Luận văn Giải số bằng Matlab
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
Trang
MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
NỘI DUNG ............................................................................................................ 5
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ MATLAB........................................ 5
1.1. TỔNG QUAN............................................................................................. 5
1.1.1 Chương trình....................................................................................... 7
1.1.2 Dòng lệnh ........................................................................................... 7
1.1.3 Hàm số ............................................................................................... 8
1.1.4 Biến số................................................................................................ 9
1.2. MỘT SỐ LỆNH CƠ BẢN .......................................................................... 9
1.2.1 Lệnh gán........................................................................................... 10
1.2.2 Các lệnh trên ma trận và vectơ.......................................................... 10
1.2.3 Các lệnh cấu trúc .............................................................................. 10
1.2.4 Vẽ hình............................................................................................. 12
1.2.5 Một số lệnh khác............................................................................... 13
1.2.6 Các dạng thức (format) biểu diễn số.................................................. 14
1.3. CÁC BÀI TOÁN ...................................................................................... 14
Bài 1.3.1..................................................................................................... 14
Bài 1.3.2..................................................................................................... 16
Bài 1.3.3..................................................................................................... 18
CHƯƠNG 2. ĐA THỨC TAYLOR.................................................................... 22
2.1. ĐA THỨC TAYLOR................................................................................ 22
Ví dụ 2.1.1.................................................................................................. 23
Ví dụ 2.1.2.................................................................................................. 24
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 5
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Ví dụ 2.1.3.................................................................................................. 25
Ví dụ 2.1.4.................................................................................................. 25
Ví dụ 2.1.5.................................................................................................. 26
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 27
Chương trình 2.1 ........................................................................................ 28
Chương trình 2.2 ........................................................................................ 30
2.2. SAI SỐ TRONG ĐA THỨC TAYLOR .................................................... 31
Định lý 2.2.1............................................................................................... 31
Ví dụ 2.2.2.................................................................................................. 31
Ví dụ 2.2.3.................................................................................................. 32
Ví dụ 2.2.4.................................................................................................. 33
Định lý 2.2.5............................................................................................... 35
Ghi chú 2.2.6.............................................................................................. 36
2.2.1 Chuỗi số vô hạn ................................................................................. 36
Định lý 2.2.7............................................................................................... 38
Định lý 2.2.8.............................................................................................. 38
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 39
Chương trình 2.3 ........................................................................................ 39
Chương trình 2.4 ........................................................................................ 41
2.3. TÍNH GIÁ TRỊ SỐ CỦA ĐA THỨC ........................................................ 43
Ví dụ 2.3.1.................................................................................................. 45
2.3.1 Một chương trình mẫu ....................................................................... 46
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 47
Chương trình 2.5 ........................................................................................ 48
CHƯƠNG 3. TÌM NGHIỆM ............................................................................. 51
Định lý 3.1.................................................................................................. 51
Định lý 3.2.................................................................................................. 51
Định lý 3.3.................................................................................................. 51
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 6
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
3.1. PHƯƠNG PHÁP CHIA ĐÔI .................................................................... 52
3.1.1 Mô tả phương pháp........................................................................... 52
Ví dụ 3.3.1.................................................................................................. 52
3.1.2 Đánh giá sai số.................................................................................. 53
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 53
Chương trình 3.1 ........................................................................................ 54
3.2. PHƯƠNG PHÁP NEWTON..................................................................... 56
3.1.1 Mô tả phương pháp........................................................................... 56
Ví dụ 3.2.1.................................................................................................. 57
3.1.2 Đánh giá sai số.................................................................................. 58
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 59
Chương trình 3.2 ........................................................................................ 60
3.3. PHƯƠNG PHÁP CÁT TUYẾN................................................................ 62
3.3.1 Mô tả phương pháp........................................................................... 62
Ví dụ 3.3.1.................................................................................................. 63
