实验四MATLAB在方程求解和级数中的应用.ppt
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1、实验四 MATLABMATLAB在方程求解和级数中的应用 线性映射的迭代与特征向量的计算级数方程和方程组的求解南 京 邮 电 大 学一、利用MATLAB进行级数运算的方法和技能在高等数学中,级数一般分为三个部分来叙述,在高等数学中,级数一般分为三个部分来叙述,即常数项级数的求和和审敛法则、幂级数的审敛即常数项级数的求和和审敛法则、幂级数的审敛和将函数展开为幂级数、傅立叶级数的性质和将和将函数展开为幂级数、傅立叶级数的性质和将函数展开为傅立叶级数。函数展开为傅立叶级数。Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学1.1
2、.常数项级数的求和与审敛常数项级数的求和与审敛在讨论常数项级数时,一般认为,如果级数在讨论常数项级数时,一般认为,如果级数的部分和的部分和 的极限存在,则称该级数收敛,并称此极的极限存在,则称该级数收敛,并称此极限为级数的和。在限为级数的和。在MATLAB中,用于级数求和的命令是中,用于级数求和的命令是symsum(),该命令的应用格式为:该命令的应用格式为:symsum(comiterm,v,a,b)其中:其中:comiterm为级数的通项表达式,为级数的通项表达式,v是通项中的求和是通项中的求和变量,变量,a和和b分别为求和变量的起点和终点。如果分别为求和变量的起点和终点。如果a,b缺省,
3、缺省,则则v从从0变到变到v-1,如果,如果v也缺省,则系统对也缺省,则系统对comiterm中的默默认变量求和认变量求和。Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学例例1:求级数:求级数 ,的和。的和。解:利用解:利用MATLAB函数函数symsum设计如下程序:设计如下程序:clearsyms nf1=(2*n-1)/2n;f2=1/(n*(2*n+1);I1=symsum(f1,n,1,inf)I2=symsum(f2,n,1,inf)运行结果为:运行结果为:I1=3I2=2-2*log(2)Nanjing
4、University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学本例是收敛的情况,如果发散,则求得的和为本例是收敛的情况,如果发散,则求得的和为inf,因此,因此,本方法就可以同时用来解决求和问题和收敛性问题。本方法就可以同时用来解决求和问题和收敛性问题。例例2:求级数求级数 ,的和。的和。解:解:MATLAB程序如下:程序如下:clearsyms n xf3=sin(x)/n2;f4=(-1)(n-1)*xn/n;I3=symsum(f3,n,1,inf)I4=symsum(f4,n,1,inf)321sinnxIn=Nanjing Universi
5、ty of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学运行结果为:运行结果为:I3=1/6*sin(x)*pi2I4=log(1+x)从这个例子可以看出,从这个例子可以看出,symsum()这个函数不但可以处理常这个函数不但可以处理常数项级数,也可以处理数项级数,也可以处理函数项函数项级数。级数。Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学2.2.函数的泰勒展开函数的泰勒展开 级数是高等数学中函数的一种重要表示形式,有许级数是高等数学中函数的一种重要表示形式,有许多复杂的函数都可以
6、用级数简单地来表示,而将一个复杂多复杂的函数都可以用级数简单地来表示,而将一个复杂的函数展开成幂级数并取其前面的若干项来近似表达这个的函数展开成幂级数并取其前面的若干项来近似表达这个函数是一种很好的近似方法,在学习级数的时候,将一个函数是一种很好的近似方法,在学习级数的时候,将一个函数展开成级数有时是比较麻烦的,现在介绍利用函数展开成级数有时是比较麻烦的,现在介绍利用MATLAB展开函数的方法。展开函数的方法。(泰勒级数逼近计算器泰勒级数逼近计算器泰勒级数逼近计算器泰勒级数逼近计算器taylortool)taylortool)Nanjing University of Posts and Te
7、lecommunications南 京 邮 电 大 学在在MATLAB中,用于幂级数展开的函数为中,用于幂级数展开的函数为taylor(),其具体,其具体格式为:格式为:taylor(function,n,x,a)function是待展开的函数表达式,是待展开的函数表达式,n为展开项数,缺省时为展开项数,缺省时展开至展开至5次幂,即次幂,即6项,项,x是是function中的变量,中的变量,a为函数的为函数的展开点,缺省为展开点,缺省为0,即麦克劳林展开。Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学例例3:将函数将函
8、数sinsin(x x)展开为)展开为 x x 的幂级数,分别展开至的幂级数,分别展开至5次次和和20次。次。解:解:MATLAB程序为:程序为:clearsyms xf=sin(x);taylor(f)taylor(f,20)结果为:结果为:ans=x-1/6*x3+1/120*x5Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学ans=x-1/6*x3+1/120*x5-1/5040*x7+1/362880*x9-1/39916800*x11+1/6227020800*x13-1/1307674368000*x15+
9、1/355687428096000*x17-1/121645100408832000*x19 Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学例例4:将函数:将函数(1+x)m展开为展开为x 的幂级数,为任意常数。展开的幂级数,为任意常数。展开至至4次幂。次幂。解:解:MATLAB程序为:程序为:clearsyms x mf=(1+x)m;taylor(f,5)运行结果为:运行结果为:ans=1+m*x+1/2*m*(m-1)*x2+1/6*m*(m-1)*(m-2)*x3 +1/24*m*(m-1)*(m-2)*(m-
10、3)*x4Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学例例5:将函数将函数 展开为展开为 的幂级的幂级数。数。解:解:MATLAB程序为:程序为:clearsyms xf=1/(x2+5*x-3);taylor(f,5,x,2)pretty(ans)Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学结果为结果为:ans=29/121-9/121*x+70/1331*(x-2)2-531/14641*(x-2)3+4009/161051*(x-2)
