Matlab für Dummies E-Book

Jim Sizemore

• Herausgeber: Wiley-VCH GmbH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2024

Beschreibung

Ob Naturwissenschaftler, Mathematiker, Ingenieur oder Datenwissenschaftler - mit MATLAB haben Sie ein mächtiges Tool in der Hand, das Ihnen die Arbeit mit Ihren Daten erleichtert. Aber wie das mit manch mächtigen Dingen so ist - es ist auch ganz schön kompliziert. Aber keine Sorge! Jim Sizemore und John Paul Mueller führen Sie in dieser aktualisierten Neuauflage Schritt für Schritt an das Programm heran - von der Installation und den ersten Skripten bis hin zu aufwändigen Berechnungen, der Erstellung von Grafiken und effizienter Fehlerbehebung. Sie werden begeistert sein, was Sie mit MATLAB alles anstellen können.

Leseprobe

Matlab für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

2. Auflage 2024

© 2024 Wiley-VCH GmbH, Boschstraße 12, 69469 Weinheim, Germany

Original English language edition © 2014 by Wiley Publishing, Inc.

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation is published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe © 2014 by Wiley Publishing, Inc.

Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See mathworks.com/trademarks for a list of additional trademarks.

For MATLAB and Simulink product information, please contact:The MathWorks, Inc.3 Apple Hill DriveNatick, MA, 01760-2098 USATel: 508-647-7000Fax: [phone]E-mail: [email protected]: https://www.mathworks.comHow to buy: https://www.mathworks.com/storeFind your local office: https://www.mathworks.com/company/worldwide

Coverfoto: Who is Danny – stock.adobe.comKorrektur: Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim

Print ISBN: 978-3-527-72143-6ePub ISBN: 978-3-527-84528-6

Über die Autoren

Jim Sizemore ist Professor für Physik und Ingenieurwesen mit einem Master of Science in Physik von der Universität von Kalifornien – San Diego – und einem PhD in Materialwissenschaften von der Stanford-Universität. Er arbeitete lange in der Halbleiterindustrie, wo er sich in vielen Projekten insbesondere mit Diffusion und Oxidation, Widerstandskraft gegen Strahlung sowie Optoelektronik beschäftigte. Nach seiner Karriere in der Privatwirtschaft wendete er sich verstärkt der Lehre zu und ist gegenwärtig Professor für Physik und Ingenieurwesen am Tyler Junior College in Tyler, Texas. Dort initiierte er einen populärwissenschaftlichen Club, in dem Studenten mehrere Projekte entwerfen und umsetzen konnten, zum Beispiel ein Zwei-Meter-Trébuchet (eine riesige Steinschleuder), falls sie mal in die Verlegenheit kommen sollten, eine umliegende Burg angreifen zu müssen. Aktuell lehrt er auch Programmieren für Ingenieure mit MATLAB als primärer Programmiersprache. Und obwohl er das Lehren und Lernen liebt, fotografiert er auch gern und fährt Fahrrad.

John Paul Mueller ist freier Autor und technischer Herausgeber. Das Schreiben liegt ihm im Blut: Er hat bis heute 96 Bücher und etwa 300 Artikel veröffentlicht. Die Themen reichen von Netzwerken bis hin zu Künstlicher Intelligenz oder von Datenbankadministration bis hin zur Programmierung. Einige seiner jüngsten Bücher sind Python for Beginners, ein JavaScript-eLearning-Set, ein Buch über HTML5-Entwicklung mit JavaScript und ein anderes über CSS3. Seine Erfahrung als Herausgeber hat schon mehr als 60 Autoren geholfen, ihre Manuskripte zu verfeinern und zu publizieren. Die Entwicklung im Bereich MATLAB verfolgt er seit etwa einer Dekade. Als technischer Herausgeber war John für die Magazine Data Based Advisor und Coast Compute tätig. Während seiner Zeit bei Data Based Advisor kam er auch zum ersten Mal mit MATLAB in Kontakt. Schauen Sie gern mal bei seinem Blog vorbei unter http://blog.johnmuellerbooks.com.

Wenn John nicht am Computer sitzt, finden Sie ihn draußen im Garten, beim Bäumeschneiden oder während er einfach so die Natur genießt. John macht auch gern seinen eigenen Wein, backt Kekse und strickt. Wenn er nicht etwas anderes tut, stellt er Glyzerinseife und -kerzen her, die in Geschenkkörben für Freude sorgen.

Widmung

Jim Sizemore: Ich möchte dieses Buch meinen vielen Mentoren widmen, unter ihnen Bob Abel, Greg Shearman und Gene Branum. Meine Gedanken und eine Widmung sind bei meinem Bruder Bill, der an der Parkinson'schen Krankheit leidet, und meinem Sohn Daniel – die Zukunft gehört seiner Generation.

