Учебное пособие: Матричная математическая система MATLAB

В MATLAB:                                    В математике:

2+3;                                                 2+3

2^3* sqrt(y)/2;                                 2+3*003********/2

2.301*sin(x)                                     2,301sin(x)

4+exp(3)/5                                       4+e3/5

Разница в записи вполне очевидна. В MATLAB выражения записываются

в виде одной строки и вместо разделительной запятой в числах применяется разделительная точка. Математические выражения строятся на основе чисел, констант, переменных, операторов, функций и разных спецзнаков. Ниже даются краткие пояснения сути этих понятий. Специфика MATLAB в том, что математические выражения задаются в виде одной строки. Например, 23 записывается как 2^3. Знак ; (точка с запятой) в конце строки ввода блокирует вывод результата вычислений, например:

>> 2^3;

Однако специальная переменная ans (от answer – ответ) позволяет вывести результат вычислений:

>> ans

ans = 8

Действительные и комплексные числа

Число – простейший объект языка MATLAB, представляющий количественные данные. Числа можно считать константами. Числа используются в общепринятом представлении о них. Они могут быть целыми, дробными, с фиксированной и плавающей точкой. Возможно представление чисел в хорошо известном научном формате с указанием мантиссы и порядка числа. Ниже приводятся примеры представления действительных чисел:

0

-3

2.301

123.456e-24

-234.456e10

Как нетрудно заметить, в мантиссе чисел целая часть отделяется от дробной не запятой, а точкой, как принято в большинстве языков программирования. Для отделения порядка числа от мантиссы используется символ e. Знак «плюс» у чисел не проставляется, а знак «минус» у числа называют унарным минусом. Пробелы между символами в числах не допускаются.

Числа могут быть комплексными: z=Re(x)+Im(x)*i. Такие числа содержат действительную Re(z) и мнимую Im(z) части. Мнимая часть имеет множитель i или j, означающий корень квадратный из –1:

3i

2j

2+3i

-3.141i

-123.456+2.7e-3i

Функция real(z) возвращает действительную часть комплексного числа,

Re(z), а функция imag(z) – мнимую, Im(z). Для получения модуля комплексного числа используется функция abs(z), а для вычисления фазы – angle(Z). Ниже даны простейшие примеры работы с комплексными числами:

>> i

ans = 0 + 1.0000i

>> j

ans = 0 + 1.0000i

>> z=2+3i

z = 2.0000 + 3.0000i

>> abs(z)

ans = 3.6056

>> real(z)

ans = 2

>> imag(z)

ans = 3

>> angle(z)

ans = 0.9828

Операции над числами по умолчанию выполняются в формате, который принято считать форматом с двойной точностью (правильнее сказать с двойной разрядностью).

Форматы чисел

Для установки определенного формата представления чисел используется команда

>> format name

где name – имя формата. Для иллюстрации различных форматов рассмотрим вектор, содержащий два элемента-числа: x=[4/3 1.2345e-6]

В различных форматах их представления будут иметь следующий вид:

format short        1.3333                                    0.0000

format short e      1.3333E+000                         1.2345E-006

format long                   1.333333333333338              0.000001234500000

format long e       1.333333333333338E+000   1.234500000000000E-006

format bank         1.33                                        0.00

Задание формата сказывается только на форме вывода чисел. Вычисления все равно происходят в формате двойной точности, а ввод чисел возможен в любом удобном для пользователя виде.

Константы и системные переменные

Константа – это предварительно определенное числовое или символьное значение, представленное уникальным именем (идентификатором). Числа (например, 1, –2 и 1.23) являются безымянными числовыми константами.

Другие виды констант в MATLAB принято называть системными переменными, поскольку, с одной стороны, они задаются системой при ее загрузке, а с другой – могут переопределяться. Основные системные переменные, применяемые в системе MATLAB, указаны ниже:

• i или j –мнимая единица (корень квадратный из –1);

• pi – число p = 3,1415926…;

• eps – погрешность операций над числами с плавающей точкой (2–52);

• realmin – наименьшее число с плавающей точкой (2–1022);

• realmax – наибольшее число с плавающей точкой (21023)

• inf – значение машинной бесконечности;

• ans – переменная, хранящая результат последней операции и обычно вызывающая его отображение на экране дисплея;

• NaN – указание на нечисловой характер данных (Not-a-Number).

