復變函數(shù)與積分變換的MATLAB解法與可視化的教學改革研究

王璐

摘要： 本文研究了利用MATLAB解決復變函數(shù)和積分變換的問題，并且通過MATLAB強大的繪圖功能將結(jié)果繪制出來，使很多難以理解的復雜函數(shù)以圖像形式顯示出來，形象、直觀，有利于提高學生的學習效率，提高教學質(zhì)量和教學效果。

關鍵詞：復變函數(shù);MATLAB;教學改革

《復變函數(shù)與積分變換》課程是電子、通信、信號處理等理工科必修的基礎課，數(shù)學理論的抽象和求解過程的煩瑣，常常會使學生產(chǎn)生畏懼從而失去興趣，使教學效果大打折扣，成為后續(xù)專業(yè)課程學習的“攔路虎”。本文討論了利用MATLAB解決在《復變函數(shù)與積分變換》學習中遇到的一些問題。由于相關書籍大多只介紹MATLAB的基礎用法，基礎多而實際應用少，其中利用MATLAB求解復變函數(shù)和積分變換的研究就更少，本文的研究重點就在于此。利用MATLAB解決《復變函數(shù)與積分變換》中的問題，可以節(jié)省人力計算，提高學習效率。通過MATLAB將計算結(jié)果和復雜函數(shù)以圖像的形式繪制出來，一方面有利于教學，另一方面可提高學生利用MATLAB編程的能力，為今后學習打下良好基礎。

1 ?MATLAB求解復變函數(shù)

MATLAB提供了大量的數(shù)學函數(shù)，可大大減少手工計算量。復變函數(shù)求導，用到的函數(shù)是diff（function，variable，n），而復變函積分用到的函數(shù)是int（function，variable，a，b）。留數(shù)的計算可分為兩類。第一類是指復變函數(shù)的分子和分母都是多項式的形式，函數(shù)命令為 [R，P，K]=residue（B，A）。第二類指復變函數(shù)的分子和分母不是多項式的形式 。例如：求f（z）在點的留數(shù)。程序如下：

>> syms z

>>f=（z^2-exp（z））/（z^2-1）

>> r=limit（（z-1）*f，z，1）

>> g=limit（（z+1）*f，z，-1）

泰勒級數(shù)能夠?qū)⒔馕龊瘮?shù)展開成冪級數(shù) [3 ]，這給解析函數(shù)的研究帶來極大方便。例如：求f（z）的泰勒級數(shù)展開， z<1 ?，程序如下：

>> syms z

>> f=1/（1-z）;

>> taylor（f，10，z）

應用MATLAB的繪圖功能可以方便而且直觀地繪制圖形，繪制復變函數(shù)圖像的命令是plot（ ?）和ezplot（ ?）。例如：繪制復變函數(shù)z=t+ietsint的圖像，程序如下（圖像如x y圖1所示）：

>>syms z t

>> t=0：0.01：2*pi;

>> x=t;

>> y=exp（t）.*sin（t）;

>> z=x+i*y;

>> plot（z）;

勒讓德函數(shù)的圖像如圖2所示，貝塞爾函數(shù)的圖像如圖3所示，諾依曼函數(shù)的圖像如圖4所示。

2 ? MATLAB求解傅里葉積分變換

傅里葉變換是信號處理等學科的基礎，通過傅里葉變換可以獲取信號的頻譜信息，使頻域信號處理更為方便和直觀。MATLAB求傅里葉變換的函數(shù)格式為fourier（f，u，v）。例如：求高斯分布函數(shù)f（z）=e- t的傅里葉變換，程序如下：

（a）傅里葉變換前時域圖 （b）傅里葉變換后頻域圖

3 ?MATLAB求解拉普拉斯積分變換

拉普拉斯變換在物理、力學以及工程技術中都有很廣泛的應用，基本格式是。例如：求單位階躍函數(shù)的象函數(shù)。程序如下（圖像如圖6所示）：

>> syms t s

>> h=heaviside（t）

例如：求指數(shù)函數(shù)f（t）=4e2 ?t，t>0的拉普拉斯變換，程序如下（圖像如圖7所示）：

>>syms t f F p

>> f=heaviside（t）*4*exp（2*t）;

本文研究了MATLAB在《復變函數(shù)與積分變換》中的典型應用，利用MATLAB簡化繁瑣的求解過程，并把求解結(jié)果用可視化、動態(tài)化的形式直觀地表現(xiàn)出來，既能提高學生的學習興趣，又有利于理解問題的本質(zhì)以及解的意義。

參考文獻：

[1]賀凱.MATLAB在復變函數(shù)與積分變換中的應用[J].沙洲職業(yè)工學院學報，2006，（9）.

[2]石博強，趙金.MATLAB數(shù)學計算與工程分析范例教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005：181-182.

[3]周夢，高宗升.現(xiàn)代數(shù)學基礎[M].北京：北京航空航天出版社，2008：55-57.

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