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[표지글]

이 책은 단순히 MATLAB의 작동 방식을 보여주는 것이 아니라 수학과 과학, 공학의 실제 응용분야에서 MATLAB을 어떻게 사용하는지를 보여줌으로써 독자들이 상상했던 것보다 빨리 MATLAB을 정복할 수 있도록 할 것이다.

특징

MATLAB은 과학기술용 계산을 위한 강력한 언어이다. MATLAB이란 이름은 MATrix LABoratory의 약자인데, 이는 MATLAB의 기본 데이터 요소가 ‘matrix(행렬)’이기 때문이다. MATLAB은 수학계산, 모델링과 시뮬레이션, 데이터 해석 및 처리, 가시화와 그래픽, 알고리즘 개발 등에 사용될 수 있다.

MATLAB은 대학교에서 수학과 과학, 특히 공학의 기초과정에서 고급과정까지 널리 사용되고 있다. 산업체에서는 연구와 개발, 디자인에 사용되고 있다. 표준 MATLAB 프로그램은 일반 문제들의 풀이에 사용할 수 있는 툴(tool), 즉 함수들을 가지고 있으며, 추가로 특정 타입의 문제 풀이를 위해 설계된 특별한 프로그램들의 모음인 툴박스(toolbox)들을 선택사양으로 갖고 있다. 예를 들어 신호처리와 기호 계산, 제어 시스템 등에 대한 툴박스들이 있다.
최근까지 대부분의 MATLAB 사용자들은 FORTRAN이나 C와 같은 프로그래밍 언어들을 이용하다가 MATLAB이 대중적이 됨에 따라 MATLAB으로 전환한 사람들이다. 따라서 MATLAB에 대한 대다수 문헌들은 컴퓨터 프로그래밍에 대한 지식을 전제로 하고 있으며, MATLAB에 대한 책들은 흔히 특정 분야에 전문화된 응용이나 고급 주제들을 다루고 있다. 그러나 지난 몇 년 동안, MATLAB은 대학생들이 배우는 첫 번째(그리고 때로는 유일한) 컴퓨터 프로그램으로서 대학생들에게 소개되고 있다. 이런 학생들을 위해 컴퓨터 프로그래밍에 사전 경험이 전혀 없음을 전제로 하여 MATLAB을 가르치는 책이 필요하였다.


목적

MATLAB 개요와 응용은 MATLAB을 처음으로 사용하며 컴퓨터 프로그래밍의 경험이 거의 또는 전혀 없는 학생들을 대상으로 한 책이다. 공대 신입생 강좌나 MATLAB 교육을 위한 워크샵에서 교재로 사용할 수 있으며, 과학과 공학의 고급과정에서 MATLAB을 문제풀이용 도구로 사용하는 경우 이 책을 참고서로 사용할 수도 있다. 또한 학생이나 현장의 엔지니어들이 MATLAB을 독학하는 데 사용할 수도 있다. 추가로, 강좌에서 MATLAB은 사용하지만 폭넓게 다룰 시간이 없는 경우 이 책을 보충교재나 보조교재로 사용할 수 있다.


내용

MATLAB은 방대한 프로그램이며, 따라서 책 한 권으로 MATLAB의 모든 것을 다루는 것은 불가능하다. 이 책은 주로 MATLAB의 기초에 초점을 맞추고 있다. 일단 이러한 기초들을 잘 이해하면, 도움말 메뉴의 정보를 이용하여 고급 내용들을 쉽게 배울 수 있을 것으로 생각된다.

이 책에서 제시한 내용들의 순서는 다년간 공학입문 강좌에서 MATLAB을 가르치면서 얻은 경험에 근거하여 신중하게 선택되었다. 매 장마다 학생들이 책을 따라갈 수 있도록 적절한 순서로 내용들을 제시하였다. 각 내용들은 한 장에서 완전하게 제시된 후, 그 다음에 오는 장들에서 사용된다.

