MATLAB - 微积分

MATLAB 提供了多种解决微积分和积分问题、求解任意阶微分方程和计算极限的方法。最重要的是，您可以通过求解原始函数及其导数，轻松绘制复杂函数的图形，并检查图形上的最大值、最小值和其他固定点。

本章将处理微积分问题。在本章中，我们将讨论微积分前的概念，即计算函数的极限和验证极限的性质。

下一章微分，我们将计算表达式的导数并在图上找到局部最大值和最小值。我们还将讨论求解微分方程。

最后，在集成本章，我们将讨论积分。

计算限制

MATLAB 提供了 limit 用于计算限制的功能。在其最基本的形式中，limit 函数将表达式作为参数，并在自变量变为零时找到表达式的极限。

例如，让我们计算一个函数的极限 f(x) =(x³ + 5)/(x⁴ + 7)，因为 x 趋于零。

syms x
limit((x^3 + 5)/(x^4 + 7))

MATLAB 将执行上述语句并返回以下结果 -

ans =
   5/7

极限函数属于符号计算领域；你需要使用 syms 函数告诉 MATLAB 您正在使用哪些符号变量。您还可以计算函数的极限，因为变量趋向于零以外的某个数字。为了计算 lim x->a(f(x))，我们使用带参数的 limit 命令。第一个是表达式，第二个是数字，即 x 接近，这里是a .

例如，让我们计算函数 f(x) =(x-3)/(x-1) 的极限，因为 x 趋于 1。

limit((x - 3)/(x-1),1)

MATLAB 将执行上述语句并返回以下结果 -

ans =
   NaN

再举一个例子，

limit(x^2 + 5, 3)

MATLAB 将执行上述语句并返回以下结果 -

ans =
   14

使用 Octave 计算限制

以下是使用 symbolic 的上述示例的 Octave 版本打包，尝试执行并比较结果 -

pkg load symbolic
symbols

x = sym("x");
subs((x^3+5)/(x^4+7),x,0)

Octave 将执行上述语句并返回以下结果 -

ans =
   0.7142857142857142857

极限基本性质的验证

代数极限定理提供了极限的一些基本性质。这些如下 -

让我们考虑两个函数 -

f(x) =(3x + 5)/(x - 3)
g(x) =x² + 1。

让我们计算两个函数的 x 趋于 5 的函数的极限，并使用这两个函数和 MATLAB 验证极限的基本性质。

示例

创建一个脚本文件并在其中输入以下代码 -

syms x
f = (3*x + 5)/(x-3);
g = x^2 + 1;
l1 = limit(f, 4)
l2 = limit (g, 4)
lAdd = limit(f + g, 4)
lSub = limit(f - g, 4)
lMult = limit(f*g, 4)
lDiv = limit (f/g, 4)

当您运行该文件时，它会显示 -

l1 =
   17
  
l2 =
   17
  
lAdd =
   34
 
lSub =
   0
  
lMult =
   289
  
lDiv =
   1

使用 Octave 验证极限的基本属性

以下是使用 symbolic 的上述示例的 Octave 版本打包，尝试执行并比较结果 -

pkg load symbolic
symbols

x = sym("x");
f = (3*x + 5)/(x-3);
g = x^2 + 1;

l1 = subs(f, x, 4)
l2 = subs (g, x, 4)
lAdd = subs (f+g, x, 4)
lSub = subs (f-g, x, 4)
lMult = subs (f*g, x, 4)
lDiv = subs (f/g, x, 4)

Octave 将执行上述语句并返回以下结果 -

l1 =
   17.0
l2 =
   17.0
lAdd =
   34.0
lSub =
   0.0
lMult =
   289.0
lDiv =
   1.0

左侧和右侧限制

当函数对变量的某个特定值具有不连续性时，该点不存在极限。换句话说，函数 f(x) 的极限在 x =a 处具有不连续性，当 x 从左侧接近 x 时的极限值不等于 x 从右侧接近时的极限值。

这导致了左手和右手极限的概念。左手极限定义为 x -> a 的极限，从左边开始，即 x 接近 a，对于 x a 的极限，从右边开始，即 x 接近 a，对于 x> a 的值。当左手极限和右手极限不相等时，极限不存在。

让我们考虑一个函数 -

f(x) =(x - 3)/|x - 3|

我们将证明 limx->3 f(x) 不存在。 MATLAB 以两种方式帮助我们确立这一事实 -

通过绘制函数图并显示不连续性。
通过计算限制并显示两者不同。

通过将字符串 'left' 和 'right' 作为最后一个参数传递给 limit 命令来计算左手和右手限制。

示例

创建一个脚本文件并在其中输入以下代码 -

f = (x - 3)/abs(x-3);
ezplot(f,[-1,5])
l = limit(f,x,3,'left')
r = limit(f,x,3,'right')

运行文件时，MATLAB 会绘制如下图

显示以下输出后 -

l =
   -1
  
r =
   1

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