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文檔簡介
數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課后習(xí)題解答
配套教材:王向東戎海武文翰編著數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)
王汝軍編寫
實(shí)驗(yàn)一曲線繪圖
【練習(xí)與思考】
畫出下列常見曲線的圖形。
以直角坐標(biāo)方程表示的曲線:
1.立方曲線>=/
clear;
x=-2:0.1:2;
y=x.A3;
plot(x,y)
2.立方拋物線丁=1
clear;
y=-2:0.1:2;
x=y.A3;
plot(x,y)
gridon
3.高斯曲線ke
clear;
x=-3:0.1:3;
y=exp(-x.A2);
plot(x,y);
gridon
%axisequal
以參數(shù)方程表示的曲線
2
4.奈爾拋物線x=「,y=產(chǎn)曰=/)
clear;
t=-3:0.05:3;
x=t.A3;y=t.A2;
plot(x,y)
axisequal
gridon
5.半立方拋物線X=*,y=f3(y2=x3)
clear;
t=-3:0.05:3;
x=t.A2;y=t.A3;
plot(x,y)
%axisequal
gridon
3at3at2
6.迪卡爾曲線x=(尤3+y3―^axy-0)
1+產(chǎn)1+r
clear;
a=3;t=-6:0.1:6;
x=3*a*t./(l+t.A2);
y=3*a*t.A2./(l+t.A2);
plot(x,y)
233
7.蔓葉線%=%(y2=-^-)
1+,1+ECl—X
clear;
a=3;t=-6:0,1:6;
x=3*a*t.A2./(l+t.A2);
y=3*a*t.A3./(l+t.A2);
plot(x,y)
60廠-
40
20
0
-20
-40
-60
0123456789
8.擺線x=a(t-sint),y=b(l-cos/1)
clear;clc;
a=l;b=l;
t=0:pi/50:6*pi;
x=a*(t-sin(t));
y=b*(l-cos(t));
plot(x,y);
axisequal
gridon
31
9.內(nèi)擺線(星形線)x=6/costyy=asin1(x^+=a^)
clear;
a=l;
t=0:pi/50:2*pi;
x=a*cos(t).A3;
y=a*sin(t).A3;
plot(x,y)
1r-----------------------------------------------------------------------------------------------------------"J
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1-------------------------------------------------------1-------------------------------------------------------
?1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81
10.圓的漸伸線(漸開線)x=a(cosZ+rsint),y=a(sint-tcost)
clear;
a=l;
t=0:pi/50:6*pi;
x=a*(cos(t)+t.*sin(t));
y=a*(sin(t)+t.*cos(t));
plot(x,y)
gridon
11.空間螺線x=acost.y=bsint,z=ct
clear
a=3;b=2;c=l;
t=0:pi/50:6*pi;
x=a*cos(t);
y=b*sin(t);
z=c*t;
plot3(x,y,z)
gridon
以極坐標(biāo)方程表示的曲線:
12.阿基米德線r—a(p,r>0
clear;
a=l;
phy=0:pi/50:6*pi;
rho=a*phy;
polar(phy,rho/r-*r)
13.對數(shù)螺線r=e"。
clear;
a=0.1;
phy=0:pi/50:6*pi;
rho=exp(a*phy);
polar(phy,rho)
14.雙紐線r2=a2cos2(p((x2+y2)2=a2(x2-y2))
clear;
a=l;
phy=-pi/4:pi/50:pi/4;
rho=a*sqrt(cos(2*phy));
polar(phy,rho)
holdon
polar(phy<rho)
15.雙紐線r~=a~sin2(p((x2+y2)2=2a2xy)
clear;
a=l;
phy=0:pi/50:pi/2;
rho=a*sqrt(sin(2*phy));
polar(phy,rho)
holdon
polar(phy<rho)
