008*exitflag=102sin2.01cos7.0202cos2.01sin7.01xxxxxxoutput=firstorderopt iterations:5 funcCount:16 cgiterations:4 algorithm:1x43 charjacob=求方程组求方程组 的解。的解。初始零点猜测值为：初始零点猜测值为：x0,y0=0.0,-0.0058 用用fsolve 函数命令求精确解函数命令求精确解 fun=sin(x(1)+x(2),x(1)+6*x(2);%用字符串表达式形式命令用字符串表达式形式命令。注意自变量必须写成注意自变量必须写成x(1)和和 x(2)fun 函数也可用函数也可用 M 函数文件的形式函数文件的形式 function yy=fun(x)yy(1)=sin(x(1)+x(2);yy(2)=x(1)+6*x(2);XX,YY=fsolve(fun,x0(1),y0(1)%解此非线性方程组解此非线性方程组 XX=1.0e-016*YY=1.0e-016*060sinyxyx第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算c.一般代数方程一般代数方程(组组)的符号解的符号解slove 命令可以解一般代数方程，包括命令可以解一般代数方程，包括线性方程、非线性方程和超越方线性方程、非线性方程和超越方程程。当方程不存在符号解，且又无其他自由参数时，函数。当方程不存在符号解，且又无其他自由参数时，函数 solve 将给出将给出数值解。数值解。命令调用格式为：命令调用格式为：solve(eqn1,eqn2,.,eqnN)：对对 N 个方程的默认变量求解；个方程的默认变量求解；solve(eqn1,eqn2,.,eqnN,var1,var2,.,varN)：对对 N 个方程的个方程的 var1,var2,.,varN 变量求解。要注意变量的英文字母顺序，且在变量求解。要注意变量的英文字母顺序，且在变量前变量前不可有空格不可有空格；S=solve(eqn1,eqn2,.,eqnN,var1,var2,.,varN)：对对 N 个方程个方程的的var2,.,varN 变量求解；变量求解；S 是一个结构数组是一个结构数组;x1,x2,xn=solve(eqn1,eqn2,.,eqnN,var1,var2,.,varN)：对对变量变量 var1,var2,.,varN 求解，求解的结果分别赋给求解，求解的结果分别赋给 x1,x2,xn(按照变按照变量量var1,var2,.varN 在英文字母中的顺序给在英文字母中的顺序给 x1,x2,xn赋值赋值)。第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算求非线性方程组求非线性方程组 的解的解。解：解：x,y,z=solve(x2+sqrt(2)*x+2=0,x+3*z=4,y*z=-1,x,y,z)x=(-1/2+1/2*i*3(1/2)*2(1/2)(-1/2-1/2*i*3(1/2)*2(1/2)y=-51/73+3/73*i*3(1/2)-27/146*(-1/2+1/2*i*3(1/2)*2(1/2)-3/146*2(1/2)-51/73-3/73*i*3(1/2)-27/146*(-1/2-1/2*i*3(1/2)*2(1/2)-3/146*2(1/2)z=-1/3*(-1/2+1/2*i*3(1/2)*2(1/2)+4/3 -1/3*(-1/2-1/2*i*3(1/2)*2(1/2)+4/31430222yzzxxxd.常微分方程的符号解常微分方程的符号解函数函数 dsolve 用来求常微分方程的符号解。用来求常微分方程的符号解。在符号方程中，用符号表达式中包含的字母在符号方程中，用符号表达式中包含的字母“D”来代替微分运算，来代替微分运算，符符号号 D2、D3、DN 分别对应于第二、第三、分别对应于第二、第三、第第 N 阶导数阶导数。因变量是。因变量是位于位于 D后面的变量，后面的变量，缺省的自变量为缺省的自变量为 t。dsolve 的调用格式为：的调用格式为：S=dsolve(eqn1,eqn2,.)输入参数包含三部分内容：输入参数包含三部分内容：微分方程、初始条件和指定独立变量微分方程、初始条件和指定独立变量。输出输出S 是结构数组。是结构数组。初始条件或边界条件写成初始条件或边界条件写成y(a)=b或或Dy(a)=b等。等。a、b 可以是变可以是变量使用符以外的其他字符。量使用符以外的其他字符。当初始条件少于微分方程数时，在所得解中将出现任意常数符当初始条件少于微分方程数时，在所得解中将出现任意常数符 C1，C2，.，解中任意常数符的数目等于所缺少的初始条件数。解中任意常数符的数目等于所缺少的初始条件数。当无输出参数时，当无输出参数时，MATLAB 工作内存中在工作内存中在 y1，y2，定义的输出参定义的输出参数中保存计算结果。数中保存计算结果。