Вот примеры применения системных переменных:

>> 2*pi

ans = 6.2832

>> eps

ans = 2.2204e-016

>> realmin

ans = 2.2251e-308

>> realmax

ans = 1.7977e+308

>> 1/0

Warning: Divide by zero.

ans = Inf

>> 0/0

Warning: Divide by zero.

ans = NaN

Как отмечалось, системные переменные могут переопределяться. Можно задать системной переменной eps иное значение, например eps=0.0001. Однако важно то, что их значения по умолчанию задаются сразу после загрузки системы.Поэтому неопределенными, в отличие от обычных переменных, системные переменные не могут быть никогда.

Символьная константа – это цепочка символов, заключенных в апострофы, например:

'Hello my friend!'

'Привет'

'2+3'

Если в апострофы помещено математическое выражение, то оно не вычисляется и рассматривается просто как цепочка символов. Так что '2+3' не будет возвращать число 5. Однако с помощью специальных функций преобразования символьные выражения могут быть преобразованы в вычисляемые.

Текстовые комментарии в программах

Поскольку MATLAB используется для достаточно сложных вычислений, важное значение имеет наглядность их описания. Она достигается, в частности, с помощью текстовых комментариев. Текстовые комментарии в программах вводятся с помощью символа %, например так:

% It is factorial function

В новых версиях MATLAB отпала проблема ввода комментариев с символами кириллицы. Так что подобный комментарий также вполне приемлем:

% Это функция вычисления факториала

Обычно первые строки m-файлов служат для описания их назначения, которое выводится на экран дисплея после команды

>> help Имя_файла

Считается правилом хорошего тона вводить в m-файлы достаточно подробные текстовые комментарии. Без таких комментариев даже разработчик программных модулей быстро забывает о сути собственных решений.

Переменные и присваивание им значений

Переменные – это имеющие имена объекты, способные хранить некоторые, обычно разные по значению, данные. В зависимости от этих данных переменные могут быть числовыми или символьными, векторными или матричными. Переменные являются широко распространенными объектами в математике и программировании. На языке программирования MATLAB можно задавать переменным определенные значения. Для этого используется операция присваивания, вводимая знаком равенства:

Имя_переменной = Выражение

Типы переменных заранее не декларируются. Они определяются выражением, значение которого присваивается переменной. Так, если это выражение – вектор или матрица, то переменная будет векторной или матричной. Переменная, имеющая единственное значение, рассматривается как матрица размера 1×1.

Имя переменной (ее идентификатор) может содержать сколько угодно символов, но запоминается и идентифицируется только 31 начальный символ. Имя любой переменной не должно совпадать с именами других переменных, функций и процедур системы, то есть оно должно быть уникальным. Имя должно начинаться с буквы, может содержать буквы, цифры и символ подчеркивания _. Недопустимо включать в имена переменных пробелы и специальные знаки, например +, -, *, / и т. д., поскольку в этом случае правильная интерпретация выражений становится невозможной.

Желательно использовать содержательные имена для обозначений переменных, например speed_1 для переменной, обозначающей скорость первого объекта. Переменные могут быть обычными и индексированными, то есть элементами векторов или матриц (см. выше). Могут использоваться и символьные переменные, причем символьные значения заключаются в апострофы, например s='Demo'. Имена переменных рекомендуется задавать только латинскими буквами, цифрами и различными символами (не допускается применение символов операторов).

Уничтожение определений переменных

В памяти компьютера переменные занимают определенное место, называемое рабочей областью (workspace). Для очистки рабочей области используется функция clear в разных формах, например:

• clear – уничтожение определений всех переменных;

• clear x – уничтожение определения переменной x;

• clear a, b, c – уничтожение определений нескольких переменных.

Уничтоженная (стертая в рабочей области) переменная становится неопределенной. Использовать неопределенные переменные нельзя, и такие попытки будут сопровождаться выдачей сообщений об ошибке. Приведем примеры задания и уничтожения переменных:

>> x=2*pi

x = 6.2832

>> V=[1 2 3 4 5]

V =             1       2       3       4       5

>> MAT??? Undefined function or variable 'MAT'.

>> MAT=[1 2 3 4; 5 6 7 8]

MAT =

1       2       3       4

5       6       7       8

>> clear V

>> V

??? Undefined function or variable 'V'.

>> clear

>> x

??? Undefined function or variable 'x'.

>> M

??? Undefined function or variable 'M'.

