第二章数值计算优秀课件.ppt
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1、第二章数值计算第1页,本讲稿共71页矩阵的拆分 1 利用冒号表达式获得子矩阵利用冒号表达式获得子矩阵 A(:,j)表示取表示取A矩阵的第矩阵的第j列全部元素;列全部元素;A(i,:)表示表示A矩阵第矩阵第i行的全部元素;行的全部元素;A(i,j)表示取表示取A矩阵第矩阵第i行、第行、第j列的元素。列的元素。A(i:i+m,:)表示取表示取A矩阵第矩阵第ii+m行的全部元素;行的全部元素;A(:,k:k+m)表示取表示取A矩阵第矩阵第kk+m列的全部元素,列的全部元素,A(i:i+m,k:k+m)表示取表示取A矩阵第矩阵第ii+m行内,并在第行内,并在第kk+m列中的所有元素。列中的所有元素。此
2、外,还可利用一般向量和此外,还可利用一般向量和end运算符来表示矩阵下标,从而运算符来表示矩阵下标,从而获得子矩阵。获得子矩阵。end表示某一维的末尾元素下标。表示某一维的末尾元素下标。第2页,本讲稿共71页矩阵的拆分2 利用空矩阵删除矩阵的元素利用空矩阵删除矩阵的元素 在在MATLAB中,定义中,定义为空矩阵。给变量为空矩阵。给变量X赋空矩阵的语句为赋空矩阵的语句为X=。注意,。注意,X=与与clear X不同,不同,clear是将是将X从工作空间中删除,而空矩从工作空间中删除,而空矩阵则存在于工作空间中,只是维数为阵则存在于工作空间中,只是维数为0。第3页,本讲稿共71页特殊矩阵1通用的特
3、殊矩阵通用的特殊矩阵常用的产生通用特殊矩阵的函数有:常用的产生通用特殊矩阵的函数有:zeros:产生全:产生全0矩阵矩阵(零矩阵零矩阵)。ones:产生全:产生全1矩阵矩阵(幺矩阵幺矩阵)。eye:产生单位矩阵。:产生单位矩阵。rand:产生:产生01间均匀分布的随机矩阵。间均匀分布的随机矩阵。randn:产生均值为:产生均值为0,方差为,方差为1的标准正态分的标准正态分布随机矩阵。布随机矩阵。第4页,本讲稿共71页特殊矩阵1通用的特殊矩阵通用的特殊矩阵常用的产生通用特殊矩阵的函数有:常用的产生通用特殊矩阵的函数有:zeros:产生全:产生全0矩阵矩阵(零矩阵零矩阵)。ones:产生全:产生全
4、1矩阵矩阵(幺矩阵幺矩阵)。eye:产生单位矩阵。:产生单位矩阵。rand:产生:产生01间均匀分布的随机矩阵。间均匀分布的随机矩阵。randn:产生均值为:产生均值为0,方差为,方差为1的标准正态分的标准正态分布随机矩阵。布随机矩阵。第5页,本讲稿共71页特殊矩阵2用于专门学科的特殊矩阵用于专门学科的特殊矩阵(1)魔方矩阵魔方矩阵魔方矩阵有一个有趣的性质,其每行、每列及魔方矩阵有一个有趣的性质,其每行、每列及两条对角线上的元素和都相等。对于两条对角线上的元素和都相等。对于n阶魔方阶魔方阵,其元素由阵,其元素由1,2,3,n2共共n2个整数组成。个整数组成。MATLAB提供了求魔方矩阵的函数提
5、供了求魔方矩阵的函数magic(n),其功能是生成一个,其功能是生成一个n阶魔方阵。阶魔方阵。第6页,本讲稿共71页特殊矩阵2用于专门学科的特殊矩阵用于专门学科的特殊矩阵(2)范得蒙矩阵范得蒙矩阵范得蒙范得蒙(Vandermonde)矩阵最后一列全为矩阵最后一列全为1,倒,倒数第二列为一个指定的向量,其他各列是其后数第二列为一个指定的向量,其他各列是其后列与倒数第二列的点乘积。可以用一个指定向列与倒数第二列的点乘积。可以用一个指定向量生成一个范得蒙矩阵。在量生成一个范得蒙矩阵。在MATLAB中,函中,函数数vander(V)生成以向量生成以向量V为基础向量的范得为基础向量的范得蒙矩阵。例如,蒙
6、矩阵。例如,A=vander(1;2;3;5)即可得到即可得到上述范得蒙矩阵。上述范得蒙矩阵。第7页,本讲稿共71页特殊矩阵2用于专门学科的特殊矩阵用于专门学科的特殊矩阵(3)希尔伯特矩阵希尔伯特矩阵在在MATLAB中,生成希尔伯特矩阵的函数是中,生成希尔伯特矩阵的函数是hilb(n)。使用一般方法求逆会因为原始数据的微小扰动使用一般方法求逆会因为原始数据的微小扰动而产生不可靠的计算结果。而产生不可靠的计算结果。MATLAB中,有中,有一个专门求希尔伯特矩阵的逆的函数一个专门求希尔伯特矩阵的逆的函数invhilb(n),其功能是求,其功能是求n阶的希尔伯特矩阵的阶的希尔伯特矩阵的逆矩阵。逆矩阵
