Curso de introducción al lenguaje matlab.ppt

INTRODUCCIÓN A
MATLAB
Mª Victoria Lapuerta González
Ana Laverón Simavilla

Indice
 Introducción
 Números y operaciones
 Vectores y matrices
 Operaciones con vectores y matrices
 Funciones para vectores y matrices
 Polinomios
 Gráficos 2D y 3D
 Programación
 Análisis numérico

Introducción
 ¿Qué es Matlab?, MATrix LABoratory
 Es un lenguaje de programación (inicialmente escrito en C) para
realizar cálculos numéricos con vectores y matrices. Como caso
particular puede también trabajar con números escalares, tanto
reales como complejos.
 Cuenta con paquetes de funciones especializadas

Introducción
Elementos básicos del escritorio de Matlab
 Command Windows: Donde se ejecutan todas las instrucciones y
programas. Se escribe la instrucción o el nombre del programa y se da a
Enter.
 Command History: Muestra los últimos comandos ejecutados en
Command Windows. Se puede recuperar el comando haciendo doble
 Current directory: Situarse en el directorio donde se va a trabajar
 Help (también se puede usar desde comand windows)
 Workspace: Para ver las variables que se están usando y sus dimensiones
(si son matrices)
 Editor del Matlab: Todos los ficheros de comandos Matlab deben de llevar
la extensión .m

Introducción
Elementos básicos del escritorio de Matlab
Command
Windows
Current
directory
Command
History

Introducción
Algunos comentarios sobre la ventana de comandos
 Se pueden recuperar instrucciones con las teclas ↓↑
 Se puede mover por la línea de comandos con las teclas → ←. Ir
al comienzo de la línea con la tecla Inicio y al final con Fin. Con
Esc se borra toda la línea.
 Se puede cortar la ejecución de un programa con Ctrl+C

Introducción
Debugger
Set/Clear breakingpoint: Coloca o borra un punto de ruptura
en la línea en que está colocado el cursor
Clear all breakingpoints:: Borra todos los puntos de ruptura
Step: Avanza un paso en el programa
Step in: Avanza un paso en el programa y si en ese paso se
llama a una función, entra en dicha función
Step out: Avanza un paso en el programa y si en ese paso se
llama a una función, entra en dicha función
Continue: Continua ejecutando hasta el siguiente punto de
ruptura
Quit debugging: Termina la ejecución del debugger

Números y operaciones
Datos numéricos:
 No hace falta definir variables enteras, reales, etc. como en otros lenguajes
 Números enteros: a=2
 Números reales: x=-35.2
 Máximo de 19 cifras significativas
 2.23e-3=2.23*10-3
 Precisión y formatos: Por defecto tiene un formato corto, pero se pueden
usar otros
>> format long (14 cifras significativas)
>> format short (5 cifras significativas)
>> format short e (notación exponencial)
>> format long e (notación exponencial)
>> format rat (aproximación racional)
Ver en menú de File: Preferences → Command Windows

Preferences (en el menú de File)

Datos numéricos:
 Son sensibles a las mayúsculas: x=5, X=7
 Información sobre variables que se están usando y sus dimensiones (si son
matrices): Workspace. También tecleando
>> who
>> whos (da más información)
 Para eliminar alguna variable se ejecuta
>> clear variable1 variable2
 Si se quieren borrar todas las variables: >> clear
 Constantes características: pi=, NaN (not a number, 0/0), Inf=.
 Números complejos: i=sqrt(-1) (sólo se puede usar i o j), z=2+i*4, z=2+4i
 Cuidado con no usar luego ‘i’ como contador en un bucle
trabajando con complejos.

