A MathWikiből

(Változatok közti eltérés)

Ugrás: navigáció, keresés

A lap 2017. november 6., 06:34-kori változata

Octave

Octave is a numerical calculator, its the free (opensource) version of MatLab.

First steps

Getting the program

Use one of the following from home:

install Octave, free for all platforms
using putty log in to leibniz, start octave with the octave command
run octave from the computer lab

Calculator

Octave can be used as an advanced calculator. Try the following (after entering octave):

2 + 3

press Enter:

> 2 + 3
ans =  5

Try these as well:

2 - 3
2 * 3
2 / 3
floor (2 / 3)
mod (2, 3)
2^3
sqrt (2)
log (2)
log (3)
log (8) / log (2)
exp (1)
pi
cos (pi / 2)
(180 / pi) * acos (0.5)

This is how you quit

exit

Data types

Every number is a floating point number, even if it happens to be an integer:

1000 / 9
ans = 111.11

We can however force it to use integers:

int32 (1000) / int32 (9)
ans = 111

In Octave every number is real as long as it does not turn out to be complex:

sqrt (2)
sqrt (-2)

Number representation

double: double precision float, 64 bit (8 byte)
- real: 8 byte
- complex: 16 byte
single: single precision float, 32 bit (4 byte)
- real: 4 byte
- complex: 8 byte
int32: 32 bites two's complement integer (4 byte)
int8: 8 bites two's complement integer -128..127 (1 byte)
uint32: 32 bites unsigned integer (4 byte)
uint8: 8 bites unsigned integer: 0..255 (1 byte)

Size does matter:

log(single(1.0001))
log(double(1.0001))
int32(100+100)
int8(100+100)

Matrices

In octave every number is a matrix

numbers: 1x1
vectors:
- row vector: 1xn
- column vector: nx1
matrix: nxm

About.

Row vector:

[1 2 3 4]
[1, 2, 3, 4]

Column vector:

[1; 2; 3; 4]

This is not a column vector:

[[1], [2], [3], [4]]

Matrix:

[1 2; 3 4]
[1, 2; 3, 4]

Special matrices:

zeros: all 0
ones: all 1
eye: 1 in diagonal, 0 elsewhere
diag: square diagonal, with the speciafied diagonal

zeros (2, 3)
eye (2, 3)
ones (3, 1)
diag ([1, 2, 3, 4])

Also try:

size (5)
size ([1, 2, 3])
size ([1; 2; 3])

Ranges

Try the following:

1:10

We can specify a step as well:

1:0.1:2
1:2:10

Does not work for complex numbers, since there's no order on complex numbers!
The result will always be double but we can convert it:

int32 (1:0.5:10)

Decreasing range:

4:-1:1

Empty range:

4:1:1
4:1

Diagonal matrix:

> diag(1:4)
ans =
  1 0 0 0
  0 2 0 0
  0 0 3 0
  0 0 0 4

typeinfo

You can find out the type of an item with typeinfo.

typeinfo (1)
typeinfo (int32(1))
typeinfo (i)
typeinfo ([1 2 3 4])
typeinfo ([1 i -1 -i])
typeinfo (1:4)
typeinfo ([1:4])
typeinfo (1 >= 0)
typeinfo ("szöveg")
typeinfo ([1 + 2i 1 - 1i])

Operations with matrices

Since every number is a 1x1 matrix, this can be applied to numbers as well.

Transpose

Use an accent ('):

> [1 2; 3 4]'
ans =
 1 3
 2 4
> _

Or

> (1:4)'
ans =
  1
  2
  3
  4

For complex matrices the accent means andjugate

in other words, the conjugate of the transpose:
> [1 2i; 3i 4]'
ans =
  1 - 0i   0 - 3i
  0 - 2i   4 - 0i

Conjugate: (2 + 1i)'

Addition

1 + (1:4)
eye (2, 2) + ones (2, 2)
[1; 2; 3; 4] - [4; 3; 2; 1]

Multiplication

Every multiplication is matrix multiplication:

> [1 2; 3 4]*[1 2; 3 4]
ans =
   7   10
  15   22

Power as well, so is the inverse:

[1 2; 3 4]^2
[1 2; 3 4]^-1

For multiplications the dimensions must be compatible:

ones (2, 3) * ones (3, 5)

Multiplying a row vector and a column vector results in a scalar, while the reverse is a dyiadic multiplication:

[1,2,3]*[1;2;3]
[1;2;3]*[1,2,3]

Every element or the whole

If power is a matrix operator, then what is this?