第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算 dsolve(Dx=-a*x)ans=C1*exp(-a*t)dsolve(Dx=-a*x,x(0)=2)ans=2*exp(-a*t)dsolve(Df-f-sin(t)=0,f(pi/2)=0)ans=-1/2*cos(t)-1/2*sin(t)+1/2*exp(t)/(cosh(1/2*pi)+sinh(1/2*pi)y=dsolve(Dy)2+y2=1,y(0)=0)y=sin(t)-sin(t)第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算求求 ，f(0)=1,g(0)=2 的解。的解。S=dsolve(Df=f+g,Dg=-f+g,f(0)=1,g(0)=2)S=f:1x1 sym g:1x1 sym S.f ans=exp(t)*(cos(t)+2*sin(t)S.g ans=exp(t)*(-sin(t)+2*cos(t)函数函数 dsolve 命令求解微分方程时，如果得不到其解，则命令求解微分方程时，如果得不到其解，则给出给出警告信息警告信息。gftfddgftgdd第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算8、符号函数的二维图符号函数的二维图二维符号函数的专用命令二维符号函数的专用命令ezplot格式为：格式为：ezplot(sym-fun，limits)参数含义如下：参数含义如下：sym-fun：符号函数或代表它的符号变量；符号函数或代表它的符号变量；limits：为自变量为自变量 x 的取值范围，即的取值范围，即 limits=x1,x2，其默认其默认值为值为-2pi,2pi。用用ezplot 绘函数图绘函数图syms x f=(x2)(cos(x)2);ezplot(f)第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算9、图示化函数计算器图示化函数计算器a.单变量函数分析界面单变量函数分析界面 用于考察用于考察两个一元函数各自性质及其相互关系两个一元函数各自性质及其相互关系。该函数计算。该函数计算器由器由 文件生成。文件生成。在在 MATLAB 命令窗口中键入下面命令即可：命令窗口中键入下面命令即可：funtool第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算单函数运算、函数和常数单函数运算、函数和常数a的运算、两个函数之间的运算的运算、两个函数之间的运算和辅助操作和辅助操作辅助操作辅助操作b.b.泰勒级数逼近分析界面泰勒级数逼近分析界面 观察函数观察函数 f(x)在给定区间位置上的在给定区间位置上的 N 阶泰勒多项式阶泰勒多项式 逼近的逼近的情况。情况。在在MATLAB 工作窗口中输入命令：工作窗口中输入命令：taylortool或或taylortool(fx)fx为字符串为字符串第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算第第3章章 矩阵、数组和符号运算矩阵、数组和符号运算10、符号计算的符号计算的Maple 接口接口MAPLE 具有强大的符号计算功能和丰富的应用数学函数。具有强大的符号计算功能和丰富的应用数学函数。为了能够为了能够在在 MATLAB 的工作环境中利用的工作环境中利用 MAPLE 的符号计算的符号计算能力，能力，MATLAB 提供有专门的指令用于提供有专门的指令用于 MATLAB 和和 MAPLE的连接。的连接。mfun：对对 MAPLE 中的若干重要的特殊函数实施数值计算。中的若干重要的特殊函数实施数值计算。使用格式为：使用格式为：mfun(function,par1,par2,par3,par4)该函数以数值方式计算该函数以数值方式计算 MAPLE 中特殊函数中特殊函数function的值，函数的的值，函数的参数由参数由 par1、par2、par3、par4 指定，最多可以指定四个参数。指定，最多可以指定四个参数。mfunlist：采用采用 MATLAB 注释语句注释语句列出列出能被能被 mfun 计算的一些重要计算的一些重要 MAPLE 函数列表函数列表；mhelp：查阅查阅 MAPLE 库函数的联机帮助库函数的联机帮助文件，以获取文件，以获取 MAPLE 库函库函数及其调用方法；数及其调用方法；maple：进入进入 MAPLE 的工作空间，的工作空间，直接对访问直接对访问 MAPLE 的任意函数的任意函数进行计算，并将结果返回至进行计算，并将结果返回至 MATLAB 工作空间。工作空间。x=0:0.1:5.0;y=mfun(FresnelC,x);（1）求解下列微分方程求解下列微分方程 a.y=(x+y)(x-y)b.xy=ytg(y/x)，y(10)=1 c.y=-xsinx/cosy，y(2)=1（2）求微分方程组求微分方程组 的解。的解。（3）求微分方程组）求微分方程组 ，当初始条件为当初始条件为 f(0)=2，g(2)=5 时的解。时的解。（4）练习使用单变量函数分析界面。）练习使用单变量函数分析界面。（5）希望同学们好好学习。）希望同学们好好学习。42fggffgftfddgftgdd上机上机 练习（练习（6）