16.四葉玫瑰線r=6/sin2(p,r>0
clear;close
a=l;
phy=0:pi/50:2*pi;
rho=a*sin(2*phy);
polar(phy,rho)
17?二葉玫瑰線r—asin3(p,r>0
clear;close
a=l;
phy=0:pi/50:2*pi;
rho=a*sin(3*phy);
polar(phy,rho)
18.三葉玫瑰線r-tzcos3^,r>0
clear;close
a=l;
phy=0:pi/50:2*pi;
rho=a*cos(3*phy);
polar(phy,rho)
實(shí)驗(yàn)二極限與導(dǎo)數(shù)
【練習(xí)與思考】
1.求下列各極限
(1)lim(l--)n(2)limVn3+3"(3)+2-27^71+4)
M—>00幾〃一>8〃一>8
clear;
symsn
yl=limit((l-l/n)An,n,inf)
y2=limit((nA3+3An)A(l/n),n,inf)
y3=limit(sqrt(n+2)-2*sqrt(n+l)+sqrt(n),n,inf)
yl=l/exp(1)
y2=3
y3=0
(4)lim(-------------)(5)limxcot2x(6)lim(Jx2+3x-x)
XiX~~1X-lXTOXT8
clear;
symsx;
y4=limit(2/(xA2-l)-l/(x-l),x;l)
y5=limit(x*cot(2*x),x,0)
y6=limit(sqrt(xA2+3*x)-x,x,inf)
y4=-1/2
y5=1/2
y6=3/2
(7)lim(cos—)J(8)lim(-———)(9)lim^1+—1
XT8XXTlXeX-1I。X
clear;
symsxm
y7=limit(cos(m/x),x,inf)
y8=limit(l/x-l/(exp(x)-l),x,l)
y9=limit(((l+x)A(l/3).l)/x,x,0)
y7=1
y8=(exp(1)-2)/(exp(1)-1)
y9=1/3
2.考慮函數(shù)
/(x)=3x2sin(x3),-2<x<2
作出圖形,并說出大致單調(diào)區(qū)間;使用diff求廣(x),并求/(x)確切的單調(diào)區(qū)間。
clear;close;
symsx;
f=3*xA2*sin(xA3);
ezplot(邙?2,2])
gridon
大致的單調(diào)增區(qū)間:[2?1刃,[?1.3,1.2],[1.7,2];
大致的單點(diǎn)減區(qū)間:[-1.7,-L3],[L2,L7];
fl=diff(f,xj)
ezplot(fl9[-2,2])
line([-5,5],[0,0])
gridon
axis([-2.1,2.l,?60,120])
fl=
6*x*sin(xA3)+9*xA4*cos(xA3)
用fzero函數(shù)找f\x)的零點(diǎn),即原函數(shù)/(x)的駐點(diǎn)
xl=fzero(,6*xH:sin(xA3)+9*xA4*cos(xA3)\[-2,-1.7])
x2=fzero(/6*x*sin(xA3)+9*xA4*cos(xA3)\[-1.7,-1.5])
x3=fzero(*6*x*sin(xA3)+9*xA4*cos(xA3)\[-1.5<l.l])
x4=fzero(/6*x*sin(xA3)+9*xA4*cos(xA3)\0)
x5=fzero(*6*x*sin(xA3)+9*xA4*cos(xA3)\[l,l-5])
x6=fzero(*6*x*sin(xA3)+9*xA4*cos(xA3)\[1.5,1.7])
x7=fzero(*6*x*sin(xA3)+9*xA4*cos(xA3)\[1.7,2])
xl=
-1.9948
x2=
-1.6926
x3=
-1.2401
x4=
0
x5=
1.2401
x6=
1.6926
x7=
1.9948
確切的單調(diào)增區(qū)間:[-1.9948,-1.6926],[-1.2401,1.2401],[1.6926,1.9948]
確切的單調(diào)減區(qū)間:[-2,-1.9948],[-1.6926,-1.24011,[1.2401,1.6926],[1.9948,2]
3.對于下列函數(shù)完成下列工作,并寫出總結(jié)報(bào)告,評論極值與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系,
⑴作出圖形,觀測所有的局部極大、局部極小和全局最大、全局最小值點(diǎn)的粗略
位置;
(il)求_f(x)所有零點(diǎn)(即/(x)的駐點(diǎn));
(iii)求出駐點(diǎn)處/(x)的二階導(dǎo)數(shù)值;
(iv)用fmin求各極值點(diǎn)的確切位置;
(v)局部極值點(diǎn)與/'(x)J"(x)有何關(guān)系?