Operaciones aritméticas elementales:
 Suma: +, Resta -
 Multiplicación: *, División: /
 Potencias: ^
 Orden de prioridad: Potencias, divisiones y multiplicaciones y por
último sumas y restas. Usar () para cambiar la prioridad
 Ejemplo: main_operaciones_numeros.m. Probar el Debugger

Funciones de Matlab:
 exp(x), log(x), log2(x) (en base 2), log10(x) (en base 10), sqrt(x)
 Funciones trigonométricas: sin(x), cos(x), tan(x), asin(x), acos(x),
atan(x), atan2(x) (entre –pi y pi)
 Funciones hiperbólicas: sinh(x), cosh(x), tanh(x), asinh(x),
acosh(x), atanh(x)
 Otras funciones: abs(x) (valor absoluto), int(x) (parte entera),
round(x) (redondea al entero más próximo), sign(x) (función signo)
 Funciones para números complejos: real(z) (parte real), imag(z)
(parte imaginaria), abs(z) (módulo), angle(z) (ángulo), conj(z)
(conjugado)
Ejemplo: main_operaciones_numeros.m

Vectores y matrices
Definición de vectores:
 Vectores fila; elementos separados por blancos o comas
>> v =[2 3 4]
 Vectores columna: elementos separados por punto y coma (;)
>> w =[2;3;4;7;9;8]
 Dimensión de un vector w: length(w)
 Generación de vectores fila:
 Especificando el incremento h de sus componentes v=a:h:b
 Especificando su dimensión n: linspace(a,b,n) (por defecto
n=100)
 Componentes logarítmicamente espaciadas logspace(a,b,n) (n
puntos logarítmicamente espaciados entre 10a y 10b. Por defecto
n=50)
Ejemplo: main_operaciones_matrices.m

Vectores y matrices
Definición de matrices:
 No hace falta establecer de antemano su tamaño (se puede definir
un tamaño y cambiarlo posteriormente).
 Las matrices se definen por filas; los elementos de una misma fila
están separados por blancos o comas. Las filas están separadas
por punto y coma (;).
» M=[3 4 5; 6 7 8; 1 -1 0]
 Matriz vacía: M=[ ];
 Información de un elemento: M(1,3), de una fila M(2,:), de una
columna M(:,3).
 Cambiar el valor de algún elemento: M(2,3)=1;
 Eliminar una columna: M(:,1)=[ ], una fila: M(2,:)=[ ];
 Ejemplo: main_operaciones_matrices.m

Vectores y matrices
Definición de matrices:
 Generación de matrices:
 Generación de una matriz de ceros, zeros(n,m)
 Generación de una matriz de unos, ones(n,m)
 Inicialización de una matriz identidad eye(n,m)
 Generación de una matriz de elementos aleatorios rand(n,m)
 Añadir matrices: [X Y] columnas, [X; Y] filas

Operaciones con vectores y matrices
Operaciones de vectores y matrices con escalares:
v: vector, k: escalar:
 v+k adición o suma
 v-k sustracción o resta
 v*k multiplicación
 v/k divide cada elemento de v por k
 k./v divide k por cada elemento de v
 v.^k potenciación de cada componente de v a k
 k.^v potenciación k elevado a cada componente de v

Operaciones con vectores y matrices
Operaciones con vectores y matrices:
 + adición o suma
 – sustracción o resta
 * multiplicación matricial
 .* producto elemento a elemento
 ^ potenciación
 .^ elevar a una potencia elemento a elemento
 división-izquierda
 / división-derecha
 ./ y . división elemento a elemento
 matriz traspuesta: B=A’ (en complejos calcula la traspuesta
conjugada, sólo la traspuesta es B=A.’)

Funciones para vectores y matrices
Funciones de matlab para vectores y matrices:
 sum(v) suma los elementos de un vector
 prod(v) producto de los elementos de un vector
 dot(v,w) producto escalar de vectores
 cross(v,w) producto vectorial de vectores
 mean(v) (hace la media)
 diff(v) (vector cuyos elementos son la resta de los elemento de v)
 [y,k]=max(v) valor máximo de las componentes de un vector (k indica la
posición), min(v) (valor mínimo). El valor máximo de una matriz M se
obtendría como max(max(M)) y el mínimo min(min(v))
 Aplicadas algunas de estas funciones a matrices, realizan dichas
operaciones por columnas.

