Numerische Mathematik mit Matlab

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1 Günter Grämlich Wilhelm Werner Numerische Mathematik mit Matlab Eine Einführung für Naturwissenschaftler und Ingenieure ГЗ I dpunkt.verlag

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 MATLAB-Grundlagen Was ist MATLAB? Starten und beenden Arbeiten im interaktiven Modus Grundlegende mathematische Funktionen Grundlegende Eigenschaften Matrizen Matrixoperationen Programmieren mit m-files: Scripts und Funktionen Datentypen (Klassen) in MATLAB Vergleichsoperatoren und Vergleichsfunktionen Logische Operatoren und logische Funktionen Steuerstrakturen Wie man effizientere Programme schreiben kann Wie man die Effizienz von Programmen vergleichen kann Dateien lesen und schreiben Visualisieren in MATLAB Dünn besetzte Matrizen MATLAB-Hilfesysteme und weitere Informationen Polynome in MATLAB Einfache Datenanalyse mit MATLAB Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Grundbegriffe und Notationen aus der linearen Algebra und Analysis Vektoren und Matrizen Die vier Fundamentalräume einer Matrix Lineare Gleichungssysteme Vektornormen Matrixnormen Singulare Werte und die Singulärwertzerlegung Gradient, HESSE- und JACOBI-Matrix 127

3 viii Inhaltsverzeichnis 3.8 Der Satz von TAYLOR Zur Komplexität numerischer Algorithmen Weitere Bemerkungen und Notationen Übungsaufgaben Grundlegende Konzepte numerischen Rechnens Allgemeine Lösungsstrategien Approximationen und Fehlerquellen Computerarithmetik Zur Komplexität numerischer Algorithmen Elementare Matrixrechnungen Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Lineare Gleichungssysteme Zur Lösbarkeit linearer Gleichungssysteme Wie löst man lineare Systeme? Lineare Systeme mit Dreiecksmatrizen 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 Zur Genauigkeit der Lösung Spezielle lineare Gleichungssysteme Iterative Lösungsmethoden für lineare Gleichungssysteme Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Lineare Ausgleichsrechnung Die allgemeine Problemstellung Überbestimmte lineare Gleichungssysteme Zur Lösbarkeit linearer Ausgleichsauf gaben Normalgleichungsmethoden Orthogonalisierungsmethoden Unterbestimmte lineare Gleichungssysteme Rangdefekte Probleme Nocheinmal: Der MATLAB-Operator \ Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben 286

4 Inhaltsverzeichnis 7 Eigenwertprobleme Eigenwerte und Eigenvektoren Methoden, um alle Eigenwerte zu berechnen Methoden, um ausgewählte Eigenwerte zu berechnen Verallgemeinerte Eigenwertprobleme Eigenwertaufgaben mit MATLAB Weitere Bemerkungen und Hinweise Übungsaufgaben Interpolation Interpolation durch Polynome LAGRANGE-Interpolation HERMITE-Interpolation Interpolation durch Spline-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 388 A Symbolisches Rechnen mit MATLAB 389 A.l Analysis 392 A.2 Die Funktionen f untool und taylortool 396 A.3 Variable Rechengenauigkeit 396 A.4 Vereinfachungen 398 A.5 Substituieren 398 A.6 Lineare Algebra 398 A.7 Algebraische Gleichungen 403 A.8 Gewöhnliche Differentialgleichungen 405 A.9 Funktionen der Symbolic Math Toolbox 406 A. 10 Wie man MAPLE-Funktionen verwendet 410 A.ll Weitere Bemerkungen und Hinweise 412

5 x Inhaltsverzeichnis В Matrixfaktorisierungen 417 B.l Die LU-Faktorisierung 418 B.2 Die CHOLESKY-Faktorisierung 419 B.3 Die QR-Faktorisierung 420 B.4 Die Singulärwertzerlegung 423 B.5 Die Spektralzerlegung 425 B.6 Die (reelle) SCHUR-Faktorisierung 425 B.7 Die SCHUR-Faktorisierung 426 B.8 Die HESSENBERG-Faktorisierung 426 B.9 Die JORDAN-Normalform 426 С.2 Allgemeine Informationen, Vereinigungen, Verbände und Gesellschaften С Mathematische Software 429 C.l Suchsysteme 430 C.3 Homepages 431 C.4 Newsgroups 431 C.5 Newsletters 432 C.6 Fachzeitschriften 432 C.7 Interaktive Systeme 433 C.8 Numerische Programmbibliotheken 434 C.9 Public Domain Software 434 D Weitere MATLAB-Funktionen 437 E Das GRIECHISCHE Alphabet 439 F Tabelle mathematischer Symbole 441 Literaturverzeichnis 443 Index 449

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