[1 2; 3 4]^0.5

And this?

sqrt([1 2; 3 4])

Some operators apply to every element of a matrix, while others apply to the matrix itself.

> (1:4)^2
error: for A^b, A must be a square matrix

This results in an error since multiplying a 1x4 matrix with itself is not possible. But:

> (1:4).^2
ans =
  1  4  9 16

Putting a dot in front of an operator makes it apply to every element of a matrix instead of apply to the matrix itself. For addition this does not matter.

> [1 2; 3 4] + [1 2; 3 4]
ans =
  2   4
  6   8
> [1 2; 3 4] .+ [1 2; 3 4]
ans =
  2   4
  6   8

But for multiplication it matters:

> [1 2; 3 4] * [1 2; 3 4]
ans =
   7   10
  15   22
> [1 2; 3 4] .* [1 2; 3 4]
ans =
   1    4
   9   16

Power:

> [1 2; 3 4]^-1
ans =
 -2.00000   1.00000
  1.50000  -0.50000
> [1 2; 3 4].^-1
ans =
  1.00000   0.50000
  0.33333   0.25000

Elementry functions apply to every element usually:

sin (0:0.1:2*pi)
exp ([0,-1;1,0])

While elementry operators apply to the matrix (*, ^, /, \)

Variables

We use variables to store values.

a = 2
b = 3
a + b

The variable ans always exists. It stores the last calculated value.
If a variable doesn't exist we can't use it in a calculation:

> a / q
error: `q' undefined

Using a semicolon (;) we can do silent calculations:

a = 2;
b = 3;
a + b

The whos commands shows the currently stored variables.

> whos
Variables in the current scope:
  Attr Name        Size                     Bytes  Class
  ==== ====        ====                     =====  =====
       a           1x1                          8  double
       ans         1x1                          8  double
       b           1x1                          8  double
Total is 3 elements using 24 bytes

Variables can be overwritten anytime:

> a = 2;
> a = [1 2; 3 4];
> whos
Variables in the current scope:
  Attr Name        Size                     Bytes  Class
  ==== ====        ====                     =====  =====
       a           2x2                         32  double

Indexes

Let M be a 3x3 matrix. The jth element of the ith row of this matrix is:

M = rand(3,3);
i = 1;
j = 3;
M(i,j)

Concatenating matrices:

[M M]
[M; M]

Partial series:

l = 0:0.1:1;
l (:)
l (1:11)
l (1:5)
l (5:end)
l (1:2:11)

Also:

l (1:2:11) = 0

Partial matrix:

A = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9];
A (1:3, 1:2)
A (1:2, 1:3)

Skipping one line:

A ([1, 3], :)

Or selecting a specific part of a matrix:

S = ones (8, 8);
S (3:6, 3:6) = -1

Or a given index:

S = ones (8, 8);
S ([1 2 8], [2 6]) = 8

Flattening a matrix:

A = eye (3, 3);
A (:)

Vektorizáció

Az Octave-ban (MatLab-ban) általában egyszerre sok dolgot számolunk, nem csak egy értéken értékelünk ki egy függvényt. Például az X mátrix minden sorának számoljuk ki a normáját (X lehet nx3-as, ahol n nagyon sok):

X = rand (10, 3);
sqrt (sum (X.^2, 2))
ans =
  0.99105
  0.86977
  1.29362
  0.91697
  1.26149
  0.84024
  1.45410
  1.19791
  1.01153
  1.07420

Belülről kifelé haladva elemezzük a függvényeket:

X.^2: kiszámolja az elemenkénti négyzetet
sum(●, 2): összegzi a mátrix sorait egy oszlopvektorba (a 2 azt jelenti, a tömb második dimenziója, azaz a 2. index mentén)
sqrt: elemenként gyököt von

Számoljuk ki a 2x^2-3x+1 függvényértékeket, ahol x egy sorvektor:

x=0:0.1:1;
fx=2.*x.^2 - 3.*x + 1

A vektorizáció lényege, hogy ahol lehet mátrix és vektor műveletekre vezessük vissza a számításainkat, mert 1000 darab számpár összeszorzása lassabb, mint két darab 1000 hosszú vektor szorzása!

Függvények

Írjuk be az octave a parancssorába a következőket, vigyázzunk több soros lesz!