Funciones de Matlab para vectores y matrices
 [n,m]=size(M) te da el número de filas y columnas
 matriz inversa: B=inv(M), rango: rank(M)
 diag(M): Obtencion de la diagonal de una matriz. sum(diag(M))
calcula la traza de la matriz A. diag(M,k) busca la k-ésima diagonal.
 norm(M) norma de una matriz (máximo de los valores absolutos de
los elementos de A)
 flipud(M) reordena la matriz, haciendo la simétrica respecto de un
eje horizontal. fliplr(M) ) reordena la matriz, haciendo la simétrica
respecto de un eje vertical
 [V, landa]=eig(M) da una matriz diagonal landa con los autovalores
y otra V cuyas columnas son los autovectores de M

 Guardar en ficheros y recuperar datos:
 save nombre_fichero nombre_matriz1, nombre_matriz2
 load nombre_fichero nombre_matriz1, nombre_matriz2
 save nombre_fichero nombre_matriz1 –ascii (guarda 8 cifras
decimales)
 save nombre_fichero nombre_matriz1 –ascii –double (guarda 16
cifras decimales)

Polinomios
 Los polinomios se representan en Matlab por un vector fila de
dimensión n+1 siendo n el grado del polinomio. Ejemplo: x3+2x-7 se
representa por
>> pol1=[1 0 2 -7]
 Cálculo de las raíces: roots (da un vector columna, aunque pol1 es
un vector fila)
>>raices=roots(pol1)
 Un polinomio puede ser reconstruido a partir de sus raíces con el
comando poly
>> p=poly(raices) (da un vector fila) **
 Si el argumento de poly es una matriz se obtiene el polinomio
característico de la matriz.

Polinomios
Funciones de Matlab para polinomios
 Calcular el valor de un polinomio p en un punto dado x: polyval
>>y=polyval(p,x)
 Multiplicar y dividir polinomios: conv(p,q) y deconv(p,q)
 Calcular el polinomio derivada: polyder(p)

Gráficos 2D y 3D
Funciones gráficas 2D y 3D elementales
 2D: plot() crea un gráfico a partir de vectores con escalas lineales
sobre ambos ejes,
>> plot(X,Y,’opción’) (opción: permite elegir color y trazo de la
curva)
 hold on: permite pintar más gráficos en la misma figura (se
desactiva con hold off)
 grid activa una cuadrícula en el dibujo. Escribiendo de nuevo grid
se desactiva.
 2D: loglog() escala logarítmica en ambos ejes, semilogx(): escala
lineal en el eje de ordenadas y logarítmica en el eje de abscisas,
semilogy(): escala lineal en abscisas y logarítmica en ordenadas
Ejemplo: main_dibujos.m, y ver en Demos: Graphics

Gráficos 2D y 3D
Funciones gráficas 2D y 3D elementales
 2D: subplot(n,m,k) subdivide una ventana gráfica se puede en m
particiones horizontales y n verticales y k es la subdivisión que se
activa.
 2D: polar(ángulo,r) para pintar en polares
 2D: fill(x,y,’opción’) dibuja una curva cerrada y la rellena del color
que se indique en ‘opción’
 3D: plot3 es análoga a su homóloga bidimensional plot.
» plot3(X,Y,Z, ’opción’)

Gráficos 2D y 3D
Elección de la escala de los ejes
 axis([x0 x1 y0 y1]) (2D), axis([x0 x1 y0 y1 z0 z1]) (3D)
 axis auto: devuelve la escala a la de defecto
 axis off: desactiva los etiquetados de los ejes desapareciendo los ejes, sus
etiquetas y la malla, axis on: lo activa de nuevo
 axis equal: los mismos factores de escala para los dos ejes
 axis square: cierra con un cuadrado la región delimitada por los ejes de
coordenadas actuales.
 Para elegir las etiquetas que aparecen en los ejes:
 set(gca, ‘XTick’,-pi:pi/2,pi) %gca:get current axis
 set(gca, ‘XTicklabel’,({‘-pi’,’-pi/2’,0,’pi/2’,’pi’})

Gráficos 2D y 3D
Funciones para añadir títulos a la gráfica
 title('título') añade un título al dibujo. Para incluir en el texto el valor
de una variable numérica es preciso transformarla mediante :
 int2str(n) convierte el valor de la variable entera n en carácter
 num2str(x) convierte el valor de la variable real o compleja x en
carácter. Ejemplo: title(num2str(x))
 xlabel(‘texto’) añade una etiqueta al eje de abscisas. Con xlabel
off desaparece. Lo mismo ylabel(‘texto’) o zlabel(‘texto’)
 text(x,y,'texto') introduce 'texto' en el lugar especificado por las
coordenadas x e y. Si x e y son vectores, el texto se repite por cada
par de elementos.
 gtext('texto') introduce texto con ayuda del ratón.

