matlab求导函数并绘制图像(Matlab绘图)

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提到计算。人们马上联想到的可能是使用计算器和excel表格。实际上。对于更加复杂的工程计算、编程和作图需求。目前最流行的两大软件是MATLAB和Mathematica。它们均在高校教学、学术界和工业界发挥着重要作用。MATLAB更加适合工程应用。Mathematica更加适合数学分析。

Mathematica是由美国的沃尔夫勒姆（Wolfram）研究公司开发的计算软件。于1988年问世。在数值计算、符号运算、数学绘图和动画显示等方面具有强大能力。Mathematica作为一种交互式计算工具。能够智能化理解用户输入的英文计算命令。使用方便。它作为一种程序语言。语法规则简单。语句精炼。能够使用较少语句完成复杂计算和公式推导等任务。用户可以选择单命令对话方式或批处理程序方式进行计算。

Mathematica内置大量函数。例如Abs[x]表示x的绝对值。Random[]表示产生[0, 1]区间上的随机数。Factor[expr]表示对expr进行因式分解。Plot[f[x], {x, xmin, xmax}]表示对函数f作图。它可以求解方程、方程组和不等式。例如使用Solve[x2-2x+1==0, x] 命令求解方程中的未知数x。它可以求导数。例如使用D[f, x1, x2, x3] 命令能够求f关于x1、x2、x3的偏导数。它可以求积分。例如使用Integrate[f, {x, a, b}]命令能够求函数f相对于x在x=a到x=b的范围内的积分值。它还可以求解常微分方程和偏微分方程。例如使用DSolve[{x’’[t]-3x’[t]+8y’[t]+4y[t]==0, x’[t]-2y’[t]+7x[t]==3 Exp[t]}, {x[t], y[t]}, t]的命令能够求解自变量为t的常微分方程组。从以上几个例子可以看出。Mathematica的计算方式是使用大量内置函数命令。非常便于计算和公式推导。免去了用户查找算法并使用FORTRAN或C语言自己编程的麻烦。

Mathematica与MATLAB在很多计算、绘图和编程的功能上类似。它们之间的区别可以归纳为以下几点。各有优劣。

1. MATLAB在软件语言规则、编程便利性和程序调试方面比Mathematica更加方便易用。

2. MATLAB包括各种工具包。例如信号处理工具包、优化工具包、神经网络工具包、控制系统工具包、样条工具包、符号数学工具包、图像处理工具包、统计工具包等。

3. 由于Mathematica提供一种称为“Notebook”的用户界面。格式灵活友好。因此用户能够很容易地将计算结果直接存成汇报演讲稿格式的文件。在这方面比MATLAB更加方便。

关于Mathematica的使用方法。本文从网上精选出一个详细的视频指南和一个讲座示例。建议读者观看。掌握Mathematica的关键是熟悉其语法规则。以下总结它的20条重要语法规则。

• 启动软件后。出现Notebook窗口。输入用In[ ]表示。输出用Out[ ]表示。按“Shift+Enter”键运行计算。

• 用户在Notebook界面下。使用“?”或“??”可查询函数的定义和用法。获取帮助信息。如果使用两个问号“??”。则帮助信息会更详细。例如。“?Plot*”给出所有以“Plot”开头的命令。

• 完成计算后。点击File->Exit菜单退出。如果文件未存盘。系统将提示用户存盘。文件名以“.nb”作为后缀。称为Notebook文件。需要再次使用存盘的文件时。可以点击打开。

• Mathematica 严格区分大小写。内置函数的首字母须大写。当函数名由几个单词构成时。每个单词的首写字母必须大写。例如：求局部极小值函数FindMinimum[f[x], {x, x0]。

• 用户自定义变量须以小写字母开头。后跟数字和字母的组合。长度不限。

• 特殊字符：
  Pi 表示圆周率。E表示自然常数。Degree表示角度转换为弧度的常数。等于Pi/180。I表示虚数单位。其值为-1的平方根。

• 变量赋值规则：
  x=a表示将变数x的值设为a。x=y=b表示将变数x和y的值均设为b。x=.或Clear[x]表示清除变数x的值。Remove[f]表示将f从系统中清除。

