gramlich

Transkript

1 Vorwort MATLAB ist inzwischen in vielen Hochschulen, Universitäten und Fachhochschulen gleichermaßen ein etabliertes Programmsystem, das sowohl im Fach Mathematik selbst als auch in noch stärkerem Maße in Anwendungsdisziplinen, etwa der Regelungstechnik, eingesetzt wird. Das vorliegende Buch soll einem Studierenden oder Anwender dazu dienen, die Einsatzmöglichkeiten von MATLAB rasch zu lernen. Die wichtigsten Syntaxelemente von MATLAB werden dargestellt, und zahlreiche Beispiele erläutern, wie man ein mathematisches Problem mit Hilfe von MATLAB löst. Das Ziel dieses Buches ist es, dem Leser ein neues, überaus mächtiges und nützliches Werkzeug für den Naturwissenschaftler, Ingenieur und Mathematiker nahezubringen; wenn dies gelingt, so hat es sein Ziel erreicht. Studenten können MATLAB-Lizenzen günstig erwerben. Was ist also naheliegender, als den eigenen Personal Computer auch für das Erlernen von numerischer Mathematik zu nutzen? Sie können sich somit von Anfang an mit den neuen Möglichkeiten vertraut machen, (numerische) Mathematik zu lernen: learning by doing! Nicht zuletzt soll der neue, experimentelle Charakter der Mathematik die Freude an der Beschäftigung mit Mathematik wieder beleben. Der Leser hat die Möglichkeit, numerische Fragestellungen am Computer nachzuvollziehen. Dadurch wird die behandelte Mathematik sofort greifbar und bekommt zusätzlich noch eine spielerische Komponente. Am Schluß solcher Aktivitäten aber soll der Versuch stehen, die Hintergründe zu durchdringen und zu verstehen. Nur dann kann man dieses neue Werkzeug wirklich nutzbringend einsetzen. Die Voraussetzungen des Lesers zum Verständnis dieses Buches sind gering. Im Kapitel 3 wiederholen wir wichtige Begriffe aus der linearen Algebra und Analysis. Diese Wiederholung ersetzt jedoch keinesfalls ein gründliches Studium der linearen Algebra und Analysis, das für das numerische Rechnen grundlegend ist. Hierzu gibt es viele schöne Darstellungen, die wir im Literaturverzeichnis aufgenommen haben. Am Ende eines Kapitels haben wir viele Übungsaufgaben mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad angegeben. Es ist zwar hilfreich, wenn der Leser bereits Programmierkenntnisse in einer höheren Programmiersprache wie C oder FORTRAN besitzt, jedoch keineswegs Voraussetzung. Jeder, der die hier ausgeführten Beispiele nachvollzieht und analysiert, wird bald in der Lage sein, immer schwierigere Aufgaben selbständig mit MATLAB anzugehen. Am Anfang mag sich ein in der Programmierung unerfahrener Leser damit begnügen, die verwendeten MATLAB-Zeilen oder -Programme einfach zu reproduzieren. Im Laufe der Zeit sollte das Verständnis für die MATLAB-Programmierung durch Hinterfragen der dargestellten MATLAB-Programme wachsen. Der Leser sollte sich nicht scheuen, Änderungen an den Programmen durchzuführen und damit herumzuexperimentieren; am Ende des Buches