John Paul Mueller: Dieses Buch ist Aaron und Sarah Obermann gewidmet – zwei hingebungsvollen Menschen, die Freude daran haben, anderen Menschen Gutes zu tun.

Danksagungen

Jim Sizemore: Dank an Sara McCaslin, die unseren MATLAB-Programmierkurs mit ihren Beiträgen erst möglich gemacht hat.

Vielen Dank auch an Gene Branum, Doug Parsons und andere Kollegen am Tyler Junior College, dass sie mir die Zeit für dieses Projekt ermöglicht haben.

Schließlich danke ich auch meinem Koautor John Mueller, dessen Schreibtalent und -erfahrung wesentlich waren für das Projekt. Er hat die ursprüngliche Idee aufgegriffen und poliert.

John Paul Mueller: Vielen Dank an meine Frau Rebecca. Obwohl sie jetzt andere Wege geht, ist ihr Geist in jedem Buch, welches ich schreibe, und jedem Wort auf jeder Seite zu finden. Sie hat an mich geglaubt, als kein anderer dazu bereit war.

Russ Mullen hat Dank verdient für das technische Begleiten des Buches. Er hat in besonderer Weise zur Exaktheit und Tiefe des vorliegenden Materials beigetragen. Russ hat viel Arbeit investiert, um für das Buch zu recherchieren, die Verweise im Buch zu finden und nicht zuletzt wertvolle Hinweise zu geben.

Matt Wagner, mein Agent, gebührt zunächst einmal Dank dafür, dass er den Vertrag zu diesem Buch ermöglicht hat und auf all die Details geachtet hat, die ein gewöhnlicher Autor gar nicht im Blick hat. Ich bin immer dankbar für seine Hilfe. Es ist gut zu wissen, dass jemand helfen will und kann.

Viele Menschen haben das Buch ganz oder in Teilen gelesen, um mir bei beim Feinschliff des Inhalts behilflich zu sein, Skripte zu testen oder Hinweise zu geben, was andere Leser in diesem Buch gern lesen würden. Diese ehrenamtlichen Mitarbeiter haben auf so viele Arten geholfen, dass ich sie nicht einzeln aufzählen kann. Ich möchte dennoch besonders hervorheben: Eva Beattie und Glenn A. Russell für ihre wertvollen Beiträge und das Korrekturlesen des gesamten Buches. Sie haben sich selbstlos dem Projekt verschrieben.

Zum Schluss möchte ich Paul Levesque, Susan Christophersen und allen anderen im MATLAB-für-Dummies-Team des Wiley-Verlags danken.

Über den Übersetzer

Karl-Kuno Kunze erwarb Diplome in Physik und in Wirtschaftsphysik, ein DEA de Physique des Liquides der Universität Paris und ein MSc in Mathematical Finance der Universität Oxford. Er promovierte zunächst in theoretischer Physik, dann in Wirtschaftswissenschaft. Nach über zehnjähriger Praxis in der Anwendung quantitativer Modelle in der Finanzwirtschaft ist er jetzt Professor für Wirtschaftsmathematik und -statistik an der Ostfalia Hochschule Braunschweig/Wolfenbüttel und leitet das R Institute. Das R Institute bietet neben einer Plattform für professionelle Anwender der Software R Hosting für Web-Anwendungen zur Datenanalyse mit R an sowie Analytics als Managed Service – quasi als externe Statistik-Abteilung. Darüber hinaus veranstaltet es Schulungen im Bereich Datenanalyse, Finanzmarktstatistik und Predictive Analytics und bietet Support und Qualitätssicherung für Projekte mit R. Sowohl R als auch MATLAB sind aus diesen Bereichen nicht wegzudenken.

Für die »Für Dummies«-Reihe hat Karl-Kuno bereits »R für Dummies« ins Deutsche übersetzt und »Ökonometrie für Dummies« als Koautor mitgeschrieben. An dieser Stelle sei dem Wiley Verlag, insbesondere Vanessa Schweiß und Kerstin Tüchert, für die angenehme Zusammenarbeit gedankt.

Sie finden alle MATLAB-Beispiele zu diesem Buch auf der Webseite https://www.wiley-vch.de/de/dummies/downloads. Hier finden Sie auch alle Verknüpfungen zu den Online-Ressourcen im Buch.

