Matlab-Seminar: Grundlagen · Matlab-Seminar SS 2016 Matlab-Seminar: Grundlagen 5 Vektoren und...
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Matlab-Seminar: Grundlagen
Univ.-Prof. Dr. Jochen Gönsch,Benedikt Finnah M.Sc.
SS 2016
Universität Duisburg-EssenMercator School of Management
Lehrstuhl für Betriebswirtschaftslehre,insb. Service Operations
www.msm.uni-due.de/so
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Univ.-Prof. Dr. Jochen Gönsch, Benedikt Finnah M.Sc.Lehrstuhl für BWL, insb. Service Operations
Matlab-SeminarSS 2016
Agenda
1. Organisatorisches
2. Einführung in MATLAB
3. Syntax
4. Skripte
5. Vektoren und Matrizen
6. Verwendung der Hilfe
7. Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion
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Teil 1 (1. Semesterhälfte): Präsenztermine
Präsenztermine mit Stoffvermittlung, Präsenzübungen & Betreuung
Donnerstags, 16:00–20:00 Uhr im Raum LC 134.
Ausnahme 25.05.2016. Mittwoch 14:00-18:00 Uhr im Raum LC 134
Bearbeitung von Aufgabenblättern im 2er-Team, Kurzpräsentation am folgenden Termin
Teil 2 (2. Semesterhälfte): Anwendung auf umfassendes Projekt
Eigenständige Implementierung (2er-Team) quantitativer Modelle und Methoden aus den Bereichen Dynamic Pricing, Revenue Management
Abschließender Präsenztermin zur Präsentation von Vorgehen & Ergebnis
Termin wird noch bekannt gegeben. Frühestens 23.06.2016
1 Organisatorisches
Matlab-Seminar: Grundlagen 1 Organisatorisches
21.04.2016 25.05.201619.05.201612.05.201628.04.2016
Aufgabenblatt 1 Aufgabenblatt 2 Aufgabenblatt 3 Aufgabenblatt 4
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Vorkenntnisse
Gute Kenntnisse in Mathematik & Optimierung
Keine Vorkenntnisse in MATLAB o. Ä. nötig
Ansprechpartner
Benedikt Finnah ([email protected])
Fragen
Bitte nur in der Veranstaltung oder in Moodle (https://moodle.uni-due.de/course/view.php?id=8206)
Einschreibeschlüssel:
Schnelle Antwort in Moodle, manchmal innerhalb von Minuten durch Kommilitonen
Verfügbarkeit von Frage & Antwort für alle
Prüfungsleistungen
Bearbeitung und Präsentation von Aufgabenblättern, Implementierungen, Diskussionsbeteiligung, Abschlussprojekt inkl. Präsentation
Daher Anwesenheit an allen Präsenzterminen erforderlich
Die Abgabe des ersten Aufgabenblattes gilt als Anmeldung zur Prüfung
Matlab-Seminar: Grundlagen 1 Organisatorisches
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Ablauf eines Präsenztermins
Präsentation der Lösung des vorherigen Aufgabenblatts durch Studenten
Präsentation neuer Inhalte durch Dozenten
Bearbeitungszeit für das neue Aufgabenblatt
Abgabe der Aufgabenblattlösungen
Bis spätestens zum Vortag des darauffolgenden Präsenztermins um 12:00 Uhr an [email protected]
Gezippter Ordner mit Namen: G#-AB* (# = Gruppennummer, *=AB-Nummer)
der Ordner enthält:
Einen Report zu jeder Aufgabe des Aufgabenblattes
Zugehörige .m-Dateien (MATLAB-Skripte und –funktionen)
Es gibt nur eine Version, d.h. es wird die erste Abgabe gewertet
MATLAB außerhalb des Seminars
Eine kostenlose Studentenversion wird von ZIM bereit gestellt
https://www.uni-due.de/zim/services/software/matlab_stud.shtml
Öffentliche PC-Pools mit MATLAB sind in Räumen LC 036, MA 425 und BA 028 zu finden
Matlab-Seminar: Grundlagen 1 Organisatorisches
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Agenda
1. Organisatorisches
2. Einführung in MATLAB
3. Syntax
4. Skripte
5. Vektoren und Matrizen