(1)/(%)=x2sin(x2-x-2),xe[-2,2]
(2)/(x)=3x5-20x3+1(),XG[-3,3]
(3)/(x)=|x3-x2-x-2|,xe[0,3]
clear;close;
symsx;
f=xA2*sin(xA2-x-2)
ezplot(f,[-2,2])
gridon
f=
x人2*sin(x人2-x-2)
局部極大值點(diǎn)為:-1.6,局部極小值點(diǎn)為為:-0.75,-1.6
全局最大值點(diǎn)為為:-1.6,全局最小值點(diǎn)為:-3
fl=diff(f,x,l)
ezplot(fl,[-2,2])
line([-5,5],[0,0])
gridon
axis([-2,1,2.1,-6,201)
fl=
2*x*sin(xA2-x-2)+xA2*cos(x^2-x-2)*(2*x-1)
用fzero函數(shù)找f(x)的零點(diǎn),即原函數(shù)/(x)的駐點(diǎn)
xl=fzero(/2*x*sin(xA2-x-2)+xA2*cos(xA2-x-2)*(2*x-l)\[-2,-1.2])
x2=fzero(,2*x*sin(xA2-x-2)+xA2*cos(xA2-x-2)*(2*x-l)\[-1.2,-0.5])
x3=fzero(/2*x*sin(xA2-x-2)+xA2*cos(xA2-x-2)*(2*x-l),,[-0.5,1.2])
x4=fzero(,2*x*sin(xA2-x-2)+xA2*cos(xA2-x-2)*(2*x-l)\[1.2,2])
xl=
-1.5326
x2=
-0.7315
x3=
-3.2754e-027
x4=
1.5951
ff=@(x)X.A2.*sin(x.A2-x-2)
ff(-2),ff(xl),ff(x2),ff(x3),ff(x4),ff⑵
ff=
@(x)x.A2.*sin(x.A2-x-2)
ans=
-3.0272
ans=
2.2364
ans=
-0.3582
ans
-9.7549e-054
ans=
-2.2080
ans=
0
實(shí)驗(yàn)三級數(shù)
【練習(xí)與思考】
1.用taylor命令觀測函數(shù)y=/(x)的Maclaurin展開式的前幾項(xiàng),然后在同一坐
標(biāo)系里作出函數(shù)y=/(x)和它的Taylor展開式的前幾項(xiàng)構(gòu)成的多項(xiàng)式函數(shù)的圖形,
觀測這些多項(xiàng)式函數(shù)的圖形向y=/(x)的圖形的逼近的情況
(1)f(x)=arcsinx
clear;
symsx
y=asin(x);
yl=taylor(y,0,l)
y2=taylor(y,0,5)
y3=taylor(y,0,10)
y4=taylor(y,0,15)
y=subs(y,x);
yl=subs(yl,x);
y2=subs(y2,x);
y3=subs(y3,x);
y4=subs(y4,x);
plot(x,y,x,yl,':,,x,y2,'-.',x,y3,,-',x,y4,':','linewidth',3)
yl=
0
y2=
x-3/6+x
y3=
AAA
(35*x9)/1152+(5*x7)/112+(3*x、5)/40+x3/6+x
y4=
(231*xA13)/13312+(63*xAll)/2816+(35*x"9)/1152+(5*xA7)/112+
A
(3*x5)/40+x人3/6+x
(2)f(x)=arctanx
clear;
symsx
y=atan(x);yl=taylor(y,0,3)
y2=taylor(y,0,5),y3=taylor(y,0,10),y4=taylor(y,0,15)
x=-l:0.1:l;
y=subs(y,x);yl=subs(yl,x);y2=subs(y2,x);
y3=subs(y3,x);y4=subs(y4,x);
plot(x,y,x,yl,':',x,y2,'-.',x,y3,'-,,x,y4,':','linewidth',3)
yi=
X
y2=
x-xA3/3
y3=
x-9/9-xA7/7+xA5/5-xA3/3+x
y4=
AAA
x人13/13-xll/ll+x人9/9-x7/7+x5/5-x人3/3+x
4
⑶/(x)=e,
clear;
symsx
y=exp(xA2);
yl=taylor(y,0,3)
y2=taylor(y,0,5)
y3=taylor(y,0,10)
y4=taylor(y,0,15)
x=-l:0.1:l;
y=subs(y,x);
yl=subs(yl,x);
y2=subs(y2,x);
y3=subs(y3,x);
y4=subs(y4,x);
plot(x,y,x,yl,3,'linewidth',3)
yi=
x-2+1
y2=
x八4/2+x-2+1
y3=
xA8/24+xA6/6+xA4/2+xA2+1
y4=
AAAAA
x人14/5040+x12/720+x10/120+x8/24+x6/6+x人4/2+x2+1
(4)/(x)=sin2x
clear;
symsx
y=sin(x)A2;
yl=taylor(y,0,l)
y2=taylor(y,0,5)
y3=taylor(y,0,10)
y4=taylor(y,0,15)
x=-pi:0.1:pi;
y=subs(y,x);
yl=subs(yl,x);
y2=subs(y2,x);
y3=subs(y3,x);
y4=subs(y4,x);
plot(x,y,x,yl,3,'linewidth',3)
yi=
o
y2=
x-2-X-4/3
y3
-xA8/315+(2*xA6)/45-xA4/3+xA2
y4=