11、4 29 70 2 531 3 4009 4-9/121 x+-(x-2)-(x-2)+-(x-2)121 1331 14641 161051Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学二、线性方程组、非线性方程、非线性方程组的求解。二、线性方程组、非线性方程、非线性方程组的求解。在在MATLAB中,由函数中,由函数solve()、null()、fsolve(),fzero等来解决线性方程(组)和
12、非线性方程(组)的求解问题,等来解决线性方程(组)和非线性方程(组)的求解问题,其具体格式如下:其具体格式如下:X=solve(eqn1,eqn2,eqnN,var1,var2,varN)X=fsolve(fun,x0,options)函数函数solve用来解符号方程、方程组,以及超越方程,如用来解符号方程、方程组,以及超越方程,如三角函数方程等非线性方程。参数三角函数方程等非线性方程。参数eqnN为方程组中的为方程组中的第第N个方程,个方程,varN则是第则是第N个变量。个变量。Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电
13、 大 学函数函数null(A)则用来解线性方程组则用来解线性方程组AX=O的基础解系,实际的基础解系,实际是求系数矩阵是求系数矩阵A的零空间,在的零空间,在null函数中可加入参数函数中可加入参数r,表示有理基。通过求系数矩阵的秩和增广矩阵的秩,可,表示有理基。通过求系数矩阵的秩和增广矩阵的秩,可以判定方程组是否有解,以及是否需要求基础解系。另外,以判定方程组是否有解,以及是否需要求基础解系。另外,还可以用函数还可以用函数fzero来求解非线性方程。用法与来求解非线性方程。用法与fsolve类似。类似。Nanjing University of Posts and Telecommunicat
14、ions南 京 邮 电 大 学例1:求解方程 的MATLAB程序为:X=solve(x2-x-6=0,x)结果为:X=3,-2例2:求解方程组 的程序为:X,Y=solve(x2+y-6=0,y2+x-6=0,x,y)结果为:结果为:X=2,-3,1/2-1/2*21(1/2),1/2+1/2*21(1/2)Y=2,-3,1/2+1/2*21(1/2),1/2-1/2*21(1/2)Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学例3 3:求解方程组 的程序为:的程序为:clearformat ratA=5,0,4,2;
15、1,-1,2,1;4,1,2,0;1,1,1,1;B=3;1;1;0;X=ABNanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学例4:求方程组 的通解的程序解的程序为:clearclearformat ratformat ratA=1,2,2,1;2,1,-2,-2;1,-1,-4,-3A=1,2,2,1;2,1,-2,-2;1,-1,-4,-3C=null(A,r)C=null(A,r)求出矩阵求出矩阵A A的解空间的有理基。的解空间的有理基。结果如下:结果如下:Nanjing University of Posts a
16、nd Telecommunications南 京 邮 电 大 学C=2 5/3 -2 -4/3 1 0 0 1接着,用命令:接着,用命令:syms k1 k2X=k1*C(:,1)+k2*C(:,2)Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学求出的通解为:X=2*k1+5/3*k2-2*k1-4/3*k2 k1 k2Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学例例5:求方程组求方程组 的通解的程序为:的通解的程序为:clearformat
17、 ratA=sym(1,2,2,1;2,1,-2,-2;1,-1,-4,-3)b=sym(1;2;2)B=A,bn=length(A(1,:)RA=rank(eval(A)RB=rank(eval(B)Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学if(RA=RB&RA=n)X=eval(AB)在方程组满秩时,求出唯一解在方程组满秩时,求出唯一解elseif(RA=RB&RAn)C=eval(Ab)在方程组不满秩时,求出特解在方程组不满秩时,求出特解D=null(eval(A),r)求出矩阵求出矩阵A的零空间的的零空间
18、的 基,即方程组的基础解系基,即方程组的基础解系 syms k1 k2 X=k1*D(:,1)+k2*D(:,2)+C 求出方程组的全部解求出方程组的全部解else fprintf(No Solution for the Equations)endNanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学现在转而来看非线性方程组的求解,对于非线性方程组,用函数fsolve来求解。例6:求解非线性方程组 时,采用如下的方法,先建立存放函数的m文件,文件名必须与函数名一致,这里就应该为fun.m,内容如下:Nanjing Univer
19、sity of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学function y=fun(x)y(1)=x(1)-0.5*sin(x(1)-0.3*cos(x(2)y(2)=x(2)-0.5*cos(x(1)+0.3*sin(x(2)接着,我们建立另一个接着,我们建立另一个m m文件文件fsolve1.m,其内容为:,其内容为:clearformat shortx0=0.1,0.1fsolve(fun,x0,optimset(fsolve)这里的这里的optimset(fsolve)部分部分是优化设置,可以不用结果是:0.5414,0.3310。Nanjing
20、 University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学三三 线性映射的迭代与特征向量的计算线性映射的迭代与特征向量的计算1.定义定义 关系式关系式将向量将向量 映射为向量映射为向量 Nanjing University of Posts and Telecommunications南 京 邮 电 大 学写成矩阵形式写成矩阵形式其中其中 分别为分别为 与与,A为为mm矩阵矩阵形如形如 y=Ax 的映射称为线性映射的映射称为线性映射.给出一个初始向给出一个初始向量量 ,将上述映射反复作用可得将上述映射反复作用可得序列:序列:,我我们将这一过程称
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- 实验 MATLAB 方程 求解 级数 中的 应用
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