7、。第8页,本讲稿共71页矩阵的其它运算inv矩阵求逆det行列式的值eig矩阵的特征值diag对角矩阵矩阵转置sqrt矩阵开方第9页,本讲稿共71页矩阵的一些特殊操作矩阵的变向rot90:矩阵整体反时针旋转90度;rot90(a)fliplr:矩阵左右翻转;flipud:矩阵上下翻转;矩阵的抽取diag:抽取主对角线;tril:抽取左下三角;triu:抽取右上三角;第10页,本讲稿共71页稀疏矩阵什么是稀疏矩阵?假若在m*n的矩阵中,非零元个数numm*n,我们可以称之为稀疏矩阵,并称t=num/(m*n)为矩阵的稀疏因子。通常认为t0.05时称为稀疏矩阵。第11页,本讲稿共71页存储稀疏矩阵
8、时,往往只存放其中的非零元。稀疏矩阵的三元组表法是顺序存储方法的一种。采用这种方法时,线性表中的每个结点对应稀疏矩阵的一个非零元素,其中包括3个字段,分别为该元素的行下标、列下标和值,结点间的次序按矩阵的行优先顺序排列。另外,用第0行的三个元素分别存储矩阵的行数、列数和非零元数目。例如,矩阵A:5007可以用三元组表示为02003440000115147222在具体编程过程中,往往可以用一个简单的n*3二数组来表示此三元组。即稀疏矩阵A可以用数组a53=3,4,4,1,1,5,1,4,7,2,2,2来表示。第12页,本讲稿共71页稀疏矩阵的生成在MATLAB7中,生成稀疏矩阵用特殊的函数来进行
9、,这些函数有speye、spones、spdiags、sparse、find、full、spalloc、sprand和sprandn等。第13页,本讲稿共71页稀疏矩阵与全元素矩阵的相互转换用来将稀疏矩阵和全元素矩阵相互转换的函数有sparse、full和find等3个函数。注:find函数生成非中非零元素的位置第14页,本讲稿共71页稀疏矩阵的操作对稀疏矩阵进行操作,主要由nnz、nonzeros、nzmax、sponse、spalloc、isspase、spyfun和spy等函数来实现。第15页,本讲稿共71页算术运算1基本算术运算基本算术运算 MATLAB的基本算术运算有:的基本算术运算
10、有:(加加)、(减减)、*(乘乘)、/(右除右除)、(左除左除)、(乘方乘方)。注意,运算是在矩阵意义下进行的,单个数据注意,运算是在矩阵意义下进行的,单个数据的算术运算只是一种特例。的算术运算只是一种特例。第16页,本讲稿共71页算术运算(1)矩阵加减运算矩阵加减运算 假定有两个矩阵假定有两个矩阵A和和B,则可以由,则可以由A+B和和A-B实现矩阵的加减运算。运算规则是:若实现矩阵的加减运算。运算规则是:若A和和B矩阵的维数相同,则可以执行矩阵的加减运算,矩阵的维数相同,则可以执行矩阵的加减运算,A和和B矩阵的相应元素相加减。如果矩阵的相应元素相加减。如果A与与B的维的维数不相同,则数不相同
11、,则MATLAB将给出错误信息,提将给出错误信息,提示用户两个矩阵的维数不匹配。示用户两个矩阵的维数不匹配。第17页,本讲稿共71页算术运算(2)矩阵乘法矩阵乘法 假定有两个矩阵假定有两个矩阵A和和B,若,若A为为mn矩阵,矩阵,B为为np矩阵,则矩阵,则C=A*B为为mp矩阵。矩阵。第18页,本讲稿共71页算术运算(3)矩阵除法矩阵除法在在MATLAB中,有两种矩阵除法运算:中,有两种矩阵除法运算:和和/,分别表示,分别表示左除和右除。如果左除和右除。如果A矩阵是非奇异方阵,则矩阵是非奇异方阵,则AB和和B/A运运算可以实现。算可以实现。AB等效于等效于A的逆左乘的逆左乘B矩阵,也就是矩阵,
