در متلب matlab هر چند جمله ای بصورت یک ماتریس سطری تعریف می شود که آرایه های آن ضرایب چند جمله ای می باشد.به عنوان مثال ماتریس زیر معادل چند جمله ای  ۳X^4+X^2+4X-2 می باشد.

     [۲- A=[3 0 1 4

به این نکته دقت داشته باشید که تعریف ماتریس به معنای تعریف چند جمله ای نیست بلکه از دستوراتی که بعد از تعریف ماتریس بر روی آن اعمال می کنیم ، Matlab  با آن ماتریس همانند یک چند جمله ای رفتار می کند.

نکات مهم در جبر چند جمله ای ها در matlab:

برای جمع و تفریق دو چند جمله ای می توانیم از + و – استفاده کنیم.(در صورت یکسان نبودن تعداد جملات باید برای جملات غایب، ضریب صفر در نظر بگیریم)

برای ضرب و تقسیم دو چند جمله ای در متلب از دستورات(conv (A,B و (deconv (A,B استفاده می کنیم. (نکته ی جالب در مورد این دستور : conv  از لغت convolution  گرفته شده است و همانطور که می دانید در نظریه ی سیگنال و سیستم این واژه به معنی اپراتوری است که یک سیگنال را روی تمام زمان ها در پاسخ ضربه ی سیستم ضرب کرده و پس از شیفت دادن هر پاسخ به مقدار متناظر ورودی ، کل مقادیر را روی تمام زمان ها جمع کرده یا انتگرال می گیرد و در واقع نماد کانوولوشن که یک علامت ” * ” می باشد به معنای یک علامت × و یک علامت + می باشد که روی هم قرار گرفته اند.از طرفی می دانید که ضرب دو چند جمله ای نیز به معنای ضرب کردن تک تک جملات در یکدیگر و در نهایت جمع کردن آن هاست که ارتباط ظریفی بین مفهوم کانوولوشن و این قضیه وجود دارد ، کمی روی این مسئله فکر کنید )

برای محاسبه ریشه های یک چند جمله ای به کمک نرم افزار متلب از دستور (roots(A استفاده می کنیم.

برای به دست آوردن یک چند جمله ای از روی ریشه های آن از دستور (poly(A استفاده میکنیم. (با استفاده از این دستور، عملی عکس دستور roots انجام می گیرد.)

با استفاده از دستور help polyfum میتوان لیست دستورات چند جمله ای را مشاهده نمود.

حل دستگاه های معادلات جبری به کمک نرم افزار متلب :

دستگاه زیر را در نظر بگیرید :

  ۷x-3y+4z=-11

-3x+6y-2z=3

  ۴x-2y+2z=25

میتوان این دستگاه را با دو ماتریس ضرایب مجهول (به عنوان ماتریس A) و ماتریس طرف معلوم (به عنوان ماتریس B) تعریف کرد.در این صورت داریم :

A=[7 -3 4; -3 6 -2;4 -2 2]

B=[-11;3;25]

حال با تقسیم ماتریس A  به ماتریس B جواب های z , y , x  به ترتیب ۱ و۲ و۳ میشود.

H=A\B

 =H

    ۱

۲

۳

روش دیگر به دست آوردن جواب این است که معکوس ماتریس ضرایب را در طرف معلوم ضرب کنیم.در این صورت داریم :

H=inv(A)*B

 =H

1

2

3

نوشته جبر چند جمله ای ها در نرم افزار متلب اولین بار در ايران متلب. پدیدار شد.

یکی از مهم ترین مسائلی که احتمالا شما در ریاضیات کاربردی و علوم مهندسی با آن مواجه شوید، نیاز به حل معادلات دیفرانسیل به صورت عددی است. این کار برای شبیه سازی و تحلیل سیستم های دینامیکی بسیار حیاتی است. بارها از طریق ایمیل ها با نظراتی که به متلب سایت ارسال شده است، در خصوص حل معادلات دیفرانسیل با مرتبه بیشتر از یک سئوالاتی توسط مراجعین محترم مطرح شده است. در این پست قصد داریم تا مطالبی در خصوص چگونگی حل معادلات دیفرانسیل با مرتبه بیش از یک توسط نرم افزار متلب ، ارائه نماییم. در ادامه مطلب با ما همراه باشید.

یکی از مهم ترین مسائلی که احتمالا شما در ریاضیات کاربردی و علوم مهندسی با آن مواجه شوید، نیاز به حل معادلات دیفرانسیل به صورت عددی است. این کار برای شبیه سازی و تحلیل سیستم های دینامیکی بسیار حیاتی است. بارها از طریق ایمیل ها با نظراتی که به متلب سایت ارسال شده است، در خصوص حل معادلات دیفرانسیل با مرتبه بیشتر از یک سئوالاتی توسط مراجعین محترم مطرح شده است. در این پست قصد داریم تا مطالبی در خصوص چگونگی حل معادلات دیفرانسیل با مرتبه بیش از یک توسط نرم افزار متلب، ارائه نماییم. در ادامه مطلب با ما همراه باشید.