Über den Fachkorrektor

Jan-Peter Ismer ist Berater für die Finanzindustrie und arbeitet mit MATLAB seit 2004. Er ist Physiker (Diplom), Informatiker (B.Sc.) und durch die PRMIA zertifizierter Professional Risk Manager. Während seiner Promotion in theoretischer Physik hat er Hochtemperatursupraleitung mithilfe von MATLAB untersucht. Nach etwa fünf Jahren als Berater ist er seit Kurzem Geschäftsführer der Unternehmensberatung RAppLify. Seine Projekte sind meist im Bereich quantitatives Risikomanagement angesiedelt. Auch dabei kommt immer wieder MATLAB zum Einsatz. Außerdem unterrichtet er als Fachmentor an der FernUniversität in Hagen Informatik. Er lebt mit seiner Frau und seinem Sohn in Berlin.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Über die Autoren

Widmung

Danksagungen

Über den Übersetzer

Über den Fachkorrektor

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Über dieses Buch

Törichte Annahmen über die Leser

Die Symbole in diesem Buch

Über das Buch hinaus

Wie es weitergeht

Teil I: Erste Schritte mit MATLAB

Kapitel 1: MATLAB mit seinen vielen Möglichkeiten kennen lernen

MATLAB einordnen

Die anderen MATLAB-Anwender kennenlernen

Das Meiste aus MATLAB herausholen

Die Lernkurve erklimmen

Kapitel 2: MATLAB installieren und verwenden

MATLAB installieren

Die Benutzeroberfläche kennenlernen

Die Standardreiter der Werkzeugleiste

Kapitel 3: Mit MATLAB arbeiten

MATLAB als Taschenrechner verwenden

Die mathematische Syntax von MATLAB verstehen

Aufbewahrungsboxen verwenden

Über MATLAB als Taschenrechner hinausgehen

Sich von Fehlern erholen

Kapitel 4: MATLAB-Dateien erzeugen, bearbeiten und speichern

Die Dateistruktur von MATLAB

Auf MATLAB-Dateien zugreifen und sie teilen

Ihre Arbeit sichern

Teil II: Daten in MATLAB bearbeiten und grafisch darstellen

Kapitel 5: Vektoren, Matrizen und höhere Dimensionen

Mit Vektoren und Matrizen arbeiten

Addieren und Subtrahieren

Die vielen Wege der Multiplikation und Division

In höheren Dimensionen arbeiten

Die Matrix-Hilfe verwenden

Kapitel 6: Die Grundlagen der Grafik

Grafik in MATLAB verstehen

Die Funktion

plot()

