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Linguaggio MATlab, calcolo numerico e programmazione, Dispense di Elementi di Informatica

Nozioni sull'utilizzo del linguaggio per il calcolo numerico e programmazione.

Tipologia: Dispense

2017/2018

Caricato il 04/07/2018

giacomo-lorusso
giacomo-lorusso 🇮🇹

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Introduzione alla
Programmazione in MATLAB 7
E. Cristiani, M. Sagona
Versione 1.9 – 18/11/2009
Queste dispense nascono dall’esperienza maturata dai due autori nell’uso di Matlab nell’ambito della
ricerca e del calcolo scientifico. Sono rivolte agli studenti del Dipartimento di Matematica
dell’Università di Roma “Sapienza” che abbiano già delle nozioni di base di programmazione
(preferibilmente in C) e che cerchino una guida breve per iniziare a programmare in Matlab. In queste
dispense non è compresa la parte grafica.
MATrix LABoratory è un ambiente di lavoro che include la possibilità di scrivere un proprio codice,
creare delle interfacce user-friendly, usare una potente libreria grafica e una ricchissima libreria di
funzioni matematiche, usare dei programmi built-in, visualizzare esperimenti fisici (Simulink), risolvere
particolari problemi differenziali utilizzando una semplice interfaccia (Femlab).
E’ usato in particolare da matematici, fisici ed ingegneri.
Pregi:
rapidità di programmazione (linguaggio di altissimo livello)
enormi potenzialità grafiche built-in
facile debug
help in linea chiaro e completo (al quale rimandiamo per ogni informazione non compresa in
questo manualetto)
è il linguaggio standard per l’analisi numerica insieme a C e Fortran
è presente in tutte le università (versioni gratuite: Octave e Scilab)
Difetti:
lentezza in fase di esecuzione (è un interprete, non un compilatore)
prezzo
aggiornamento relativamente rapido delle versioni
non crea un file che sia eseguibile senza avere Matlab
non è adatto per imparare a programmare.
Gestione delle finestre:
Current Directory: prima directory in cui Matlab cerca il file da eseguire.
Command Window: finestra in cui possono essere inseriti i comandi.
Ad esempio:
pwd oppure cd per conoscere la Current Directory.
ls oppure dir per conoscere il contenuto della Current Directory.
help nome_comando per conoscere la sintassi di un comando.
nome_file per lanciare in esecuzione un m-file (file di Matlab, estensione .m), ad
esempio una demo.
La Command Window è la finestra dove viene visualizzato l’output di un programma.
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Introduzione alla

Programmazione in MATLAB 7

E. Cristiani, M. Sagona

Versione 1.9 – 18/11/

Queste dispense nascono dall’esperienza maturata dai due autori nell’uso di Matlab nell’ambito della ricerca e del calcolo scientifico. Sono rivolte agli studenti del Dipartimento di Matematica dell’Università di Roma “Sapienza” che abbiano già delle nozioni di base di programmazione (preferibilmente in C) e che cerchino una guida breve per iniziare a programmare in Matlab. In queste dispense non è compresa la parte grafica.

MATrix LABoratory è un ambiente di lavoro che include la possibilità di scrivere un proprio codice, creare delle interfacce user-friendly, usare una potente libreria grafica e una ricchissima libreria di funzioni matematiche, usare dei programmi built-in, visualizzare esperimenti fisici (Simulink), risolvere particolari problemi differenziali utilizzando una semplice interfaccia (Femlab). E’ usato in particolare da matematici, fisici ed ingegneri.

Pregi:

  • rapidità di programmazione (linguaggio di altissimo livello)
  • enormi potenzialità grafiche built-in
  • facile debug
  • help in linea chiaro e completo (al quale rimandiamo per ogni informazione non compresa in questo manualetto)
  • è il linguaggio standard per l’analisi numerica insieme a C e Fortran
  • è presente in tutte le università (versioni gratuite: Octave e Scilab)

Difetti:

  • lentezza in fase di esecuzione (è un interprete, non un compilatore)
  • prezzo
  • aggiornamento relativamente rapido delle versioni
  • non crea un file che sia eseguibile senza avere Matlab
  • non è adatto per imparare a programmare.