3.3.2 Đánh giá sai số.................................................................................. 64
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 65
Chương trình 3.3 ........................................................................................ 65
3.3.3 Hàm số Matlab fzero......................................................................... 67
CHƯƠNG 4. PHÉP NỘI SUY VÀ PHÉP TÍNH XẤP XỈ ................................ 68
4.1. PHÉP NỘI SUY ĐA THỨC .................................................................... 68
4.1.1 Đa thức nội suy................................................................................. 68
4.1.2 Sự tồn tại và duy nhất của đa thức nội suy ........................................ 68
Định lý 4.1.1............................................................................................... 68
4.1.3 Sai số nội suy và chọn nút nội suy .................................................... 69
Định lý 4.1.2............................................................................................... 69
4.1.4 Đa thức nội suy Lagrange ................................................................. 70
4.1.5 Các tỷ sai phân.................................................................................. 70
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 7
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Định lý 4.1.3............................................................................................... 71
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 71
Chương trình 4.1 ........................................................................................ 72
4.1.6 Công thức nội suy tỷ sai phân Newton.............................................. 73
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 74
Chương trình 4.2 ........................................................................................ 74
4.2. ĐA THỨC CHEBYSHEV ........................................................................ 75
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 77
Chương trình 4.3 ........................................................................................ 77
4.3. PHÉP NỘI SUY DÙNG HÀM GHÉP TRƠN (HÀM SPLINE) ................ 80
4.3.1 Phép nội suy spline ........................................................................... 81
4.3.2 Xây dựng hàm spline bậc 3 nội suy................................................... 81
Ví dụ 4.3.1.................................................................................................. 82
4.3.3 Chương trình MATLAB spline ......................................................... 83
4.4. BÀI TOÁN XẤP XỈ HÀM THỰC NGHIỆM ........................................... 84
4.4.1 Trường hợp f(x)=Ax+B .................................................................... 84
Ví dụ 4.4.1.................................................................................................. 85
4.4.2 Trường hợp f(x)=Ax2+Bx+C ........................................................... 85
Ví dụ 4.4.2.................................................................................................. 86
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 86
Chương trình 4.4 ........................................................................................ 86
CHƯƠNG 5. TÍCH PHÂN SỐ VÀ VI PHÂN ................................................... 88
5.1. CÔNG THỨC HÌNH THANG ................................................................. 88
5.1.1 Thiết lập công thức ........................................................................... 88
Ví dụ 5.1.1.................................................................................................. 88
Ví dụ 5.1.2.................................................................................................. 88
5.1.2 Đánh giá sai số.................................................................................. 90
Ví dụ 5.1.3.................................................................................................. 90
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 8
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
5.1.3 Nhận xét chung................................................................................. 90
Ví dụ 5.1.4.................................................................................................. 91
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 92
Chương trình 5.1 ........................................................................................ 92
5.2. CÔNG THỨC SIMPSON ........................................................................ 94
5.1.1 Thiết lập công thức ........................................................................... 94
5.1.2 Đánh giá sai số.................................................................................. 94
5.1.3 Nhận xét chung................................................................................. 95
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 96
Chương trình 5.2 ........................................................................................ 96
5.3. CÔNG THỨC TÍCH PHÂN GAUSS........................................................ 98
5.1.1 Thiết lập công thức ........................................................................... 98
5.1.2 Công thức sai số................................................................................ 99
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB....................................................................... 99
Chương trình 5.3 ........................................................................................ 99
Chú thích.................................................................................................. 100
Chương trình 5.3a..................................................................................... 102
5.4. VI PHÂN SỐ ......................................................................................... 102
5.4.1 Vi phân số dùng phép nội suy ......................................................... 103
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 105
Chương trình 5.4 ...................................................................................... 106
Chương trình 5.4a..................................................................................... 107
Chương trình 5.4b..................................................................................... 108
Chương trình 5.4c..................................................................................... 110
CHƯƠNG 6. GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH ............................ 112
6.1. PHƯƠNG PHÁP GAUSS....................................................................... 112
Ví dụ 6.1.1................................................................................................ 114
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 116
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 9
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Chương trình 6.1 ...................................................................................... 116
