Matlab für Dummies
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Content
Einleitung 17
Über dieses Buch 17
Törichte Annahmen über die Leser 18
Die Symbole in diesem Buch 18
Über das Buch hinaus 19
Wie es weitergeht 20
Teil I Erste Schritte mit MATLAB 21
Kapitel 1 MATLAB mit seinen vielen Möglichkeiten kennen lernen 23
MATLAB einordnen 23
Verstehen, wie sich MATLAB zu einer Turing-Maschine verhält 24
Über MATLAB als Taschenrechner hinausgehen 26
Herausfinden, warum Sie MATLAB brauchen 27
Die anderen MATLAB-Anwender kennenlernen 29
Das meiste aus MATLAB herausholen 30
Grundlegende Fähigkeiten am Computer erwerben 30
Die mathematischen Anforderungen festlegen 31
Anwenden, was Sie schon von anderen prozeduralen Programmiersprachen wissen 31
Verstehen, wie Ihnen dieses Buch hilft 32
Die Lernkurve erklimmen 32
Kapitel 2 MATLAB installieren und verwenden 33
MATLAB installieren 33
Herausfinden, welche Plattformen MATLAB unterstützt 33
Ihr persönliches Exemplar von MATLAB erhalten 34
Die Installation durchführen 35
MATLAB aktivieren 35
Die Benutzeroberfläche kennenlernen 36
MATLAB das erste Mal starten 36
Das Anweisungsfenster verwenden 38
Das Aktuelles-Verzeichnis-Fenster verwenden 40
Das Fenster mit dem aktuellen Verzeichnis verwenden 42
Das Layout von MATLAB ändern 49
Kapitel 3 Mit MATLAB arbeiten 53
MATLAB als Taschenrechner verwenden 54
Informationen an der Eingabeaufforderung eingeben 54
Eine Formel eingeben 56
Formeln kopieren und einfügen 57
Die Formatierung des Anweisungsfensters ändern 59
Ausgaben des Anweisungsfensters unterdrücken 60
Die mathematische Syntax von MATLAB verstehen 61
Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren und Dividieren 61
Mit Exponenten arbeiten 63
Aufbewahrungsboxen verwenden 64
Die Variable ans verwenden - die Standardaufbewahrungsbox 64
Ihre eigenen Aufbewahrungsboxen erzeugen 64
Über MATLAB als Taschenrechner hinausgehen 66
Die Wahrheit lernen 67
Eingebaute Funktionen verwenden 68
Den Funktions-Browser benutzen 68
Sich von Fehlern erholen 70
Die Fehlermeldungen von MATLAB verstehen 70
MATLAB anhalten, wenn es sich aufgehängt hat 71
Hilfe erhalten 72
Die Dokumentation erforschen 73
Sich durch die Beispiele arbeiten 73
Sich auf Mitstreiter verlassen 73
Schulungen erhalten 74
Unterstützung durch MathWorks anfragen 74
Kapitel 4 MATLAB-Dateien erzeugen, bearbeiten und speichern 75
Die Dateistruktur von MATLAB untersuchen 76
MATLAB-Dateien und ihre Aufgaben verstehen 76
Verzeichnisse mit der Benutzeroberfläche (GUI) erforschen 77
Verzeichnisse mit der Kommandozeile erforschen 81
In MATLAB mit Dateien arbeiten 86
Auf MATLAB-Dateien zugreifen und sie teilen 88
Dateien öffnen 89
Dateien importieren 90
Dateien exportieren 92
Ihre Arbeit sichern 93
Variablen mit der Benutzeroberfläche speichern 93
Variablen mit Anweisungen speichern 94
Anweisungen mithilfe der Benutzeroberfläche speichern 94
Anweisungen mithilfe von Anweisungen speichern 94
Teil II Daten in MATLAB bearbeiten und grafisch darstellen 97
Kapitel 5 Vektoren, Matrizen und höhere Dimensionen verarbeiten 99
Mit Vektoren und Matrizen arbeiten 99
MATLABs Sicht auf lineare Algebra verstehen 100
Daten eingeben 101