6. Verwendung der Hilfe
7. Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion
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Einführung in MATLAB
Der Name MATLAB leitet sich von MATrix LABoratory ab
Besondere Stärke von MATLAB ist der Umgang mit Vektoren und Matrizen
Weite Verbreitung an Hochschulen und in der Industrie
Kostenlose Alternativen
Octave (http://www.gnu.org/software/octave/)
SciLab (http://www.scilab.org/)
Typische Anwendungen von MATLAB
Numerische Berechnungen aller Art
Modellierung, Simulation und Entwicklung von Prototypen technischer und wirtschaftlicher Probleme
Analyse, Auswertung und grafische Darstellung von Daten
Applikationsentwicklung mit Aufbau einer grafischen Benutzerschnittstelle
Vorteil von MATLAB
Durch die interaktive Natur von MATLAB und die Einfachheit in der Handhabung können auch komplexere Probleme oft mit einem relativ geringen Zeitaufwand analysiert und gelöst werden
2 Einführung in MATLAB
Matlab-Seminar: Grundlagen 2 Einführung in MATLAB
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Matlab-Seminar: Grundlagen 2 Einführung in MATLAB
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Agenda
1. Organisatorisches
2. Einführung in MATLAB
3. Syntax
4. Skripte
5. Vektoren und Matrizen
6. Verwendung der Hilfe
7. Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion
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Variablen
Variablen speichern Werte, welche ihnen zugewiesen werden.
Die speicherbaren Werte werden durch den Datentyp der Variablen festgelegt
Variablen haben standardmäßig den Datentyp double, falls ihnen eine Zahl zugewiesen wird
Vorerst beschränken wir uns auf diesen Datentyp
Eine ausführliche Dokumentation über die Datentypen von MATLAB finden Sie hier: http://de.mathworks.com/help/matlab/data-types_data-types.html
3 Syntax
Matlab-Seminar: Grundlagen 3 Syntax
>> x = 5
x =
5
>> y = 7.1
y =
7.1000
>> z = x+y
z =
12.1000
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Matlab-Seminar: Grundlagen 3 Syntax
Variablen
Variablennamen müssen mit einem Buchstaben beginnen und dürfen aus maximal 63 Buchstaben, Zahlen und Unterstrichen bestehen (keine Umlaute)
Daher muss auf Groß- und Kleinschreibung geachtet werden
Wird das Ergebnis einer Rechenoperation keiner Variablen zugewiesen, so speichert MATLAB das Ergebnis in der Variablen ans
Konvention: Nur Matrizen werden mit groß geschriebenen Variablennamen bezeichnet
>> x = 5
x =
5
>> X = 7
X =
7
>> x+X
ans =
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Matlab-Seminar: Grundlagen 3 Syntax
Besondere Variablen bzw. Konstanten
ans(Resultat), NaN bzw. nan (Not-a-Number), pi (Kreiszahl ≈ 3.14) und Inf bzw. inf (Infinity) sowie i bzw. j (imaginäre Einheit) sind besondere Variablen
Diese sollten nicht überschrieben werden
Siehe auch http://www.mathworks.com/help/matlab/constants-and-test-matrices.html
>> x = pi*i + i*j
ans =
-1.0000 + 3.1416i
>> x = 1/0
x =
Inf
>> x = 1/Inf
x =
0
>> x = 0/0
x =
NaN
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Matlab-SeminarSS 2016
Matlab-Seminar: Grundlagen 3 Syntax
Rechenoperationen
Grundlegende Rechenoperationen sind die Addition (+), die Subtraktion (−), die Multiplikation (∗), die Division (/) und das Potenzieren (^)
Mathematische Funktionen
Einige der vielen Funktionen sind
die trigonometrischen Funktionen ( sin, cos, usw. )
die Wurzelfunktion ( sqrt )