6.2. PHƯƠNG PHÁP NHÂN TỬ LU............................................................ 118
Định lý 6.2.1............................................................................................. 118
Ví dụ 6.2.2................................................................................................ 119
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 119
Chương trình 6.2 ...................................................................................... 119
Ví dụ 6.2.3................................................................................................ 122
Chương trình 6.2a..................................................................................... 123
6.3. PHƯƠNG PHÁP LẶP ........................................................................... 123
Định nghĩa 6.3.1....................................................................................... 124
Ví dụ 6.3.2................................................................................................ 124
Định lý 6.3.3............................................................................................. 124
Định nghĩa 6.3.4....................................................................................... 125
Định lý 6.3.5............................................................................................. 125
Ví dụ 6.3.6................................................................................................ 125
Định lý 6.3.7............................................................................................. 126
Định nghĩa 6.3.8....................................................................................... 127
Ví dụ 6.3.9................................................................................................ 128
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 131
Chương trình 6.3 ...................................................................................... 132
Chương trình 6.3a..................................................................................... 133
CHƯƠNG 7. GIẢI SỐ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN THƯỜNG .................. 135
7.1. PHƯƠNG PHÁP EULER ....................................................................... 136
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 138
Chương trình 7.1 ...................................................................................... 139
Chương trình 7.1a..................................................................................... 141
7.2. PHƯƠNG PHÁP RUNGE – KUTTA ..................................................... 142
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 145
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 10
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Chương trình 7.2 ...................................................................................... 145
7.3. PHƯƠNG PHÁP ĐA BƯỚC (MULTISTEP METHODS) ..................... 147
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 149
Chương trình 7.3 ...................................................................................... 149
7.4. BÀI TOÁN BIÊN TUYẾN TÍNH CẤP HAI........................................... 152
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 153
Chương trình 7.4 ...................................................................................... 153
CHƯƠNG 8. GIẢI SỐ PHƯƠNG TRÌNH ĐẠO HÀM RIÊNG..................... 156
8.1. BÀI TOÁN LAPLACE 1 CHIỀU ........................................................... 156
8.1.1 Bài toán .......................................................................................... 156
8.1.2 Phân rã bài toán .............................................................................. 156
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 157
Chương trình 8.1 ...................................................................................... 158
8.2. BÀI TOÁN PARABOLIC 1 CHIỀU....................................................... 159
8.2.1 Bài toán .......................................................................................... 159
8.2.2 Phân rã bài toán .............................................................................. 160
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 161
Chương trình 8.2 ...................................................................................... 161
8.3. BẬC HỘI TỤ VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN NEUMANN CỦA BÀI TOÁN
MỘT CHIỀU ............................................................................................... 165
8.3.1 Bậc hội tụ ....................................................................................... 165
8.3.2 Điều kiện biên Neumann................................................................. 167
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 168
Chương trình 8.3 ...................................................................................... 169
8.4. BÀI TOÁN LAPLACE 2 CHIỀU ........................................................... 172
8.4.1 Bài toán .......................................................................................... 172
8.4.2 Phân rã bài toán .............................................................................. 172
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 174
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 11
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Chương trình 8.4 ...................................................................................... 174
8.5. BÀI TOÁN PARABOLIC 2 CHIỀU....................................................... 179
8.5.1 Bài toán .......................................................................................... 179
8.5.2 Phân rã bài toán .............................................................................. 179
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 180
Chương trình 8.5 ...................................................................................... 180
8.6. BẬC HỘI TỤ VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN NEUMANN CỦA BÀI TOÁN HAI
CHIỀU ........................................................................................................ 186
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB..................................................................... 187
Chương trình 8.6 ...................................................................................... 187
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 191
1. NHẬN ĐỊNH CHUNG.............................................................................. 191
2. MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ....................................... 192
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 12
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Xấp xỉ Taylor của ex quanh điểm x = 0....................................................... 25
Bảng 3.1. Phương pháp chia đôi đối với ví dụ 3.1.1 .................................................... 52