Gestione delle finestre: Current Directory: prima directory in cui Matlab cerca il file da eseguire.

Command Window: finestra in cui possono essere inseriti i comandi. Ad esempio: pwd oppure cd per conoscere la Current Directory. ls oppure dir per conoscere il contenuto della Current Directory. help nome_comando per conoscere la sintassi di un comando. nome_file per lanciare in esecuzione un m-file (file di Matlab, estensione .m), ad esempio una demo. La Command Window è la finestra dove viene visualizzato l’output di un programma.

Attenzione: la Command Window è l’unica finestra visibile in un ambiente non grafico.

Workspace: finestra nella quale si possono vedere tutte le variabili memorizzate. Con un doppio click sopra una di esse si apre l’Array editor (tipo foglio di Excel) dove si può leggere, modificare e stampare il contenuto delle variabili.

Editor: finestra dove si può scrivere un proprio codice. Per eseguire un programma è necessario:

  1. Salvare il file (estensione .m) nella directory X (solo la prima volta).
  2. Cambiare la Current Directory in X.
  3. Premere sulla tastiera il tasto F5 (salva il file sovrascrivendolo al precedente, segnala eventuali errori e, nel caso non ce ne siano, esegue) oppure digitare il nome del file nella Command Window.

Alcuni comandi fondamentali: clc pulisce la Command Window. ; chiude l’istruzione senza mostrarne il risultato nella Command Window. % commento. who mostra il contenuto del workspace whos mostra il contenuto del workspace con maggior dettaglio clear svuota il workspace (cancella tutte le variabili in memoria) clear nome_variabile cancella solamente la variabile nome_variabile

Alcune osservazioni sul comando clear : E’ buona regola iniziare ogni programma Matlab con questo comando, in modo tale che in fase di esecuzione vengano utilizzate solamente le variabile introdotte nel codice. In caso contrario, Matlab terrà in memoria anche le variabili memorizzate dal programma precedentemente eseguito. Inoltre è da notare che, una volta eseguito un programma, le variabili memorizzate non vengono cancellate. E’ possibile quindi riutilizzarle direttamente dalla Command Window o in un altro m-file (senza usare il comando clear ).

Dalla finestra principale di Matlab si accede al menù Preferences in cui è possibile scegliere - tra le tante cose - il formato numerico di output preferito (4 cifre decimali, 14 cifre decimali, notazione scientifica, ecc.).

Costanti: realmax 1.7977e+ realmin 2.2251e- eps 2.2204e- pi 3.

Tutte le costanti di Matlab possono essere ridefinite a piacere dall’utente. Cancellandole dal Workspace ritornano ad assumere il valore predefinito.

In Matlab non è necessario dichiarare le variabili ed il loro tipo.

A ciascuna variabile viene riservato uno spazio in memoria nel momento in cui viene incontrata per la prima volta. Esempio: clear (Workspace: vuoto) n=1; (Workspace: n) p=23.67; (Workspace: n,p)

norm(v,1/2/p/inf); calcola la norma 1/2/p/infinito del vettore v norm(A,1/inf/’fro’); calcola la norma 1/infinito/Frobenius della matrice A A’; calcola la matrice trasposta (e coniugata) di A inv(A); calcola l’inversa della matrice A det(A); calcola il determinante della matrice A eig(A); calcola gli autovalori della matrice A [L,U]=lu(A); fattorizzazione LU della matrice A find; trova gli elementi diversi da 0 (v. sintassi nell’help) reshape(A,m,n); trasforma la matrice A ( mn elementi) in una matrice m x n size; legge le dimensioni di una matrice (v. sintassi nell’help) gradient; calcola il gradiente numerico (v. sintassi nell’help) spy(A); disegna e conta gli elementi di A diversi da 0 mesh(A); disegna la matrice A come funzione a 2 variabili imagesc(A); disegna la matrice A interpretandola come immagine (i colori usati dipendono dai valori di A)

Ovviamente in Matlab non c’è bisogno di utilizzare dei cicli per operare su matrici o vettori. Esempio: B=[1 2 3; 4 5 6]; A=B; A è una matrice identica a B.