der natürliche Logarithmus und die Exponentialfunktion ( log, exp )
Siehe auch http://de.mathworks.com/help/matlab/elementary-math.html
Funktionen können ineinander verschachtelt werden (Bitte übertreiben Sie nicht)
>> sin(2)
ans =
0.9093
>> log( exp(1) )
ans =
1
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Agenda
1. Organisatorisches
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3. Syntax
4. Skripte
5. Vektoren und Matrizen
6. Verwendung der Hilfe
7. Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion
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Ein Skript beinhaltet eine Sammlung von Befehlen, die nacheinander ausgeführt werden
Erstellung eines Skripts über den Button „New Script“ im Tab „HOME“ ( Shortcut (Strg)+(N) )
Bearbeitung des Skripts im Editor, welcher sich automatisch öffnet
Ausführung des kompletten Skripts mit (F5) oder der momentan markierten Befehle mit (F9)
Skripte müssen vor dem ausführen in einer .m-Datei gespeichert werden
Tipp: Ein Semikolon (;) am Ende einer Zeileunterdrückt die Ausgabe
4 Skripte
Matlab-Seminar: Grundlagen 4 Skripte
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Matlab-Seminar: Grundlagen 4 Skripte
Kommentare
Kommentare machen den Code deutlich leichter lesbar und nachvollziehbarer
Einfache Kommentare
Blockkommentare
Von nun an werden alle Skripte kommentiert. Dies gilt insbesondere für abzugebende Übungsaufgaben.
% Dies ist ein Test für einen einfachen Kommentar.
% Dies auch.
sin(x)
%{
Dies ist ein Test für einen Blockkommentar.
Ein Blockkommentar kann über mehrere Zeilen gehen.
%}
sin(x)
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Matlab-Seminar: Grundlagen 4 Skripte
Beispiel für ein Skript:
Ausgabe:
Die beiden Variablen im Skript sind vom Typ String, welche Text speichern können.
Um Variablen vom Typ String von Variablen vom Typ double besser unterscheiden zu können, sollte man bezeichnende Variablennamen wählen (Hier str_ ... ).
str_HalloWelt = 'Hallo Welt';
str_meinSkript = 'Dies ist mein erstes Skript';
disp(str_HalloWelt); %disp gibt den Wert einer Variablen im Command Window aus
disp(str_meinSkript);
>> Mein_Skript
Hallo Welt
Dies ist mein erstes Skript
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3. Syntax
4. Skripte
5. Vektoren und Matrizen
6. Verwendung der Hilfe
7. Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion
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5 Vektoren und Matrizen
Matlab-Seminar: Grundlagen 5 Vektoren und Matrizen
% Definition eines Zeilenvektors
>> z = [1 2 3] % oder z=[1,2,3]
z =
1 2 3
% Definition eines Spaltenvektors
>> s = [1;2;3]
s =
1
2
3
% Definition einer Matrix
A = [1 2;3 4]
A =
1 2
3 4
% Transponieren
>> A' % oder transpose(A)
ans =
1 3
2 4
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Matlab-Seminar: Grundlagen 5 Vektoren und Matrizen
Rechenoperationen
Addition (+), Subtraktion (−) und Multiplikation (∗) funktionieren für Vektoren und Matrizen wie gewohnt, falls die Dimensionen übereinstimmen
Die Division (/) für Matrizen ist als das Lösen von Gleichungssystemen definiert
Zusätzlich ist für Matrizen der \–Operator definiert, falls die Dimensionen übereinstimmen
Die Lösung der Gleichungssysteme ist mit / und \ schneller als über die Inverse A^(-1). Zudem sind diese Operatoren auch für nicht invertierbare und nicht quadratische Matizen definiert.
Vorsicht: MATLAB gibt auch bei nicht lösbaren Gleichungssystemen eine Lösung zurück.