Addieren und Subtrahieren 107
Die vielen Wege der Multiplikation und Division verstehen 108
Skalare Multiplikation und Division betreiben 108
Matrixmultiplikation anwenden 109
Matrizen dividieren 113
Potenzen von Matrizen berechnen 115
Elementweise arbeiten 116
Komplexe Zahlen verwenden 117
Mit der Exponentialfunktion arbeiten 119
In höheren Dimensionen arbeiten 120
Eine mehrdimensionale Matrix erzeugen 120
Auf eine mehrdimensionale Matrix zugreifen 122
Einzelne Elemente einer Matrix ersetzen 124
Mehrere Elemente einer Matrix als Bereich ersetzen 124
Die Matrixgröße verändern 126
Die Datenstrukturen cell array und structure verwenden 127
Die Matrix-Hilfe verwenden 131
Kapitel 6 Die Grundlagen der Grafik verstehen 135
Grafik in MATLAB verstehen 135
Was Sie mit Grafiken tun können 136
MATLAB-Grafik mit den Diagrammen einer Tabellenkalkulation vergleichen 136
Eine Grafik mithilfe von Anweisungen erstellen 137
Eine Grafik mithilfe des Arbeitsbereichsfensters erstellen 138
Eine Grafik mithilfe des Reiters Plots erstellen 140
Die Funktion plot() verwenden 142
Mit Linienfarbe, Symbolen und Linientyp arbeiten 143
Mehrere Grafiken mit einer Anweisung erzeugen 144
Grafiken verändern 144
Einfache Veränderungen vornehmen 145
Einer Grafik eine weitere hinzufügen 147
Eine Grafik löschen 148
Mit Untergrafiken arbeiten 149
Zweidimensionale Informationen darstellen 153
Kapitel 7 Komplexe Grafikfunktionen verwenden 155
Dreidimensionale Informationen darstellen 155
Mit der Funktion bar() ein flaches 3D-Balkendiagramm erzeugen 156
Mit der Funktion bar3() ein räumliches 3D-Diagramm erzeugen 160
Die Funktion barh() und weitere verwenden 162
Ihre Grafiken aufwerten 164
Einen Zeiger auf die Achsen erhalten 164
Achsenbeschriftungen verändern 165
Eine Überschrift hinzufügen 166
Beschriftungen drehen 168
Anmerkungen hinzufügen 169
Ihre Grafik ausdrucken 171
Teil III MATLAB effizient nutzen 173
Kapitel 8 Abläufe automatisieren 175
Verstehen, was Skripte tun 176
Ihr Arbeitspensum reduzieren 176
Festlegen, wann Sie ein Skript verwenden 177
Ein Skript erstellen 177
Ihr erstes Skript schreiben 177
Anweisungen für Benutzereingaben verwenden 180
Kopieren und in ein Skript einfügen 181
Die Anweisungshistorie in ein Skript umwandeln 182
Lange Zeichenketten fortsetzen 182
Ihren Skripten Kommentare hinzufügen 184
Skripte überarbeiten 188
Skripte aufrufen 190
Skripte schneller machen 190
Skripte nach Fehlern durchsuchen 191
Kapitel 9 MATLAB mit Funktionen weiter ausreizen 195
Mit eingebauten Funktionen arbeiten 196
Etwas über eingebaute Funktionen lernen 196
Daten übergeben und herausbekommen 201
Eine Funktion erzeugen 202
Den Unterschied zwischen einem Skript und einer Funktion verstehen 203
Die Unterschiede zwischen eingebauten und eigenen Funktionen verstehen 204
Ihre erste Funktion schreiben 204
Die neue Funktion verwenden 207
Daten an die Funktion übergeben 208
Daten von der Funktion erhalten 210
Globale Variablen erzeugen und verwenden 212
Unterfunktionen verwenden 214
Funktionen verschachteln 215
Weitere Funktionstypen verwenden 216
Inline-Funktionen verwenden 217
Anonyme Funktionen verwenden 218
Kapitel 10 Skripte strukturieren 219
Entscheidungen treffen 219
