Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины»
Математический факультет
Кафедра МПУ
MATLAB
Реферат
Исполнитель:
Студентка группы М-53
Гумарева Л.С.
Гомель 2004
Введение
MATLAB – матричная лаборатория – наиболее развитая система программирования для научно-технических расчетов, дополненная к настоящему времени несколькими десятками более частных приложений, относящихся к вычислительной математике, обралботке информации, конструированию электронных приборов, экономике и ряду других разделов прикладной науки. Изучение MATLAB'а по фирменной документации, которая теперь прилагается на инсталляционном компакт-диске, занимает у начинающих пользователей слишком много времени не только из-за необходимости читать ее на английском языке со специфическим слэнгом, но, главным образом, ввиду неизбежного для таких руководств последовательного и достаточно формального изложения большого объема информации, а имеющиеся на русском языке пособия в основном следуют этому стереотипу. Даже для опытного специалиста по расчетам на компьютере такое изучение сопряжено с неоправданно большими затратами труда.
MATLAB предназначен прежде всего для программирования численных алгоритмов. Он разрабатывается уже более 15 лет и возник на основе более ранних прикладных пакетов LINPACK и EIGPACK, созданных в 1970-е гг. в США, и в свою очередь повлиял на появление таких систем, как MathCad, MAPLE и Mathematica. Совершенствование системы MATLAB происходило как в связи с достижениями в вычислительной математике, так и в связи с изменениями в архитектуре персональных компьютеров и развитием общесистемных средств. Со временем MATLAB был дополнен целым рядом уже упоминавшихся приложений (toolboxes), далеко раздвинувших границы его применимости. Далее речь пойдет лишь о ядре MATLAB'а, которое мы будем называть системой, и конкретно о ее версии 5.2, выпущенной фирмой MathWorks в январе 1998 г.
MATLAB – система программирования высокого уровня, работающая как интерпретатор и включающая большой набор инструкций (команд) для выполнения самых разнообразных вычислений, задания структур данных и графического представления информации. Команды эти разбиты на тематические группы, расположенные в различных директориях системы. Теперь в системе около 800 команд, и примерно половина из них вполне доступна начинающему пользователю. Команды с большим возможным объемом вычислений написаны на С, но много и таких команд, которые представлены в терминах этих первых. Поэтому система оказывается почти открытой для пользователя. Имеются большие возможности для вывода двумерной и трехмерной графики и средства управления ею. Пользователь может без особых затруднений добавлять свои команды и писать программы в терминах уже существующих команд; несколько сложнее делать это в рамках Фортрана и С. Можно обмениваться данными с программами на этих языках, а из них обращаться к системе. Краткость и наглядность программирования и исключительные возможности визуализации результатов делают систему очень эффективной при поисках и апробации новых алгоритмов, при проведении разовых расчетов и в учебном процессе, поскольку ее можно осваивать без предварительного знакомства с основами программирования и выполнять такие сложные примеры, которые невозможно делать с использованием других систем.
Документация по системе и ее приложениям содержит много тысяч страниц, и поэтому естественно встает вопрос о том, как ее осваивать. Работа с системой требует определенной математической подготовки, так что обучение можно начинать на втором курсе вуза. Основные сведения о системе изложены в руководствах /1/ – /2/: /1/ – это учебник с описанием вычислительных возможностей и архитектуры системы, /2/ – описание ее графических возможностей. Конечно, можно читать подряд /1/, /2/ и при необходимости обращаться за уточнениями к команде help или справочнику /3/, в котором описаны почти все команды. Но гораздо более эффективным, на наш взгляд, является изложение основных вычислительных процедур с помощью наиболее употребительных команд системы. Именно так мы и познакомимся с MATLAB'ом, а точнее примерно с 30-40 его командами. После этих занятий пользоваться документацией /1/ и /2/ будет гораздо легче.
Приложений к системе мы здесь не касаемся, а изучать их можно только после предварительного ознакомления с ней, а также с тем разделом науки, которому посвящено конкретное приложение. Отметим только, что большинство приложений означают для пользователя просто расширение списка доступных ему команд. Очень удобно то, что вся документация по системе и приложениям находится на компакт-диске, с которого происходит их установка, и при желании она может быть размещена также и на винчестере.
Для работы с системой достаточно иметь компьютер PC 486 с оперативной памятью хотя бы 16 Mb и с установленными на нем системами Windows 95 и MATLAB 5.2. В действительности MATLAB может работать и с друогими операционными системами, такими, например, как Macintosh, Unix и OS/2.
За рубежом вышло уже достаточно много учебных пособий по системе, но на русский язык ни одно из них пока не переводилось и даже в центральных библиотеках их теперь нет из-за сокращения финансирования. Изданные у нас пособия (например, /4/ – /12/) в основном следуют руководствам /1/ – /3/, тогда как нам представляется полезным дать менее формальное введение в предмет, опираясь прежде всего на интуицию слушателя.
1. Переменные
Переменные могут быть числовыми, текстовыми и других типов. У нас будут только числовые (это во всех деталях) и текстовые (совсем немного). Название переменной начинается с латинской буквы, далее могут быть буквы и цифры (не более 31 символа). Строчные и прописные буквы здесь различаются.
1. Числовые переменные. Это числа, векторы, матрицы и многомерные массивы. В компьютере все числа представлены примерно с 16 десятичными знаками, под каждое вещественное число отводится 8 байтов, под комплексное – 16.
