matlab3MATLAB的符号运算.ppt

第三讲MATLAB的符号运算 matlab不仅具有数值运算功能 还开发了在matlab环境下实现符号计算的工具包SymbolicMathToolbox 符号运算的功能 符号表达式 符号矩阵的创建符号线性代数因式分解 展开和简化符号代数方程求解符号微积分符号微分方程 一 符号运算的基本操作 什么是符号运算与数值运算的区别 数值运算中必须先对变量赋值 然后才能参与运算 符号运算无须事先对独立变量赋值 运算结果以标准的符号形式表达 特点 运算对象可以是没赋值的符号变量 可以获得任意精度的解SymbolicMathToolbox 符号运算工具包通过调用Maple软件实现符号计算的 maple软件 主要功能是符号运算 它占据符号软件的主导地位 2 符号变量与符号表达式 f sin x 5x f 符号变量名sin x 5x 符号表达式 符号标识符号表达式一定要用 单引号括起来matlab才能识别 的内容可以是符号表达式 也可以是符号方程 例 f1 a x 2 b x c 二次三项式f2 a x 2 b x c 0 方程f3 Dy y 2 1 微分方程 符号表达式或符号方程可以赋给符号变量 以后调用方便 也可以不赋给符号变量直接参与运算 3 符号矩阵的创建数值矩阵A 1 2 3 4 A a b c d 不识别 用matlab函数sym创建矩阵 symbolic的缩写 命令格式 A sym 符号矩阵内容同数值矩阵 需用sym指令定义 需用 标识 例如 A sym a 2 b 3 a 0 A a 2 b 3 a 0 这就完成了一个符号矩阵的创建 注意 符号矩阵的每一行的两端都有方括号 这是与matlab数值矩阵的一个重要区别 用字符串直接创建矩阵 模仿matlab数值矩阵的创建方法需保证同一列中各元素字符串有相同的长度 例 A a 2 b 3 a 0 A a 2 b 3 a 0 符号矩阵的修改 a 直接修改可用 键找到所要修改的矩阵 直接修改b 指令修改用A1 sym A new 来修改 用A1 subs A new old 来修改A1 subs S old new 例如 A a 2 b 3 a 0 A1 sym A 2 2 4 b A1 a 2 b 3 a 4 b A 2 2 4 b A3 a 2 b 3 a 4 b A2 subs A1 c b A2 a 2 c 3 a 4 c 将数值矩阵转化为符号矩阵函数调用格式 sym A A 1 3 2 5 1 0 7 2 5 A 0 33332 50001 42860 4000sym A ans 1 3 5 2 10 7 2 5 符号矩阵与数值矩阵的转换 将符号矩阵转化为数值矩阵函数调用格式 numeric A A 1 3 5 2 10 7 2 5 numeric A ans 0 33332 50001 42860 4000 符号矩阵运算数值运算中 所有矩阵运算操作指令都比较直观 简单 例如 a b c a a b A 2 a 2 3 a 5等 而符号运算就不同了 所有涉及符号运算的操作都有专用函数来进行 二 符号运算 符号矩阵运算的函数 symadd a d 符号矩阵的加symsub a b 符号矩阵的减symmul a b 符号矩阵的乘symdiv a b 符号矩阵的除sympow a b 符号矩阵的幂运算symop a b 符号矩阵的综合运算 例1 f 2 x 2 3 x 5 g x 2 x 7 h symadd f g h 3 x 2 4 x 12例2 f cos x g sin 2 x symop f g f g ans cos x sin 2 x cos x sin 2 x 例1 f 2 x 2 3 x 5 g x 2 x 7 symsx f 2 x 2 3 x 5 g x 2 x 7 h f gh 3 x 2 4 x 12例2 f cos x g sin 2 x symsx f cos x g sin 2 x f g f gans cos x sin x cos x sin x 符号运算函数 symsize 求符号矩阵维数charploy 特征多项式determ 符号矩阵行列式的值eigensys 特征值和特征向量inverse 逆矩阵transpose 矩阵的转置jordan 约当标准型simple 符号矩阵简化 2 任意精度的数学运算 在symbolic中有三种不同的算术运算 数值类型matlab的浮点算术运算有理数类型maple的精确符号运算vpa类型maple的任意精度算术运算 浮点算术运算1 2 1 3 定义输出格式formatlong ans 0 83333333333333符号运算sym 1 2 1 3 ans 5 6 精确解 任意精度算术运算digits n 设置可变精度 缺省16位vpa x n 显示可变精度计算digits 25 vpa 1 2 1 3 ans 8333333333333333333333333 vpa 5 6 40 ans 8333333333333333333333333333333333333333a sym 1 4 exp 1 log 3 3 7 a 1 4 exp 1 log 3 3 7 vpa a 10 ans 2500000000 2 718281828 1 098612289 4285714286 diff f 对缺省变量求微分diff f v 