(4*xA14)/42567525-(2*xA12)/467775+(2*xA10)/14175-xA8/315+
AA
(2*x6)/45-x人4/3+x2
5
(5)/(x)=--
X
clear;
symsx
y=exp(x)/(l-x);
yl=taylor(y,0,3)
y2=taylor(y,0,5)
y3=taylor(y,0,10)
y4=taylor(y,0,15)
x=-l:0.1:0;
y=subs(y,x);
yl=subs(yl,x);
y2=subs(y2,x);
y3=subs(y3,x);
y4=subs(y4,x);
plot(x,y,x,yl,':',x,y2,'-.',x,y3,'linewidth',3)
yi=
(5*xA2)/2+2*x+1
y2=
(65*xA4)/24+(8*xA3)/3+(5*xA2)/2+2*x+1
y3=
(98641*x7)/36288+(109601*xA8)/40320+(685*xA7)/252+
(1957*x-6)/720+(163*xA5)/60+(65*xA4)/24+(8*xA3)/3+(5*xA2)/2
+2*x+1
y4=
(47395032961*xA14)(8463398743*xA13)/3113510400+
(260412269*xA12)/95800320+(13563139*xAll)/4989600+
AA
(9864101*x10)/3628800+(98641*x人9)/36288+(109601*x8)/40320+
(685*x”)/252+(1957*xA6)/720+(163*xA5)/60+(65*x7)/24+
(8*xA3)/3+(5*xA2)/2+2*x+1
(6)/(x)=ln(x+71+x2)
clear;
symsx
y=log(x+sqrt(l+xA2));
yl=taylor(y,0,3)
y2=taylor(y,0,5)
y3=taylor(y,0,10)
y4=taylor(y,0,15)
x=-l:0.1:l;
y=subs(y,x);
yl=subs(yl,x);
y2=subs(y2,x);
y3=subs(y3,x);
y4=subs(y4,x);
plot(x,y,x,yl,':',x,y2,'-.',x,y3,'-',x,y4,':','linewidth',3)
yi=
X
y2=
x-xA3/6
y3=
(35*xA9)/1152-(5*xA7)/112+(3*xA5)/40-xA3/6+x
y4=
(231*xA13)/13312-(63*xAll)/2816+(35*xA9)/1152-(5*xA7)/112+
A
(3*x5)/40-x八3/6+x
4
oo1"2k
2.求公式=—#=12?)中的數(shù)恤#=4,5,6,7,8的值.
n=i〃叫
k=[45678];
symsn
symsum(l./n?八(2*k),l,inf)
ans=
A
[pi人8/9450,pi人10/93555,(691*pi12)/638512875,(2*pi人14)/18243225,
(3617*piA16)/325641566250]
81
3.利用公式=e來計(jì)算e的近似值。精確到小數(shù)點(diǎn)后100位,這時(shí)應(yīng)計(jì)算到
n=04
這個(gè)無窮級數(shù)的前多少項(xiàng)?請說明你的理由.
解:Matlab代碼為
clear;clc;close
epsl=1.0e-100;
ep=l;fn=l;a=l;n=l;
whileep>epsl
a=a+fn;
n=n+l;
fn=fn/n;
ep=fn;
end
fn
vpa(a,100)
n
8.3482e-101
ans=
2.71828182845904553488480814849026501178741455078125
n=
70
精確到小數(shù)點(diǎn)后100位,這時(shí)應(yīng)計(jì)算到這個(gè)無窮級數(shù)的前71項(xiàng),理由是誤差小于
1()的負(fù)10()次方,需要最后一項(xiàng)小于10的負(fù)1()0次方,由上述循環(huán)知n=7()時(shí)最
后一項(xiàng)小于10的負(fù)100次方,故應(yīng)計(jì)算到這個(gè)無窮級數(shù)的前71項(xiàng).
4.用練習(xí)3中所用觀測法判斷下列級數(shù)的斂散性
clear;clc;
epsl=0.000001;
N=50000;p=1000;
symsn
Un=l/(nA2+nA3);
sl=symsum(Un,l,N);
s2=symsum(Un,l,N+p);
sa=vpa(s2-sl);
sa=setstr(sa);
sa=str2num(sa);
fprintfC級數(shù),)
disp(Un)
ifsa<epsl
dispC收斂,)
else
dispC發(fā)散)
end
級數(shù)1/(nA3+n人2)收斂
clear;close
symsn
s=[];
fork=l:l()0
s(k)=symsum(l/(nA3+nA2),l,k);
end
plot(s/.*)
0.66
0.64
0.62
0.6
0.58
0.56
0.54
0.52
0.5
0102030405060708090100
clear;clc;
epsl=O.OOOOOl;
N=50000;p=1000;
symsn
Un=l/(n*2An);
sl=symsum(UnJ,N);
s2=symsum(Un,l,N+p);
sa=vpa(s2-sl);
sa=setstr(sa);
sa=str2num(sa);
fprintfC級數(shù)?