Grafiken verändern

Zweidimensionale Informationen

Kapitel 7: Komplexe Grafikfunktionen verwenden

Dreidimensionale Informationen darstellen

Ihre Grafiken aufwerten

Ein paar Extra-Diagrammelemente

Teil III: MATLAB effizient nutzen

Kapitel 8: Abläufe automatisieren

Verstehen, was Skripte tun

Ein Skript erstellen

Skripte überarbeiten

Skripte aufrufen

Skripte schneller machen

Skripte nach Fehlern durchsuchen

Mit dem MATLAB-Profiler Skripte performanter machen

Kapitel 9: MATLAB mit Funktionen erblühen lassen

Mit eingebauten Funktionen arbeiten

Eine Funktion erzeugen

Weitere Funktionstypen

Kapitel 10: Skripte strukturieren

Entscheidungen treffen

Rekursive Funktionen erzeugen

Aufgaben wiederholt ausführen

Menüs kreieren

Kapitel 11: Live-Skripte

Live-Skript und herkömmliches Skript im Vergleich

Mit dem Live-Editor arbeiten

Abschnitte in Live-Skripten ausführen

Programmierfehler diagnostizieren

Kapitel 12: Mit Live-Funktionen arbeiten

Live-Funktion und herkömmliche Funktion im Vergleich

Die Flexibilität von Live-Funktionen

Live-Funktionen und Live-Skripte teilen

Dateien vergleichen und zusammenfügen

Kapitel 13: Klassen entwerfen und nutzen

Objektorienter Programmierung (OOP) für ganz Eilige

OOP in MATLAB verstehen

Eine einfache MATLAB-Klasse erstellen

Kapitel 14: MATLAB-Apps

Den App Designer verwenden

Eine Oberfläche definieren

Der Oberfläche Funktion verleihen

Kapitel 15: Projekte bauen

Warum man Projekte braucht

Ein neues Projekt erstellen

Projektabhängigkeiten verstehen

Die nötigen Tests durchführen

Teil IV: Fortgeschrittene Methoden in MATLAB

Kapitel 16: Daten importieren und exportieren

Daten importieren

Daten exportieren

Mit Bildern arbeiten

Kapitel 17: Ihre Ergebnisse drucken und publizieren

Mit Anweisungen Texte formatieren

Ihre MATLAB-Daten publizieren

Ihre Arbeit drucken

Kapitel 18: Sich von Fehlern erholen

Mit Fehlermeldungen umgehen

Fehlermeldungen per E-Mail verschicken

Hilfe für bekannte Fehlermeldungen suchen

Ihre eigenen Fehlermeldungen schreiben

Guter Programmierstil

Teil V: Spezialeinsätze für MATLAB

Kapitel 19: Gleichungen lösen und Nullstellen finden

Mit der

Symbolic Math Toolbox

arbeiten

Algebraische Aufgaben lösen

Mit Statistik umgehen

Die

Symbolic Math Toolbox

für Diagramme einspannen

Kapitel 20: Analysis und Lineare Algebra bei der Arbeit

Mit Linearer Algebra arbeiten

Mit Analysis arbeiten

Differenzialgleichungen lösen

Teil VI: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 21: Die Top Ten der Anwendungsgebiete von MATLAB

MATLAB in der Linearen Algebra

MATLAB in der angewandten Mathematik

MATLAB zum Simulieren von neuronalen Netzen

MATLAB in der Wissenschaft

MATLAB zum Loggen von Sensordaten

MATLAB und die Forschung

MATLAB für bezaubernde Lichtspiele

MATLAB und Bildverarbeitung

MATLAB zur Steuerung von Industriemaschinen

MATLAB für Audiokompression mit Wavelets

Kapitel 22: Zehn Wege, um von MATLAB zu leben

Grüne Technologien umsetzen

Spracherkennungssoftware entwickeln

Antennen analysieren und entwerfen

Krankheiten unter Kontrolle bekommen

Designer für Computerchips werden

Mit Robotern arbeiten

Lastkraftwagen entwickeln

Blindgänger finden

Mit Simulation Risiken reduzieren

Für Sicherheit sorgen

Anhang A: MATLAB-Funktionen

Anhang B: Grafikroutinen in MATLAB

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 3

Tabelle 3.1: Relationale Operatoren

Kapitel 5

Tabelle 5.1: Matrizen erzeugen

Tabelle 5.2: Testmatrizen erzeugen

Tabelle 5.3: Diagnostik

Kapitel 6

Tabelle 6.1: Linienfarbe, Symbol für Datenpunkte und Linientyp

Tabelle 6.2: MATLAB-Diagrammfunktionen

Kapitel 7

Tabelle 7.1: Balkendiagramme und ihre Verwandten

Kapitel 8

Tabelle 8.1: Steuerzeichen in MATLAB

Kapitel 12

Tabelle 12.1: Spezialschaltflächen im Live-Editor

Kapitel 14

Tabelle 14.1: Konfiguration der Komponenten in der Datums-App

Kapitel 17

Tabelle 17.1: Griechische Buchstaben in MATLAB

Tabelle 17.2: Die Optionen von

publish()

Kapitel 19

Tabelle 19.1: Elementare statistische Funktionen in MATLAB

Anhang A

Tabelle A.1: Arithmetik

Tabelle A.2: Trigonometrie

Tabelle A.3: Exponentialfunktion, Logarithmus, Potenz und Wurzel

Tabelle A.4: Komplexe Zahlen

Tabelle A.5: Diskrete Mathematik

Tabelle A.6: Polynome

Tabelle A.7: Fehlerfunktion

Tabelle A.8: Kartesische, polare und Kugelkoordinaten

Tabelle A.9: Konstanten und Testmatrizen

Tabelle A.10: Matrixoperationen

Tabelle A.11: Lineare Gleichungssysteme

Tabelle A.12: Eigenwerte

Tabelle A.13: Matrixanalyse

Tabelle A.14: Matrixfunktionen

Tabelle A.15: Statistik

Tabelle A.16: Zufallszahlgenerator

Tabelle A.17: Eindimensionale Interpolation

Tabelle A.18: Interpolation auf einem Gitter

Tabelle A.19: Interpolation gestreuter Daten

Tabelle A.20: Optimierung

Tabelle A.21: Gewöhnliche Differenzialgleichungen

Tabelle A.22: Dünnbesetzte Matrizen

Tabelle A.23: Elementare Polygone (Vielecke)