Gráficos 2D y 3D
Funciones de Matlab para gráficos 2D y 3D
 Imprimir gráficos: Print (botón File en ventana gráfica)
 Guardar gráficos: Save (botón File en ventana gráfica): Se crea un
fichero .fig que podrá volver a editarse y modificarse
 Exportar gráficos: Export (botón File en ventana gráfica)
 figure(n): Llamar una nueva figura o referirnos a una figura ya
hecha
 close all borra todas las figuras, close(figure(n)) una en concreto

Ejercicio I
Representar las funciones:
y1= sin(3 π x)/ex
y2=cos(3π x)/ex
con x variando entre 0 y 3 π,obteniendo una única figura de la forma:

Ejercicio II
a) Obtener la solución del sistema de ecuaciones:
3x+2y-z=1
5x+y+3z=-2
3y-4z=3
b) Sea A de coeficientes del sistema anterior. Calcular el máximo
autovalor de A y su autovector asociado como salida del programa

Gráficos 2D y 3D
Representación gráfica de superficies
 Creación de una malla a partir de vectores [X, Y]=meshgrid(x,y)
 Gráfica de la malla construida sobre la superficie Z(X,Y):
mesh(X,Y,Z), meshc(X,Y,Z) (dibuja además líneas de nivel en el
plano z=0)
 Gráfica de la superficie Z(X,Y): surf(X,Y,Z), surfc(X,Y,Z)
 pcolor(Z) dibuja proyección con sombras de color sobre el plano (la
gama de colores está en consonancia con las variaciones de Z)
 contour(X,Y,Z,v) y contour3(X,Y,Z,v) generan las líneas de nivel
de una superficie para los valores dados en v. Para etiquetar las
líneas, primero cs=contour(Z) (para saber los valores del contorno)
y luego clabel(cs) o directamente clabel(cs,v)
 Ejemplo: main_dibujo_superficie.m y ver en Demos: Graphics

Gráficos 2D y 3D
Representación gráfica de superficies
 Diferentes formas de representar los polígonos coloreados:
 shading flat: sombrea con color constante para cada polígono.
 shading interp: sombrea calculado por interpolación de colores
entre los vértices de cada polígono
 shading faceted: sombreado constante con líneas negras
superpuestas (opción por defecto)
 hidden off (desactiva la desaparición de líneas escondidas),
hidden on (lo activa)
 Manipulación de gráficos
 view(azimut, elev), view([xd,yd,zd])
 rotate(h,d,a) o rotate(h,d,a,o), ‘h’ es el objeto, ‘d’ es un vector
que indica la dirección, ‘a’ un ángulo y ‘o’ el origen de rotación
 En ventana gráfica: View (camera toolbar)

Gráficos 2D y 3D
Transformación de coordenadas
 [ang,rad]=cart2pol(x,y), de cartesianas a polares
 [ang,rad,z]=cart2pol(x,y,z), de cartesianas a cilindricas
 [x,y]=pol2cart(ang,rad), de polares a cartesianas
 [x,y,z]=pol2cart(ang,rad,z), de cilindricas a cartesianas
 [angx,angz,rad]=cart2sph(x,y,z), de cartesianas a esfericas
 [x,y,z]=aph2cart(angx,angz,rad), de esfericas a cartesianas

