第三讲数值计算与符号计算
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实验名称:数值计算与符号运算一、实验目的与要求:1.掌握MATLAB 数值计算的基本功能,其中主要掌握矩阵的定义、矩阵的代数运算、多项式运算的函数、函数微积分的数值求解及信号处理中傅里叶变换的基本函数应用。
2.掌握MATLAB 中的符号计算的基本功能,其中主要掌握符号表达式的定义、符号矩阵的代数运算、符号方程的求解、符号函数的微积分、信号处理中傅里叶变换的函数以及符号函数的可视化。
二、实验原理、内容和步骤(一)数值计算1.求解线性方程,并进行解的验证。
2.计算以下序列。
3.两个多项式a(x )=5x 4+4x 3+3x 2+2x +1,b(x )=3x 2+1计算c(x )=a(x )*b(x ),并计算c(x )的根。
当x =2时,计算c(x )的值。
4.t 在[0,10]范围内,y(t)=e -2t sin(10t +30o ),计算y 的微分和积分,并用不同的颜色在同一张图上画出y 函数、y 的微分函数及y 的积分函数曲线。
5.t 在[0,10]范围内,对y=e -2t sin(10t +30o )+ e -3t cos(5t ) 进行快速傅立叶变换,并绘制y 的频域曲线图。
(二)符号计算1. 创建符号表达式:f =ax 3+bx 2+cx +d2.计算下列矩阵,并对结果矩阵中的元素进行化简,得到最简形式的矩阵。
3. 使用 “solve”函数,求解下列方程中的x 。
333(1)cos()0,(2)cos()0,(3)cos()0x a x x and x ax +=+=+=, 当a=0.5, 求x 的数值解。
4. 求解以下积分:322(645)ba S x x bx dx=-+-⎰5. 求解微分方程: 初始条件:2)1(,0)1(==x dt d ;2220d x dx x dt dt-+= 6.已知符号表达式12)(sin 12+=-=x g x f ,,计算当x=1时,f 的值;计算f 与g 的复合函数;求g 的逆函数。
符号计算与数值计算的结合方法研究符号计算与数值计算是计算机科学中两个重要的研究领域。
符号计算主要处理符号表达式,能够精确地求解代数方程、微积分问题等数学问题,是高级数学、科学与工程领域不可缺少的工具。
数值计算主要处理离散数据的计算问题,其应用范围非常广泛,包括科学计算、工业计算等。
符号计算和数值计算都有其独特的优缺点,它们之间的结合方法可以充分发挥它们的优势,解决更加复杂的数学问题。
一、符号计算和数值计算的优缺点符号计算和数值计算有各自的优缺点。
符号计算具有高精度、高可靠性和通用性等优点,它能够对代数方程、微积分问题等数学问题进行完全的符号化处理,获得闭合的解析式。
符号计算的缺点是其处理速度较慢,且对于复杂的数学问题难以进行符号化处理。
数值计算具有处理速度快、适用范围广等优点,其模拟了许多现实世界中的问题,能够提供数字解,而不是解析解。
数值计算的缺点是处理的数据是离散的,其精度始终受到数据离散程度的限制。
二、符号计算和数值计算的结合方法符号计算和数值计算之所以能够结合起来,是因为它们既有各自的优势和特点,又有互补的作用。
在实际应用中,符号计算和数值计算常常配合使用,以在不同场景下获得更好的计算效果。
1. 符号计算和数值计算的计算优化符号计算和数值计算的结合方法可以优化计算过程。
符号计算能够将数学问题转换为更加简洁的表达式,使得计算过程更加高效。
数值计算则能够将符号计算得到的表达式对应转化为算法,使得计算结果更加准确。
符号计算通过化简、代数替换等技术,将原本复杂的数学公式转换为更为简单的形式,从而降低计算难度。
数值计算则通过数值模拟、优化算法等技术,加速计算,提高并行化效率,增强数值计算的可靠性。
2. 符号计算和数值计算的数据在表达上的转换符号计算和数值计算的结合方法可以进行数据在表达上的转换。
符号计算的处理结果是高度抽象、形式上的,包括如多项式代数、超几何显式公式等数学结构,在特定场景下能够提供通用性的形式化解。
符号和数值混合计算北京大学数学科学学院2004级谭昌汇摘要符号和数值混合计算是一种利用数值计算方法解决符号计算问题的计算方法,它为符号计算提供了一种新的思维模式和方法。
本报告以多项式的伪除问题为一个切入点,设计傅立叶变换的方法来求解多项式的伪除问题,并证明所得结果的精确性。
这是使用数值计算的方法解决精确问题的一个新的想法,我们希望通过大量的实例检验目前流行的计算机代数系统是否使用了类似的思想和方法。
关键词:符号和数值混合计算,多项式伪除,傅立叶变换1介绍数值计算和符号计算是计算数学的两大重要体系,这两种方法各有优劣,在不同的问题中有着不同的应用。
1.1数值计算数值计算方法是人类为了求解大型的科学和工程问题而不断探索的高速高效计算方法。
数值计算的出现和发展使得很多大规模的问题得到求解,特别是计算机问世以来,越来越多看似相当繁复的计算问题在数值计算的帮助下得到了满意的解答。
数值计算方法以其快速和大规模运算为诸多问题提供了有效的计算支持。
然而,由于数值计算过程中的浮点运算会逐渐累积误差,使得计算结果并不是精确解。
在某些问题看来,一些误差是可以接受的,但对于精度要求比较高,甚至要求完全精确的计算问题来说,数值计算方法就不再适用了。
1.2符号计算为了精确的解决问题,自20世纪五六十年代开始,数学家们开始提出一种新的方法:符号计算方法,也称计计算机代数。
符号计算不再使用浮点近似来处理诸如π,e之类的数,而是使用符号来精确的代替。
这样就不存1在近似过程,也没有误差的出现,得到的结果是精确解。
当然,符号计算也有它的弱点,由于精确的需要,计算过程中将可能累积大量无法消去的符号,这使得以后的计算变慢,同时耗费更多的空间。
由于精确的代价实在太高,许多大型工程问题不可能使用符号计算的方法求解,这也在一方面限制了符号计算的实际应用。
提高速度和节省空间成为了符号计算发展的重要目标。
1.3符号和数值混合计算由于与数值计算实际的工程计算联系更加紧密,同时数值计算的发展时间也要长于符号计算,可以说,数值计算是一门更加成熟的学科,有更多有效的办法供各种问题使用。