Die if-Anweisung verwenden 220
Die switch-Anweisung verwenden 225
Das besondere an switch verstehen 226
Sich zwischen if und switch entscheiden 227
Rekursive Funktionen erzeugen 227
Aufgaben wiederholt ausführen 231
Die for-Anweisung verwenden 232
Die while-Anweisung verwenden 232
Die Verarbeitung mit break beenden 233
Die Verarbeitung mit return beenden 234
Die richtige Schleife aussuchen 236
Menüs erzeugen 236
Teil IV Fortgeschrittene Methoden in MATLAB anwenden 239
Kapitel 11 Daten importieren und exportieren 241
Daten importieren 242
Grundlegende Schritte beim Import 242
Gemischte Zahlen und Texte importieren 247
Das Feldtrennzeichen festlegen 250
Nur ausgewählte Zeilen und Spalten importieren 251
Daten exportieren 252
Grundlegende Schritte beim Export 252
Skripte und Funktionen exportieren 256
Mit Bildern arbeiten 257
Bilder exportieren 257
Bilder importieren 258
Kapitel 12 Ihre Ergebnisse drucken und publizieren 261
Mit Anweisungen Texte formatieren 261
Das Schriftbild beeinflussen 262
Sonderzeichen verwenden 270
Mathematische Symbole verwenden 272
Ihre MATLAB-Daten publizieren 276
Fortgeschrittene Techniken beim Publizieren von Skripten und Funktionen 277
Abbildungen speichern 279
Ihre Arbeit drucken 282
Die Ausgabeseite konfigurieren 283
Die Daten drucken 284
Kapitel 13 Sich von Fehlern erholen 285
Mit Fehlermeldungen umgehen 286
Auf Fehlermeldungen reagieren 286
Die Klasse MException verstehen 288
Fehler- und Warnmeldungen einsetzen 290
Modi für Warnmeldungen einstellen 292
Fehlermeldungen per E-Mail verschicken 293
Hilfe für bekannte Fehlermeldungen suchen 294
Ihre eigenen Fehlermeldungen schreiben 296
Die maßgeschneiderte Fehlermeldung entwerfen 296
Nützliche Fehlermeldungen erstellen 301
Guten Programmierstil anwenden 302
Teil V Spezialeinsätze für MATLAB 305
Kapitel 14 Gleichungen lösen und Nullstellen finden 307
Mit der Symbolic Math Toolbox arbeiten 307
Eine Version der Toolbox erhalten 308
Die Symbolic Math Toolbox installieren 310
Mit der grafischen Benutzeroberfläche arbeiten 315
Eine einfache Anweisung im Anweisungsfenster eingeben 318
Algebraische Aufgaben lösen 319
Zwischen numerischer und symbolischer Algebra unterscheiden 320
Quadratische Gleichungen lösen 322
Mit kubischen und anderen nichtlinearen Gleichungen arbeiten 323
Interpolation verstehen 323
Mit Statistik umgehen 325
Deskriptive Statistik verstehen 326
Robuste Statistik verstehen 330
Die Methode der kleinsten Quadrate anwenden 331
Kapitel 15 Analysis und lineare Algebra einsetzen 337
Mit linearer Algebra arbeiten 337
Mit Determinanten arbeiten 338
Matrizen reduzieren 338
Eigenwerte berechnen und verwenden 340
Faktorzerlegungen berechnen und verstehen 341
Mit Analysis arbeiten 342
Differentialrechnung betreiben 342
Integralrechnung betreiben 343
Analysis mit mehreren Variablen betreiben 344
Differentialgleichungen lösen 346
Numerische Methoden anwenden 346
Geschlossene Lösungen finden 347
Kapitel 16 Richtig schicke Diagramme erzeugen 349
Verstehen, was eine Supergrafik ausmacht 350
Eine Grafik mit Extras aufwerten 351
Die Funktion grid() verwenden 351
Die aktuelle Achse mithilfe des Zeigers gca ermitteln 351
Achsen mit der Funktion datetick() beschriften 352