L’operatore due punti (:) è fondamentale e permette di creare rapidamente vettori. Esempio: x=a:b; crea il vettore x=(a,a+1,a+2,…,b) x=a:h:b; crea il vettore x=(a,a+h,a+2h,…,b 0 ) dove b 0 =a+ n h per qualche n e b-h<b 0 <=b v=A(i,:); crea un vettore v che ha per elementi quelli della i –ma riga di A v=A(1:4,j); crea un vettore v che ha per elementi quelli dalla prima alla quarta riga della j – ma colonna di A B=A(1:4,:); crea una matrice B che ha per elementi quelli dalla prima alla quarta riga di A A(1:n,1:m)=0; analogo a A=zeros(n,m) ma differentemente da quest’ultimo non cancella dal workspace un’eventuale variabile A già memorizzata

Concatenazione: C=[A B]; C è una matrice composta dalle matrici A e B affiancate v=[a b]; v è un vettore composto dai vettori a e b affiancati

ATTENZIONE: C non è un vettore di matrici ma è a tutti gli effetti una matrice. Ugualmente per v.

Cancellazione di un elemento: a(n)=[]; l’elemento n -mo del vettore a viene eliminato ([] indica l’ ”insieme vuoto”)

Operatori aritmetici:

  • somma
  • sottrazione
  • prodotto / divisione destra (6/2=3) \ divisione sinistra (2\6=3) ^ elevamento a potenza Usati in questa forma gli operatori agiscono matricialmente (o vettorialmente).

Preceduti da un punto (.) agiscono elemento per elemento. Esempi: AB; prodotto righe per colonne di A per B A.B; prodotto elemento per elemento ( C(i,j)=A(i,j)B(i,j) ) ab'; prodotto scalare del vettore riga a ed il vettore riga b (se reali) A^2; analogo a AA; A.^2; analogo a A.A; A+B; somma delle matrici A e B A.+B; analogo a A+B A+2; somma 2 a tutti gli elementi di A

Un discorso a parte meritano i sistemi lineari (nella forma Ax=b , con x e b vettori colonna), che possono essere risolti utilizzando l’operatore di divisione. Si possono usare due comandi:

  1. x=A\b; Utilizza il metodo di Gauss (scelta consigliata)

  2. x=inv(A)*b; Formalmente corretto ma numericamente meno preciso e più lento

Altre operazioni possibili:

X=A\B; Risolve l’equazione AX=B (X=A-1B)

X=A/B; Risolve l’equazione XB=A (X=AB-1)

A./B; A(i,j)/B(i,j)

A.\B; B(i,j)/A(i,j)

Altri importanti comandi per operare sui vettori:

max(v); calcola l’elemento massimo del vettore v

min(v); calcola l’elemento minimo del vettore v

sum(v); calcola la somma degli elementi del vettore v

prod(v); calcola il prodotto degli elementi del vettore v

mean(v); calcola la media aritmetica degli elementi del vettore v

sort(v); ordina in modo crescente gli elementi del vettore v

In Matlab è possibile definire anche matrici a più dimensioni.

Esempio (3 dimensioni):

for i=1:m for j=1:n for k=1:p A(i,j,k)=i+j+k; end end end In questo caso A(:,:,k) è una normale matrice bidimensionale per ogni k=1,...,p.

Per stabilire in modo più preciso il formato di scrittura delle variabili si può usare quest’altro comando: formato=’%.numerolettera’; num2str(n,formato); dove numero indica il numero di cifre significative che si vuole visualizzare e lettera indica il tipo di scrittura desiderata (scelte possibili: d,e,f,g, ecc.)

Per assegnare il valore di una variabile da tastiera si usa invece il comando input : a=input(‘inserire n. n= ‘); scrive nella Command Window “inserire n. n= “ e attende l’introduzione di un numero (es. 3) o di un vettore (es. [1 2 3]) o di una matrice (es. [1 2 3; 4 5 6] o di una stringa (es. ‘ciao’) dall’utente. Infine assegna ciò che è stato inserito alla variabile a.

for La sintassi del ciclo for è semplicissima: for i=1:n ...istruzioni... end L’istruzione è eseguita n volte.

for i=1:p:n ...istruzioni... end In questo caso il contatore viene incrementato di p ad ogni ciclo ed il ciclo termina quando i > n.

while La sintassi del ciclo while è analoga: while condizione ...istruzioni... end

Se la condizione è multipla si ha while (condizione1) £ (condizione2) £ (condizione3) ... ...istruzioni... end dove £ è un qualsiasi operatore logico.

