第-2-章-matlab数值计算第一次课

第二章MATLAB数值计算本章学习目标●掌握生成特殊矩阵的方法。●掌握矩阵分析的方法。●掌握求解线性方程组的各种方法。●了解矩阵的稀疏存储方式。●掌握数据统计和分析的方法。●掌握多项式常用运算。河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成2.1.1通用的特殊矩阵● zeros函数：产生全0矩阵，即零矩阵。● ones函数：产生全1矩阵，即幺矩阵。● eye函数：产生单位矩阵，即对角线上的元素为1、其余元素为0的矩阵。● rand函数：产生0～1均匀分布的随机矩阵。● randn函数：产生均值为0、方差为1的标准正态分布随机矩阵。河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成这几个函数的调用格式相似，如果这个函数的参数是一个，那么MATLAB将会创建一个方阵，行数和列数均为这个参数；如果这个函数的参数有两个，那么第一个参数代表行数，第二个参数代表列数。下面以产生零矩阵的zeros函数为例进行说明。zeros函数的调用格式如下。●zeros(m)：产生m

×

m零矩阵。●zeros(m,n)或zeros([m,n])：产生m

×

n零矩阵。当m

=

n时，等同于zeros(m)。●zeros(m,n,p,…):生成m

×

n×p×…阶的全0阵或数组。●zeros(size(A))：产生与矩阵A同样大小的零矩阵。河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成【例2.1】分别建立3

×

3、2×

3和与矩阵A同样大小的零矩阵。（1）建立一个3

×

3的零矩阵。zeros(3)ans=000000000河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成（2）建立一个2

×

3的零矩阵。>>zeros(2,3)ans=000000（3）设A为2

×

3矩阵，则可以用zeros(size(A))建立一个与矩阵A同样大小的零矩阵。>>A=[123;456]; %产生一个2×3阶矩阵A>>zeros(size(A)) %产生一个与矩阵A同样大小的零矩阵ans=000000河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成eye函数的调用格式：●eye(n)%生成n

×

n阶单位矩阵●eye(m,n)或eye([m,n])%生成m×

n阶单位阵●eye(size(A))%生成与A同阶的单位阵ones函数的调用格式：●ones(m)：产生m

×

m阶的全1矩阵。●ones(m,n)或zeros([m,n])：产生m

×

n全1矩阵。当m

=

n时，等同于zeros(m)。●zeros(m,n,p,…):生成m

×

n×p×…阶的全1阵或数组。●zeros(size(A))：产生与矩阵A同样大小的全1矩阵。河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成rand函数其它调用格式：S=rand(‘state’)%S为包含当前状态的35个元素的向量rand(‘state’,S)%使状态重置为Srand(‘state’,0)%重置生成器到初始状态rand(‘state’,J)%对整数J，重置生成器到第J个状态rand(‘state’,sum(100*lock))%每次重置到不同状态注：randn函数的调用格式同rand河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成【例2.2】建立随机矩阵：（1）在区间[10,

30]内均匀分布的4阶随机矩阵。（2）均值为0.6、方差为0.1的4阶正态分布随机矩阵。

产生(0,1)区间均匀分布随机矩阵使用rand函数，假设得到了一组满足(0,1)区间均匀分布的随机数xi，则若想得到在任意[a,

b]区间上均匀分布的随机数，只需用yi

=

a

+

(b

−

a)xi计算即可。产生均值为0、方差为1的标准正态分布随机矩阵使用randn函数，假设已经得到了一组标准正态分布随机数xi，如果想更一般地得到均值为μ、方差为σ2的随机数，可yi

=

μ

+

σxi计算出来。河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成命令如下：a=10;b=30;x=a+(b-a)*rand(4)x=29.002627.826026.428128.436314.622825.241918.894124.764122.136919.129422.308613.525319.719610.370125.838718.1141y=0.6+sqrt(0.1)*randn(4)y=0.46320.23750.70350.41400.07330.97660.65521.29040.63960.97600.54100.55690.69100.58810.82950.6360河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成2.1.2面向特定应用的特殊矩阵1．魔方矩阵