Обратите внимание на то, что сначала выборочно стерта переменная V, а затем командой clear без параметров стерты все остальные переменные.

Неопределенные переменные используются при выполнении символьных вычислений. Специально система MATLAB для выполнения таких вычислений не предназначена. Однако они возможны с помощью пакета расширения символьной математики Symbolic Math.

Операторы и встроенные функции MATLAB

Оператор – это специальное обозначение для определенной операции над данными – операндами. Например, простейшими арифметическими операторами являются знаки суммы +, вычитания -, умножения * и деления /. Операторы используются совместно с операндами. Например, в выражении 2+3 знак + является оператором сложения, а числа 2 и 3 – операндами. Операторы также являются распространенными объектами математических выражений и языков программирования.

Следует отметить, что большинство операторов относятся к матричным операциям, что может служить причиной серьезных недоразумений. Например, операторы умножения * и деления / вычисляют произведение и частное от деления двух массивов, векторов или матриц. Есть ряд специальных операторов, например оператор \ означает деление справа налево, а операторы .* и ./ означают, соответственно, поэлементное умножение и поэлементное деление массивов.

Следующие примеры поясняют сказанное на примере операций с векторами:

>> V1=[2 4 6 8]

V1 =           2       4       6       8

>> V2=[1 2 3 4]

V2 =           1       2       3       4

>> V1/V2

ans = 2

>> V1.*V2

ans = 2       8       18     32

>> V1./V2

ans = 2       2       2       2

Полный список операторов можно получить, используя команду help ops.

Приведем начало обширного полного списка операторов, содержащего арифметические операторы:

>> help ops

Operators and special characters.

Arithmetic operators.

Plus – Plus                                                                   +

Uplus – Unary plus                                            +

Minus – Minus                                                   –

Uminus – Unary minus                                                –

Mtimes – Matrix multiply                                  *

times – Array multiply                                       .*

mpower – Matrix power                                              ^

power – Array power                                         .^

mldivide – Backslash or left matrix divide                   \

mrdivide – Slash or right matrix divide              /

ldivide – Left array divide                                  .\

rdivide – Right array divide                                ./

kron – Kronecker tensor product

Функции – это имеющие уникальные имена объекты, выполняющие определенные преобразования своих аргументов и при этом возвращающие результаты этих преобразований. Возврат результата – отличительная черта функций. При этом результат вычисления функции с одним выходным параметром подставляется на место ее вызова, что позволяет использовать функции в математических выражениях, например функцию sin в 2*sin(pi/2).

Функции в общем случае имеют список аргументов (параметров), заключенный в круглые скобки. Например, функция Бесселя записывается как bessel(NU,X). В данном случае список параметров содержит два аргумента – NU в виде скаляра и X в виде вектора. Многие функции допускают ряд форм записи, отличающихся списком параметров. Если функция возвращает несколько значений, то она записывается в виде

[Y1, Y2,...]=func(X1, X2,...), где Y1, Y2,... – список выходных параметров и X1, X2,... – список входных аргументов (параметров).

Со списком элементарных функций можно ознакомиться, выполнив команду help elfun, а со списком специальных функций – с помощью команды help specfun. Функции могут быть встроенными (внутренними) и внешними, или m-функциями. Так, встроенными являются наиболее распространенные элементарные функции, например sin(x) и exp(y), тогда как функция sinh(x) является внешней функцией. Внешние функции содержат свои определения в m-файлах. Задание таких функций возможно с помощью специального редактора m-файлов, который мы рассмотрим чуть позже. Встроенные функции хранятся в откомпилированном ядре системы MATLAB, в силу чего они выполняются предельно быстро.

Применение оператора : (двоеточие)

Очень часто необходимо произвести формирование упорядоченных числовых последовательностей. Такие последовательности нужны, например, для создания векторов со значениями абсциссы при построении графиков или при создании таблиц. Для этого в MATLAB используется оператор : (двоеточие) в виде:

Начальное_значение:Шаг:Конечное_значение

Данная конструкция порождает возрастающую последовательность чисел, которая начинается с начального значения, идет с заданным шагом и завершается конечным значением. Применение этой конструкции резко уменьшает потребность в задании программных циклов.