Si può assegnare la precedenza alla valutazione di certe espressioni con le parentesi tonde ()

If if condizione ... istruzioni ... end

If else if condizione ... istruzioni ... else ... istruzioni ... end

If elseif if condizione

... istruzioni ... elseif condizione ... istruzioni ... elseif condizione ... istruzioni ... else ... istruzioni ... end

If else if if condizione ... istruzioni ... else if condizione ... istruzioni ... end end

switch, case metodo='lineare';

switch (metodo) case 'quadratico' disp(‘il metodo è quadratico’); case 'lineare' disp(‘il metodo è lineare’); otherwise disp(‘il metodo è sconosciuto’); end In questo caso l’output sarà “Il metodo è lineare”.

OSSERVAZIONE : nel caso in cui la scelta deve essere effettuata valutando il contenuto di stringhe di lunghezza diversa (come nel precedente esempio) la scelta di “switch, case” è obbligatoria (non si può usare “if”).

Operatori relazionali : < minore <= minore o uguale

maggiore = maggiore o uguale

== uguale ~= diverso

Operatori logici : A & B A and B ~A not A A | B A or B xor(A,B) A xor B (or esclusivo)

Altri comandi: all agisce su vettori. vale 1 se tutti gli elementi sono non nulli, 0 altrimenti any agisce su vettori. vale 1 se esiste almeno un elemento non nullo, 0 altrimenti

Si procede nel seguente modo: M(1,1).field=9; M(1,2).field =’ciao’; M(2,1).field =[5 6]; M(2,2).field =[1 2;3 4]; Il nome del campo (in questo caso field ) è arbitrario. E’ anche possibile accedere direttamente a qualsiasi elemento di M. Ad esempio, con il comando h=M(2,1).field(1); si memorizza in h il valore 5.

Supponiamo ora di voler memorizzare un vettore tridimensionale in cui ogni elemento è composto da una stringa e da un numero: v=(‘pippo’ 234, ‘pluto’ 54, ‘topolino’ 567) Si procede nel seguente modo: v(1).nome=’pippo’; v(1).numero=234; v(2).nome=’pluto’; v(2).numero=54; v(3).nome=’topolino’; v(3).numero=567;

E’ anche possibile (e a volte più comodo) usare il comando struct (digitare “help struct” nella Command Window per la sintassi esatta).

Script: Uno script di Matlab è un m-file contenente una sequenza di istruzioni. Esso può essere richiamato da un qualsiasi altro m-file o direttamente dalla Command Window. Non è ammesso alcun passaggio di variabili. Gli script sono usati principalmente per aumentare la leggibilità del codice. Esempio: Creare il file “incrementa_a.m” contenente l’istruzione a=a+1; La sequenza di istruzioni a=1; incrementa_a; è a tutti gli effetti equivalente a a=1; a=a+1;

Osservazione : gli script devono essere salvati in una cartella “conosciuta” da Matlab, in modo che esso possa localizzarli nel momento in cui vengono richiamati. E’ possibile quindi salvare i file:

  1. nella Current Directory (scelta più semplice)
  2. in una directory a piacere che deve poi essere aggiunta alla lista delle directory predefinite nella lista dei path

Function: In Matlab è possibile definire delle proprie funzioni, come negli altri principali linguaggi di programmazione; ma al contrario di linguaggi come il Pascal, C, Fortran, esse sono scritte in un file a parte rispetto al main (programma principale). Il file contenente la function è a sua volta un m-file e deve essere salvato col nome della function stessa, per permettere a Matlab di trovarlo nel momento in cui è chiamato dal main. E’ comunque da notare che in un file contenente una function - ad esempio il file function1.m - possono essere presenti anche tutte le altre function chiamate all’interno della function1. In altre parole, non è necessario salvare un file per function.