Bảng 3.2. Phương pháp Newton giải x6 – x – 1 = 0 ..................................................... 58
Bảng 3.3. Phương pháp cát tuyến giải x6 – x – 1 = 0 ................................................... 64
Bảng 4.1. Các giá trị và các tỷ sai phân của cos(x)...................................................... 73
Bảng 4.2. Nội suy cos(x)............................................................................................. 74
x
Bảng 4.3. Giá trị
............................................................................... 80
max e c x
n
-1x1
Bảng 5.1. Các ví dụ về quy tắc hình thang .................................................................. 92
Bảng 5.2. Các ví dụ về quy tắc Simpson ..................................................................... 95
Bảng 6.1. Vài kết quả giải ví dụ 6.3.9 bằng phương pháp Jacobi............................... 130
Bảng 6.2. Vài kết quả giải ví dụ 6.3.9 bằng phương pháp Gauss - Seidel .................. 131
Bảng 7.1. Kết quả giải số bằng phương pháp Euler hiện với n = 0, 1, ...,10.............. 140
Bảng 7.2. Kết quả giải số bằng phương pháp Euler ẩn với n = 0, 1, ...,10................. 142
Bảng 7.3. Kết quả giải số bằng công thức (7.12) với n = 0, 1, ...,10.......................... 146
Bảng 7.4. Kết quả giải số bằng phương pháp AB2 với n = 0, 1, ...,10....................... 151
Bảng 7.5. Kết quả giải số bài toán biên tuyến tính cấp 2 với n = 0, 1, ...,10.............. 155
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 13
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Đồ thị hàm số f(x)=x2 + sin(x)..................................................................... 15
Hình 1.2. Đồ thị của y=s(x) (xanh) và y=sin(x) (đỏ).................................................... 17
Hình 1.3. .................................................................................................................... 19
Hình 1.3a. .................................................................................................................. 20
Hình 1.3b. .................................................................................................................. 21
Hình 2.1. Đồ thị xấp xỉ Taylor bậc nhất của ex quanh điểm x = 0 ................................ 23
Hình 2.2. Đồ thị xấp xỉ Taylor bậc nhất và bậc hai của ex quanh điểm x = 0 ............... 24
Hình 2.3. Đồ thị xấp xỉ Taylor của log(x)=ln(x) quanh điểm x = 1.............................. 27
Hình 2.4. Đồ thị sai số trong xấp xỉ Taylor của ex quanh điểm x = 0 ........................... 32
Hình 2.5. Đồ thị xấp xỉ Taylor của ex quanh điểm x = 0 .............................................. 41
Hình 2.6. Đồ thị sai số trong xấp xỉ Taylor của log(x)=ln(x) quanh điểm x=1 ............ 43
Hình 2.7. Các xấp xỉ Taylor của Sint(x) ..................................................................... 50
Hình 3.1. Dạng biểu đồ của phương pháp Newton ...................................................... 57
Hình 3.2. Biểu đồ của phương pháp cát tuyến: x1 x0 .......................................... 62
Hình 3.3. Biểu đồ của phương pháp cát tuyến: x1 x0 .......................................... 63
Hình 4.1. Đồ thị thể hiện hàm nội suy......................................................................... 79
Hình 4.2. Đồ thị dáng điệu của sai số trong phép nội suy ............................................ 80
Hình 4.3. Đồ thị của đa thức thực nghiệm f (màu xanh) và các điểm dữ kiện (màu
đỏ) .............................................................................................................................. 87
Hình 5.1. Đồ thị của f, f’, f” và f”’ ............................................................................ 107
Hình 5.2. Đồ thị thể hiện các điểm (x) để f3=0.......................................................... 108
Hình 5.3. Đồ thị biểu thị điểm cực tiểu của hàm f ..................................................... 110
Hình 5.4. Đồ thị biểu hiện độ lệch của f và k............................................................. 111
Hình 7.1. Giải số (màu xanh), giải chính xác (màu đỏ).............................................. 141
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 14
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Hình 7.2. Giải số (màu xanh), giải chính xác (màu đỏ).............................................. 142
Hình 7.3. Giải số (màu xanh), giải chính xác (màu đỏ).............................................. 147
Hình 7.4. Giải số (màu xanh), giải chính xác (màu đỏ).............................................. 151
Hình 7.5. Giải số (màu xanh), giải chính xác (màu đỏ).............................................. 155
Hình 8.1. Giải số (màu xanh), giải chính xác (màu đỏ).............................................. 159
Hình 8.2a. Giải số (màu xanh), giải chính xác (màu đỏ)............................................ 163
Hình 8.2b. Giải số (màu xanh), giải chính xác (màu đỏ)............................................ 164
Hình 8.3a. Đây là đồ thị của –ln(error(h)) VS –ln(h)................................................. 166
Hình 8.3b. Giải số với N=10 (màu xanh), giải chính xác (màu đỏ)............................ 170
Hình 8.4a. Đây là phép giải số .................................................................................. 177
Hình 8.4b. Đây là phép giải chính xác....................................................................... 177
Hình 8.4c. Đây là đồ thị của phép giải số .................................................................. 178
Hình 8.4d. Đây là đồ thị của phép giải chính xác ...................................................... 178
Hình 8.5a. Đây là đồ thị của phép giải số .................................................................. 183
Hình 8.5b. Đây là đồ thị của phép giải chính xác ...................................................... 184
Hình 8.5c. Đây là đồ thị của phép giải số .................................................................. 185
Hình 8.5d. Đây là đồ thị của phép giải chính xác ...................................................... 185
Hình 8.6a. Đây là đồ thị của lời giải số thứ nhất........................................................ 189
Hình 8.6b. Đây là đồ thị của lời giải số thứ hai.......................................................... 189
Hình 8.6c. Đây là đồ thị của lời giải chính xác.......................................................... 190
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 15
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
MỞ ĐẦU
Giải tích số hiện đang phát triển mạnh và càng mạnh hơn với sự phát triển
cực kỳ nhanh của tin học. Công nghệ tin học và giải tích số có vai trò rất quan
trọng trong các lĩnh vực, ngay cả trong thị trường chứng khoán đang mới nổi ở
Việt Nam và diễn biến rất gay gắt hiện nay trong nền kinh tế thị trường, cũng phải
nghiên cứu nhiều bài toán phương trình vi tích phân ngẫu nhiên mà không thể
không sử dụng kiến thức về giải tích số và tin học ứng dụng. Ở đây chúng tôi
không đi vào nghiên cứu bài toán về thị trường chứng khoán mà chỉ muốn nói rõ
vai trò của giải tích số và tin học.