对指定变量v求微分diff f v n 对指定变量v求n阶微分int f 对f表达式的缺省变量求积分int f v 对f表达式的v变量求积分int f v a b 对f表达式的v变量在 a b 区间求定积分 3 符号微积分与积分变换 int 被积表达式 积分变量 积分上限 积分下限 定积分 缺省时为不定积分 mtaylor f n 泰勒级数展开ztrans f Z变换Invztrans f 反Z变换Laplace f 拉氏变换Invlaplace f 反拉氏变换fourier f 付氏变换Invfourier f 反付氏变换 例1 计算二重不定积分 F int int x exp x y x y F 1 y exp x y 例2 计算f x exp x 10 的Z变换F ztrans f F z exp 10 z exp 10 2 symsxy F int int x exp x y x y F 1 y exp x y symsx f x exp x 10 F ztrans f F ztrans x exp x 10 F z exp 10 z exp 10 2 例3 计算指数函数eAt 用拉氏反变换法计算eAt的公式为 eAt L 1 SI A 1 系统矩阵A 结果 a 01 2 3 symss b s eye 2 a b s 1 2 s 3 B inv b s 3 s 2 3 s 2 1 s 2 3 s 2 2 s 2 3 s 2 s s 2 3 s 2 b11 ilaplace sym b 1 1 b 1 1 b11 b12 ilaplace sym b 1 2 b 1 2 b12 b21 ilaplace sym b 2 1 b 2 1 b21 b22 ilaplace sym b 2 2 b 2 2 b22 bb exp 2 t 2 exp t exp t exp 2 t 2 exp t 2 exp 2 t 2 exp 2 t exp t 4 符号代数方程求解 matlab符号运算能够解一般的线性方程 非线性方程及一般的代数方程 代数方程组 当方程组不存在符号解时 又无其他自由参数 则给出数值解 命令格式 solve f 求一个方程的解Solve f1 f2 fn 求n个方程的解 例1 f ax2 bx c求解f a x 2 b x c solve f 对缺省变量x求解ans 1 2 a b b 2 4 a c 1 2 1 2 a b b 2 4 a c 1 2 计算机格式 一般格式 例2 符号方程cos x sin x tan 2 x sin x 求解f1 solve cos x sin x f1 1 4 pi solve f b 对指定变量b求解ans a x 2 c x f3 matlab4 2的解 0 pi atan 1 2 2 3 1 2 1 2 1 2 1 2 3 1 2 atan 1 2 2 3 1 2 1 2 1 2 1 2 3 1 2 atan 1 2 2 1 2 3 1 4 1 2 1 2 3 1 2 pi atan 1 2 2 1 2 3 1 4 1 2 1 2 3 1 2 pi f2 solve tan 2 x sin x f2 matlab4 2的解 0 acos 1 2 1 2 3 1 2 acos 1 2 1 2 3 1 2 numeric f3 ans 03 14160 0 8314i0 0 8314i1 9455 1 9455 numeric f2 ans 00 0 8314i1 9455matlab4 2与6 1的对比 例3 解方程组x y z 1x y z 22x y z 1g1 x y z 1 g2 x y z 2 g3 2 x y z 1 f solve g1 g2 g3 f solve x y z 1 x y z 2 2 x y z 1 f z 5 6 y 1 2 x 2 3 f solve x y z 1 x y z 2 2 x y z 1 f x 1x1sym f xans 2 3y 1x1sym f yans 1 2z 1x1sym f zans 5 6 x y z solve x y z 1 x y z 2 2 x y z 1 x 2 3y 1 2z 5 6 5 符号微分方程求解 用一个函数可以方便地得到微分方程的符号解符号微分方程求解指令 dsolve命令格式 dsolve f g f 微分方程 可多至12个微分方程的求解 g为初始条件默认自变量为 x 可任意指定自变量 t u 等微分方程的各阶导数项以大写字母D表示 y1 y2 dsolve x1 x2 xn 返回微分方程的解 一阶微分方程dsolve Dx y Dy x x 0 0 y 0 1 ans x t sin t y t cos t 二阶微分方程dsolve D2y a 2 y y 0 1 Dy pi a 0 ans cos a x 例3 y dsolve D2y 2 Dy 2 y 0 y 0 1 Dy 0 0 ans exp x cos x exp x sin x ezplot y 方程解y t 的时间曲线图 求该方程的解 三 maple函数 符号运算的扩展 maple 是专门进行数学运算的软件工具 具有超强的符号运算能力 提供了几乎包括所有数学领域的专用函数matlab 依赖于maple的内核与函数库 扩展了自己的符号运算功能 