Diagramme mit der Funktion colorbar() aufwerten 356
Mit daspect arbeiten 359
Mit pbaspect arbeiten 362
Grafik-Routinen verwenden 364
Fehlerbalken mit der Funktion errorbar() erzeugen 364
Mit pareto() ein Paretodiagramm erstellen 365
Mit stairs() ein Treppendiagramm darstellen 366
Mit stem() Daten als Stiel von einer Grundlinie darstellen 367
Mit fill() Bilder zeichnen 368
Mit quiver() Geschwindigkeitsfelder darstellen 370
Mit feather() Geschwindigkeitsfelder darstellen 371
Mit compass() Kompassnadeln zeichnen 372
Mit polar() Polarkoordinaten darstellen 372
Mit rose() Winkelverteilungen darstellen 373
Mit spy() die Besetzung von dünnbesetzten Matrizen darstellen 375
Animationen einbauen 376
Mit kleinen Filmen arbeiten 377
Mit Objekten umgehen 378
Daten aktualisieren 380
Teil VI Der Top-Ten-Teil 381
Kapitel 17 Die Top Ten der Anwendungsgebiete von MATLAB 383
MATLAB im Ingenieurswesen 383
MATLAB in der Ausbildung 384
MATLAB in der linearen Algebra 385
MATLAB in der angewandten Mathematik 385
MATLAB in der Wissenschaft 386
MATLAB und die Freude an der Mathematik 386
MATLAB und die Forschung 386
MATLAB und Simulationen 387
MATLAB und Bildverarbeitung 388
MATLAB und Programmentwicklung 388
Kapitel 18 Zehn Wege, um von MATLAB zu leben 391
Grüne Technologien umsetzen 392
Blindgänger finden 392
Spracherkennungssoftware entwickeln 393
Krankheiten unter Kontrolle bekommen 393
Designer für Computerchips werden 394
Lastkraftwagen entwickeln 394
In die Produktentwicklung gehen 395
Ausrüstung für Einsätze unter freiem Himmel entwickeln 395
Die Familienplanung unterstützen 395
Mit Simulation Risiken reduzieren 396
Anhang A MATLAB-Funktionen 397
Anhang B Grafikroutinen in MATLAB 407
Stichwortverzeichnis 413
Einleitung
MATLAB ist ein großartiges Produkt, mit dem Sie alle möglichen quantitativen Arbeiten durchführen können. Dabei verwenden Sie im Wesentlichen dieselben Methoden, als würden Sie per Hand arbeiten (zum Beispiel mit Papier und Bleistift, einem Rechenschieber, einem Abakus und natürlich einem Taschenrechner). MATLAB kann das aber mit einer Geschwindigkeit, die Computern vorbehalten bleibt. Darüber hinaus machen Sie mit MATLAB weniger Fehler, ersparen sich so manchen Umweg und werden generell effizienter. Demgegenüber verfügt MATLAB über eine riesige Methodenvielfalt und liefert Ihnen Funktionalitäten, die Sie bisher wahrscheinlich noch nie benutzt haben. Beispielsweise können Sie über die reine Zahlenwelt hinausgehen, indem Sie Ihre Ergebnisse auf verschiedenste Weise grafisch aufbereiten und so noch besser kommunizieren können. Damit Sie von all dem gebührlich profitieren können, brauchen Sie nur noch ein Buch wie MATLAB für Dummies. Und hier ist es!
Über dieses Buch
Die Hauptaufgabe von MATLAB für Dummies ist, die Lernkurve, welche bei Programmen wie MATLAB mit so vielen Möglichkeiten naturgemäß steil ist, etwas flacher zu machen. Wenn Sie MATLAB zum ersten Mal öffnen, sind Sie wahrscheinlich überwältigt. Mit diesem Buch kommen Sie über diesen ersten Schock hinaus und werden so schnell produktiv, dass Sie sich schon sehr bald wieder Ihrer Lieblingsbeschäftigung widmen können: in Mathematik zu glänzen.