disp(Un)
ifsa<epsl
dispC收斂,)
else
dispC發(fā)散,)
end
級數(shù)1/(2人n*n)收斂
clear;close
symsn
s=[];
fork=l:l()()
s(k)=symsum(l/(2An*n),l,k);
end
plot(s;J)
0.7
0.68
0.66
0.64
0.62
0.6
0.58
0.56
0.54
0.52
0102030405060708090100
8I
(3)ysin-
〃=]n
clear;clc;
epsl=O.OOOOOOOOOOOOOl;
N=50000;p=100;
symsn
Un=l/sin(n);
sl=symsum(Un,l,N);
s2=symsum(Un,l?N+p);
sa=vpa(s2-sl);
sa=setstr(sa);
sa=str2num(sa);
fprintfC級數(shù),
disp(Un)
ifabs(sa)<epsl
dispC收斂,)
else
disp('W)
end
級數(shù)l/sin(n)發(fā)散
clear;close
symsn
s=[];
fork=l:l()0
s(k)=symsum(l/sin(n)J,k);
end
plot(s,')
發(fā)散
⑷落
n=ln
clear;clc;
epsl=0.0()00001;
N=50000;p=1000;
symsn
Un=log(n)/(nA3);
sl=symsum(Un,l,N);
s2=symsum(Un,l?N+p);
sa=vpa(s2-sl);
sa=setstr(sa);
sa=str2num(sa);
fprintfC級數(shù),
disp(Un)
ifsa<epsl
dispC收斂,)
else
disp('W)
end
級數(shù)log(n)/nA3收斂
clear;close
symsn
s=[];
fork=l:l()0
s(k)=symsum(log(n)/nA3,l,k);
end
plot(s,')
⑸*
n=\n
clear;close
symsn
s=[];he=0;
fork=l:100
he=he+factorial(k)/kAk;
s(k)=he;
end
plot(s/J)
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5?
1.4
1.3
1.2
1.1
0102030405060708090100
1
(6)y--------
clear;clc;
epsI=0.0000001;
N=50000;p=1000;
symsn
Un=l/log(n)An;
sl=symsum(Un,35N);
s2=symsum(Un,3^N+p);
sa=vpa(s2-sl);
sa=setstr(sa);
sa=str2num(sa);
fprintfC級數(shù),)
disp(Un)
ifsa<epsl
dispC收斂)
else
dispC發(fā)散)
end
級數(shù)l/log(n)An收斂
clear;close
symsn
s=[];
fork=3:100
s(k)=symsum(l/log(n)An,3?k);
end
plot(s,'.')
1.4[
1.2
1
0.8
?
0.6
0.4
0.2
0.
0102030405060708090100
⑺£1
n=\Inn
clear;clc;
epsl=O.OOOOOOl;
N=50000;p=100;
symsn
Un=l/(log(n)*n);
sl=symsum(Un,3?N);
s2=symsum(Un,3?N+p);
sa=vpa(s2-sl);
sa=setstr(sa);
sa=str2num(sa);
fprintf。級數(shù),
disp(Un)
if(sa)<epsl
dispC收斂)
else
dispC發(fā)散)
end
級數(shù)1/(n*log(n))發(fā)散
clear;close
symsn
s=[];
fork=3:300
s(k)=symsum(l/(n*log(n)),2,k);
end
⑻6署
w=ln十I
clear;clc;
epsl=0.00000()l;
N=50000;p=100;
symsn
Un=(-l)An*n/(nA2+l);
sl=symsum(Un,3?N);
s2=symsum(Un,3,N+p);
sa=vpa(s2-sl);
sa=setstr(sa);
sa=str2num(sa);
fprintfC級數(shù),
disp(Un)
if(sa)<epsl
dispC收斂,)
else
dispC發(fā)散,)
end
級數(shù)((-1)人n*n)/(rT2+1)收斂
clear;close
symsn
s=[];
fork=3:300
s(k)=symsum((-l)An*n/(nA2+l),2,k);
end
plot(s;/)
實(shí)驗(yàn)四積分
【練習(xí)與思考】
1.(不定積分)用int計(jì)算下列不定積分,并用diff驗(yàn)證
2rdx3
fxsinxtZx,[—————Je'+lIarcsinxdx,[secxdx
JJ1+cosx
解:Matlab代碼為:
symsx
yl=x*sin(xA2);
y2=l/(l+cos(x));
y3=l/(exp(x)+l);
y4=asin(x);
y5=sec(x)A3;
fl=int(yl)
f2=int(y2)
f3=int(y3)
f4=int(y4)
f5=int(y5)
dy=simplify(diff([fl;f2;f3;f4;f5]))
dy=
x*sin(xA2)
tan(x/2)A2/2+1/2
1/(exp(x)+1)
asin(x)
(cot(pi/4+x/2)*(tan(pi/4+x/2)人2/2+1/2))/2+1/(2*cos(x))+
tan(x)A2/cos(x)
fl=
-cos(x人2)/2
f2=
tan(x/2)
f3=
x-log(exp(x)+1)
f4=
x*asin(x)+(1-x人2)人(1/2)
f5=
log(tan(pi/4+x/2))/2+tan(x)/(2*cos(x))
2.(定積分)用trapz,quad,int計(jì)算下列定積分
,fx'tZx,exsin(2x)Jx,e~x2dx
Jo%JoJoJo
解:Matlab代碼為
clear;
x=(0+eps):0.05:l;
yl=sin(x)Jx;
fl=trapz(x,yl)
fl=0.9460
funl=@(x)sin(x)./x;
fl2=quad(funl,0+eps,l)
fl2=0.9461
fl3Kpa(int('sin(x)/x',0,l),5)
fl3=0.94608
r2v2
3.(橢圓的周長)用定積分的方法計(jì)算橢圓三+'=1的周長
解:橢圓的參數(shù)方程為['="os’
[y=2sinr
由參數(shù)曲線的弧長公式得
s=/+y\t)2dt=『>/9sin2/+4cos2tdt=『>/5sin2t+4dt
Matlab代碼為
s=vpa(int(,sqrt(5*sin(t)A2+4)*/t\0,2*pi),5)
s=
15.865
4.(二重積分)計(jì)算數(shù)值積分\\(\+x+y)dxdy
x2+y2<,2y
解:fxy=@(x,y)l+x+y;ylow=@(x)l-sqrt(l-x.A2);yup=@(x)l+sqrt(l-x.A2);
s=quad2d(fxy<l,l,ylow,yup)
s=
6.2832
或符號積分法:
symsxy
xi=int(l+x+y,y,l-sqrt(l-xA2),l+sqrt(l-xA2));
s=int(xi,x,-l,l)
s=
2*pi
5.(假奇異積分)用trapz,quad8計(jì)算積分1,"cosxcZr,會(huì)出現(xiàn)什么問題?
