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        理工課程中基本數(shù)學問題MATLAB數(shù)值求解

        2020-08-18 01:19:54
        黑龍江科學 2020年15期
        關鍵詞:曲線圖樣點級數(shù)

        趙 華

        (黔南民族師范學院 物理與電子科學學院,貴州 都勻 558000)

        0 引言

        近幾十年來,隨著計算機的普及和相關技術的迅速發(fā)展,許多使用方便、功能強大的數(shù)學計算軟件應運而生。相關課程的學習如果能和這些軟件的使用結合起來,就能夠將學生從繁瑣的數(shù)學計算中解脫出來,取得事半功倍的效果[1]。一直以來,MATLAB是影響和應用最廣泛的數(shù)學計算軟件之一。

        1 數(shù)值計算處理思路

        MATLAB數(shù)值計算處理的對象是具體的數(shù)字。因此,應將問題中所有的計算對象首先數(shù)值化,用矩陣的形式表示出來。即使是一個單獨的數(shù)字,也要視為一個1行1列的矩陣。MATLAB中所有量之間的相互計算都要滿足矩陣的運算法則。這通??梢杂醚h(huán)語句或者相關命令實現(xiàn)。

        另外,MATLAB中還定義了不同于一般矩陣運算的群運算,即兩個相同維數(shù)的矩陣對應的元素直接進行相應的計算。為了與矩陣作為整體運算相區(qū)別,群運算在運算符號前面加符號“.”。除了幾個專門說明的函數(shù)外,所有的MATLAB函數(shù)也都適用于元素的群運算。這種運算法則能夠極大的簡化編程,提高運算效率。學習MATLAB數(shù)值計算,應熟練掌握并能靈活運用群運算。

        2 應用舉例

        2.1 函數(shù)的求導

        以函數(shù)y=xsin(x)為例說明。下面給出了x在[0,10]區(qū)間的函數(shù)及其一階和二階導數(shù)的函數(shù)曲線圖。需要注意的是對自變量做diff運算后,數(shù)組元素的個數(shù)減少一個,作圖的時候應相應的減少一個點。

        clear all%清除所有變量

        dx=0.01;%兩個相鄰自變量的間隔

        x=0:dx:10;%自變量數(shù)值化

        lx=length(x);%自變量樣點數(shù)目

        y=x.*sin(x);%函數(shù)值數(shù)值化

        dy=diff(y);%函數(shù)值差分

        y1=dy/dx;%一階導數(shù)

        y2=diff(y1)/dx;

        plot(x,y)

        hold on

        %diff運算后,矩陣元數(shù)量減少一個,繪圖時要除去x的一個點

        plot(x(1:(lx-1)),y1)

        plot(x(2:(lx-1)),y2)

        圖1 函數(shù)y=xsin(x)及其導函數(shù)曲線圖Fig.1 Curves of y=xsin(x) and its derivative functions

        2.2 數(shù)值積分

        clear all %清除變量

        a=linspace(0,3,100);

        dx=0.01; %x步長

        for m=1:100 %對a取不同的值分別計算

        x=0:dx:a(m);%間隔dx對x進行取樣

        y=2/sqrt(pi)*exp(-x.^2);%x樣點上對應的被積函數(shù)y值

        n=length(x)-1;%[0,a]被分成區(qū)間的個數(shù)比x樣點個數(shù)少1

        S(m)=sum(y(1:n))*dx;%歐拉法求解積分

        end

        plot(a,S)%繪制a與積分值之間的函數(shù)曲線圖

        圖2 誤差函數(shù)隨其積分上限的函數(shù)曲線圖Fig.2 Error function as a function of its upper limit of integration