% Definition der Koeffizientenmatrix
A = [1 2;3 4];
% Definition der rechten Seite
b = [5;10];
% Lösung des Gleichungssystems xA=b
x = A/b;
% Alternativ würde hier auch x=b*A^(-1) gehen
% Definition der Koeffizientenmatrix
A = [1 2;3 4];
% Definition der rechten Seite
b = [5;10];
% Lösung des Gleichungssystems Ax=b
x = A\b;
% Alternativ würde hier auch x=A^(-1)*b gehen
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Matlab-Seminar: Grundlagen 5 Vektoren und Matrizen
Elementweise Operationen und Funktionen
Die meisten mathematischen Funktionen sind auch für Vektoren und Matrizen definiert. Diese werden dann auf jedes Element angewandt.
Die Multiplikation (∗), die Division (/) und das Potenzieren (^) können ebenfalls elementweise auf Vektoren und Matrizen angewandt werden, falls deren Dimensionen übereinstimmen. Dazu wird der Punktoperator (.) verwendet.
>> A = [1 2;3 4];
>> sin(A) % Der Sinus wird auf jedes Element von A angewandt
ans =
0.8415 0.9093
0.1411 -0.7568
>> A = [1 2;3 4];
>> B = [5 6;7 8];
>> A.*B % A und B werden elementweise multipliziert.
ans =
5 12
21 32
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Matlab-Seminar: Grundlagen 5 Vektoren und Matrizen
Elementweise Operationen und Funktionen
Mit der Addition (+), der Subtraktion (−), der Multiplikation (∗) und der Division (/) können auch Skalare mit Matrizen bzw. Vektoren verknüpft werden. Die Rechenoperation wird dann mit jedem Element der Matrix bzw. des Vektors und dem Skalar ausgeführt.
Vorsicht: Skalar hoch Matrix potenziert nicht elementweise. Dafür muss (.^) verwendet werden.
>> A = [1 2;3 4];
>> A+5 % Addition von Matrix und Skalar
ans =
6 7
8 9
>> A/0.5 % Alternativ 0.5\A, 0.5/A funktioniert NICHT
ans =
2 6
4 8
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Matlab-Seminar: Grundlagen 5 Vektoren und Matrizen
Spezielle Vektoren und Matrizen
>> x = 1:8 % Erzeuge Zeilenvektor mit Elementen zwischen 1 und 8
x =
1 2 3 4 5 6 7 8
>> x = 1:2:8 % Erzeuge Zeilenvektor mit Elementen zwischen 1 und 8 und
Schrittweite 2
x =
1 3 5 7
>> A = eye(2) % Erzeuge Einheitsmatrix
A =
1 0
0 1
>> B = zeros(2,3) % Erzeuge eine Nullmatrix
B =
0 0 0
0 0 0
% Analog erzeugt B=ones(2,3) eine 2x3-Matrix deren Elemente alle den Wert 1
% besitzen
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Matlab-Seminar: Grundlagen 5 Vektoren und Matrizen
Indizierung
>> A = [1 2 3 4;5 6 7 8];
>> A(2,3) % Indizierung über Subskripte, d. h. Zeilen und Spalten
ans =
7
>> A(1,:) % : bedeutet alle Indizes
ans =
1 2 3 4
>> A(3) % Linearer Index
ans =
2
>> A(2,2:end)
ans =
6 7 8
𝐴 =1 2 3 45 6 7 8
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Matlab-Seminar: Grundlagen 5 Vektoren und Matrizen
Indizierung
Dies sollte möglichst vermieden werden. Solche Zuweisungen verringern die Rechengeschwindigkeit und sind fehleranfällig.