1.1 Ввод чисел
Целые числа. В системе они не выделяются явно. Наберем и выполним отдельно каждую команду:
a=2 a=2.0 a=2; a=1:6 b=1:20 c=10:-2:5
Командноеокно. Командная строка. Редактирование командной строки. Буфер исполненных команд. Как выбирать информацию из командного окна и из буфера исполненных командных строк. Нельзя допускать совпадения имени переменной с именем какой-либо команды.
Вещественные числа. Выполним по отдельности следующие команды:
d=0.5:0.3:2.5 d=.5:.3:2.5 d=.5+1:.3-.1:2.5*2 length(d)
d(end) d(end-2) d(1) d(0) d(2:7) d(7:-1:2) d(150)
f=linspace(1.5,30,143); length(f)
Индексы всегда начинаются со значения 1. Команды набираются на малом латинском регистре. Возможна многопараметричность команд.
Диапазон вещественных чисел:
realmax realmin
Другие константы MATLAB'а:
piijeps
Их не следует портить.
Комплексныечисла:
q=1+2*i q=1+2i real(q) imag(q) abs(q) conj(q) s=angle(q) (здесь-p<s<=p).
q=1+2*i;r=3; fi=0:.01:pi; z=q+r*exp(i*fi); plot(z)Этоверхняяполуокружность.
1.2 Ввод векторов
Векторы-строки:
a=1:6 linspace(1,6,10)
Векторы-столбцы:
a=(1:6)' linspace(1,6,10)'
Операторы .' и ' :
y1=linspace(1,6,4)'; y2=y1; y=y1+i*y2; y.' y'
Команды linspace и: применимы для задания только вещественных векторов.
Ввод матриц. A(i,j) - элемент из i-й строки и j-го столбца. A(k) – k-йэлементтаблицы, вытянутойвстолбец.
A=[1,2;3,4] A=[1;2,3;4] A(2,2) A(3) A(5) size(A) A(3,4)=10 size(A)
A(5)=6 size(A) A(22)=3 A=A(:) A(22)=3 size(A) [m,n]=size(A)
A=reshape(1:24,4,6) size(A) A([1,end],:)=[] A(:,[1,end])=[] size(A)
1.3Некоторыеспециальныематрицы
m=3;n=4; eye(m,n) eye(m) eye(n) ones(m,n) ones(m) ones(n) zeros(m,n)
rand(m,n) rand(m,n) rand('state',0) rand(m,n) rand(m) Это равномерное распределение на интервале (0, 1).
randn(m,n) randn('state',100) Это нормальное распределение, у него мат.ожидание=0, дисперсия=1
v1=1:4 v2=7:12 toeplitz(v1,v2) toeplitz(v1)
1.4 Некоторыепростыекоманды
A=reshape(1:24,4,6) triu(A) triu(A,0) triu(A,2) triu(A,-1) tril(A)
v=1:5 diag(v) diag(v,2) diag(v,-1)
diag(A) diag(A,2) diag(A,-1)
A=reshape(1:24,4,6) rot90(A) rot90(A,2)
Выдачи на экран. Команда format с различными опциями.
В обычном формате (forrmat short) выдается 5 знаков, для целых чисел 9 знаков, порядки изменяются от -308 до +308. Вполномформате (format long e) 16 знаков.
a=2 a=.001 a=1e-3 a=1e-5 a=123456789 a=1234567891 a=1+3*i
format long e, 2^.5, format short
Опция format short e позволяетполучатьровныестолбцы.
Они берутся в кавычки (на букве э на латинском регистре), символ занимает 2 байта. Используются для задания заголовков в числовых выдачах и на графиках, для задания формул и т.д. Можно переводить текстовые переменные в числовые и наоборот. Выполним в командной строке
t='Moscow - столица России' (после дефиса нужно перейти на русский шрифт и затем не забыть снова вернуться на латинский).
Другие типы переменных – ячейки и структуры.
Система help.
helpвыдает список директорий системы;
help <имя директории> выдает список команд директории;
help <имя команды> выдает описание команды.
type <имя команды> выдает текст команды или программы пользователя, если он составлен в терминах MATLAB'а.
2. Элементы xy-графики
1.Как открывать графическое окно:
figurewhitebgzoomon
Теперь построим график функципи y=sin(2px), 0<=x<=5, выполнив строку
x=0:1e-3:5; y=sin(2*pi*x); plot(y) plot(x,y) ,grid
Использование режима zoom:
k=100; y=sin(2*pi*k*x); plot(y)
2.Автоматическое чередование цветов. Теперь будем, как правило, нумеровать строки.
1;x=linspace(0,1,20); k=.1:.1:.8; y=k'*x; plot(x,y)
Здесь определяется вектор-строка x=0:20, затем вектор-строка k из 8 угловых коэффициентов, далее получается матрица y=k'*x как произведение вектора-столбца k' на вектор-строку x. Строки этой матрицы состоят из точек соответствующих прямолинейных отрезков. Наконец, строятся графики этих отрезков как функций от x – первая нижняя линия (она желтая) соответствует k=.1, последняя, тоже желтая, – для k=.8. Мы видим, что цвета, которых всего 7, чередуются циклически в таком порядке (под русскими английские названия):