첫 번째 장은 MATLAB의 기본 구조 및 특징들을 기술하며, 간단한 스칼라 산술연산에 MATLAB을 사용하는 방법을 계산기를 사용하듯이 기술한다. 장 뒷부분에서 스크립트 파일을 소개한다. 스크립트 파일로 간단한 MATLAB 프로그램을 작성하고 저장하며 실행할 수 있다. 다음 두 장은 배열에 대한 내용을 다룬다. MATLAB의 기본 데이터 요소는 배열로서, 배열 크기를 미리 지정할 필요가 없다. MATLAB을 매우 강력한 프로그램으로 만드는 이 개념을 선형대수와 벡터 해석에 한정된 지식과 경험을 가진 학생들이 이해하기에는 조금 어려울 수 있다. 이 책은 배열의 개념을 서서히 도입한 다음, 넓은 범위에 걸쳐 자세히 설명한다. 2장은 배열의 생성 방법을 기술하며, 3장은 배열에 대한 수학연산을 다룬다.

기본 내용에 이어, 스크립트 파일과 데이터의 입출력에 관련된 고급 내용들이 4장에서 제시된다. 5장에서는 2차원 그래프를 다룬다. 사용자정의 함수와 함수 파일들에 대해서는 6장에서 다룬다. 함수 파일은 의도적으로 스크립트 파일에 대한 내용과 분리하여 다루었는데, 이렇게 하는 것이 다른 컴퓨터 프로그램의 유사한 개념에 익숙하지 않은 학생들에게는 이해가 더 쉽다는 것이 입증되었다. MATLAB에 의한 프로그래밍은 7장에서 다루며, 조건문과 루프를 가진 흐름 제어를 포함한다.

다음 세 장은 고급 주제들을 다룬다. 8장은 MATLAB이 다항식 계산의 수행에 어떻게 사용되는지, 그리고 MATLAB이 커브 피팅과 보간법에 어떻게 사용되는지를 기술한다. 2차원 그래프에 대한 5장 내용의 연장인 3차원 그래프는 9장에서 다룬다. 10장은 수치해석을 위한 MATLAB의 응용을 다루며, 비선형방정식의 풀이와 함수의 최소 또는 최대값 구하기, 수치 적분, 1차 상미분방정식의 풀이 등을 포함한다. 11장은 기호연산에 MATLAB을 어떻게 사용하는지를 매우 자세히 다룬다.


구조

각 장에서 내용들은 개념을 쉽게 이해할 수 있는 순서대로 서서히 소개가 된다. 본문과 예제를 통하여 MATLAB의 사용 예를 광범위하게 보여준다. 1∼3장의 일부 긴 예제들에는 프로그램예제라는 제목이 붙어 있다. 책에서 MATLAB의 사용 예는 모두 다른 글자체와 회색 배경으로 인쇄되어 있다. 추가 설명은 흰색 배경을 가진 글상자 안에 있다. 이것은 학생들이 MATLAB 사용 경험을 얻기 위해 이러한 사용 예와 프로그램예제들을 실행할 것이라는 점을 염두에 둔 것이다. 추가로, 모든 장은 수학, 과학 및 공학 문제의 풀이를 위한 MATLAB 응용 예제들을 포함하고 있다. 각 예제는 문제에 대한 서술과 자세한 해를 포함하고 있다. 어떤 예제들은 장의 중간 부분에서 제시되기도 한다. 2장을 제외한 모든 장들의 끝부분에 여러 응용 예제들이 포함된 절이 있다. MATLAB에 의한 예제 풀이에는 많은 다른 방법들이 존재한다는 것을 명심해야 한다. 예제의 해는 많은 방법들 중에서 이해하기 쉬운 방법으로 작성되었다. 이것은 많은 경우 더 짧은 프로그램이나 때때로 기발한 프로그램을 작성하여 문제를 풀 수도 있다는 것을 의미한다. 학생들은 자신의 해를 작성하고 난 다음, 최종 결과와 비교할 것을 권장한다. 각 장의 끝에는 연습문제들이 있으며, 이 문제들은 수학과 과학의 일반적인 문제들과 공학의 여러 다른 분야의 문제들을 포함한다.

기호 계산
MATLAB은 본래 수치 계산을 위한 소프트웨어이다. 그러나 Symbolic Math Toolbox가 설치되면, 기호 수학연산을 수행할 수 있다. Symbolic Math Toolbox는 학생용 버전의 소프트웨어에 포함되어 있으며 표준 프로그램에 추가가 가능하다.