Darüber hinaus will Sie dieses Buch auch an Techniken heranführen, die Sie wahrscheinlich noch gar nicht kennen oder vermisst haben, weil Sie sie vorher noch nicht gesehen haben. Zum Beispiel verfügt MATLAB über ein reichhaltiges Angebot von Grafik-Funktionen, die Ihnen nicht nur die Kommunikation erleichtern, sondern auch dabei helfen, anderen Ihren quantitativ fundierten Standpunkt noch besser nahezubringen. Mit den Skripten und Funktionen können Sie Ihre Arbeit noch weiter erleichtern. In diesem Buch lesen Sie, wie Sie individuellen Code schreiben und MATLAB Ihren persönlichen Bedürfnissen anpassen.
Nachdem Sie erfolgreich MATLAB auf Ihrem Rechner installiert haben, beginnen Sie mit den Grundlagen und arbeiten sich dann schrittweise voran. Wenn Sie dann Ihren Weg durch die Beispiele in diesem Buch gemacht haben, können Sie eine Reihe von einfachen und nicht mehr ganz so einfachen Arbeiten ausführen. Dazu gehören Skripte schreiben, Funktionen erstellen, Grafiken entwerfen und Gleichungen lösen. Sie werden sicher noch kein Experte sein, aber immerhin werden Sie MATLAB mit Freude und Erfolg in Ihren Arbeitsalltag integrieren können.
Damit Sie die dargestellten Konzepte noch besser aufnehmen können, verwenden wir im Buch folgende Konventionen:
Text, den Sie so, wie er dasteht, eingeben sollen, erscheint fett. Die einzige Ausnahme sind die Kochrezepte: Da jeder einzelne Schritt fett gedruckt ist, wird der einzugebende Text normal gedruckt.
Wenn Sie in einem einzugebenden Text Wörter in kursiver Schrift lesen, ersetzen Sie sie durch etwas, was für Ihren Fall zutrifft. Wenn Sie also »Geben Sie Ihren Namen ein und drücken Sie ENTER« lesen, ersetzen Sie bitte Ihren Namen durch Ihren Namen.
Webadressen und Programm-Code erscheinen in monofont. Sollten Sie die digitale Version dieses Buches lesen und mit dem Internet verbunden sind, können Sie auf die Adresse klicken, um die Webseite aufzurufen, etwa so: http://www.fuer-dummies.de.
Wenn Sie Abfolgen von Anweisungen eingeben sollen, erscheinen diese durch einen speziellen Pfeil separiert, etwa so: Datei ? Neue Datei. In diesem Fall klicken Sie zunächst auf Datei in der Menüzeile und anschließend auf Neue Datei. Im Ergebnis haben Sie dann eine neue Datei erzeugt.
Törichte Annahmen über die Leser
Sie werden kaum glauben können, dass wir Annahmen über Sie getroffen haben - immerhin sind wir uns noch nicht begegnet! Insofern sind die meisten unserer Annahmen sicher tatsächlich töricht, die folgenden waren aber einfach nötig, um mit dem Buch überhaupt anfangen zu können.
Es ist wichtig, dass Sie sich mit dem Betriebssystem auskennen, auf dem Sie arbeiten. Dazu sagt dieses Buch nämlich gar nichts. Wie Sie MATLAB installieren, lesen Sie allerdings schon - in Kapitel 2. Um Ihnen so viele Informationen wie möglich über MATLAB zu liefern, verzichten wir völlig auf plattformspezifische Details. Wir setzen also voraus, dass Sie Anwendungen installieren, diese verwenden und mit der von Ihnen verwendeten Plattform umgehen können, bevor Sie die Arbeit mit diesem Buch beginnen.
Das Buch ist keine Mathe-Nachhilfe. Es stimmt zwar, dass Sie darin viele Beispiele komplexer mathematischer Zusammenhänge sehen, das Hauptaugenmerk liegt jedoch darauf, Ihnen den Einsatz von MATLAB für diese Themen vorzustellen. In Kapitel 1 lesen Sie mehr darüber, was Sie genau an mathematischen Vorkenntnissen brauchen, um erfolgreich mit diesem Buch arbeiten zu können.
Wir setzen voraus, dass Sie Zugang zum Internet haben. Über den ganzen Text verstreut gibt es zahlreiche Hinweise auf Online-Material, das Ihnen das Lernen noch angenehmer und abwechslungsreicher macht. Damit die Quellen Ihnen nützen, müssen Sie allerdings die Möglichkeit haben, darauf zuzugreifen.