分析原因,并求出正確的解。
解:Matlab代碼為
clear
x=-l:0.05:l;
y=x.A(l/3).*cos(x);
sl=trapz(x,y)
fun5=@(x)x.A(l/3).*cos(x);
s2=quad(fun5,-l,l)
int(,xA(l/3)*cos(x),/x\-l,l)
si=
0.9036+0.5217i
s2=
0.9114+0.5262i
Warning:Explicitintegralcouldnotbefound.
ans=
int(xA(1/3)*cos(x),x=-1..1),原函數(shù)不存在,不能用int函數(shù)運(yùn)算。
用梯形法和辛普森法計(jì)算數(shù)值積分時(shí),由于對負(fù)數(shù)的開三次方運(yùn)算結(jié)果為復(fù)
數(shù),所以導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤且為復(fù)數(shù);
顯然被積函數(shù)為奇函數(shù),在對稱區(qū)間上的積分等于0,此時(shí)可以這樣處理:
(1)重新定義被積函數(shù)
%fun5.m
functiony=fun5(x)
[m,n]=size(x);
fork=l:m
forl=l:n
y(k,l)=nthroot(x(k,l),3)*cos(x(kj));
end
end
end
用辛普森法:
s=quad(,fun5\-l,l)
s=
0
用梯形法
clear;
x=-l:0.01:l;
y=fun5(x);
s=trapz(x,y)
s=
-1.3878e-017
6.(假收斂現(xiàn)象)考慮積分/(Z)=(:sinx團(tuán),
(1)用解析法求/伙);
clear;
symsxk;
Ik=int(abs(sin(x))909k*pi)
Warning:Explicitintegralcouldnotbefound.
Ik=
int(abs(sin(x))rx=0.,pi*k)
(2)分別用trapz,quad和quad8求/(4),/(6)和/(8),發(fā)現(xiàn)什么問題?
clear;
fork=4:2:8;
x=0:pi/1000:k*pi;
y=abs(sin(x));
trapz(x,y)
end
ans
8.0000
ans=
12.0000
ans=
16.0000
fork=4:2:8
fun6=@(x)abs(sin(x));
quad(fun6,0,k*pi)
end
ans=
8.0000
ans=
12.0000
ans=
16.0000
7.(Simpson積分法)編制一個(gè)定步長Simpson法數(shù)值積分程序.計(jì)算公式為
h
/=s”=](力+4力+2力+4力+…+2/?,,+4/?+fn+i)
其中〃為偶數(shù),力=-―-fi=f(a+(z-l)A),z=1,2,+1.