Thực tế hiện nay: Giải tích số, các phương pháp tính trình bày đơn thuần
bằng kiến thức toán thì tài liệu và sách hiện nay có rất nhiều và phổ biến. Tài liệu
và sách về giải số các bài toán bằng các chương trình máy tính hiện cũng đã có
nhưng bằng MATLAB thì không nhiều và chương trình MATLAB được đưa vào
còn rời rạc và chưa hướng dẫn cho người đọc cách thực hiện một chương trình cụ
thể như thế nào.
Trong khi đó, MATLAB – là phần mềm nổi tiếng của công ty MathWorks,
là một ngôn ngữ hiệu năng cao cho tính toán kỹ thuật. Nó tích hợp tính toán, hiện
thị và lập trình trong một môi trường dễ sử dụng. Các ứng dụng tiêu biểu của
MATLAB bao gồm: hỗ trợ toán học và tính toán; phát triển thuật toán; mô hình,
mô phỏng; phân tích, khảo sát và hiển thị số liệu; đồ họa khoa học và kỹ thuật;
phát triển ứng dụng với giao diện đồ họa.
Ngoài MATLAB cơ bản với các khả năng rất phong phú, phần mềm
MATLAB còn được trang bị thêm các ToolBox – các gói chương trình (thư viện)
cho các lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng như xử lý tín hiệu, nhận dạng hệ thống, xử
lý ảnh, mạng nơ ron, logic mờ, tài chính, tối ưu hóa, phương trình đạo hàm riêng,
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 16
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
sinh tin học,... Đây là các tập hợp mã nguồn viết bằng chính MATLAB dựa theo
các thuật toán mới, hữu hiệu mà người dùng có thể chỉnh sửa hoặc bổ sung thêm
các hàm mới. MATLAB được thiết kế để giải các bài toán bằng số chứ không
nhằm mục đích chính là tính toán ký hiệu như MATHEMATICA và MAPLE. Tuy
nhiên, trong MATLAB cũng có thể tính toán ký hiệu được nhờ các hàm trong
Symbolic Math ToolBox.
Trên thế giới, MATLAB được cộng đồng hàn lâm trên thế giới chấp nhận
rộng rãi như một công cụ phục vụ cho giảng dạy, nghiên cứu toán học và phát
triển các ứng dụng kỹ thuật. Hơn 3500 trường đại học nhất là các trường đại học
kỹ thuật đã đưa MATLAB vào giảng dạy và nghiên cứu. Hiện nay đã có trên 700
đầu sách về MATLAB dành cho giáo viên, sinh viên và các nhà chuyên môn. Ở
Việt nam, theo chúng tôi được biết, MATLAB đã được đưa vào giảng dạy cho
sinh viên, học viên cao học hoặc giới thiệu tại một số khoa, trường đại học và cũng
đã xuất bản một số đầu sách về MATLAB dành cho sinh viên các khối khoa học
và kỹ thuật. Tuy nhiên mức độ phổ biến của MATLAB chưa phải là cao. Nhất là ở
đồng bằng sông Cửu Long.
Với ưu thế về tính toán số trị MATLAB rất thích hợp cho việc giảng dạy
môn học giải tích số, các phương pháp số - môn học không thể thiếu được đối với
sinh viên toán, lý, công nghệ thông tin và các ngành kỹ thuật. Việc sử dụng
MATLAB để lập trình các thuật toán của môn học này có cái lợi là đơn giản, dễ
dàng vẽ các đồ thị để hiện thị kết quả và kiểm tra kết quả các chương trình tự viết
so với kết quả của các hàm đã cài đặt sẵn vì MATLAB cơ bản chứa đựng rất nhiều
các hàm tính toán toán học. Từ đó, góp phần nâng cao năng lực dạy và học toán
trong các trường Đại học, đặc biệt là môn học giải tích số và phương pháp tính.
Chính vì thế, PGS.TS ĐẶNG ĐỨC TRỌNG đã khuyên tôi nên chọn đề tài
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 17
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
“GIẢI SỐ BẰNG MATLAB”.
Trong luận văn này, chúng tôi sẽ trình bày sơ lược (không đi sâu) về lý
thuyết giải số mà chú trọng vào các chương trình MATLAB để giải quyết bài toán
số.