2 vi Vorwort angelangt, sollte ein bemühter Leser selbst in der Lage sein, einfache MATLAB-Programme zu schreiben. Das vorliegende Buch wurde vollständig in LATEX mit dem Dokumentstil book erstellt. Die Literaturhinweise wurden mit BIBTEX und der Index mit MakeIndex erzeugt. Bilder aus MATLAB wurden als ENCAPSULATED POSTSCRIPT (EPS-Files) abgespeichert und in das LATEX-Dokument eingebunden. Manche Abbildungen wurden mit Hilfe von PSTricks erstellt. Ohne diese schönen Tools wäre dies alles schwieriger gewesen. Die im Zusammenhang mit diesem Buch entstandenen MATLAB-Files (sogenannte m- Files) sind alle auf der beiliegenden CD enthalten. Auf dieser CD befindet sich ein readme-file, der weitere Einzelheiten über den Inhalt der CD beschreibt. Updates und Erweiterungen findet der Leser auf der Homepage gramlich Dort ist auch eine Datei zugänglich, die die im Buch entstandenen Fehler dokumentiert. Für jede Anregung, nützlichen Hinweis oder Verbesserungsvorschlag sind die Autoren dankbar und können über Post oder bzw. zugesendet werden. Die Autoren hoffen, daß sich die Arbeit gelohnt hat und der Leser Erfolg und Freude beim numerischen Rechnen mit MATLAB hat, so wie wir es haben. Vor allem möge er in die Lage versetzt werden, Grenzen und Möglichkeiten der verschiedenen Algorithmen richtig einzuschätzen, MATLAB effektiv einzusetzen und Programme gegebenenfalls anzupassen, zu modifizieren oder zu ergänzen, wenn abweichende Aufgabenstellungen dies erfordern. Bei der Abfassung eines so umfangreichen Textes sind die Autoren auf vielfältige Unterstützung angewiesen. Die Autoren danken dem dpunkt.verlag und vor allem der Lektorin, Frau CHRISTA PREISENDANZ, für die vielfältige Unterstützung und die Geduld während des Entstehens dieses Buches sowie Frau URSULA ZIMPFER, die so manchen Fehler und etliche stilistische Mängel des Manuskripts ausgeräumt hat. Ganz besonders möchten wir uns bei unseren Familien bedanken: SABINE, ANNA, CHRISTOPH(1), ANITA, CHRISTOPH(2) und MATTHIAS haben viel Verständnis für diese Arbeit aufgebracht. Kaiserslautern, Künzelsau Januar 2000 Günter Gramlich Wilhelm Werner

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 MATLAB-Grundlagen Was ist MATLAB? Startenundbeenden Arbeiten im interaktiven Modus Grundlegende mathematische Funktionen Grundlegende Eigenschaften Matrizen Matrixoperationen Programmierenmitm-Files:ScriptsundFunktionen Datentypen (Klassen) in MATLAB VergleichsoperatorenundVergleichsfunktionen LogischeOperatorenundlogischeFunktionen Steuerstrukturen WiemaneffizientereProgrammeschreibenkann WiemandieEffizienzvonProgrammenvergleichenkann Dateien lesen und schreiben Visualisieren in MATLAB Dünn besetzte Matrizen MATLAB-HilfesystemeundweitereInformationen Polynome in MATLAB Einfache Datenanalyse mit MATLAB Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Grundbegriffe und Notationen aus der linearen Algebra und Analysis VektorenundMatrizen Die vier Fundamentalräume einer Matrix Lineare Gleichungssysteme Vektornormen Matrixnormen Singuläre Werte und die Singulärwertzerlegung Gradient, HESSE- und JACOBI-Matrix

4 viii Inhaltsverzeichnis 3.8 Der Satz von TAYLOR Zur Komplexität numerischer Algorithmen Weitere Bemerkungen und Notationen Übungsaufgaben Grundlegende Konzepte numerischen Rechnens AllgemeineLösungsstrategien ApproximationenundFehlerquellen Computerarithmetik Zur Komplexität numerischer Algorithmen Elementare Matrixrechnungen Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Lineare Gleichungssysteme Zur Lösbarkeit linearer Gleichungssysteme WielöstmanlineareSysteme? LineareSystememitDreiecksmatrizen Eliminationsmatrizen GAUSS-Elimination und LU-Zerlegung GAUSS Elimination ohne Zeilenvertauschungen GAUSS Elimination mit Zeilenvertauschungen LU-Zerlegung in MATLAB Zur Realisierung des GAUSS-Verfahrens Wie komplex ist das Lösen linearer Gleichungssysteme? Wie berechnet man die Inverse einer Matrix? Normen, Fehler und Konditionszahlen ZurGenauigkeitderLösung Spezielle lineare Gleichungssysteme Iterative Lösungsmethoden für lineare Gleichungssysteme Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Lineare Ausgleichsrechnung DieallgemeineProblemstellung Überbestimmte lineare Gleichungssysteme ZurLösbarkeitlinearerAusgleichsaufgaben Normalgleichungsmethoden Orthogonalisierungsmethoden Unterbestimmte lineare Gleichungssysteme Rangdefekte Probleme Nocheinmal: Der MATLAB-Operator\ Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben

5 Inhaltsverzeichnis ix 7 Eigenwertprobleme EigenwerteundEigenvektoren Methoden, um alle Eigenwerte zu berechnen Methoden, um ausgewählte Eigenwerte zu berechnen VerallgemeinerteEigenwertprobleme Eigenwertaufgaben mit MATLAB Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Interpolation Interpolation durch Polynome LAGRANGE-Interpolation HERMITE-Interpolation InterpolationdurchSpline-Funktionen Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Nichtlineare Gleichungen Nichtlineare Gleichungen in einer Variablen Nichtlineare Gleichungen in mehreren Variablen Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Nichtlineare Ausgleichsrechnung Die GAUSS-NEWTON-Methode Nichtlineare Ausgleichsrechnung in MATLAB Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben A Symbolisches Rechnen mit MATLAB 389 A.1 Analysis A.2 Die Funktionen funtool und taylortool A.3 VariableRechengenauigkeit A.4 Vereinfachungen A.5 Substituieren A.6 LineareAlgebra A.7 Algebraische Gleichungen A.8 Gewöhnliche Differentialgleichungen A.9 Funktionen der Symbolic Math Toolbox A.10 Wie man MAPLE-Funktionenverwendet A.11 Weitere Bemerkungen und Hinweise

6 x Inhaltsverzeichnis B Matrixfaktorisierungen 417 B.1 DieLU-Faktorisierung B.2 Die CHOLESKY-Faktorisierung B.3 DieQR-Faktorisierung B.4 Die Singulärwertzerlegung B.5 Die Spektralzerlegung B.6 Die (reelle) SCHUR-Faktorisierung B.7 Die SCHUR-Faktorisierung B.8 Die HESSENBERG-Faktorisierung B.9 Die JORDAN-Normalform C Mathematische Software 429 C.1 Suchsysteme C.2 Allgemeine Informationen, Vereinigungen, Verbände und Gesellschaften C.3 Homepages C.4 Newsgroups C.5 Newsletters C.6 Fachzeitschriften C.7 InteraktiveSysteme C.8 NumerischeProgrammbibliotheken C.9 PublicDomainSoftware D Weitere MATLAB-Funktionen 437 E Das GRIECHISCHE Alphabet 439 F Tabelle mathematischer Symbole 441 Literaturverzeichnis 443 Index 449

7 Abbildungsverzeichnis 2.1 Das Kommandofenster unter Windows DerPathBrowserunterWindows DerWorkspaceBrowserunterWindows Stückweise zusammengesetzte Funktion Abkühlung einer Flüssigkeit DreiSinusfunktionenineinerFigur Zykloide Kreisdiagramm Graph der Funktion 1 x 2 y mit mesh FotografiedreierPionieredernumerischenMathematik Das helpwin-hilfefenster Das helpdesk-hilfesystem Zeichnen eines Polynoms als Anwendung der Polynomauswertung UnterschiedlicheVarianzen Zufallszahlen Punktwolken Die vier Fundamentalräume einer m n-matrix A Die Dreiecksungleichung VektorenderLänge1fürverschiedeneNormen Zum Satz von TAYLOR Blackbox-Situation Zur Kondition eines Problems SchematischesDiagrammzurRückwärtsanalyse Stabiler Algorithmus Beispiel eines normalisierten Gleitpunktsystems GrafischeDarstellungderKomplexitäten Quadratisches lineares Gleichungssystem Unterbestimmtes lineares Gleichungssystem Überbestimmtes lineares Gleichungssystem Zeilenbild im Fall n Spaltenbild im Fall n

8 xii Abbildungsverzeichnis 5.6 Die zehn singulären Werte der HILBERT-Matrix H Zur Kondition eines linearen Gleichungssystems BeispieleinerDatenapproximation FalschemathematischeModelle Überbestimmtes System: Keine Lösung von Ax b Überbestimmtes System: Genau eine Lösung von Ax b Überbestimmtes System: Unendlich viele Lösungen von Ax b ZurLösbarkeitüberbestimmterSysteme KleinsteQuadratelösungfüreinüberbestimmtesSystem Ausgleichslösung im Ê Ausgleichslösung im Ê HOUSEHOLDER-Matrix H mal Vektor x Zeilenraumdarstellung für m 2 und n 3;LösungkleinsterLänge Unterbestimmtes System mit unendlich vielen Lösungen LösungkleinsterLänge Nullstellen von p λµ und p λµ 2 23 λ 19 nach WILKINSON Zur Geometrie der Eigenwertaufgabe Verschiedene interpolierende kubische Splines Interpolation einer geschlossenen Kurve durch Splines Nichtlineare Gleichungen Lösungen nichtlinearer Gleichungen MehrfacheNullstellen Die Bisektionsmethode Nach6Iterationen NEWTON-Methode zur Lösung nichtlinearer Gleichungen Lösungen nichtlinearer Gleichungssysteme Datenapproximation A.1 Graph der Funktion f xµ 1 5 4cos xµ A.2 Die Funktion funtool A.3 Die Funktion taylortool A.4 Lösung u e t xµ2 e t xµ2 der eindimensionalen Wellengleichung A.5 MATLAB-Demos B.1 QR-Zerlegung für m n im Fall Rang Aµ n B.2 Reduzierte QR-Zerlegung für m n im Fall Rang Aµ n B.3 QR-Zerlegung für m n im Fall Rang Aµ k B.4 QR-Zerlegung für m n im Fall Rang Aµ m B.5 Singulärwertzerlegung für m n B.6 Reduzierte Singulärwertzerlegung für m n