魔方矩阵有一个有趣的性质，其每行、每列及两条对角线上的元素和都相等。对于n阶魔方阵，其元素由1，2，3，…,n^2共n^2个整数组成。MATLAB提供了求魔方矩阵的函数magic(n)，其功能是生成一个n阶魔方阵。河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成【例2.3】将101～125等25个数填入一个5行5列的表格中，使其每行、每列及对角线的和均为565。一个5阶魔方矩阵的每行、每列及对角线的和均为65，对其每个元素都加100后这些和变为565。完成其功能的命令如下：M=100+magic(5)M=117124101108115123105107114116104106113120122110112119121103111118125102109河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成2．范得蒙矩阵

范得蒙（Vandermonde）矩阵的最后一列全为1，倒数第二列为一个指定的向量，其他各列是其后列与倒数第二列的点乘积。可以用一个指定向量生成一个范得蒙矩阵。在MATLAB中，函数vander(V)生成以向量V为基础向量的范得蒙矩阵。例如：

a=vander(1:4)a=1111842127931641641河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成3．希尔伯特矩阵希尔伯特（Hilbert）矩阵是一种数学变换矩阵，它的每个元素hij

=

1/(i

+

j

−

1)。在MATLAB中，生成希尔伯特矩阵的函数是hilb(n)。希尔伯特矩阵是一个高度病态的矩阵，即任何一个元素发生微小变动，整个矩阵的值和逆矩阵都会发生巨大变化，病态程度与阶数相关。专门求希尔伯特矩阵的逆的函数invhilb(n)河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成【例2.4】求4阶希尔伯特矩阵及其逆矩阵。formatrat%以有理形式输出H=hilb(4)H=11/21/31/41/21/31/41/51/31/41/51/61/41/51/61/7H=invhilb(4)H=16-120240-140-1201200-27001680240-27006480-4200-1401680-42002800formatshort%恢复默认输出格式河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成4．托普利兹矩阵

托普利兹（Toeplitz）矩阵除第一行第一列外，其他每个元素都与左上角的元素相同。生成托普利兹矩阵的函数是toeplitz(x,y)，它生成一个以x为第一列、y为第一行的托普利兹矩阵。这里x、y均为向量，两者不必等长。

toeplitz(x)用向量x生成一个对称的托普利兹矩阵。河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成>>y=[1.11.21.31.41.5];>>x=[1234];>>toeplitz(x,y)Warning:Firstelementofinputcolumndoesnotmatchfirstelementofinputrow.Columnwinsdiagonalconflict.(Type"warningoffMATLAB:toeplitz:DiagonalConflict"tosuppressthiswarning.)>InC:\MATLAB6p5\toolbox\matlab\elmat\toeplitz.matline18ans=16/513/107/53/2216/513/107/53216/513/1043216/5河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成>>T2=toeplitz(1:4)T2=1234212332124321河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成

5．伴随矩阵

生成伴随矩阵的函数是compan(p)，其中p是一个多项式的系数向量，高次幂系数排在前，低次幂排在后。例如，为了求多项式的x^3

−

7x

+

6的伴随矩阵，可使用如下命令：

p=[1,0,-7,6];

compan(p)

ans=07-6100010

河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成6．帕斯卡矩阵

我们知道，二次项(x

+

y)^n展开后的系数随n的增大组成一个三角形表，称为杨辉三角形。由杨辉三角形表组成的矩阵称为帕斯卡（Pascal）矩阵，它的元素p1j

=

1，pi1

=

1，（i>1，j>1）。函数pascal(n)生成一个n阶帕斯卡矩阵。河南理工大学测绘学院§2.1特殊矩阵的生成

【例2.5】求(x

+

y)^4的展开式。在MATLAB命令窗口，输入命令：pascal(5)ans=

111111234513610151410203515153570矩阵次对角线上的元素1，4，6，4，1即为展开式的系数，即(x

+

y)^4

=

x^4

+

4x^3y

+

6x^2y^2

+

4xy^3

+

y^4河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析2.2.1矩阵结构变换1．对角阵只有对角线上有非0元素的矩阵称为对角矩阵，对角线上的元素都为1的对角矩阵称为单位矩阵。（1）提取矩阵的对角线元素设A为m