Gráficos 2D y 3D
Creación de películas
 Una película se compone de varias imágenes (frames)
 getframe se emplea para guardar todas esas imágenes. Devuelve
un vector columna con la información necesaria para reproducir la
imagen que se acaba de representar, por ejemplo con la función
plot. Esos vectores se almacenan en una matriz M.
 movie(M,n,fps) representa n veces la película almacenada en M a
una velocidad de fps imágenes por segundo
X=0:0.01:2*pi;
for j=1:10
plot(x,sin(j*x)/2)
M(j)=getframe;
end
movie(M,4,6)
 Ejemplo: main_pelicula.m

Programación
Ficheros de Matlab
 Ficheros de programa: Se construyen mediante una secuencia de
comandos. El fichero principal se llamará main_nombre.m
 Ficheros de función: para crear funciones propias. Son llamados
por los ficheros de programa.
 La primera línea es ejecutable y empieza por la palabra function
de la forma:
function arg_salida=funcion_nombre(arg_entrada, parametros)
 El fichero se debe guardar como funcion_nombre.m
 Comandos de entrada y salida:
 input: permite introducir datos: ae=input(‘Teclee valor de
a’);
 disp: muestra un texto por pantalla: disp(‘El algoritmo no
ha convergido’)
 Ejemplo: main_pintarseno.m

Programación
Ficheros de Matlab
 Ficheros de programa: Se construyen mediante una secuencia de
comandos. El fichero principal se llamará main_nombre.m
 Ficheros de función: para crear funciones propias. Son llamados
por los ficheros de programa.
 La primera línea es ejecutable y empieza por la palabra function
de la forma:
function arg_salida=funcion_nombre(arg_entrada, parametros)
 El fichero se debe guardar como funcion_nombre.m
 Comandos de entrada y salida:
 input: permite introducir datos: ae=input(‘Teclee valor de
a’);
 disp: muestra un texto por pantalla: disp(‘El algoritmo no
ha convergido’)
 Ejemplo: main_pintarseno.m. Usar el Debugger para meterse en
la función

Programación
Funciones de funciones
 fzero(‘nombre_funcion’,x0): Calcula el cero de una función más
próximo al valor de la variable x0
 fminsearch(‘funcion’,x0): calcula el mínimo relativo de una función
más próximo a x0
 fminbnd(‘funcion‘,a,b): calcula un mínimo de la función en el
intervalo [a,b]

Programación
Bucles
for k=n1:incre:n2
end
for k=vector_columna
end
while
end
Ejemplo: main_bucles

Programación
Estructuras de control condicionadas
 Operaciones lógicas:
 >, <, >=,<=,== (igual)
 | (or), &(and)
 ~ (no), ~= (no igual)
 Ejemplo: main_condicional
if
end
if
else
end
if
elseif
else
end

Programación
Interpolación
 1D:
 Se define un polinomio de un cierto grado (ejemplo, n=2,
ax^2+bx+c), para hacer la interpolación: p=polyfit(x,y,n). Si se
quiere la interpolación en ciertos valores ’xi’: yi=polyval(p,xi).
 yi = interp1(x,Y,xi,metodo). Métodos: ‘linear’ (interpolación
lineal), ’cubic’ (cúbica), ’spline (spline cúbica)
 2D:
 matriz_Z=interp2(X,Y,Z,matriz_X,matriz_Y,metodo). Métodos:
’bilinear’ (interpolación lineal), ’bicubic’ (cúbica)

Análisis numérico
Integración
 1D: quad, quadl: integran una función en un intervalo [a,b]
quad(‘funcion’,a,b)
 2D: dblquad: integran una función en un intervalo
[xmin,xmax]x[ymin,ymax]
dblquad('y*sin(x)+x*cos(y)',xmin,xmax,ymin,ymax)

Análisis numérico
Resolución de ecuaciones diferenciales
 Resolución de problemas de valores iniciales para ecuaciones
diferenciales ordinarias (ODEs)
 [T,Y]=solver(‘F’,tspan,Y0)
 solver: algoritmo de resolución de ODEs, ode45, ode23,
ode113, ode15s,ode23s.
 F: función que contiene las ecuaciones diferenciales en forma
matricial
 Tspan: vector de tiempos [t0 tfinal] de integración.
 Y0: vector columna de condiciones iniciales en t0

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