Если Шаг не задан, то он принимает значение 1. Если конечное значение указано меньшим, чем начальное значение, – выдается сообщение об ошибке. Примеры применения оператора : даны ниже:

>> 1:5

ans =                    1       2       3       4       5

>> i=0:2:10

i =               0       2       4       6       8       10

>> j=10:-2:2

j =               10     8       6       4       2

>> V=0:pi/2:2*pi;

>> V

V =             0       1.570 3.141 4.712 6.2832

>> X=1:-.2:0

X =             1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0

>> 5:2

ans =

Empty matrix: 1-by-0

Как отмечалось, принадлежность MATLAB к матричным системам вносит коррективы в назначение операторов и приводит, при неумелом их использовании, к казусам. Рассмотрим следующий характерный пример:

>> x=0:5

x =              0       1       2       3       4       5

>> cos(x)

ans =                    1.000 0.54 -0.416 -0.99 -0.653 0.2837

>> sin(x)/x

ans = -0.0862

Вычисление массива косинусов здесь прошло корректно. А вот вычисление массива значений функции sin(x)/x дает неожиданный, на первый взгляд, эффект – вместо массива с шестью элементами вычислено единственное значение!

Причина «парадокса» здесь в том, что оператор / вычисляет отношение двух матриц, векторов или массивов. Если они одной размерности, то результат будет одним числом, что в данном случае и выдала система. Чтобы действительно получить вектор значений sin(x)/x, надо использовать специальный оператор поэлементного деления массивов – ./. Тогда будет получен массив чисел:

>> sin(x)./x

Warning: Divide by zero.

ans = NaN           0.841 0.454 0.047 -0.1892 -0.1918

Впрочем, и тут без особенностей не обошлось. Так, при x = 0 значение sin(x)/x дает устранимую неопределенность вида 0/0 – 1. Однако, как и всякая численная система, MATLAB классифицирует попытку деления на 0 как ошибку и выводит соответствующее предупреждение. А вместо ожидаемого численного значения выводится символьная константа NaN, означающая, что неопределенность 0/0 – это все же не обычное число.

Выражения с оператором : могут использоваться в качестве аргументов функций для получения множественных их значений. Например, в приводимом ниже примере вычислены функции Бесселя порядка от 0 до 5 со значением аргумента 0,5:

>> bessel(0:1:5,1/2)

ans =                             0.938 0.242 0.030 0.002 0.0002 0.0000

А в следующем примере вычислено шесть значений функции Бесселя нулевого порядка для значений аргумента от 0 до 5 с шагом 1:

>> bessel(0,0:1:5)

ans =                             1.0000 0.7652 0.2239 -0.2601 -0.3971 -0.1776

Таким образом, оператор : является весьма удобным средством задания регулярной последовательности чисел. Он широко используется при работе со средствами построения графиков. В дальнейшем мы расширим представление о возможностях этого оператора.

Функции пользователя

matlab график матрица функция

Хотя ядро новых версий системы MATLAB содержит уже более 1000 встроенных функций (не считая функций, определенных в десятках пакетов расширения), всегда может понадобиться какая-то нужная пользователю функция. Язык программирования системы MATLAB предоставляет ряд возможностей для задания функций пользователя. Одна из таких возможностей заключается в применении функции inline, аргументом которой надо в апострофах задать выражение, задающее функцию одной или нескольких переменных. В приведенном ниже примере задана функция двух переменных – суммы квадратов sin(x) и cos(y):

>> sc2=inline('sin(x).^2+cos(y)^.2')

sc2 =

Inline function:

sc2(x,y) = sin(x).^2+cos(y).^2

Можно также задавать свои функции в виде m-файлов. Например, можно в окне редактора m-файлов (открывается командой New в меню File) создать m-файл с именем sc2 и листингом:

function y=sc2(x,y)

y=sin(x).^2+cos(y).^2

Записав его на диск, можно командой type sc2 вывести листинг созданной функции:

>> type sc2

function y=sc2(x,y)

y=sin(x).^2+cos(y).^2

Обращение к функции, созданной описанными методами, задается как

sc2(x,y), где на место x и y подставляются значения переменных – аргументов функции пользователя. Например:

>> sc2(1,2)

ans = 0.8813

>> sc2(2,1)

y = 1.1187

ans = 1.1187

Можно также создать так называемую handle-функцию (именуемую также анонимной функцией) с помощью оператора @:

>> fh=@sc2;

К такой функции можно обращаться с помощью функции исполнения функций feval(fh,x,y):

>> feval(fh,1,2)

y = 0.8813

ans = 0.8813

>> feval(fh,2,1)

y = 1.1187

ans = 1.1187

Сообщения об ошибках и исправление ошибок

Большое значение при диалоге с системой MATLAB и отладке программ в ней имеет диагностика ошибок. Рассмотрим ряд примеров, поясняющих технику диагностики. Введем, к примеру, ошибочное выражение

>> sqr(2)

и нажмем клавишу ENTER. Система сообщит об ошибке:

??? Undefined function or variable 'sqr'.