소프트웨어와 하드웨어
MATLAB 프로그램은 대부분의 다른 소프트웨어와 같이 지속적으로 개발되고 있으며 새로운 버전이 자주 출시된다. 이 책은 MATLAB, Version 7.5, Release 2007b를 다룬다. 그러나 이 책은 MATLAB의 기초를 다루며 따라서 버전에 따라 많이 변하지 않는다는 점을 강조한다. 이 책은 Windows 운영체제를 사용하는 컴퓨터의 MATLAB 사용을 다룬다. MATLAB을 다른 기종에서 사용할 때, 기본적으로는 모든 것이 같다. 다른 운영체제에서 MATLAB을 사용하는 경우에 대한 자세한 사항은 MATLAB 문서를 참조하라. MATLAB이 컴퓨터에 설치되어 있으며, 사용자는 기본적인 컴퓨터 운영 지식을 갖추고 있는 것을 전제로 한다.


순서

모든 내용을 모든 사람들에게 적합한 순서로 제시하는 교재를 쓰는 것은 아마도 불가능할 것이다. 이 책 내용의 순서는 MATLAB의 기본(배열과 배열 연산)을 먼저 다루고, 앞에서도 언급한 바와 같이, 책을 참고서로 사용하기 쉽도록 각 주제를 한 곳에서 완전하게 다루는 방식으로 되어 있다.

제1장 MATLAB 시작하기 / 1

1.1 MATLAB 시작하기, MATLAB 창 1
1.2 명령어 창에서의 작업 5
1.3 스칼라 산술연산 8
1.3.1 우선순위 8
1.3.2 MATLAB을 계산기로 사용하기 9
1.4 출력 형식 10
1.5 기본 수학 내장함수 10
1.6 스칼라 변수의 정의 14
1.6.1 할당 연산자 14
1.6.2 변수이름에 대한 규칙 17
1.6.3 키워드와 미리 정의된 변수 17
1.7 변수들의 관리에 유용한 명령어들 18
1.8 스크립트 파일 19
1.8.1 스크립트 파일의 특징 19
1.8.2 스크립트 파일의 생성과 저장 20
1.8.3 스크립트 파일의 실행 21
1.8.4 현재 디렉터리 21
1.9 MATLAB 응용 예제 24
연습문제 27

제2장 배열의 생성 / 33

2.1 1차원 배열(벡터)의 생성 33
2.2 2차원 배열(행렬)의 생성 37
2.2.1 zeros, ones, eye 명령어 39
2.3 MATLAB 변수에 대한 유의사항 40
2.4 전치 연산자 40
2.5 배열 원소의 주소 지정 41
2.5.1 벡터 41
2.5.2 행렬 42
2.6 콜론을 이용한 배열 원소의 주소 지정 43
2.7 기존 변수에 원소 추가하기 46
2.8 원소의 제거 48
2.9 배열 조작을 위한 내장함수 49
2.10 문자열과 문자열 변수 54
연습문제 56


제3장 배열의 수학연산 / 61

3.1 덧셈과 뺄셈 62
3.2 배열 곱셈 64
3.3 배열 나눗셈 67
3.4 원소별 연산 72
3.5 MATLAB 내장 수학함수에서의 배열 사용 75
3.6 배열 해석용 내장함수 76
3.7 난수의 발생 77
3.8 MATLAB 응용 예제 80
연습문제 86


제4장 스크립트 파일의 사용과 데이터의 처리 / 93

4.1 MATLAB 작업공간과 작업공간 창 94
4.2 스크립트 파일에 대한 입력 96
4.3 출력 명령어들 99
4.3.1 disp 명령어 100
4.3.2 fprintf 명령어 102
4.4 save와 load 명령어 111
4.4.1 save 명령어 111
4.4.2 load 명령어 112
4.5 데이터 가져오기와 내보내기 114
4.5.1 데이터 가져오기와 내보내기 명령어 115
4.5.2 가져오기 마법사의 이용 117
4.6 MATLAB 응용 예제 119
연습문제 125