> function fx = f (x)
>   fx = 1 / (x^2 + 1);
> endfunction

Majd próbáljuk ki:

> f(3)
ans = 0.10000

Függvények megadása:

function <<az eredmény>> = <<a függvény neve>> (<<változók>>)
  ...
endfunction

A függvény hasában bármit számolhatunk, de a végén adjunk értéket <<az eredmény>> változónak. A függvény hasában érdemes csendes számítást végezni, itt használjunk mindenütt pontosvesszőt (;) a sor végén!

Egy másik függvény:

function R = remove_last (x)
  R = x (1:end-1);
endfunction

Példa:

> remove_last (1:5)
ans =
  1   2   3   4

Feladatok

Elemi sorműveletek elvégzése

Hozzunk létre egy egyjegyű nemnegatív egészekből álló 4x5-ös mátrixot, majd cseréljük ki két sorát, szorozzuk be a második sorát 2-vel és adjuk az első sorának kétszeresét a harmadik sorhoz! (A mátrix redukált lépcsős alakjának meghatározására azért a rref függvényt használjuk!)

Mi ez?

Figyeljük meg a következőket.

A=[1 2 3; 4 5 6; 7 8 9];
B=[9 8 7; 6 5 4; 3 2 1];
trace (A*B')
A(:)' * B(:)

Mi a trace(A*B')?

LER

Számoljuk ki a következő lineáris egyenletrendszer megoldását:

 x + 2y = 3
4x + 5y = 6

1. megoldás:

A = [1 2; 4 5]
b = [3; 6]
x = A^-1 * b

2. megoldás:

x = A \ b

Még LER

Oldjuk meg a következő egyenletrendszereket:

 x + 5y = 1
2x + 4y = 2

 x + 5y = 1
2x + 4y = 2
5x - 6y = -1

 x + 2y + 5z = 1
5x + 4y + 6z = 2

Nagy mátrix okosan

Készítsük el a következő mátrixot okosan! (Minél kevesebb karaktert használva.)

1 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2 2 3 2 2 2 2 2 2 2
2 2 2 4 2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 5 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 6 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 7 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2 8 2 2
2 2 2 2 2 2 2 2 9 2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 10

És most ezt:

 0  1  0  0  0  0  0  0  0
-1  0  1  0  0  0  0  0  0
 0 -1  0  1  0  0  0  0  0
 0  0 -1  0  1  0  0  0  0
 0  0  0 -1  0  1  0  0  0
 0  0  0  0 -1  0  1  0  0
 0  0  0  0  0 -1  0  1  0
 0  0  0  0  0  0 -1  0  1
 0  0  0  0  0  0  0 -1  0

Sakktáblaszabály

  1  -1   1  -1   1
 -1   1  -1   1  -1
  1  -1   1  -1   1
 -1   1  -1   1  -1
  1  -1   1  -1   1

Függvény mátrixokon

Írjunk függvényt, mely az adott mátrix minden elemére alkalmazza a 2sin²x + 1 függvényt.

Részmátrix

Írjunk függvényt, mely egy 5x5-ös mátrix 2. és 4. sorából és 1., 3. és 5. oszlopából álló mátrixot adja.

Részmátrixon függvény

Írjuk meg az elõzõ két függvény kombinációját, mely az adott mátrix 2. és 4. sorából és 1., 3. és 5. oszlopából álló mátrixon alkalmazza a 2sin²x + 1 függvényt.

Minden második oszlop

Írjunk függvényt, mely tetszőleges mátrix minden második oszlopából álló mátrixot adja vissza. (Segítség, a size sorvektorban megadja a mátrix dimenzióját.)

Függvény alkalmazás csak adott elemeken

Írjunk függvényt, mely a kapott mátrix csak minden második oszlopán hajtja végre a 2sin²x + 1 függvényt. (Az eredmény mátrix dimenziója ugyanaz, mint a kapott mátrix.)

Segíts magadon

Az octave dokumentációjában, a stackoverflow-n vagy a Google-n. Az elemi szintű dolgok általában a Matlab help segítségével is megkereshetők.

Numerikus deriválás

Deriváljuk az f(x)=2x^2-3x+1 függvényt numerikusan! Adott egy x sorvektor, ami az abszcissza értékeket tartalmazza, fx pedig a hozzájuk tartozó függvényértékeket.

x = 0:0.1:1
fx = 2.*x.^2 - 3.*x + 1

Ekkor a függvény numerikus deriváltja:

df = (fx(2:end) - fx(1:end-1)) ./ 0.1

Nem egyenletes lépésközzel pedig:

df = (fx(2:end) - fx(1:end-1)) ./ (x(2:end) - x(1:end-1))

Informatics1-2017/Practice9