×

n矩阵，函数diag(A)用于提取矩阵A主对角线元素，产生一个具有min(m,n)个元素的列向量。河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析

例如：A=[1,2,3;4,5,6]A=

123456D=diag(A)D=15河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析diag(A,k)：提取第k条对角线的元素。主对角线为第0条对角线；与主对角线平行，往上为第1条，第2条，…，第n条对角线，往下为第

−

1条，第

−

2条，…，第

−

n条对角线。例如：>>A=[1,2,3;4,5,6]；>>a=diag(A,1)a=26>>b=diag(A,-1)b=4河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析（2）构造对角矩阵设V为具有m个元素的向量，diag(V,k)的功能是产生一个n

×

n（n

=

m

+

|k|）对角阵，其第k条对角线的元素即为向量V的元素。例如：diag(1:3,-1)ans=

0000100002000030河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析

省略k时，相当于k为0，其主对角线元素即为向量V的元素。例如：>>X=diag([12-14])X=1000020000-100004河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析【例2.6】先建立5

×

5矩阵A，然后将A的第一行元素乘以1，第二行乘以2，…，第五行乘以5。用一个对角矩阵左乘一个矩阵时，相当于用对角阵的第一个元素乘以该矩阵的第一行，用对角阵的第二个元素乘以该矩阵的第二行……依此类推，因此，只需按要求构造一个对角矩阵D，并用D左乘A即可。河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析命令如下：A=[1:5;2:6;3:7;4:8;5:9]D=diag(1:5);D*A%用D左乘A,对A的每行乘以一个指定常数ans=12345468101291215182116202428322530354045如果要对A的每一列元素乘以同一个数，可以用一个对角阵右乘矩阵A。河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析2．三角阵

三角阵：上三角阵和下三角阵。所谓上三角阵，即矩阵的对角线以下的元素全为0的一种矩阵，而下三角阵则是对角线以上的元素全为0的一种矩阵。与矩阵A对应的上三角阵B是与A具有相同的行数和列数的一个矩阵，并且B的对角线以上（含对角线）的元素和A对应相等，而对角线以下的元素等于0。求矩阵A的上三角阵的MATLAB函数是triu(A)。

triu(A,k)，其功能是求矩阵A的第k条对角线以上的元素。

河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析例如：>>A=[23,5,71;-45,18,4;92,-4,67];>>B=triu(A)B=2357101840067>>C=triu(A,-1)C=23571-451840-467

在MATLAB中，提取矩阵A的下三角矩阵的函数是tril(A)和tril(A,k)河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析3．矩阵的转置

MATLAB中，转置运算符是单撇号(‘)。例如：>>A=[23,5,71;-45,18,4;92,-4,67]A=23571-4518492-467>>A'ans=23-4592518-471467

河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析4．矩阵的旋转在MATLAB中，可以很方便地以90°为单位对矩阵A按逆时针方向进行旋转。函数rot90(A,k)将矩阵A旋转90°的k倍，当k为负整数时，对矩阵A按顺时针方向进行旋转；当k为1时可省略。河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析例如，将A按逆时针方向旋转90°，命令如下：A=[9,37,38;-2,31,8;0,84,5];B=rot90(A)B=