제5장 2차원 그래프 / 131

5.1 plot 명령어 132
5.1.1 주어진 데이터의 그래프 136
5.1.2 함수의 그래프 출력 137
5.2 fplot 명령어 139
5.3 그래프의 다중 출력 141
5.3.1 plot 명령어의 이용 141
5.3.2 hold on, hold off 명령어의 이용 142
5.3.3 line 명령어의 이용 143
5.4 그래프의 형식 지정 144
5.4.1 명령어를 이용한 그래프의 형식 지정 144
5.4.2 그래프 편집기를 이용한 그래프의 형식 지정 149
5.5 로그축 그래프 150
5.6 오차막대를 가진 그래프 150
5.7 특수 그래프 153
5.8 히스토그램 155
5.9 극좌표 그래프 158
5.10 다중 그래프의 동일 페이지 출력 158
5.11 다중 그림 창 159
5.12 MATLAB 응용 예제 160
연습문제 166

제6장 사용자정의 함수와 함수 파일 / 173

6.1 함수 파일의 작성 174
6.2 함수 파일의 구조 175
6.2.1 함수 정의 라인 176
6.2.2 입력인자와 출력인자 176
6.2.3 H1 라인과 도움말 라인 178
6.2.4 함수 본체 178
6.3 지역변수와 전역변수 179
6.4 함수 파일의 저장 180
6.5 사용자정의 함수의 이용 180
6.6 간단한 사용자정의 함수의 예 181
6.7 스크립트 파일과 함수 파일의 비교 183
6.8 익명함수와 인라인 함수 184
6.8.1 익명함수 185
6.8.2 인라인 함수 188
6.9 함수 함수 189
6.9.1 함수 핸들을 이용하여 함수를 함수 함수에 전달하는 방법 190
6.9.2 함수 이름을 이용하여 함수를 함수 함수에 전달하는 방법 193
6.10 부함수 196
6.11 중첩함수 197
6.12 MATLAB 응용 예제 201
연습문제 205


제7장 MATLAB 프로그래밍 / 213

7.1 관계 연산자와 논리 연산자 214
7.2 조건문 223
7.2.1 if-end 구조 223
7.2.2 if-else-end 구조 225
7.2.3 if-elseif-else-end 구조 227
7.3 switch-case 문 228
7.4 루프 231
7.4.1 for-end 루프 232
7.4.2 while-end 루프 236
7.5 중첩 루프와 중첩 조건문 240
7.6 break 명령어와 continue 명령어 242
7.7 MATLAB 응용 예제 243
연습문제 252


제8장 다항식, 커브 피팅과 보간법 / 261

8.1 다항식 262
8.1.1 다항식의 값 계산 262
8.1.2 다항식의 근 264
8.1.3 다항식의 사칙연산 265
8.1.4 다항식의 미분 267
8.2 커브 피팅 268
8.2.1 다항식에 의한 커브 피팅과 polyfit 함수 268
8.2.2 다항식이 아닌 다른 함수에 의한 커브 피팅 272
8.3 보간법 276
8.4 기본 피팅 인터페이스 279
8.5 MATLAB 응용 사례 283
연습문제 289


제9장 3차원 그래프 / 297

9.1 선 그래프 298
9.2 그물망 그래프와 표면 그래프 299
9.3 특수한 그래프들 305
9.4 view 명령어 307
9.5 MATLAB 응용 예제들 310
연습문제 315

제10장 수치해석 적용 / 321

10.1 일변수 방정식의 풀이 321
10.2 함수의 최소값 또는 최대값 구하기 324
10.3 수치적분 326
10.4 상미분방정식 329
10.5 MATLAB 응용 예제 334
연습문제 340


제11장 Symbolic Math / 347

11.1 기호개체와 기호식 348
11.1.1 기호개체의 생성 349
11.1.2 기호식의 생성 350
11.1.3 findsym 명령어와 기본 설정 기호변수 353
11.2 기호식의 형태 변환 354
11.2.1 collect, expand, factor 명령어 354
11.2.2 simplify와 simple 명령어 357
11.2.3 pretty 명령어 358
11.3 대수방정식의 풀이 359
11.4 미분 365
11.5 적분 366
11.6 상미분방정식의 풀이 367
11.7 기호식의 그래프 그리기 371
11.8 기호식에 의한 수치 계산 374
11.9 MATLAB 응용 예제 377
연습문제 386

부록 393
해답 399
찾아보기 405