Anhang B

Tabelle B.1: Grundlegende Grafikroutinen

Tabelle B.2: Grafik etwas über die Grundlagen hinaus

Tabelle B.3: Statistische Diagramme

Tabelle B.4: 3D-Grafik

Tabelle B.5: Vektorfelder

Orientierungspunkte

Cover

Titelblatt

Impressum

Über die Autoren

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Fangen Sie an zu lesen

Anhang A: MATLAB-Funktionen

Anhang B: Grafikroutinen in MATLAB

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Seitenliste

1

2

3

4

5

6

7

8

9

11

12

13

14

15

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

170

171

172

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206

207

208

209

210

211

212

213

214

215

217

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227

228

229

230

231

232

233

234

235

236

237

238

239

241

242

243

244

245

246

247

248

249

250

251

252

253

254

255

256

257

258

259

260

261

262

263

264

265

266

267

268

269

270

271

272

273

274

275

276

277

278

279

280

281

282

283

284

285

286

287

288

289

290

291

292

293

294

295

296

297

298

299

300

301

302

303

304

305

306

307

308

309

310

311

313

314

315

316

317

318

319

320

321

322

323

324

325

326

327

328

329

330

331

332

333

334

335

336

337

338

339

340

341

342

343

344

345

347

348

349

350

351

352

353

354

355

356

357

358

359

360

361

362

363

364

365

366

367

369

370

371

372

373

374

375

376

377

378

379

380

381

382

383

384

385

386

387

388

389

390

391

393

394

395

396

397

398

399

400

401

402

403

404

405

406

407

408

409

410

411

412

413

414

415

416

417

418

419

420

421

422

423

424

425

426

427

428

429

430

431

432

433

434

435

436

437

438

439

440

441

442

443

444

445

446

447

448

449

450

451

452

453

454

455

456

457

458

459

460

461

462

463

464

465

467

468

469

470

471

472

473

474

475

476

477

478

479

480

481

482

483

484

485

487

488

489

490

491

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 oder einem Taschenrechner). MATLAB kann das im Gegensatz dazu 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. Weiterhin 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. 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 mit so vielen Möglichkeiten wie MATLAB 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 vermisst haben, weil Sie sie bisher noch nie 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 sich Ihre Arbeit weiter erleichtern. In diesem Buch lesen Sie, wie Sie individuellen Code schreiben und MATLAB Ihren persönlichen Bedürfnissen anpassen.

Nachdem Sie als Erstes MATLAB erfolgreich 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 ganze Reihe von einfachen und nicht mehr ganz so einfachen Arbeiten ausführen. Dazu gehören zum Beispiel 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 genau 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 sind mit dem Internet verbunden, können Sie auf die Adresse klicken, um die Webseite aufzurufen, etwa so:

http://www.dummies.com

.

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 gar 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 auch 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 sehr 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 gänzlich auszureizen.

Natürlich wollen wir hier nicht die übervorsichtigen Eltern geben, die ihr Kind auf dem Spielplatz keine Sekunde aus den Augen lassen. Was mit diesem Zeichen versehen ist, sollten Sie allerdings wirklich meiden. Sie könnten sonst Programme produzieren, die nicht richtig funktionieren, oder schlimmer noch: falsche Ergebnisse produzieren, ohne es zu merken, oder richtig schlimm: Daten verlieren.

Immer wenn Sie dieses Symbol sehen, können zwei 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 es Ihnen beliebt.

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! Die im Folgenden aufgelisteten 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 eines Tages 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:  https://www.dummies.com/book/technology/programming-web-design/matlab/matlab-for-dummies-281772/ (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 alle Beispiele im Buch zum Herunterladen bereit. So können Sie sich voll auf das Lesen und Verstehen des Buches konzentrieren. Die Dateien finden Sie unter  

https://www.wiley-vch.de/de/dummies/downloads

.

Wie es weitergeht

Nun ist es Zeit für das MATLAB-Abenteuer! Wenn Sie hinsichtlich MATLAB bei null anfangen, ist es am besten, wenn Sie mit Kapitel 1 beginnen und sich dann in Ihrem eigenen Tempo durch das Buch arbeiten. So können Sie so viel Material aufsaugen wie möglich.

Wenn Sie zwar ein Neuling sind, aber unter Zeitdruck stehen und aus irgendeinem Grund so schnell wie möglich mit MATLAB loslegen wollen, springen Sie gleich zu Kapitel 2, obwohl Ihnen dann später ein paar Sachen verwirrend vorkommen könnten. Gleich mit dem dritten Kapitel zu beginnen könnte funktionieren, wenn Sie MATLAB bereits installiert haben, wir empfehlen jedoch dringend, Kapitel 2 wenigstens einmal querzulesen, damit Sie wissen, welche Konventionen wir im Buch verwenden.

Leser mit etwas Erfahrung in MATLAB können Lesezeit sparen, indem Sie direkt zu Kapitel 5 springen. Wenn dann doch Fragen aufkommen, können Sie immer noch zurückblättern. Es ist jedoch essenziell, dass Sie die eine Technik verstanden haben, bevor Sie zur nächsten weitergehen. Jede Technik, jedes Code-Beispiel und jede Vorgehensweise hält wichtige Informationen für Sie bereit. Wenn Sie allzu beherzt durch das Buch springen, könnten Sie wesentliche Inhalte verpassen.

