Matlab教学第四章MATLAB符号运算(Symbolic).ppt

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1、Lecture 4 MATLAB符号运算（Symbolic）,MATLAB,Matlab 符号运算,Matlab 符号运算介绍,Matlab 符号运算是通过符号数学工具箱（Symbolic Math Toolbox）来实现的。Matlab 符号数学工具箱是建立在功能强大的 Maple 软件的基础上的，当 Matlab 进行符号运算时，它就请求 Maple 软件去计算并将结果返回给 Matlab。,Matlab 的符号数学工具箱可以完成几乎所有得符号运算功能。主要包括：符号表达式的运算，符号表达式的复合、化简，符号矩阵的运算，符号微积分、符号作图，符号代数方程求解，符号微分方程求解等。此外，该工

2、具箱还支持可变精度运算，即支持以指定的精度返回结果。,Matlab 符号运算特点,计算以推理方式进行，因此不受计算误差累积所带来的困扰。,符号计算指令的调用比较简单，与数学教科书上的公式相近。,符号计算可以给出完全正确的封闭解，或任意精度的数值解（封闭解不存在时）。,符号计算所需的运行时间相对较长。,Matlab 符号运算举例,求一元二次方程 ax2+bx+c=0 的根,solve(a*x2+b*x+c=0),求的根 f(x)=(cos x)2 的一次导数,x=sym(x);diff(cos(x)2),计算 f(x)=x2 在区间 a,b 上的定积分,syms a b x;int(x2,a,b

3、),在进行符号运算时，必须先定义基本的符号对象，可以是符号常量、符号变量、符号表达式等。符号对象是一种数据结构。,符号对象与符号表达式,含有符号对象的表达式称为符号表达式，Matlab 在内部把符号表达式表示成字符串，以与数字变量或运算相区别。,符号矩阵/数组：元素为符号表达式的矩阵/数组。,sym 函数用来建立单个符号变量，一般调用格式为：,符号对象的建立：sym 和 syms,符号对象的建立,b=sym(1/3),C=sym(1 ab;c d),符号对象的建立：sym 和 syms,符号对象的建立,syms 命令用来建立多个符号变量，一般调用格式为：,syms 符号变量1 符号变量2.符号

4、变量n,a=sym(a);b=sym(b);c=sym(c);,符号表达式的建立：,例：,建立符号表达式通常有以下2种方法：(1)用 sym 函数直接建立符号表达式。(2)使用已经定义的符号变量组成符号表达式。,y=sym(sin(x)+cos(x),x=sym(x);y=sin(x)+cos(x),符号表达式的建立,syms x;y=sin(x)+cos(x),Matlab 符号运算采用的运算符和基本函数，在形状、名称和使用上，都与数值计算中的运算符和基本函数完全相同,符号对象的基本运算,符号对象的基本运算,三角函数与反三角函数、指数函数、对数函数等,基本函数,查找符号表达式中的符号变量,若

5、表达式中有两个符号变量与 x 的距离相等，则ASCII 码大者优先。,查找符号变量,findsym(expr)按字母顺序列出符号表达式 expr 中的所有符号变量,findsym(expr,N)按顺序列出 expr 中离 x 最近的 N 个符号变量,常量 pi,i,j 不作为符号变量,例：,f=sym(2*w-3*y+z2+5*a)findsym(f),findsym(f,3),findsym(f,1),findsym 举例,符号表达式的替换,subs(f,x,a)用 a 替换字符函数 f 中的字符变量 x a 是可以是 数/数值变量/表达式 或 字符变量/表达式,若 x 是一个由多个字符变量

6、组成的数组或矩阵，则 a 应该具有与 x 相同的形状的数组或矩阵。,用给定的数据替换符号表达式中的指定的符号变量,subs 举例,f=sym(2*u);subs(f,u,2)f2=subs(f,u,u+2)a=3;subs(f2,u,a+2)subs(f2,u,a+2)syms x y f3=subs(f,u,x+y)subs(f3,x,y,1,2),ans=4,f2=2*(u+2),ans=14,ans=2*(a+2)+2),f3=2*x+2*y,ans=6,例：指出下面各条语句的输出结果,f=2*u,符号矩阵,A=sym(1+x,sin(x);5,exp(x),使用 sym 函数直接生成,

7、将数值矩阵转化成符号矩阵,符号矩阵中元素的引用和修改,B=2/3,sqrt(2);5.2,log(3);C=sym(B),A=sym(1+x,sin(x);5,exp(x);A(1,2)%引用 A(2,2)=sym(cos(x)%重新赋值,六类常见符号运算,因式分解、展开、合并、简化及通分等,计算极限,计算导数,计算积分,符号求和,代数方程和微分方程求解,因式分解,因式分解,factor(f),syms x;f=x6+1;factor(f),factor 也可用于正整数的分解,s=factor(100),factor(sym,大整数的分解要转化成符号常量,函数展开,函数展开,expand(f)