        2.3 泰勒級數(shù)展開

        在數(shù)學中,泰勒級數(shù)用無限項的連加式來表示一個函數(shù)。泰勒級數(shù)是一個重要的數(shù)學工具,在函數(shù)分析和定理證明等方面有廣泛的應用。另外,泰勒級數(shù)也是一個非常重要的近似計算處理手段。

        clear all

        dx=0.01;%自變量步長

        x=-3:dx:3;%作圖范圍

        lx=length(x);%自變量取樣點個數(shù)

        y=sin(x);%被分析函數(shù)

        plot(x,y);%被分析函數(shù)繪圖

        hold on

        x0=0;%泰勒級數(shù)展開位置

        y0=sin(x0);%函數(shù)在x=0處的值

        for n=1:10

        fn=diff(y,n)/dx^n;%函數(shù)的n階導數(shù)

        F0(n)=fn(round((lx-n)/2));%函數(shù)的n階導數(shù)在x0處對應值

        end

        F(1,:)=sin(x0)+F0(1)*x;%函數(shù)的線性展開式

        plot(x,F(1,:))%繪圖

        for n=2:6

        F(n,:)=F(n-1,:)+F0(n)*x.^n/factorial(n);%函數(shù)n階泰勒級數(shù)展開式

        plot(x,F(n,:))%繪圖

        end

        中小型工業(yè)企業(yè)的創(chuàng)始人普遍都不是受過高等教育的高精尖人才,大多是憑著自身努力和鉆研起家的草根,雖然有很強的毅力和拼搏精神,但是由于缺乏理論教育,企業(yè)往往做每一件事都是摸著石頭過河。企業(yè)內部工作中推諉扯皮現(xiàn)象屢見不鮮,每個人都覺得自己很忙,但是工作的結果又都往往很粗糙、漏洞百出。企業(yè)管理層面對這些現(xiàn)象,總是頭疼醫(yī)頭,腳疼醫(yī)腳,不知道主要問題出在哪里,也不清楚該采取哪種預案應對這些不足,無法形成系統(tǒng)的管理體系。

        圖3 正弦函數(shù)及其泰勒級數(shù)展開函數(shù)的曲線圖Fig.3 Curves of Sine function and its expansion functions of Taylor series

        2.4 傅里葉級數(shù)展開

        clear all %清除變量

        T=2*pi;%周期

        L=T/2;

        dx=0.001;%自變量步長

        x=-pi:dx:pi;%自變量取值范圍

        lx=length(x);%數(shù)值計算樣點個數(shù)

        f=abs(x)./x;%方波信號函數(shù)

        plot(x,f)%方波信號曲線

        x(lx)=[];

        f(lx)=[];%除去最后一個樣點

        a0=1/L*sum(f)*dx;%計算a0

        %計算系數(shù)

        for n=1:10

        a(n)=1/L*sum(f.*cos(n*pi*x/L)*dx);

        b(n)=1/L*sum(f.*sin(n*pi*x/L)*dx);

        end

        %展開到n=1級并作圖

        F(1,:)=a0/2+a(1)*cos(pi*x/L)+b(1)*sin(pi*x/L);

        plot(x,F(1,:))

        %展開到n=2到n=10級并作圖

        for n=2:10

        F(n,:)=F(n-1,:)+a(n)*cos(n*pi*x/L)+b(n)*sin(n*pi*x/L);

        plot(x,F(n,:))

        end

        圖4 方波信號函數(shù)及其傅里葉級數(shù)展開函數(shù)曲線圖Fig.4 Curves of square wave signal function and its expansion functions of Fourier series

        3 結語

        在理工課程的學習中,大量的計算問題可以通過數(shù)值計算進行分析,得到有意義的結果。數(shù)值計算從數(shù)學基本定義出發(fā),計算過程十分直觀,能夠很好地展示問題的數(shù)學本質。本研究通過具體的例子,根據(jù)相關計算的基本數(shù)學定義,基于MATLAB軟件介紹了幾個常見數(shù)學問題數(shù)值計算處理方法。這對于MATLAB的初學者理解和掌握數(shù)值計算具有幫助。將MATLAB和理工課程的學習相結合,會顯著提高學生的學習效果,激發(fā)學習興趣,起到事半功倍的效果。

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