利用MATLAB对于符号方程进行求解

在数学计算中,我们经常需要对于方程或者是方程组进行求解,对方程的求解是数学中的一个重要的知识点。在MATLAB中提供了solve函数用于对于符号表达式的求解。solve函数有多种调用方式,包括如下所示:

  • solve(equ):对于等式equ进行求解,所求解的变量是系统默认的。
  • solve(equ,var):对于等式equ进行求解,其中所求解的变量为var。
  • solve(eqn1,eqn2,eqn3,...,eqnM,var1,var2,var3,...varN):对于方程组进行求解,该方程组是由N个变量、M个方程组成的方程组。

下面对于上面几种分别求解和验证。

(1)solve(equ)

solve(equ)是对于等式equ进行求解,所求解的变量是系统默认的。

例如利用solve函数对于下面几个符号表达式进行求解:

(x+2)/3=6

\frac{1}{x}+2=5

\frac{1}{x}=\frac{1}{a}+\frac{1}{b}

MATLAB代码如下所示:

syms x a b
solve((x+2)/3==6)
solve(1/x+2==5)
solve(1/x==1/a+1/b)

运行结果如下所示:

ans =
    16
ans =
    1/3
ans = 
    1/(1/a + 1/b)

通过上面的运行结果可以看出,在符号变量x、a和b中,系统默认使用x作为变量。当符号表达式中有仅有一个变量的时候,MATLAB可以对其值进行准确地求解;当有多变量的时候,系统选定默认变量,也可以对其进行求解。

(2)solve(equ,var)

当函数的调用方式为solve(equ,var),此时MATLAB对于方程equ的特定变量var进行求解。

例如利用solve对于下面几个符号表达式进行求解:

ax+b=2c

4a+b+c=10

ax+y=4

MATLAB代码如下所示:

syms a b c x y
ans1=solve(a*x+b==2*c,x)
ans2=solve(4*a+b+c==10,a)
ans3=solve(a*x+y==4,a)

运行结果如下所示:

ans1 =
    -(b - 2*c)/a
ans2 =
    5/2 - c/4 - b/4
ans3 =
    -(y - 4)/x

通过上面的运行结果可以看出,当solve函数中指定了特定变量的优先级会高于系统默认的变量的优先级。

(3)solve(eqn1,eqn2,eqn3,...,eqnM,var1,var2,var3,...varN)

当函数的调用方式是solve(eqn1,eqn2,eqn3,...,eqnM,var1,var2,var3,...varN)时,可以对于特定的函数方程组进行求解,其中上面的调用方式中表示有N个变量、M个方程组成的方程组。

例如利用solve对于下面几个符号表达式组进行求解:

\left\{\begin{matrix} 2x+y=9 \\ x-y=3 \end{matrix}\right.

\left\{\begin{matrix} x+y+z=20 \\ x+2y+3z=35 \\ x+2y-z=16 \end{matrix}\right.

\left\{\begin{matrix} x^2+y^2=13 \\ x+y-z=0 \\ x+z=8 \end{matrix}\right.

\left\{\begin{matrix} x+y=2a \\ x-y=a+4 \end{matrix}\right.

MATLAB代码如下所示:

syms x y z a
[x1,y1]=solve(2*x+y==9,x-y==3,x,y)
[x2,y2,z2]=solve(x+y+z==20,x+2*y+3*z==45,x+2*y-z==9,x,y,z)
[x3,y3,z3]=solve(x^2+y^2==13,x+y-z==0,x+z==8,x,y,z)
[x4,y4]=solve(x+y==2*a,x-y==a+4,x,y)

运行结果如下所示:

x1 =
    4
y1 =
    1
x2 =
    4
y2 =
    7
z2 =
    9
x3 =
       3
    17/5
y3 =
      2
    6/5
z3 =
       5
    23/5
x4 =
    (3*a)/2 + 2
y4 =
    a/2 - 2

通过上面的公式看出,该种调用方式可对方程组进行求解,并且函数方程式有多个解的时候,MATLAB会将多个解计算出来。


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