Die Symbole in diesem Buch
Beim Lesen des Buches werden Ihnen immer wieder Symbole am Rand auffallen, die Ihnen spannende (oder nicht so spannende) Aspekte und Themen aufzeigen. Hier sind die einzelnen Symbole mit Erklärungen.
Tipps sind ganz nützlich, denn sie sparen Ihnen entweder Zeit oder zeigen Ihnen, wie Sie eine Aufgabe ohne große Umwege lösen können. Die Tipps in diesem Buch machen Sie mit eleganten oder schnellen Techniken vertraut oder verweisen Sie auf weiterführendes Material, das Sie gern ausprobieren können, um MATLAB auszureizen.
Natürlich wollen wir hier nicht die übervorsichtigen Eltern geben, die ihr Kind auf dem Spielplatz keine Sekunde loslassen. Was mit diesem Zeichen versehen ist, sollten Sie allerdings meiden. Sie könnten sonst Programme produzieren, die nicht richtig funktionieren, oder schlimmer noch: falsche Ergebnisse produzieren, ohne es zu merken, oder noch schlimmer: Daten verlieren.
Immer wenn Sie dieses Symbol sehen, können mehrere Dinge passieren. Es wird sehr langweilig oder sehr spannend. Langweilig kann es werden, weil diese Information Ihnen gerade nicht viel hilft und auch sonst nicht lebensnotwendig ist. Spannend kann es werden, weil gerade dieses Stück Ihnen gefehlt hat, ein lange bearbeitetes Problem elegant zu lösen. Sehen Sie also weg, wann immer Sie mögen, und sehen Sie hin, wann immer Sie mögen.
Selbst wenn Sie sonst gar nichts aus einem Kapitel oder Abschnitt mitnehmen: Was hier steht, sollten Sie beherzigen. Neben diesem Symbol steht entweder eine bestimmte Vorgehensweise oder eine kleine Information, die für die erfolgreiche Arbeit mit MATLAB unbedingt nötig ist.
Über das Buch hinaus
Dieses Buch ist nicht das Ende der MATLAB-Show - es ist erst der Anfang! Folgende Ressourcen halten weiteres Material für Sie bereit, damit Sie noch mehr Nutzen aus MATLAB für Dummies ziehen können. Auf diese Weise können wir auf Mails von Ihnen reagieren und schreiben, wie sich Updates von MATLAB oder Zusatzpaketen auf den Inhalt des Buches auswirken. Folgende coole Sachen warten auf Sie:
Updates: Die Welt dreht sich immer weiter, und auch MATLAB wird kontinuierlich weiterentwickelt. Da kann es passieren, dass wir die eine oder andere Entwicklung beim Schreiben des Buches nicht vorausgesehen haben und jetzt nachjustieren müssen. Früher bedeutete dies, dass ein Buch veraltete und man die nächste Auflage kaufen musste. Heute gehen Sie einfach ins Internet und laden sich Aktualisierungen herunter: http://www.dummies.com/extras/matlab (englisch)
Darüber hinaus sind Sie auch herzlich eingeladen, den Blog von John Mueller unter http://www.johnmuellerbooks.com zu besuchen. Hier finden Sie Antworten auf Leserfragen und zum Buch gehörende Tipps und Tricks (englisch).
Begleitmaterial: Mal ehrlich: Wer hat schon Lust, den Code im Buch abzutippen und alle Grafiken nachzubauen? Die meisten Leser würden doch Ihre Zeit lieber nutzen, um mit MATLAB zu arbeiten und zu sehen, welche interessanten Dinge es für sie tun kann. Ein Schreibmaschinenkurs ist nicht so angesagt. Zum Glück stehen die Beispiele im Buch zum Herunterladen bereit. So können Sie sich voll auf das Lesen und Verstehen des Buches konzentrieren. Die Dateien finden Sie unter www.downloads.fuer-dummies.de.
Sie finden alle Programm-Beispiele zu diesem Buch und Verknüpfungen zu Online-Ressourcen auch unter der Webseite...