Inoltre ogni m-file contenente una o più function può essere eseguito come un qualsiasi m-file, purché contenga la definizione di tutte le variabili usate al proprio interno.

In Matlab – salvo diversa indicazione - le variabili sono sempre locali. E’ possibile definire variabili globali (con il comando global , v. sintassi nell’help) ma è bene limitare questa possibilità alle sole variabili che non devono essere modificate (vale a dire quelle variabili che negli altri linguaggi di programmazione si definiscono come costanti ). Infatti, in Matlab, una function può ricevere e/o restituire un numero qualsiasi di variabili (siano esse matrici, vettori, stringhe, ecc.). E’ quindi previsto che tutte le variabili che devono essere modificate siano passate alla function e riprese da essa esplicitamente.

Esempi di chiamata della function “funz” dal main : funz; la function non riceve né restituisce niente a=funz; la function non riceve niente e restituisce a funz(b); la function riceve b e non restituisce niente a=funz(b); la function riceve b e restituisce a [a,b]=funz(c,d,e); la function riceve le tre variabili c,d,e e restituisce due valori che sono assegnati alle variabili a e b a=funz(a); questo è il modo migliore per passare una variabile per “indirizzo” (cioè modificarla all’interno della function)

Osservazione : nell’ultimo esempio (a=funz(a);) è possibile che le due variabili a in entrata e in uscita siano di tipo diverso. Ad esempio, la function funz può ricevere in input uno scalare a e restituire una matrice m x n che viene memorizzata di nuovo nella variabile a.

Sintassi di una function: Chiamata nel main: Function: funz; function funz ... istruzioni ...

Chiamata nel main: Function: a=funz(b); function z=funz(d) ... istruzioni ... tra le quali ci deve essere l’assegnazione della variabile z (che diventerà a)

Chiamata nel main: Function: [a,b]=funz(c,d,e) function [h,j]=funz(cc,dd,ee) ... istruzioni ... tra le quali ci deveno essere le assegnazioni delle variabili h,j (che diventeranno a,b)

Osservazione : i file nei quali vengono scritte le varie function devono essere salvati in una cartella “conosciuta” da Matlab, in modo che esso possa localizzarli al momento della chiamata dal main. E’ possibile quindi salvare i file:

  1. nella Current Directory (scelta più semplice)
  2. in una directory a piacere che deve poi essere aggiunta alla lista delle directory predefinite nella lista dei path

Puntatori:

plot(x,y,’gs’) disegna il grafico a quadratini e lo colora di verde

Il comando hold on blocca la chiusura della finestra nella quale è comparsa l’ultima figura e permette di disegnare nuove figure sovrapponendole alla precedente.

Il comando figure, al contrario, fa si che il nuovo grafico venga disegnato in una nuova finestra.

ATTENZIONE: nelle assegnazioni vettoriali tipo y=f(x); è fondamentale distinguere tra le operazioni

  • / \ ^ e .* ./ .\ .^

Altre potenzialità di Matlab: inf Nei più comuni linguaggi di programmazione come Pascal, C, Fortran, esiste la possibilità di overflow. L’ overflow consiste nel tentativo di assegnare ad una variabile un valore più grande del massimo valore memorizzabile nello spazio di memoria riservato a quella variabile. Quando ciò accade, il compilatore dà un messaggio di errore e arresta l’esecuzione del programma. In Matlab, invece, in caso di overflow l’esecuzione non viene arrestata. Infatti, alla variabile incriminata viene assegnato il valore inf (infinito) ed essa può continuare ad essere utilizzata come una qualsiasi variabile, con le seguenti accortezze: inf + inf = inf inf + a = inf per ogni numero reale a inf * inf = inf a / inf = 0 per ogni numero reale a a / 0 = inf per ogni numero reale a inf - inf = NaN (vedi paragrafo seguente) inf / inf = NaN (vedi paragrafo seguente)

NaN Come inf, NaN è un valore che può essere assegnato ad una variabile e sta per “Not a Number”. E’, ad esempio, il risultato di inf - inf inf / inf 0 / 0

Esempio: a=NaN; if a< disp(‘a<0’); elseif a>= disp(‘a>=0’); else disp(‘non so’); end Il risultato di questo programma è “non so”.