ny
解:Matlab代碼為
%fun7.m
functiony=fun7(Lname,a,b,n)
%f_name為被積函數(shù)
%[a,b]為積分區(qū)間
%n為偶數(shù),用來確定步長h=(b-a)/n
ifmod(n,2)~=0
disp(rn必須為偶數(shù)')
return;
end
ifnargin<4
n=100;
end
ifnargin<3
dispC請輸入積分區(qū)間)
end
ifnargin==0
dispC^rror1)
end
h=(b-a)/n;
x=a:h:b;
s=0;
fork=l:n+l
ifk==l||k==(n+l)
xishu=l;
elseifmod(k,2)==0
xishu=4;
else
xishu=2;
end
s=s+feval(fLname,x(k))*xishu;
end
y=s*h/3;
end
8.(廣義積分)計(jì)算廣義積分
exp(-x2).ritan(x)?Isinx,
;
-----4—dx,―^—dx,,ax
L1+xJ。6\-x2
并驗(yàn)證公式
x2
exp(-----)
sinx
dx=-
J-8J2萬x2
解:Matlab代碼為
clear;
symsx
sl=vpa(int(exp(-xA2)/(l+xA4)<inf,inf),5)
s2=quad(@(x)tan(x)./sqrt(x),0,l)
s3=quad(@(x)sin(x)./sqrt(l-x.A2),0,l)
A
s4=vpa(int(exp(-x2/2)/sqrt(2*pi),-inf,inf),5)
s5=int(sin(x)./x,0+eps,inf)
si=
1.4348
s2=
0.7968
s3=
0.8933
s4=
1.0
s5=
pi/2-sinint(1/4503599627370496)
實(shí)驗(yàn)五二元函數(shù)的圖形
【練習(xí)與思考】
1.畫出空間曲線+在_30<%”30范圍內(nèi)的圖形,并畫
出相應(yīng)的等高線。
clear;
x=-30:0.5:30;y=-30:0.5:30;
[X,Y]=meshgrid(x,y);
Z=10*sin(sqrt(X.A2+Y.A2))./sqrt(l+X.A2+Y.A2);
mesh(X,Y,Z)
2.根據(jù)給定的參數(shù)方程,繪制下列曲面的圖形。
a)橢球面x=3coszzsinv,y=2coswcosv,z=sinw
clear;
u=0:pi/50:2*pi;
v=0:pi/50:pi;
[U,V]=meshgrid(u,v);
x=3*cos(U).*sin(V);
y=2*cos(U).*cos(V);
z=sin(U);
mesh(x,y,z)
b)橢圓拋物面x=3〃sin匕y=2wcosv,z=4u2
clear;
u=0:pi/50:pi/4;
v=0:pi/50:2*pi;
[U,V]=meshgrid(u,v);
x=3*U.*sin(V);
y=2*U.*cos(V);
z=4*U.A2;
mesh(x,y,z)
axisequal
C)單葉雙曲面無二3sec〃sin匕y=2sec〃cosu,z4tanu
clear;
u=0:pi/15:pi;
v=0:pi/15:2*pi;
[U,V]=meshgrid(u,v);
x=3*sec(U).*sin(V);
y=2*sec(U).*cos(V);
z=4*tan(U);
mesh(x,y,z)
-20-40
22
d)雙曲拋物面x=u,y=v,z="§"
clear
u=-3:0.1:3;
[U,V]=meshgrid(u);
x=U;
y=v;
z=(U.A2-V.A2)/3;
mesh(x9y9z)
e)旋轉(zhuǎn)面x=In〃sin匕y=In〃cosv,z=u
clear;
u=l:0.1:5;
v=0:pi/30:2*pi;
[U,V]=meshgrid(u,v);
x=log(U).*sin(V);
y=log(U).*cos(V);
z=U;
mesh(x,y,z)
axisequal
f)圓錐面x=〃sin匕y=ucosv,z=u
clear;
u=-5:0.1:5;
v=0:pi/30:2*pi;
[U,V]=meshgrid(u,v);
x=(U).*sin(V);
y=(U).*cos(V);
z=U;
mesh(x,y,z)
axisequal
g)環(huán)面x=(3+0.4cosu)cos匕y=(3+0.4cos〃)sin匕z=0.4sinv
clear;
u=0:pi/30:2*pi;
v=u;
[U,V]=meshgrid(u,v);
x=(3+0.4*cos(U)).*cos(V);
y=(3+0.4*cos(U)).*sin(V);
z=0.4*sin(V);
mesh(x9y9z)
h)正螺面x=wsinv,y=ucosv,z=4v
clear;
u=0:pi/30:pi;
v=0:pi/30:10*pi;
[U,V]=meshgrid(u,v);
x=U.*sin(V);
y=U.*cos(V);
z=4*V;
mesh(x,y,z)
colorbar
3.在一丘陵地帶測量搞程,x和y方向每隔100米測一個(gè)點(diǎn),得高程
見表5-2,試擬合一曲面,確定合適的模型,并由此找出最高點(diǎn)和該點(diǎn)的高
程.
表5-2高程數(shù)據(jù)
100200300400
100636697624478
200698712630478
300680674598412
400662626552334
clc;clear;
xl=[100100100100200200200200300300300300400400400400];
x2=[100200300400100200300400100200300400100200300400];
y=[636698680662697712674626624630598552478478412334]';
x=[xl\x2r];
x0=[l1111];
beta=lsqcurvefit(*heigh\xO,x,y)
%繪圖:
al=100:5:400;
a2=al;
[xxl,xx2]=meshgrid(al,a2);
Z=beta(l)+beta(2)*xxl+beta(3)*xx2+beta(4)*xxl.A2+beta(5)*xx2.A2;
mesh(xxl,xx2,Z)
Localminimumpossible.