matlab还设计了对maple库函数的调用功能使得已有的maple数学功能 可以扩充matlab中 作为自身符号运算能力的扩展 1 maple内核访问函数 可以访问maple内核的matlab函数 maple 访问maple内核函数mapleinit maple函数初始化mpa maple函数定义mhelp maple函数帮助命令procread maple函数程序安装 maple的调用格式 maple 表达式 将表达式送至maple内核 返回符号表达式结果 maple 函数 变量1 变量2 调用maple函数 传递给定变量 例1 展开5阶bernoulli多项式 计算x 3时bernoulli数 a maple bernoulli 5 x a 1 6 x 5 3 x 3 x 5 5 2 x 4a maple bernoulli 5 3 a 85 例2 化简三角函数式sin2x cos2xa maple simplify sin x 2 cos x 2 a 1例4 求f t e 3tsint的拉式变换f maple laplace exp 3 t sin t t s f 1 s 3 2 1 例4 寻找二次多项式的完全平方f x x2 2x 2a maple completesquare x 2 2 x 2 a completesquare x 2 2 x 2 将工具包装入内存 maple with student a maple completesquare x 2 2 x 2 a x 1 2 1 maple软件中的所有函数 在初始化时并没有完全装入内存 可用readlib指令把库函数读入内存 或用with指令将应用工具包装入内存 调用格式maple readlib 函数名 maple with 工具包名 例5 求sin x2 y2 在x 0 y 0处泰勒级数展开式 8阶截断 maple mtaylor sin x 2 y 2 x 0 y 0 8 ans mtaylor sin x 2 y 2 x 0 y 0 8 maple readlib mtaylor maple mtaylor sin x 2 y 2 x 0 y 0 8 ans x 2 y 2 1 6 x 6 1 2 y 2 x 4 1 2 y 4 x 2 1 6 y 6 2 mpa maple变量定义 任何一个matlab定义的函数f 可使用mpa语句直接调用 还可把f定义成maple变量v maple的工作空间与matlab工作空间是相互独立的 所以f与v是属于不同工作空间中的变量mpa的调用格式 mpa v f mpavf f为matlab工作空间中已存在的变量 例 电磁力计算公式为试I 0 5 x 0 1邻域展开泰勒级数 3阶截断 令常数 1 直接调用maple readlib mtaylor maple mtaylor k I 2 x 2 I 0 5 x 0 1 3 2 定义符号函数f matlab6 1无map函数 f k I 2 x 2 maple mtaylor f I 0 5 x 0 1 3 ans mtaylor f I 5 x 1 3 mpa u f maple mtaylor u I 0 5 x 0 1 3 ans 25 k 50e3 k x 1 10e3 k I 5 7500 000000000000 k x 1 2 1e3 k I 5 2 20e4 k I 5 x 1 注意 matlab符号运算时 可以识别matlab定义的符号变量 但在调用maple函数时 需将matlab变量定义为maple变量后 所调用的函数方可识别和执行 3 mhelp maple函数帮助命令 mhelp是协助检索maple库函数的专用命令调用格式 mhelp相关词条例如 mhelpintro maple介绍mhelpmaple maple命令格式mhelptutorial maple入门mhelpindex maple检索 工具词条函数词条 mhelpindex用于工具包检索 library maple标准库函数packages 应用工具包libmisc 其它库函数statements maple语句描述expressions maple表达式datatypes maple数据格式tables maple表格和阵列procedures maple程序misc maple其它应用 一般帮助文本主要包括以下部分FUNCTION 函数功能说明CALLINGSEQUENCE 调用格式PARAMETERS 调用参数说明SYNOPSIS 语法说明EXAMPLES 应用举例SEEALSO 相关词条 4 maple库函数maple库函数共分四类 maple内部函数 驻留函数任何条件下都可调用mhelpindex internal maple的外部函数 读库定义部分 调用时先执行读库命令 因此与内部函数一样可直接调用mhelpindex external maple的外部函数 读库装入部分maple其余外部函数需要在使用前执行maple readlib 函数名 命令将其装入内存mhelpindex libmisc maple的惰性函数 不能直接调用 还需一些函数如mod evala evalf等才能调用mhelpindex intert 小结本节介绍了matlab语言的符号运算功能 通过学习应该掌握 掌握如何创建 修改符号矩阵掌握符号运算功能maple函数调用mhelp检索