12、也就是inv(A)*B,而,而B/A等效于等效于A矩阵的逆右乘矩阵的逆右乘B矩阵,也就是矩阵,也就是B*inv(A)。对于含有标量的运算,两种除法运算的结果相同,如对于含有标量的运算,两种除法运算的结果相同,如3/4和和43有相同的值,都等于有相同的值,都等于0.75。又如,设。又如,设a=10.5,25,则则a/5=5a=2.1000 5.0000。对于矩阵来说,左除和右除。对于矩阵来说,左除和右除表示两种不同的除数矩阵和被除数矩阵的关系。对于矩表示两种不同的除数矩阵和被除数矩阵的关系。对于矩阵运算,一般阵运算,一般ABB/A。第19页,本讲稿共71页算术运算(4)矩阵的乘方矩阵的乘方 一个
13、矩阵的乘方运算可以表示成一个矩阵的乘方运算可以表示成Ax,要求,要求A为方阵,为方阵,x为标量。为标量。第20页,本讲稿共71页算术运算2点运算点运算 在在MATLAB中,有一种特殊的运算,因为中,有一种特殊的运算,因为其运算符是在有关算术运算符前面加点,所以其运算符是在有关算术运算符前面加点,所以叫点运算。点运算符有叫点运算。点运算符有.*、./、.和和.。两矩。两矩阵进行点运算是指它们的对应元素进行相关运阵进行点运算是指它们的对应元素进行相关运算,要求两矩阵的维参数相同。算,要求两矩阵的维参数相同。第21页,本讲稿共71页关系运算MATLAB提供了提供了6种关系运算符:种关系运算符:(小于
14、小于)、(大于大于)、=(大于或等于大于或等于)、=(等于等于)、=(不等于不等于)。它们的含义不难理。它们的含义不难理解,但要注意其书写方法与数学中的不等式符解,但要注意其书写方法与数学中的不等式符号不尽相同。号不尽相同。第22页,本讲稿共71页关系运算符的运算法则(1)当两个比较量是标量时,直接比较两数的大当两个比较量是标量时,直接比较两数的大小。若关系成立,关系表达式结果为小。若关系成立,关系表达式结果为1,否,否则为则为0。(2)当参与比较的量是两个维数相同的矩阵时,当参与比较的量是两个维数相同的矩阵时,比较是对两矩阵相同位置的元素按标量关系比较是对两矩阵相同位置的元素按标量关系运算规
15、则逐个进行,并给出元素比较结果。运算规则逐个进行,并给出元素比较结果。最终的关系运算的结果是一个维数与原矩阵最终的关系运算的结果是一个维数与原矩阵相同的矩阵,它的元素由相同的矩阵,它的元素由0或或1组成。组成。第23页,本讲稿共71页关系运算符的运算法则(3)当参与比较的一个是标量,而另一个是矩阵当参与比较的一个是标量,而另一个是矩阵时,则把标量与矩阵的每一个元素按标量关时,则把标量与矩阵的每一个元素按标量关系运算规则逐个比较,并给出元素比较结果。系运算规则逐个比较,并给出元素比较结果。最终的关系运算的结果是一个维数与原矩阵最终的关系运算的结果是一个维数与原矩阵相同的矩阵,它的元素由相同的矩阵
16、,它的元素由0或或1组成。组成。第24页,本讲稿共71页逻辑运算MATLAB提供提供3种逻辑运算符:种逻辑运算符:&(与与)、|(或或)和和(非非)。逻辑运算的运算法则为:逻辑运算的运算法则为:(1)在逻辑运算中,确认非零元素为真,用在逻辑运算中,确认非零元素为真,用1表示,零元素表示,零元素为假,用为假,用0表示。表示。(2)设参与逻辑运算的是两个标量设参与逻辑运算的是两个标量a和和b,那么,那么,a&b a,b全为非零时,运算结果为全为非零时,运算结果为1,否则为,否则为0。a|b a,b中只要有一个非零,运算结果为中只要有一个非零,运算结果为1。a 当当a是零时,运算结果为是零时,运算结
17、果为1;当;当a非零时,运算非零时,运算结果为结果为0。第25页,本讲稿共71页逻辑运算(3)若参与逻辑运算的是两个同维矩阵,那么运若参与逻辑运算的是两个同维矩阵,那么运算将对矩阵相同位置上的元素按标量规则逐算将对矩阵相同位置上的元素按标量规则逐个进行。最终运算结果是一个与原矩阵同维个进行。最终运算结果是一个与原矩阵同维的矩阵,其元素由的矩阵,其元素由1或或0组成。组成。(4)若参与逻辑运算的一个是标量,一个是矩阵,若参与逻辑运算的一个是标量,一个是矩阵,那么运算将在标量与矩阵中的每个元素之间那么运算将在标量与矩阵中的每个元素之间按标量规则逐个进行。最终运算结果是一个按标量规则逐个进行。最终运
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