یک معادله ساده

سیستمی که در این مقاله قصد حل معادله دیفرانسیلی مربوط به آن را داریم، سیستم جرم و فنر خطی است که یک سیستم درجه دو خطی و تغییر ناپذیر با زمان است. فرض بر این است که محور حرکت سیستم مورد بررسی افقی است و از این رو نیروی گرانش تاثیری بر روی عملکرد سیستم ندارد. اگر $$m$$ جرم و $$k$$ نشان دهنده ضریب سختی فنر باشد، معادله حرکت سیستم با توجه به قوانین فیزیکی نیوتون و خواص ذاتی جرم و فنر، به صور زیر خواهد بود:

$$ m \frac{d^2}{dt^2} x(t) + k x(t) = F $$

که در آن $$F$$ نشان دهنده نیروی خارجی وارد شونده به سیستم جرم و فنر است.

ما برای حل این معادله دیفرانسیل بایستی مقادیر عددی پارامترهای $$m$$ و $$k$$ و همچنین تابع نیروی خارجی $$F(t)$$ را داشته باشیم. همچنین باید مکان اولیه و سرعت اولیه نیز بایستی معلوم و معین باشند. فرض می کنیم که مقدار نیروی خارجی وارد شده بر سیتسم در تمام زمان ها برابر با صفر باشد؛ یعنی $$F = 0$$. همچنین فرض می کنیم که مکان اولیه برابر با صفر و سرعت اولیه برابر با یک باشد. به عبارت دیگر سیستم مورد بررسی به صورت زیر توصیف می شود:

$$ m \frac{d^2}{dt^2} x(t) + k x(t) = 0 $$

$$ x(0)=0 $$

$$ \frac{d}{dt} x(0) = 1 $$

کاهش درجه معادله دیفرانسیل

برای حل معادله دیفرانسیل درجه دو می بایست ابتدا آن را به دستگاهی از دو معاله درجه یک تبدیل کنیم. در حالت کلی برای حل معادله دیفرانسل درجه $$n$$ می بایست آن را به صورت دستگاهی از معادلات درجه یک با $$n$$ معادله تبدیل نمود.

فرض کنیم که متغیر جدیدی به صورت زیر تعریف شده باشد:

$$ y = \frac{d}{dt} x $$

به عبارت دیگر $$y$$ نشان دهنده سرعت حرکت جرم است. می توان به راحتی نشان داد که:

$$ \frac{d}{dt} y = \frac{d^2}{dt^2} x $$

حال معادله دیفرانسیل مورد بررسی را با استفاده از متغیرهای جدید بازنویسی می کنیم. نتیجه بازنویسی در ادامه آمده است:

$$ \frac{d}{dt} x = y $$

$$ \frac{d}{dt} y = -\frac{k}{m} x $$

که همان فرم فضای حالت سیستم جرم فنر ساده است. شرایط اولیه این سیتم نیز عبارتند از: $$x(0)=0$$ و $$y(0)=1$$.

برای راحتی کار و همچنین ملموس تر کردن معادلات به دست آمده، متغیر برداری جدیدی را به صورت زیر تعریف می کنیم.

$$ z = [z_1, z_2]^T = [x, y]^T $$

در این حال معادلات فضای حال به صورت زیر قابل بازنویسی هستند:

$$ \frac{d}{dt} z = [z_2, -\frac{k}{m} z_1]^T $$

پیاده سازی با استفاده از متلب

مقادیر جرم و ضریب فنری را وارد می کنیم:

m = 1;
k = 10;

تابع مربوط به معادله دیفرانسیل سیستم دینامیکی را تعریف می کنیم:

springmass = @(t,z) [z(2); -k/m*z(1)];

و شرایط اولیه را تعریف می کنیم:

z0 = [0; 1];

بازه زمانی شبیه سازی را بین ۰ تا ۱۰ ثانیه در نظر می گیریم و بازه زمانی را به صورت زیر تعریف می کنیم:

tspan = [0 10];

با استفاده از یکی از حل کننده های یا Solver های متلب معادله دیفرانسلی را حل می کنیم. شما می توانید از توابع مختلفی نظیر ode45 و ode23 استفاده نمایید. ما در اینجا از ode23 استفاده کرده ایم.

[t, z] = ode23(springmass,tspan,z0);

پس از حل معادله دیفرانسیل، نتایج به دست آمده را نمایش می دهیم. ابتدا موقعیت متحرک را ترسیم می کنیم.

plot(t,z(:,1));
title(‘Position vs. Time’);

و در ادامه سرعت متحرک را ترسیم می نماییم.

plot(t,z(:,2));
title(‘Velocity vs. Time’);

مشاهده می شود که سیستم از شرایط اولیه داده شده شروع به حرکت کرده است و با یک رفتار نوسانی نا میرا (به دلیل عدم وجود اصطکاک و دمپر) به کار خود ادامه داده است.

نحوه شبیه سازی سیستم های مرتبه بالاتر و همچنین سیستم های غیر خطی نیز کم و بیش مشابه با کاری است که در مورد سیستم جرم و فنر انجام دادیم. در واقع مطالبی که در این پست به آن ها اشاره نمودیم، یک الگوی کلی برای حل و شبیه سازی معادلات دیفرانسلی معمولی یا Ordinary Differential Equations و یا به اختصار ODE ها را فراهم می آورند.

امیدواریم این مطلب برای شما مفید باشد و پاسخگوی سئوالات و مشکلات شما در زمینه شبیه سازی سیستم های دینامیکی و حل عددی معادلات دیفرانسیلی باشد.

دریافت کتابچه حل معادلات ديفرانسيل با مشتقات پاره اي با MATLAB

نوشته چگونگی حل معادلات دیفرانسیل معمولی در متلب اولین بار در ايران متلب. پدیدار شد.