8、,syms x;f=(x+1)6;expand(f),多项式展开,三角函数展开,syms x y;f=sin(x+y);expand(f),合并同类项,合并同类项,collect(f,v):按指定变量 v 进行合并collect(f):按默认变量进行合并,syms x y;f=x2*y+y*x-x2+2*x;collect(f),collect(f,y),函数简化,函数简化,y=simple(f):对 f 尝试多种不同的算法进行简化，返回其中最简短的形式,How,y=simple(f):y 为 f 的最简短形式，How 中记录的为简化过程中使用的方法。,函数简化,函数简化,y=simplify

9、(f):对 f 进行简化,syms x;f=sin(x)2+cos(x)2;simplify(f),syms c alpha beta;f=exp(c*log(sqrt(alpha+beta);simplify(f),函数简化举例,syms x;f=(1/x3+6/x2+12/x+8)(1/3);y1=simplify(f),g1=simple(f),g2=simple(g1),多次使用 simple 可以达到最简表达。,例：简化,分式通分,函数简化,N,D=numden(f):N 为通分后的分子，D 为通分后的分母,syms x y;f=x/y+y/x;N,D=numden(f),n,d=n

10、umden(sym(112/1024),horner 多项式,horner 多项式：嵌套形式的多项式,syms x;f=x4+2*x3+4*x2+x+1;g=horner(f),例：,计算极限,limit(f,x,a):计算limit(f,a):当默认变量趋向于 a 时的极限limit(f):计算 a=0 时的极限limit(f,x,a,right):计算右极限limit(f,x,a,left):计算左极限,例：计算，,syms x h n;L=limit(log(x+h)-log(x)/h,h,0)M=limit(1-x/n)n,n,inf),计算导数,g=diff(f,v)：求符号表达式

11、f 关于 v 的导数g=diff(f)：求符号表达式 f 关于默认变量的导数g=diff(f,v,n)：求 f 关于 v 的 n 阶导数,diff,syms x;f=sin(x)+3*x2;g=diff(f,x),计算积分,int(f,v,a,b):计算定积分int(f,a,b):计算关于默认变量的定积分int(f,v):计算不定积分int(f):计算关于默认变量的不定积分,syms x;f=(x2+1)/(x2-2*x+2)2;I=int(f,x)K=int(exp(-x2),x,0,inf),例：计算 和,符号求和,syms n;f=1/n2;S=symsum(f,n,1,inf)S100

12、=symsum(f,n,1,100),symsum(f,v,a,b):求和symsum(f,a,b):关于默认变量求和,例：计算级数 及其前100项的部分和,例：计算函数级数,syms n x;f=x/n2;S=symsum(f,n,1,inf),代数方程求解,solve(f,v)：求方程关于指定自变量的解，f 可以是用字符串表示的方程、符号表达式或符号方程；solve 也可解方程组(包含非线性)；得不到解析解时，给出数值解。,微分方程求解,dsolve,y=dsolve(eq1,eq2,.,cond1,cond2,.,v),其中 y 为输出的解，eq1、eq2、.为微分方程，cond1、co

13、nd2、.为初值条件，v 为自变量,例 1：求微分方程 的通解，并验证。,y=dsolve(Dy+2*x*y=x*exp(-x2),x),syms x;diff(y)+2*x*y-x*exp(-x2),微分方程求解,几点说明,如果省略初值条件，则表示求通解；,如果省略自变量，则默认自变量为 t,dsolve(Dy=2*x,x);dy/dx=2xdsolve(Dy=2*x);dy/dt=2x,若找不到解析解，则返回其积分形式。,微分方程中用 D 表示对 自变量 的导数，如：,Dy y；D2y y；D3y y,微分方程求解,例 2：求微分方程 满足初值条件 的特解，并画出解函数的图形。,y=dso

14、lve(x*Dy+y-exp(x)=0,.y(1)=2*exp(1),x)ezplot(y);,微分方程求解,例3：求微分方程组 在初值条件 下的特解，并画出解函数的图形。,x,y=dsolve(Dx+5*x+y=exp(t),Dy-x-3*y=0,.x(0)=1,y(0)=0,t)ezplot(x,y,0,1.3);,注：解微分方程组时，如果所给的输出个数与方程个数相同，则方程组的解 按词典顺序 输出。,其它运算,反函数,finverse(f,v)：求 f 关于指定变量 v 的反函数finverse(f)：求 f 关于默认变量的反函数,syms x t;f=x2+2*t;g1=finverse(f,x)g2=finverse(f,t),例：计算函数 的反函数,