38853731849-20rot90(A,4)ans=

93738-23180845河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析5．矩阵的翻转

矩阵的翻转分左右翻转和上下翻转。对矩阵实施左右翻转是将原矩阵的第一列和最后一列调换，第二列和倒数第二列调换……依此类推。对矩阵A实施左右翻转的函数是fliplr(A)。对矩阵A实施上下翻转的函数是flipud(A)。对矩阵的dim维翻转的函数是flipdim(A,dim)。注：flipdim函数的维数dim为1时，对行翻转;dim为2时对列翻转；dim为3时，不翻转。河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析例如：>>c=[14710;25811;36912]c=147102581136912>>fliplr(c)ans=107411185212963>>flipud(c)ans=369122581114710河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析>>flipdim(c,1)ans=369122581114710>>flipdim(c,2)ans=107411185212963>>flipdim(c,3)ans=147102581136912河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析结论

flipdim的维数为1时，flipdim(A,1)与flipud(A)等价;

flipdim的维数为2时，flipdim(A,2)与fliplr(A)等价;

flipdim的维数为3时，flipdim(A,3)与rot90(A,4)等价河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析2.2.2矩阵求值1．方阵的行列式值

把一个方阵看作一个行列式，并对其按行列式的规则求值，这个值就称为矩阵所对应的行列式的值。在MATLAB中，求方阵A所对应的行列式的值的函数是det(A)。例如：>>A=[1:3;2:-1:0;12,5,9]A=

1232101259B=det(A)B=

-33河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析2．矩阵的秩与迹（1）矩阵的秩

矩阵线性无关的行数与列数称为矩阵的秩。例如：一个m×n阶矩阵A由m个行向量组成或由n个列向量组成。对于一组向量，若存在一组不全为零的数（i=1,2,…,p),使成立。则称这p个向量线性相关，否则称线性无关。对于m×n阶矩阵A，若m个行向量中有r(）个行向量线性无关，而其余为线性相关，称r为矩阵A的行秩；类似的可以定义矩阵A的列秩。矩阵的行秩与列秩必定相等，将行秩和列秩统称为矩阵的秩，有时也称为该矩阵的奇异值数。河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析

求矩阵秩的函数是rank，其调用格式是：rank(A）。例如>>c=[14710;25811;36912];>>rank(c)ans=2（2）矩阵的迹矩阵的迹即矩阵的对角线元素之和。求矩阵迹的函数是trace，其调用格式：trace(A)。例如：>>trace(c)ans=15河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析3．向量和矩阵的范数河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析函数norm用于计算矩阵或向量的范数，norm函数的格式如下。● norm(X,1)：求向量或矩阵X的1−

范数。● norm(X)、norm(X,2)：求向量或矩阵X的2−

范数。● norm(X,inf)：求向量或矩阵X的∞−

范数。河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析【例】

>>v=[-11/211/3];>>nv=[norm(v,1),norm(v),norm(v,inf)]nv=2.83331.53661.0000>>a=[539021;65-749;4713-42;18121213];>>na=[norm(a,1),norm(a),norm(a,inf)]na=35.000033.810955.0000河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析4．矩阵的条件数矩阵A的条件数等于A的范数与A的逆矩阵的范数的乘积，即。这样定义的条件数总是大于1的。条件数越接近于1，矩阵的性能越好，反之，矩阵的性能越差。A有3种范数，相应地可定义3种条件数。在MATLAB中，计算A的3种条件数的函数如下：● cond(A,1)：计算A的1−

范数下的条件数。● cond(A)或cond(A,2)：计算A的2−

范数数下的条件数。● cond(A,inf)：计算A的∞

−

范数下的条件数。

河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析例如：>>A=[16-3;412-6;2899];>>C1=cond(A)C1=116.0991>>B=[2-54;15-2;-124];>>C3=cond(B)C3=3.7515河南理工大学测绘学院§2.2矩阵分析2.2.3矩阵的特征值与特征向量

在MATLAB中，计算矩阵A的特征值和特征向量的函数是eig(A)，常用的调用格式有如下3种。● E

=

eig(A)：求矩阵A的全部特征值，构成向量E。● [V,D]

=

eig(A)：求矩阵A的全部特征值，构成对角阵D，并求A的特征向量构成V的列向量。● [V,D]

=

eig(A,'nobalance')：与第2种格式类似，但第2种格式中先对A作相似变换后求矩阵A的特征值和特征向量，而格式3直接求矩阵A的