Teil I

Erste Schritte mit MATLAB

IN DIESEM TEIL …

Finden Sie heraus, warum Sie MATLAB verwenden wollen.Installieren Sie MATLAB auf Ihrem jeweiligen System.Beginnen Sie, mit MATLAB zu arbeiten und lernen das Programm besser kennen.Begrüßen Sie die Nutzerschnittstelle.Machen Sie sich mit dem MATLAB-Dateisystem vertraut.

Kapitel 1

MATLAB mit seinen vielen Möglichkeiten kennen lernen

IN DIESEM KAPITEL

Verstehen Sie, wie Sie MATLAB einsetzen, um mathematische Aufgaben zu lösen.Sehen Sie, wo MATLAB überall eingesetzt wird.Entdecken Sie, wie Sie das meiste aus MATLAB herausholen.Erklimmen Sie die Lernkurve.

Mathematik ist die Basis all unserer Wissenschaften und zum Teil sogar der Künste. In der Tat kann Mathematik selbst eine Ausprägung von künstlerischer Arbeit sein – denken Sie nur an die Schönheit von Fraktalen (die grafische Darstellung von bestimmten Gleichungen). Auf der anderen Seite kann Mathematik auch recht abstrakt wirken und sehr schwierig und komplex erscheinen. MATLAB macht die Arbeit mit Mathematik leichter. Sie können MATLAB verwenden, um quantitative Aufgaben zu bearbeiten, wie

numerische Berechnungen

Visualisierung

Programmierung

maschinelles Lernen

Deep Learning

Signalverarbeitung

andere Aufgaben mithilfe verschiedener sogenannter Toolboxes

Dieses Kapitel macht Sie mit MATLAB vertraut, dem Softwarepaket für verschiedenste mathematische Aufgaben. Hier lernen Sie die Rolle kennen, die MATLAB dabei spielen kann, die Komplexität mathematischer Fragestellungen zu reduzieren oder quantitative Zusammenhänge für andere besser verständlich zu machen. Sie werden auch feststellen, dass MATLAB schon jetzt von einer großen Zahl von Unternehmen, Institutionen und Organisationen verwendet wird, um damit reale Aufgaben exakt und effizient zu lösen. Es ist sicher interessant zu sehen, wie Sie die verschiedenen Anwendungsfälle auf Ihren Arbeitsalltag übertragen können.

Weil MATLAB so mächtig ist, hat es eine recht steile Lernkurve. In diesem Kapitel lernen Sie deshalb auch, wie Sie die Kurve flacher machen können, um schneller produktiv und kreativ zu werden. Je weniger Zeit Sie für das Lernen aufwenden, desto mehr Zeit bleibt für die Anwendung auf Ihr jeweiliges Anwendungsfeld und desto besser werden Ihre Ergebnisse. Probleme schnell und exakt zu lösen, ist das über allem stehende Ziel von MATLAB.

MATLAB einordnen

In MATLAB geht es um Mathematik. Ja, es ist ein mächtiges Werkzeug, und ja, es verwendet eine eigene Sprache, um das Lösen mathematischer Probleme schneller, leichter und konsistenter zu machen. Am Ende jeden Tages liegt das Hauptaugenmerk von MATLAB jedoch auf Mathematik. Sie können zum Beispiel 2 + 2 als Gleichung eingeben und MATLAB würde pflichtbewusst die Summe 4 als Ergebnis zurückliefern. Dafür würde allerdings niemand Geld ausgeben – wenn nicht im Kopf, können Sie solch ein Ergebnis auf jeden Fall leicht mit dem Taschenrechner erzielen. Wir müssen also noch mehr verstehen, was MATLAB eigentlich macht. Die folgenden Abschnitte helfen Ihnen dabei. So können Sie besser einordnen, auf welche Art Sie MATLAB erfolgreich einsetzen werden.

Verstehen, wie sich MATLAB zu einer Turing-Maschine verhält

Heutige Computer sind überwiegend Turing-Maschinen, nach dem britischen Mathematiker Alan Turing (1912 bis 1954). Das wesentliche Merkmal einer Turing-Maschine ist, Ihre Aufgaben Schritt für Schritt abzuarbeiten. Ein einzelner Prozessor verarbeitet eine Anweisung nach der anderen. Er kann an verschiedenen Aufgaben arbeiten, aber zu jedem Zeitpunkt wird nur ein Schritt einer bestimmten Aufgabe gleichzeitig ausgeführt. Die Kenntnis des Konzepts der Turing-Maschine ist deshalb sinnvoll, weil MATLAB nach der gleichen Strategie arbeitet. Es führt einen Schritt nach dem anderen aus. Sie können sogar ein MATLAB-Programm herunterladen, welches eine Turing-Maschine simuliert: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/23006-turing-machine-emulator. Das Programm ist überraschend kurz.