Isqcurvefitstoppedbecausethefinalchangeinthesumofsquares
relativeto
itsinitialvalueislessthanthedefaultvalueofthefunction
tolerance.
beta=
Columns1through5
538.43751.49010.6189-0.0046-0.0017
contour(xxl,xx2,Z,30),colorbar
%計(jì)算最高點(diǎn)及高程
x0=[100,100];
options=optimset('largescale','off');
%設(shè)置下界
lb=[0,0];
%無上界
ub=[];
[x,fval]=fmincon(,height\xO,[],[],[],[],lb,ub,[],options)
Warning:OptionsLargeScale=1off'andAlgorithm=*trust-region-
reflective*conflict.
IgnoringAlgorithmandrunningactive-setalgorithm.Toruntrust-
region-reflective,set
LargeScale='on'.Torunactive-setwithoutthiswarning,use
Algorithm=factive-set,.
>Infminconat445
Localminimumpossible.Constraintssatisfied.
fminconstoppedbecausethepredictedchangeintheobjective
function
islessthanthedefaultvalueofthefunctiontoleranceand
constraints
weresatisfiedtowithinthedefaultvalueoftheconstraint
tolerance.
Noactiveinequalities.
x=
161.9676182.0320
fval=
-715.4403
400.700
350I650
300600
550
250
500
200
U450
150
Ho
100
100150200250300350400
heigh和height兩個(gè)函數(shù)分別定義如下:(應(yīng)寫在m文件中)
%heigh.m
functionf=heigh(beta,xdata)
xxl=xdata(:,1);
xx2=xdata(:,2);
f=beta(1)+beta(2)*xxl+beta(3)*xx2+beta(4)*xxl.八2+beta(5)*xx2.*xxl+beta(6
)*xx2.人2;
end
%height.m
functiony=height(x)
y=-(434.0000+1.9079*x(l)+1.0366*x(2)-0.0017*x(1).A2-0.0046*x(2).*x(l)-
0.0017*x(2).A2);
end
實(shí)驗(yàn)六多元函數(shù)的極值
【練習(xí)與思考】
1.求z=/+y4-4q+1的極值,并對圖形進(jìn)行觀測。
解:Maltab代碼為
symsxy;
z=xA4+yA4-4*x*y+l;
dzx=diff(z,x);
dzy=diff(z,y);
[x,y]=solve(dzx,dzy,x,y)
X=
0
1
-1
(-1)人(3/4)
一(一1)人(3/4)
-(-1)A(3/4)*i
(-1)人(3/4)*i
y=
0
1
-1
(-l)A(l/4)
-(-l)A(l/4)
i
-i
(-1)A(1/4)*i
-(-1)A(1/4)*i
經(jīng)計(jì)算可知,函數(shù)的駐點(diǎn)為(0,0)、(1,1)、(-1,-1)
ezmeshc(z,[-2,2<2,2])
從圖形上觀測可知,(1』)、(?1,?1)為極值點(diǎn),(0,0)不是極值點(diǎn)。
clear
symsxy;
z=xA4+yA4-4*x*y+l;
dzx=diff(z,x);
A=diff(z,x,2)
B=diff(dzx,y)
C=diff(z,y,2)
A=
12*xA2
B=
-4
C=
12*yA2
由判別法可知(1,1)、(-1,-1)均為極小值點(diǎn)。
2.求函數(shù)在圓周/+y2=]的最大值和最小值。
解:構(gòu)造Lagrange函數(shù)
L(x,y)=/+2y2+2(x2+y2-1)
求Lagrange函數(shù)的自由極值.先求L關(guān)于x,y,/l的一階偏導(dǎo)數(shù),再解正規(guī)方程可得
所求的極值點(diǎn),Matlab代碼為
clear;
symsxyk
L=xA2+2*yA2+k*(xA2+yA2-l);
dlx=diff(L,x);
dly=diff(L,y);
dlk=diff(L,k);
s=solve(dlx,dly,dlk,x,y,k);
k=sk
x=s.x*
y=s?y'
k=
[T,-2,-1,-2]
x=
[1,0,-1/0]
y=
[o,i,o,-i]
t=0:pi/50:2*pi;
x=cos(t);
y=sin(t);
z=x.A2+2*y.A2;
plot3(x,y,z)
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
1
0.51
00-5
05-0.5
-1-1
可得點(diǎn)(1,0)、(0,1)(-1,0).(0,-1)為函數(shù)的條件極值點(diǎn),經(jīng)判斷函
數(shù)/(%>)=/+2/在(1,0)、(-1,0)取得極小值,在(0,1)、(0,-1)取
得極大值。
3.在球面V+y2+z2=l求出與點(diǎn)(3,1,4)距離最近和最遠(yuǎn)點(diǎn)。
解:設(shè)球面上的點(diǎn)為(x,y,z),則此點(diǎn)與點(diǎn)(3,1,-1)的距離為
d(x,y,z)=(x-3)2+(y-1)2+(z+l)2且(x,y,z)滿x2+y2+z2=\;構(gòu)造
Lagrange函數(shù)
L(x,y,z,A)=(x—3)2
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