• 变量关系规则：
  当xy中间没有空格时。视为变量xy。当x y中间有一个空格时。视为x乘y。3x表示3乘x。x3表示变量x3。

• 函数名和自变量参数之间用分隔符[ ]表示。而不是用数学书上常用的圆括号“( )”表示。

• 变量的列表值和范围用大括号{ }表示。

• 关于数学表达式的输入。Mathematica允许用户使用以下两种格式。形如x/(1+7x)+y/(x-2)的称为一维格式。形如下式的使用工具栏输入的格式称为二维格式：

二维格式

• 函数的展开与分解：
  Expand[expr]表示将expr展开。Factor[expr]表示对expr做因式分解。Simplify[expr]表示将expr化简成精简的式子。FullSimplify[expr]表示Mathematica会尝试更多的化简公式。将expr化为更精简的式子。

• 常用数学函数：
  Sin[x], Cos[x], Tan[x], Cot[x], Sec[x], Csc[x]表示三角函数。其引数的单位为弧度。Sinh[x], Cosh[x], Tanh[x]表示双曲函数。ArcSin[x], ArcCos[x], ArcTan[x]表示反三角函数。Sqrt[x]表示根号。Exp[x]表示指数。Log[x]表示自然对数。Log[a, x]表示以a为底的对数。Abs[x]表示绝对值。Round[x]表示最接近x的整数。Floor[x]表示小于或等于x的最大整数。Ceiling[x]表示大于或等于x的最小整数。Max[a, b, c, …]和Min[a, b, c, …]分别表示a、b、c、…的极大值和极小值。

• 关系运算子：
  a==b表示等于。a!=b表示不等于。a>b表示大于。a>=b表示大于等于。a<b表示小于。a<=b表示小于等于。

• 基本运算法则：
  a^b表示幂次方。a+b+c表示加法。2+6I表示复数形式。Conjugate[a+bI]表示共轭复数。Re[z]和Im[z]分别表示复数z的实数和虚数部分。Abs[z]表示复数z的大小或模数（Modulus）。Arg[z]表示复数z的幅角（Argument）。

• 求和与求积法则：
  Sum[f, {i, imin, imax}]表示求和。Sum[f, {i, imin, imax, di}]表示求数列之和。引数i以di递增。Product[f, {i, imin, imax}]表示求积。Product[f, {i, imin, imax, di}]表示求数列之积。引数i以di递增。

• 微分法则：
  D[f, x]表示将函数f相对于x进行微分。D[f, x1, x2, …]表示将函数f相对于x1、x2、…进行微分。D[f, {x, n}]表示将函数f相对于x进行n次微分。D[f, x, NonConstants->{y, z, …}]表示对函数f相对于x进行微分。并将y、z、…视为x的函数。

• 积分法则：
  Integrate[f, x]表示将函数f相对于x进行不定积分。Integrate[f, {x, xmin, xmax}]表示将函数f相对于x进行定积分。Integrate[f, {x, xmin, xmax}, {y, ymin, ymax}]表示将函数f相对于x和y进行定积分。

• 方程式求解法则：
  Solve[lhs==rhs, x]表示求解方程式lhs==rhs。x是自变量。Nsolve[lhs==rhs, x]表示求方程式lhs==rhs的数值解。Solve[{lhs1==rhs1, lhs2==rhs2, …}, {x, y, …}]表示求解方程组。 x和y等是自变量。NSolve[{lhs1==rhs1, lhs2==rhs2, …}, {x, y, …}]表示求解方程组的数值解。FindRoot[lhs==rhs, {x, x0}]表示由初始点x0求方程lhs==rhs的根。

• 作图函数主要包括Plot、Plot3D、ParametricPlot、ParametricPlot3D、PolarPlot、ContourPlot、ContourPlot3D、RevolutionPlot3D、SphericalPlot3D、DensityPlot、DensityPlot3D、RegionPlot、RegionPlot3D、ListPlot、ListPlot3D、ListContourPlot、ListContourPlot3D、ListContourPlot3D、ListPointPlot3D、ListDensityPlot、ListDensityPlot3D。统计图作图函数主要包括Histogram、Histogram3D、DensityHistogram、SmoothHistogram3D等。

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