Verwechseln Sie den zugrunde liegenden Computer nicht mit den Programmiersprachen, die verwendet werden, um damit Anwendungssoftware zu erstellen. Selbst wenn die Sprache, die letztlich den Computer antreibt, Ihnen eine andere Sichtweise vorspielen mag, führt der Computer doch alles schön der Reihe nach aus. Wenn Sie noch nie vorher gesehen haben, wie Computer Programme verarbeiten, könnte es jetzt an der Zeit sein, darauf mal ein paar Minuten zu verwenden. Sehen Sie sich den Kasten »Verstehen, wie Computer arbeiten« gern für ein paar Hintergrundinformationen an.

Verstehen, wie Computer arbeiten

Viele Programmierer älteren Semesters sind »Nerds«, die mit Lochkarten hantiert haben, bevor Fernseher Transistoren hatten. Ein Vorteil bei der Arbeit mit Lochkarten war, dass Sie die Daten und Anweisungen an den Computer förmlich erfühlen und ertasten konnten. Diese Unmittelbarkeit ließ die jeweiligen Programmierer genau verstehen, was wirklich passiert, wenn ein Programm abläuft.

Heutzutage sind Daten und Anweisungen als Elektronenladungen in winzigen Silikonbauteilen gespeichert, die selbst durch die besten optischen Mikroskope nicht erkannt werden können. Heute arbeiten die Rechner zudem um ein Vielfaches schneller und können weit mehr Informationen verarbeiten, als das damals der Fall war. Aber eines ist geblieben: das grundsätzliche Prinzip der Datenverarbeitung.

In alten Zeiten »schrieb« ein Programmierer genau eine Anweisung auf eine Karte. Nachdem alle Anweisungen erstellt waren, wurden die Karten in einen Kartenleser eingelegt. Der Computer las die Karte und tat, wie ihm geheißen war: Daten besorgen, noch mehr Daten besorgen, Daten addieren, Daten dividieren, und so weiter, bis alle Karten abgearbeitet waren.

Eine solche Abfolge von Karten beziehungsweise Anweisungen ist ein Programm. Die folgende Abbildung zeigt Ihnen schematisch, wie ein Computer funktioniert.

Seit den Tagen, in denen Karte für Karte gelesen und verarbeitet wurde, hat sich dieses Prinzip nicht verändert: Nach wie vor wird eine Anweisung nach der anderen verarbeitet. Eine Anweisung wird ausgeführt, dann kommt die nächste. MATLAB bildet da keine Ausnahme: Es macht genau dasselbe.

Es ist allerdings wichtig, sich klarzumachen, dass der Ablauf eines Programms sich verändern kann. Computer können auf Basis spezieller Kriterien Entscheidungen treffen, zum Beispiel für FALSCH den einen Weg einschlagen und für WAHR den anderen. Wenn der Computer beispielsweise alle Daten für eine Aufgabe eingelesen hat, sagt das Programm dem Computer, dass er jetzt etwas anderes machen soll, zum Beispiel Berechnungen durchführen. Die grafische Darstellung, wie eine Folge von Anweisungen ausgeführt werden soll, heißt Ablaufplan (englisch flow chart). Diese ist einer Straßenkarte ganz ähnlich, dort gibt es auch Kreuzungen, wo man sich entscheiden muss. MATLAB basiert auf gut entworfenen Ablaufplänen, damit man einfach erkennen kann, was der Computer tun wird, wann er es tun wird und wie er die angeforderte Aufgabe löst.

Das ganze Konzept eines Programms mag auf viele fremd wirken – nur »Nerds« beschäftigen sich mit so etwas freiwillig –, aber eigentlich kennen Sie das Konzept schon aus einer etwas anderen Richtung. Wenn Sie einen Taschenrechner benutzen, überlegen Sie sich ebenfalls zunächst die Schritte und Zahlen, welche Sie eingeben wollen, und in welcher Reihenfolge das am besten erfolgt. Ein Programm, also auch ein MATLAB-Programm, ist ganz einfach eine Abfolge von ganz ähnlichen Schritten. Diese Abfolge ist in einer Datei gespeichert, die dann vom Computer gelesen und eine Anweisung nach der anderen ausgeführt wird. Sie brauchen keine Angst vor Computerprogrammierung zu haben – etwas Ähnliches haben Sie schon häufiger getan, als Sie denken, und warum sollten Sie es nicht wieder können?

Über MATLAB als Taschenrechner hinausgehen

MATLAB ist eine Programmiersprache, nicht nur ein Taschenrechner. Dennoch können Sie es als Taschenrechner verwenden und es ist gar keine schlechte Vorgehensweise, Ihre Ideen erst einmal auf diese Weise auszuprobieren. Wenn Sie dann über das Experimentierstadium hinaus gekommen sind, werden Sie mit MATLAB erfahrungsgemäß Programme schreiben, die

konsistent

einfach

schnell

die gewünschte Aufgabe lösen.