Это сообщение говорит о том, что не определена переменная или функция, и указывает, какая именно, – sqr. В данном случае, разумеется, можно просто набрать правильное выражение. Однако в случае громоздкого выражения лучше воспользоваться редактором. Для этого достаточно нажать клавишу ↓ для перелистывания предыдущих строк. В результате в строке ввода появится выражение

>> sqr(2)

с курсором в его конце. В MATLAB можно теперь нажать клавишу Tab. Система введет подсказку, анализируя уже введенные символы. Из предложенных системой трех операторов выбираем sqrt. Теперь c помощью клавиши ↓ вновь выбираем нужную строку и, пользуясь клавишей ←, устанавливаем курсор после буквы r. Теперь нажмем клавишу T, а затем клавишу ENTER. Выражение примет следующий вид:

>> sqrt(2)

ans = 1.4142

Если бы был только один вариант окончания введенных символов, то после нажатия клавиши Tab система бы закончила наш ввод без перевода строки.

Вычисления дают ожидаемый результат – значение квадратного корня из двух.

В системе MATLAB внешние определения используются точно так же, как и встроенные функции и операторы. Никаких дополнительных указаний на их применение делать не надо. Достаточно лишь позаботиться о том, чтобы используемые определения действительно существовали в виде файлов с расширением .m.

Впрочем, если вы забудете об этом или введете имя несуществующего определения, то система отреагирует на это звуковым сигналом (звонком) и выводом сообщения об ошибке:

>> hsin(1)

??? Undefined function or variable 'hsin'.

>> sinh(1)

ans = 1.1752

В этом примере мы забыли (нарочно), какое имя имеет внешняя функция, вычисляющая гиперболический синус. Система подсказала, что функция или переменная с именем hsin не определена – ни как внутренняя, ни как m-функция.

Зато далее мы видим, что функция с именем sinh есть в составе функций системы MATLAB – она задана в виде M_функции, хранящейся на жестком диске. Между тем в последнем примере мы не давали системе никаких указаний на то, что следует искать именно внешнюю функцию! И это вычисление прошло так же просто, как вычисление встроенной функции, такой как sin.

Иногда в ходе вывода результатов вычислений появляется сокращение NaN (от слов Not a Number – не число). Оно обозначает неопределенность, например вида 0/0 или Inf/Inf, где Inf – системная переменная со значением машинной бесконечности. Могут появляться и различные предупреждения об ошибках (на английском языке). Например, при делении на 0 конечного числа появляется предупреждение «Warning: Devide by Zero.» («Внимание: деление на нуль»). Диапазон чисел, представимых в системе, лежит от 10–308 до 10+308.

Вообще говоря, в MATLAB надо отличать предупреждение об ошибке от сообщения о ней. Предупреждения (обычно после слова Warning) не останавливают вычисления и лишь предупреждают пользователя о том, что диагностируемая ошибка способна повлиять на ход вычислений. Сообщение об ошибке (после знаков ???) останавливает вычисления. Система контроля за ошибочными ситуациями в MATLAB 2009 была существенно переработана и стала более корректной.

Формирование векторов и матриц

Задания векторов и матриц и доступ к их элементам

MATLAB – система, специально предназначенная для проведения сложных вычислений с векторами, матрицами и массивами. При этом она по умолчанию предполагает, что каждая заданная переменная – это вектор, матрица или массив. Все определяется конкретным значением переменной. Например, если задано X=1, то это значит, что X – это вектор с единственным элементом, имеющим значение 1, а точнее даже матрица с размером 1×1. Если надо задать вектор из трех элементов, то их значения следует перечислить в квадратных скобках, разделяя пробелами или запятыми. Так, например, присваивание

>> V=[1 2 3]

V =    1 2 3

задает вектор V, имеющий три элемента со значениями 1, 2 и 3 (его можно считать и матрицей размера 3×1). После ввода вектора система выводит его на экран дисплея. Заметим, для вектора столбца нужно разделять элементы знаками «;» (точка с запятой):

Страницы: 1, 2, 3