Để thực hiện luận văn này, chúng tôi đã tham khảo tài liệu có liên quan
trong và ngoài nước, phân tích, chọn lọc và hệ thống hoá thành cơ sở lý luận phục
vụ cho đề tài. Ngoài ra, chúng tôi còn sử dụng công nghệ thông tin, internet.
Khi nhận được lời khuyên từ PGS.TS ĐẶNG ĐỨC TRỌNG về đề tài này,
tôi bắt đầu tìm hiểu sơ lược về đề tài, chọn đề tài. Sau đó, nghiên cứu những tài
liệu có liên quan rồi phân tích, tổng hợp, chọn lọc những nội dung cơ bản phục vụ
cho đề tài. Lập đề cương dự kiến, tìm hiểu và chạy thử một số chương trình
MATLAB. Tiến hành sắp xếp lại các vấn đề, điều chỉnh, bổ sung các đoạn chương
trình và viết hoàn chỉnh thành nội dung của luận văn.
Nội dung của luận văn được chia thành 8 chương. Chương 1, giới thiệu sơ
lược về MATLAB, một số đặc tính và một số lệnh được sử dụng trong các chương
trình MATLAB trong luận văn này. Chương 2, trình bày đa thức Taylor, cách thiết
lập, cách xác định giá trị và sai số của đa thức Taylor, và cách ước lượng đa thức.
Chương 3, trình bày một số phương pháp tìm nghiệm thực của phương trình phi
tuyến, phương pháp chia đôi, phương pháp Newton và phương pháp cát tuyến.
Chương 4, phép nội suy và phép tính xấp xỉ, trong phần này chúng tôi trình bày
phép nội suy đa thức, đa thức Chebyshev, phép nội suy dùng hàm ghép trơn và bài
toán xấp xỉ hàm thực nghiệm. Chương 5, tích phân số và vi phân, chúng tôi trình
bày một số công thức tính tích phân, công thức hình thang, công thức Simpson và
công thức tích phân Gauss, và sơ lược về vi phân số. Chương 6, một số phương
pháp giải hệ phương trình tuyến tính như là phương pháp Gauss, phương pháp
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 18
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
nhân tử LU và phương pháp lặp. Chương 7, một số phương pháp giải số phương
trình vi phân thường như là phương pháp Euler, phương pháp Runge – Kutta và
phương pháp đa bước đối với phương trình vi phân tuyến tính cấp một, và giải bài
toán biên tuyến tính cấp hai. Chương 8, giải số phương trình đạo hàm riêng dựa
trên cơ sở phân rã các bài toán, bài toán Laplace và bài toán Parabolic một chiều
và hai chiều cùng với việc đánh giá bậc hội tụ và điều kiện Neumann của nó.
Nhìn chung nội dung luận văn đã trình bày tương đối đầy đủ các nội dung
chương trình của môn học giải tích số cũng như môn học phương pháp tính của
sinh viên chuyên ngành toán, sinh viên bách khoa và sinh viên ngành kỹ thuật.
Cùng với các chương trình MATLAB ở từng mục sẽ tạo nên một phong cách tươi
mới hơn, tích cực hơn, hiệu quả và hiện đại hơn trong việc dạy và học môn giải
tích số cũng như môn phương pháp tính. Góp phần nâng cao năng lực dạy và học
toán trong các trường đại học. Đây cũng là mục tiêu hướng tới của chúng tôi khi
thực hiện luận văn này.
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 19
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ MATLAB
1.1. TỔNG QUAN
Như đã biết, MATLAB được thiết kế để giải các bài toán bằng số chứ
không nhằm mục đích chính là tính toán ký hiệu như MATHEMATICA và
MAPLE. Tuy nhiên, trong MATLAB cũng có thể tính toán ký hiệu được nhờ các
hàm trong Symbolic Math ToolBox (chúng tôi không trình bày cụ thể lý thuyết
phần này mà chỉ chú trọng phần lập trình).
Tên của phần mềm MATLAB là viết tắt của thuật ngữ “MATrix
LABoratory”, được Cleve Moler phát minh vào cuối thập niên 1970, và sau đó là
chủ nhiệm khoa máy tính tại Đại học New Mexico. Đầu tiên nó được viết bằng
FORTRAN để cung cấp truy nhập dễ dàng tới phần mềm ma trận được phát triển
bởi các dự án LINPACK và EISPACK. Sau đó nó được viết bằng ngôn ngữ C trên
cơ sở các thư viện và phát triển thêm nhiều lĩnh vực của tính toán khoa học và các
ứng dụng kỹ thuật.
Steve Bangert là người đã viết trình thông dịch cho MATLAB. Công việc
này kéo dài gần 1½ năm. Sau này, Jack Little kết hợp với Moler và Steve Bangert
quyết định đưa MATLAB thành dự án thương mại - công ty The MathWorks ra
đời thời gian này – năm 1984.