Eval, Feval Questi comandi permettono di valutare una stringa di caratteri come un’espressione matematica o come il nome di un m-file. Sono utilizzati - ad esempio - quando si vuole inserire l’espressione di una funzione run-time.

Esempio (Eval): s=input(‘Inserire una funzione: f(x)= ‘); %qua si inserisce una stringa x=input(‘Inserire un valore per x. x= ‘); y=eval(s); % Ad y viene assegnato f(x) Se s=’x.^2+1’ e x=2, si avra’ y=5. Se s=’x.^2+1’ e x=[2 4], si avra’ y=[5 17]. Se s=’sum(x)’ e x=[1 2], si avra’ y=3.

Esempio (Feval): f=inline('x+(3*y)'); y=feval(f,2,4) %feval valuta la funzione f per x=2 e y= Il risultato è y=14.

Esempio (Feval): y=feval('FUNZ',5); In questo caso feval chiama la function FUNZ.m passando come parametro di input il numero 5.

Si consiglia di leggere l’help in linea per le funzionalità più avanzate di questi comandi. Debug : Matlab dispone di un facile e potente debugger. Dall’Editor è possibile inserire e disinserire i breakpoint per segnalare le righe in cui si vuole sospendere l’esecuzione. Con il comando RUN (o F dalla tastiera) viene eseguito il codice fino al raggiungimento del primo breakpoint e l’editor entra automaticamente nella modalità DEBUG. Con i comandi step e step in si esegue il programma riga per riga, con il tasto continue si esegue il programma fino al successivo breakpoint. Tenendo aperto il Workspace e/o l’Array Editor è possibile vedere il contenuto delle variabili run-time. Dalla finestra Breakpoints dell’Editor si accede ad altri utili comandi per il DEBUG.

E’ inoltre possibile eseguire solo una parte di un m-file. Per farlo è sufficiente selezionare la parte di codice da eseguire, cliccare con il tasto destro del mouse e selezionare la voce Evaluate Selection. Si deve però tenere presente che il testo selezionato deve contenere in sé l’assegnazione di tutte le variabili di cui si fa uso (deve cioè essere “sensato” eseguirlo senza il resto del programma).

Osserviamo infine che un primo semplice debug può essere ottenuto semplicemente facendo uso del comando break oppure con un uso intelligente del punto e virgola (;).

Scrittura su file: Per salvare un file di dati si usa il comando save. Esempio: save nomefile variabile1 variabile2 variabile Dopo aver eseguito questo comando (nell’Editor o nella Command Window) viene creato nella Current Directory il file nomefile.mat (con estensione mat ) dove sono memorizzate le variabili variabile variabile2 variabile3 con il loro nome, tipo e valore.

Con il comando save nomefile viene salvato tutto il contenuto del workspace.

Attenzione! I file *.mat possono essere letti solo da Matlab.

Per esportare dati leggibili anche da altri compilatori come Fortran o C, è necessario salvare dei file con estensione .dat o .txt (file di testo). Ad esempio, per salvare la variabile a in formato ascii in doppia precisione si usa il comando

Ricerca degli zeri di un polinomio (roots, poly) Il comando r=roots(p); riceve in input un vettore p e restituisce in output un vettore r i cui elementi sono le radici del polinomio che ha per coefficienti gli elementi del vettore p ( p(1) è il coefficiente del termine di grado massimo). L’algoritmo fa uso degli autovalori della companion matrix.

Il comando p=poly(r); è l’inverso di roots. Esso riceve in input un vettore r e restituisce in output un vettore p i cui elementi sono i coefficienti del polinomio le cui radici sono gli elementi di r.

Ricerca degli zeri di una funzione generica (fzero) Il comando fzero calcola uno zero di una funzione f:R  R assegnata, partendo da un punto vicino. L’algoritmo è basato su una combinazione del metodo di bisezione, delle secanti e dell’interpolazione quadratica inversa. A partire dal punto iniziale x 0 , l’algoritmo calcola con successive iterazioni un intervallo [a,b] tale che comprenda x 0 e che f(a)f(b)<0. Successivamente, riduce progressivamente questo intervallo fino a localizzare lo zero della funzione.