>> A = [1 2 3 4;5 6 7 8];
>> A(1,5) = 5 % Greift auf ein (noch) nicht vorhandenes Element zu
A =
1 2 3 4 5
5 6 7 8 0𝐴 =
1 2 3 45 6 7 8
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Matlab-Seminar: Grundlagen 5 Vektoren und Matrizen
Variables Editor
Über „open Variable“ im Home Menü kann man eine Variable im Variables Editor öffnen
Alternativ: Doppelklick auf die Variable im „Workspace“
Der Variables Editor ermöglicht eine komfortable Anzeige und Bearbeitung von Variablen
Dies bietet sich vor allem bei Matrizen und Vektoren an
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Agenda
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2. Einführung in MATLAB
3. Syntax
4. Skripte
5. Vektoren und Matrizen
6. Verwendung der Hilfe
7. Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion
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MATLAB verfügt über eine umfangreiche Hilfe, die im Help Browser angezeigt wird (Aufruf mit F1)
Tipp: Steht der Cursor innerhalb eines Wortes, wird dieses beim Drücken von F1 direkt nachgeschlagen
Mathworks Documentation Center http://www.mathworks.com/help/matlab/
Lehrbücher
Grupp, F. und F. Grupp (2010): MATLAB 7 für Ingenieure. 5. Aufl., Oldenbourg, München.
Schweizer, W. (2013): MATLAB kompakt. 5. Aufl., Oldenbourg, München.
Skripten
Eine Einführung in MATLAB (Günter Gramlich)https://www.hs-ulm.de/users/gramlich/EinfMATLAB.pdf
An Introduction to MATLAB (David F. Griffiths)http://www.maths.manchester.ac.uk/~pjohnson/Matlab/matlab.pdf
Matlab Primer (MathWorks)www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/getstart.pdf
Weitere Quellen sind über Suchmaschinen zu finden
6 Verwendung der Hilfe
Matlab-Seminar: Grundlagen 6 Verwendung der Hilfe
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Matlab-Seminar: Grundlagen 6 Verwendung der Hilfe
Beispiel aus der MATLAB-Hilfe
>> x=[1 5 -1 2 3];
>> M = max(x)
M =
5
>> [M,I] = max(x)
M =
5
I =
2
>> [~,I] = max(x)
I =
2
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Agenda
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3. Syntax
4. Skripte
5. Vektoren und Matrizen
6. Verwendung der Hilfe
7. Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion
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Reports
Veröffentlichen von Code inklusive Kommentaren und Output
„Lesbare“ externe Dokumentation
Teilen von Code zu Unterrichts- oder Demonstrationszwecken
Anleitung: http://www.mathworks.de/de/help/matlab/matlab_prog/publishing-matlab-code.html
Vorgehen:
Erstellen Sie ein Skript
Unterteilen Sie (bei Bedarf) den Code in Abschnitte
Dokumentieren Sie den Code zu Beginn des Files und zu Beginn jedes Abschnitts
Formatierungsmöglichkeiten:
%% Titel
_variable_ kursive Variablen
etc.
Veröffentlichung: Publish Tab
Standardformat: html
Für das Seminar ab jetzt: Abgabeformat HTML
7 Erstellen eines Reports
Matlab-Seminar: Grundlagen 7 Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion
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Matlab-Seminar: Grundlagen 7 Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion
http://www.mathworks.com/help/matlab/matlab_prog/marking-up-matlab-comments-for-publishing.html
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Test-Aufgabenblatt
Erzeugen Sie nun eine Test-Abgabe einer Aufgabe zu einem Aufgabenblatt
Der Titel lautet „Aufgabenblatt 0, Gruppe <Gruppennummer>, Aufgabe 1“
Gegeben sind die folgenden Lösungen:
Aufgabe 1.a): Die Lösung besteht nur aus dem Text „MATLAB-Skripte können mithilfe der Publish-Funktion in einer ansprechenden Form veröffentlicht werden.“
Aufgabe 1.b): Die Lösung ist der Befehl x=rand(1,5). Die Ausgabe des Vektors 𝑥 soll im Report sichtbar sein und unter der Ausgabe noch der folgende Text erscheinen „rand erzeugt [0,1] gleichverteilte Zufallszahlen.“
Aufgabe 1.c): Die Lösung ist der Befehl y=sort(x). Die Ausgabe der Vektors 𝑥 soll im Report sichtbar sein und unter der Ausgabe noch der folgende Text erscheinen „sort sortiert die Elemente von 𝑥 in aufsteigender Reihenfolge.“
Test-Aufgabenblatt
Matlab-Seminar: Grundlagen 7 Erstellen von Reports mit Hilfe der Publishing-Funktion