Năm 2004 MATLAB 7 phát hành, có khả năng chính xác đơn và kiểu
nguyên, hỗ trợ hàm lồng nhau, công cụ vẽ điểm, và có môi trường phân tích số
liệu tương tác. Đến tháng 12 năm 2008, phiên bản 7.7 được phát hành với SP3 cải
thiện Simulink cùng với hơn 75 sản phẩm khác.
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 20
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Một số đặc trưng chính của MATLAB:
MATLAB là ngôn ngữ thông dịch. Vì thế nó có thể làm việc ở hai chế độ:
tương tác và lập trình. Trong chế độ tương tác MATLAB thực hiện từng lệnh được
gõ trong cửa sổ lệnh sau dấu nhắc lệnh và kết quả tính toán được hiện ngay trong
cửa sổ này, còn đồ thị được hiện trong một cửa sổ khác. Lệnh tương tác có thể là
đơn giản, thí dụ tính sin(1.5) hoặc vẽ fplot('sin(1 ./ x)', [0.01 0.1]), có thể là cấu
trúc điều kiện, thí dụ if x<=0; y=0; else; y=1; end hoặc các cấu trúc lặp xác định
và không xác định. Trong chế độ lập trình một tập lệnh được soạn thảo và ghi
thành một têp đuôi .m (m-file). Các hàm cũng được tổ chức thành các m-file. Một
chương trình có thể gồm nhiều m-file. Để chạy chương trình chỉ cần gõ tên m-file
chính trong cửa sổ lệnh rồi Enter.
Các hàm trong MATLAB cơ bản (không kể các thư viện chuyên dụng được
gọi là các ToolBox) được chia làm 2 loại: hàm trong và hàm ngoài. Các hàm trong
là các hàm được cài đặt sẵn (built-ins) tức là tồn tại dưới dạng mã nhị phân nên ta
không thể xem được mã nguồn của chúng, thí dụ các hàm sin, sqrt, log, clear,
clc,.... Đây là các hàm hay được sử dụng hoặc các hàm đòi hỏi nhiều thời gian xử
lý. Các hàm ngoài là các hàm tồn tại dưới dạng mã nguồn mà người dùng có thể
tham khảo hoặc chỉnh sửa, bổ sung khi cần thiết, thí dụ log10, ode23, fzero,...
Phần tử dữ liệu chính của MATLAB là các ma trận (mảng) mà kích thước
của chúng không cần khai báo trước như trong các ngôn ngữ lập trình khác. Tuy
nhiên, để tăng tốc độ xử lý cần báo trước cho MATLAB biết kích thước tối đa của
mảng để phân bổ bộ nhớ bằng một lệnh gán, chẳng hạn A(20,30)=0.
Các khả năng chính của MATLAB cơ bản:
Thực hiện các tính toán toán học bao gồm: ma trận và đại số tuyến tính, đa
thức và nội suy, phân tích số liệu và thống kê, tìm cực trị của hàm một biến hoặc
nhiều biến, tìm nghiệm của phương trình, tính gần đúng tích phân, giải phương
trình vi phân…
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 21
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Đồ họa 2 chiều và 3 chiều: MATLAB cung cấp rất nhiều các hàm đồ họa,
nhờ đó ta có thể nhanh chóng vẽ được đồ thị của hàm bất kỳ 1 biến hoặc 2 biến, vẽ
được các kiểu mặt, các contour, trường vận tốc,...Ngoài ra MATLAB còn vẽ rất
tốt các đối tượng 3 chiều phức tạp như hình trụ, hình cầu, hình xuyến,..và cung cấp
khả năng xử lý ảnh và hoạt hình.
Xây dựng giao diện người dùng: với MATLAB 7 người dùng có thể dễ
dàng xây dựng giao diện gồm các thực đơn, nút lệnh, hộp thoại, hộp chọn,...mà
không cần phải viết mã như các phiên bản trước đây.
1.1.1 Chương trình
Một chương trình MATLAB thường được soạn trong các M-file (các file
có đuôi .m).
Để chạy các dòng lệnh trong file xyz.m nào đó, ta vào cửa sổ làm việc và
gõ xyz rồi Enter. Lưu ý: lúc này đường dẫn tới thư mục chứa file xyz.m (và các
file liên quan) phải được khai báo trong Current Directory của MATLAB. Khi
mới khởi động, thư mục này mặc định là Work trong chỗ cài đặt Matlab (thường
là C:\MATLAB7\work).