Esempio: options = optimset('Display','iter'); [x,val]=fzero('x^2-1',4,options); % 4 è x 0 x % approssimazione dello zero della funzione val % f(x)

Attenzione: il comando fzero considera zeri di una funzione f solamente i punti in cui f passa da valori positivi a valori negativi e non i punti in cui la funzione tocca solamente l’asse delle x. Ad esempio, la funzione x^2 non ha zeri.

Formule di quadratura (quad, quadL, dblquad, triplequad) quad calcola l’integrale di una funzione f:R  R o f:R  Rn^ con la regola di Simpson adattiva quadL calcola l’integrale di una funzione f:R  R o f:R  Rn^ con una formula di Newton-Cots adattiva più accurata di quella usata in quad dblquad calcola integrali doppi triplequad calcola integrali tripli

Esempio: Calcolare l’integrale di sin(x) tra 0 e 1 con una tolleranza minima di 10^-6. q=quad('sin(x)',0,1,10^(-6));

Interpolazione (interp1, interp2, ecc.) Con Matlab è possibile interpolare una funzione conosciuta solo in un numero finito di punti, sia essa di una, due, tre o n variabili. E’ inoltre possibile scegliere tra diversi metodi (interpolazione lineare, cubica, spline, ecc.). Per una funzione di una variabile, il comando è yy=interp1(x,y,xx); dove x e y sono due vettori contenenti le ascisse e le ordinate della funzione (i « dati » del problema), xx è il vettore contenente i punti nei quali si vuole interpolare la funzione e yy è il vettore risultante contenente i valori della funzione nei nodi specificati in xx.

ODE (ode45, ode23, ecc.) In Matlab esistono numerosi comandi per risolvere un’equazione differenziale ordinaria di primo grado. Essi possono essere usati per risolvere singole equazioni o sistemi di ODE e possono essere richiamati con un enorme numero di “options” diverse. Per semplicità proponiamo qui di seguito solo la versione base dei comandi ode23 e ode45.

Sia ode23 che ode45 implementano il metodo di Runge-Kutta, ma ode45 è più accurato. Entrambi sono schemi esplici ad un passo.

Esempio 1: Supponiamo di voler risolvere l’equazione: y’(t) = F(t,y) = t+y, t in [0,Tf] y(0) = y 0

Si procede nel seguente modo:

  1. si definisce una function F.m con l’espressione della funzione F : function dy=F(t,y) dy=t+y ;
  2. Nel main si richiama il comando: [T,Y]=ode45(@F,[0 Tf], y 0 );

plot(T,Y ,'-o')

Esempio 2 (modello preda-predatore): Supponiamo di voler risolvere l’equazione: dy 1 (t)/dt = 2y 1 -3(y 1 y 2 ), t in [0,Tf] dy 2 (t)/dt = -3y 2 +2*(y 1 *y 2 ), t in [0,Tf] y 1 (0) = 0. y 2 (0) = 0.

Si procede nel seguente modo:

  1. si definisce una function F.m con l’espressione del campo vettoriale: function dy=F(t,y); dy(1)=2y(1)-3(y(1)y(2)); dy(2)=-3y(2)+2(y(1)y(2)); dy=dy'; %l’output deve essere un vettore colonna

  2. Nel main si richiama il comando: [T,Y]=ode45(@F,[0 Tf],[0.5 0.6]); plot(T,Y(:,1),'-o') %disegna y 1 (t) hold on plot(T,Y(:,2),'-ro') %disegna y 2 (t) in rosso figure plot(Y(:,1),Y(:,2),'g') %disegna la curva (y 1 (t),y 2 (t)) in verde

Calcolo parallelo e distribuito in Matlab: Il parallel computing toolbox http://www.mathworks.co.kr/access/helpdesk/help/toolbox/distcomp/ permette le operazioni basilari di calcolo parallelo. Il comando pmode start indica a Matlab di parallelizzare tutti i comandi che supportano questa funzione.

Bibliografia:

  • D.F. Griffiths, "An Introduction to MATLAB", scaricabile da http://www.maths.dundee.ac.uk/~ftp/na- reports/MatlabNotes.pdf
  • MATLAB The Language of Technical Computing, The Math. Works, Inc