9 Tabellenverzeichnis 2.1 Arithmetische Operationen zwischen Skalaren in MATLAB Kommandozeilen editieren Workspaceverwalten DenDatenträgerverwalten Systeminformationen Trigonometrische Funktionen in MATLAB Exponential- und Logarithmusfunktionen in MATLAB Potenzfunktionen in MATLAB SpezielleVariablenundKonstanten Zahlenausgabe in MATLAB Zahlendarstellung bezüglich anderer Basen Rechnen mit komplexen Zahlen in MATLAB Spezielle Matrizen in MATLAB MATLAB-FunktionenundOperatorenzurMatrizenmanipulation Grundlegende Informationen über Matrizen Matrixoperationen in MATLAB ElementweiseOperationen FunktionenfürScript-Files Datentypen Vergleichsoperatoren Vergleichsfunktionen LogischeOperatoren LogischeFunktionen Steuerstrukturen und weitere Anweisungen Dateien lesen und schreiben Abkühlung einer Flüssigkeit Markierungen von Punkten Gestaltungsvarianten für Linien Farben Bezeichnungen und Gitter WeitereGrafikfunktionen Das help-kommando Das helpwin-kommando Das helpdesk-system... 86

10 xiv Tabellenverzeichnis 2.35 Polynome in MATLAB Datenanalyse in MATLAB Vektorprodukte Vektornormen Matrixnormen Singulärwertzerlegungen SignifikanteStellen Charakteristische Größen für ein Gleitpunktsystem Gleitpunktdarstellung verschiedener Dezimalzahlen Verschiedene Gleitpunktsysteme Kennzeichnende Größen für das MATLAB-Gleitpunktsystem Rechenzeit in Abhängigkeit der Ordnung Anzahl der flops von Vektor- und Matrixverknüpfungen Anzahl der Gleitpunktoperationen Zeilenweisespeichern Spaltenweisespeichern ZurLösbarkeitlinearerSysteme ZurLösbarkeit Kondition einer Matrix ZurLösbarkeitüberbestimmterlinearerSysteme ZurLösbarkeitunterbestimmterlinearerSysteme Zusammenfassung: Überbestimmte Systeme Zusammenfassung: Unterbestimmte Systeme Relevante Funktionen für dieses Kapitel EigenschaftenvonMatrizen Ähnlichkeitstransformationen Nullstellen von p λµ 2 23 λ 19 nach WILKINSON MatrizenunddazugehörigeEigenwerte Potenzmethoden EigenwerteundEigenvektoren Charakteristisches Polynom und Nullstellen LineareKonvergenz Superlineare Konvergenz QuadratischeKonvergenz Vergleich von Konvergenzgeschwindigkeiten Intervallhalbierungsmethode für x 2 4sin xµ NEWTON-Methode für x 2 4sin xµ Änderung der Konvergenzgeschwindigkeit Sekantenmethode für x 2 4sin xµ

11 Tabellenverzeichnis xv 9.9 MATLAB-Funktionen zum Lösen nichtlinearer Gleichungen A.1 Differenzieren A.2 Integrieren A.3 Grenzwerteberechnen A.4 Symbolische Matrixoperationen A.5 Symbolische Matrixfunktionen A.6 Differentialgleichungen symbolisch lösen A.7 Analysis A.8 LineareAlgebra A.9 Vereinfachungen A.10 Lösen von Gleichungen A.11 Variable Genauigkeitsarithmetik A.12 Arithmetische Operationen A.13SpezielleFunktionen A.14 MAPLE-Zugriffe A.15 Pädagogische und grafische Anwendungen A.16 Konvertierungen A.17 Grundlegende Operationen A.18 Integraltransformationen B.1 Matrixfaktorisierungen in MATLAB...417