1.1.2 Dòng lệnh
Các dòng lệnh trong MATLAB được thực hiện tiếp nối nhau. Mỗi dòng
lệnh thông thường có thể có dấu “ ; ” ở cuối hoặc không. Nếu dòng lệnh không có
dấu “ ; ” ở cuối thì kết quả sẽ được xuất ra. Trong trường hợp không muốn nhìn
các kết quả trung gian mà chỉ muốn xem kết quả cuối cùng, ta sử dụng dấu “ ; ”
cho các dòng lệnh mà ta không muốn xem kết quả.
Ví dụ: dòng lệnh x=1+2 sẽ xuất ra x=3. Tuy nhiên dòng lệnh x=1+2; sẽ không
xuất ra gì hết (mặc dù giá trị của biến x bây giờ là 3).
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 22
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Nếu muốn loại bỏ một dòng lệnh khi chạy chương trình, ta có thể để dấu %
ở đầu dòng lệnh. Thông thường dấu % được sử dụng để ghi các chú thích (chỉ
dùng cho người đọc, máy không thực thi).
1.1.3 Hàm số
Ta có quyền viết sin(2) vì hàm sin là một hàm đã có sẵn trong thư viện
MATLAB. Ngoài ra ta có quyền định nghĩa thêm các hàm mới, và sau khi định
nghĩa thì ta có quyền sử dụng các hàm mới này y hệt như các hàm cơ bản như hàm
sin.
Hàm số xyz được viết trên file xyz.m, có cú pháp kiểu như:
function a=xyz(b,c)
% day la ham xyz
Trong đó b, c là các dữ liệu nhập vào, a là giá trị trả về (trong chương trình sẽ
có ít nhất một lệnh gán, chẳng hạn a = b + c;), dòng chữ day la ham xyz là chú
thích về công dụng của hàm xyz.
Ví dụ: ta thành lập một hàm đổi độ sang radian
function rad=change(do)
rad=do*pi/180;
% day la ham doi do sang radian.
% doi do sang radian.
Đặt tên file là change.m. Nếu ta đổi 45 độ sang radian, chỉ cần gõ:
>> rad=change(45)
Rồi nhấn Enter sẽ cho ta kết quả
rad =
0.7854
Bây giờ ta thử tạo hàm giải phương trình bậc hai ax2 bx c 0, với tên
file là bachai.m. Trong đó a, b, c được đưa vào khi gọi chương trình.
function [x1,x2]=bachai(a,b,c)
delta=b^2-4*a*c;
x1=(-b-sqrt(delta))/(2*a); x2=(-b+sqrt(delta))/(2*a);
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 23
Luận văn Thạc sĩ Toán học
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Đức Trọng
Khi chạy chương trình từ Command Windo, ta gõ
>>[x1,x2]=bachai(4,6,-7)
MATLAB sẽ chạy chương trình giải phương trình bậc hai với a=4, b=6,
c=-7, và cho kết quả là
x1=
-2.2707
x2=
0.7707
Ta cũng có thể lập hàm để giải phương trình bậc hai với các hệ số thay đổi
được nhập từ bàn phím theo yêu cầu của từng phương trình.
Để xem công dụng của một hàm số xyz (là hàm có sẵn trong thư viện hoặc
do ta tự định nghĩa), ta vào cửa sổ làm việc và gõ help xyz rồi Enter. Ta sẽ được
xem các chú thích trong file xyz.m.
1.1.4 Biến số
Các biến được ký hiệu bằng một ký tự hoặc 1 chuỗi ký tự. MATLAB phân
biệt chữ thường và chữ hoa.
Các biến thông thường được định nghĩa trong 1 file được gọi là biến địa
phương (local variable). MATLAB cũng cho phép sử dụng một số biến toàn cục
(global variable). Biến toàn cục xx phải được khai báo là global xx, trong tất cả
các file mà xx xuất hiện, có một file định nghĩa xx, chẳng hạn gán xx=3.
Biến i và j được mặc định là số ảo đơn vị (i^2=-1). Tuy nhiên, nếu ta dùng
lệnh gán i=3 thì biến i sẽ mang giá trị 3.
1.2. MỘT SỐ LỆNH CƠ BẢN
Thư viện có sẵn của MATLAB rất phong phú và có thể tự học các lệnh
trong MATLAB một cách dễ dàng bằng cách vào phần Help (hoặc bấm F1) của
Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Lâm
Đề tài: GIẢI SỐ BẰNG MATLAB
Trang 24
Tải về để xem bản đầy đủ
204 trang
21420
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Giải số bằng Matlab", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_giai_so_bang_matlab.pdf
