Günter Grämlich Wilhelm Werner Numerische Mathematik mit Matlab Eine Einführung für Naturwissenschaftler und Ingenieure ГЗ I dpunkt.verlag
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 MATLAB-Grundlagen 5 2.1 Was ist MATLAB? 5 2.2 Starten und beenden 7 2.3 Arbeiten im interaktiven Modus 9 2.4 Grundlegende mathematische Funktionen 14 2.5 Grundlegende Eigenschaften 15 2.6 Matrizen 18 2.7 Matrixoperationen 34 2.8 Programmieren mit m-files: Scripts und Funktionen 35 2.9 Datentypen (Klassen) in MATLAB 41 2.10 Vergleichsoperatoren und Vergleichsfunktionen 44 2.11 Logische Operatoren und logische Funktionen 47 2.12 Steuerstrakturen 49 2.13 Wie man effizientere Programme schreiben kann 57 2.14 Wie man die Effizienz von Programmen vergleichen kann 59 2.15 Dateien lesen und schreiben 59 2.16 Visualisieren in MATLAB 60 2.17 Dünn besetzte Matrizen 77 2.18 MATLAB-Hilfesysteme und weitere Informationen 79 2.19 Polynome in MATLAB 89 2.20 Einfache Datenanalyse mit MATLAB 94 2.21 Weitere Bemerkungen und Hinweise 101 2.22 Übungsaufgaben 101 3 Grundbegriffe und Notationen aus der linearen Algebra und Analysis 107 3.1 Vektoren und Matrizen 107 3.2 Die vier Fundamentalräume einer Matrix 114 3.3 Lineare Gleichungssysteme.. 117 3.4 Vektornormen 119 3.5 Matrixnormen 122 3.6 Singulare Werte und die Singulärwertzerlegung 125 3.7 Gradient, HESSE- und JACOBI-Matrix 127
viii Inhaltsverzeichnis 3.8 Der Satz von TAYLOR 129 3.9 Zur Komplexität numerischer Algorithmen 132 3.10 Weitere Bemerkungen und Notationen 133 3.11 Übungsaufgaben 134 4 Grundlegende Konzepte numerischen Rechnens 141 4.1 Allgemeine Lösungsstrategien 141 4.2 Approximationen und Fehlerquellen 142 4.3 Computerarithmetik 151 4.4 Zur Komplexität numerischer Algorithmen 158 4.5 Elementare Matrixrechnungen 162 4.6 Weitere Bemerkungen und Hinweise 178 4.7 Übungsaufgaben 180 5 Lineare Gleichungssysteme 183 5.1 Zur Lösbarkeit linearer Gleichungssysteme 186 5.2 Wie löst man lineare Systeme? 189 5.3 Lineare Systeme mit Dreiecksmatrizen 189 5.4 Eliminationsmatrizen 196 5.5 GAUSS-Elimination und LU-Zerlegung 200 5.6 GAUSS-Elimination ohne Zeilenvertauschungen 202 5.7 GAUSS-Elimination mit Zeilenvertauschungen 205 5.8 LU-Zerlegung in MATLAB 209 5.9 Zur Realisierung des GAUSS-Verfahrens 210 5.10 Wie komplex ist das Lösen linearer Gleichungssysteme? 211 5.11 Wie berechnet man die Inverse einer Matrix? 212 5.12 Normen, Fehler und Konditionszahlen 213 5.13 Zur Genauigkeit der Lösung 217 5.14 Spezielle lineare Gleichungssysteme 224 5.15 Iterative Lösungsmethoden für lineare Gleichungssysteme 227 5.16 Weitere Bemerkungen und Hinweise 229 5.17 Übungsaufgaben 230 6 Lineare Ausgleichsrechnung 235 6.1 Die allgemeine Problemstellung 238 6.2 Überbestimmte lineare Gleichungssysteme 243 6.3 Zur Lösbarkeit linearer Ausgleichsauf gaben 249 6.4 Normalgleichungsmethoden 251 6.5 Orthogonalisierungsmethoden 253 6.6 Unterbestimmte lineare Gleichungssysteme 267 6.7 Rangdefekte Probleme 276 6.8 Nocheinmal: Der MATLAB-Operator \ 281 6.9 Weitere Bemerkungen und Hinweise 284 6.10 Übungsaufgaben 286
Inhaltsverzeichnis 7 Eigenwertprobleme 291 7.1 Eigenwerte und Eigenvektoren 291 7.2 Methoden, um alle Eigenwerte zu berechnen 298 7.3 Methoden, um ausgewählte Eigenwerte zu berechnen 303 7.4 Verallgemeinerte Eigenwertprobleme 305 7.5 Eigenwertaufgaben mit MATLAB 307 7.6 Weitere Bemerkungen und Hinweise 308 7.7 Übungsaufgaben 309 8 Interpolation 313 8.1 Interpolation durch Polynome 313 8.2 LAGRANGE-Interpolation 327 8.3 HERMITE-Interpolation 330 8.4 Interpolation durch Spline-Funktionen 332 8.5 Weitere Bemerkungen und Hinweise 339 8.6 Übungsaufgaben 340 9 Nichtlineare Gleichungen 343 9.1 Nichtlineare Gleichungen in einer Variablen 352 9.2 Nichtlineare Gleichungen in mehreren Variablen 370 9.3 Weitere Bemerkungen und Hinweise 374 9.4 Übungsaufgaben 375 10 Nichtlineare Ausgleichsrechnung 381 10.1 Die GAUSS-NEWTON-Methode 383 10.2 Nichtlineare Ausgleichsrechnung in MATLAB 387 10.3 Weitere Bemerkungen und Hinweise 388 10.4 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
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.. 430 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