Mit diesen drei Eigenschaften im Hinterkopf erklären die nächsten Abschnitte im Detail, warum MATLAB mehr als ein einfacher Taschenrechner ist. Hier lernen Sie noch nicht alles, was MATLAB für Sie tun kann, aber Sie erhalten einen Überblick, wie Sie es zu Ihrem Vorteil einsetzen können.

Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT)

Hochschulen haben besonderes Augenmerk auf Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT), weil es nach wie vor nicht ausreichend viele Personen gibt, die sich damit auskennen, um die anfallende Arbeit zu erledigen. Innovationen aller Art, aber auch das tägliche Geschäft erfordern Kenntnisse in diesen Disziplinen. MATLAB hält dafür eine reichhaltige Werkzeugkiste bereit. Sie umfasst

Statistik

Simulation

Bildverarbeitung

symbolische Algebra

numerische Analyse

Falls Sie sich fragen, welche Kunstwerke Sie mit MATLAB erstellen können, denken Sie an die Verwendung von Fraktalen in Cartoons und Filmen (https://www.sciencenewsforstudents.org/article/math-movies-doctor-strange-otherworldly). Glücklicherweise müssen Sie nicht einmal Ihren eigenen Fraktalcode schreiben, da andere Leute Fraktalgeneratoren für MATLAB entwickelt haben (siehe https://www.mathworks.com/matlabcent​ral/fileexchange/78179-the-generator-of-fractal-surfaces-or-images als Beispiel).

Einfache Arbeiten ausführen

Der Schwerpunkt heutiger Programmiersprachen liegt darauf, Dinge so einfach wie möglich zu machen, ohne dabei an Funktionalität zu verlieren. Das ist der Grund, warum Artikel wie https://opensource.com/education/15/9/python-in-the-classroom Sprachen wie Python anpreisen, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Programmierstilen unterstützen, gleichzeitig aber auch eine beachtliche Programmierleistung aufweisen. Das Problem beim Einsatz einer Programmiersprache ist jedoch, dass man sich in einen Softwareentwickler verwandelt, was die Arbeit an der eigenen Forschung behindert. Mit MATLAB können Sie sich auf die Mathematik konzentrieren, und die interaktive Umgebung macht mathematische Aufgaben unglaublich einfach. Und wenn Sie Ihre Forschungsergebnisse anderen in einer Form zur Verfügung stellen wollen, die Experimente ermöglicht, können Sie Ihre Ergebnisse ohne großen Zeitaufwand als Anwendung verpacken (wie in den Kapiteln 14 und 15 beschrieben).

Alles hat seine Vor- und Nachteile. MATLAB wurde für Menschen entworfen, die Mathematik lernen oder von Mathematik leben wollen. Die Sprache verzichtet auf die Komplexität, welche in vielen anderen Programmiersprachen gefunden wird, und hält die Dinge stattdessen einfach. Damit können Sie sich besser auf Ihre Arbeit anstatt auf das Werkzeug konzentrieren, mit dem Sie die Arbeit durchführen wollen. Auf der anderen Seite führt diese Einfachheit jedoch dazu, dass MATLAB weniger flexibel ist als andere Sprachen, weniger komplexe Funktionalitäten und Eigenschaften aufweist (die Sie aber wahrscheinlich sowieso nicht brauchen) und wenige generische Werkzeuge bereitstellt. MATLAB ist eher ein Spezialprogramm für einen speziellen Nutzerkreis als eine Allzweck-Sprache.

Warum Sie MATLAB brauchen

Es ist äußerst wichtig zu wissen, wie man eine Anwendung verwendet, mindestens genauso wichtig ist es jedoch zu wissen, wann man eine Anwendung einsetzt und was sie dem Unternehmen oder der Institution eigentlich bringt. Wenn Sie keinen guten Grund haben, eine Anwendung einzusetzen, wird der kostenträchtige Kauf schlussendlich im Regal verstauben. Dieses Schicksal ereilt allzu viele Anwendungen in Unternehmen auf dem Globus, weil die Käufer keine klare Vorstellung davon hatten, was sie damit eigentlich vorhaben. Mit den vielen Möglichkeiten, die MATLAB bietet, wäre es für die Position als Staubfänger in Ihrem Regal einfach zu schade. In den folgenden Abschnitten sehen Sie, wie Sie die Anwendungsmöglichkeiten in Ihrem Unternehmen prüfen.

Ein Produkt verwenden, das auf mathematische Optimierung spezialisiert ist