\documentclass[12pt,a4paper,pdftex, answers]{exam} \usepackage[german]{babel} \usepackage{natbib} \usepackage{graphicx} \usepackage[small]{caption} \usepackage{sidecap} \usepackage{pslatex} \usepackage{amsmath} \usepackage{amssymb} \setlength{\marginparwidth}{2cm} \usepackage[breaklinks=true,bookmarks=true,bookmarksopen=true,pdfpagemode=UseNone,pdfstartview=FitH,colorlinks=true,citecolor=blue]{hyperref} %%%%% text size %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \usepackage[left=20mm,right=20mm,top=25mm,bottom=25mm]{geometry} \pagestyle{headandfoot} \header{{\bfseries\large \"Ubung 2}}{{\bfseries\large Vektoren und Matrizen}}{{\bfseries\large 12. Oktober, 2015}} \firstpagefooter{Dr. Jan Grewe}{Phone: 29 74588}{Email: jan.grewe@uni-tuebingen.de} \runningfooter{}{\thepage}{} \setlength{\baselineskip}{15pt} \setlength{\parindent}{0.0cm} \setlength{\parskip}{0.3cm} \renewcommand{\baselinestretch}{1.15} \newcommand{\code}[1]{\texttt{#1}} \renewcommand{\solutiontitle}{\noindent\textbf{L\"osung:}\par\noindent} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \begin{document} \vspace*{-6.5ex} \begin{center} \textbf{\Large Einf\"uhrung in die wissenschaftliche Datenverarbeitung}\\[1ex] {\large Jan Grewe, Jan Benda}\\[-3ex] Abteilung Neuroethologie \hfill --- \hfill Institut f\"ur Neurobiologie \hfill --- \hfill \includegraphics[width=0.28\textwidth]{UT_WBMW_Black_RGB} \\ \end{center} Die folgenden Aufgaben dienen der Wiederholung, \"Ubung und Selbstkontrolle und sollten eigenst\"andig bearbeitet und gel\"ost werden. Die L\"osung soll in Form eines einzelnen Skriptes (m-files) im ILIAS hochgeladen werden. Jede Aufgabe sollte in einer eigenen ``Zelle'' gel\"ost sein. Die Zellen \textbf{m\"ussen} unabh\"angig voneinander ausf\"uhrbar sein. Das Skript sollte nach dem Muster: ``variablen\_datentypen\_\{nachname\}.m'' benannt werden (z.B. variablen\_datentypen\_mueller.m). \begin{questions} \section*{Vektoren} \question Erzeuge Vektoren mit folgendem Inhalt: \begin{parts} \part Von 1 bis 10 in ganzzahligen Schritten. \begin{solution} \code{a = 1:10;} \end{solution} \part Von 0 bis 20 in 2er Schritten. \begin{solution} \code{a = 0:2:20;} \end{solution} \part Mit \textbf{absteigendem} Inhalt von 100 bis 0. \begin{solution} \code{a = 100:-1:0;} \end{solution} \part In 10 Schritten von 0 bis 1. \begin{solution} \code{a = 0:0.1:1;} \end{solution} \part In 11 Schritten von 0 bis 1. \begin{solution} \code{a = 0:1/11:1;} \end{solution} \part In 50 Schritten von 0 bis $2\pi$ ($\pi$ ist als Konstante \code{pi} in Matlab definiert). \begin{solution} \code{a = 0:2*pi/50:2*pi;} \end{solution} \end{parts} \question Rechnen mit Vektoren: \begin{parts} \part Definiere einen Vektor \code{x = [3 2 6 8];} \part Wie gro{\ss} ist der Vektor? Benutze die Funktionen \code{size} und \code{length}. Was ist der Unterschied zwischen den beiden Funktionen? \begin{solution} \code{x = [3 2 6 8]; \\ disp(length(x));\\ 4\\ disp(size(x))\\ 1 4} \end{solution} \part Wie \"andern sich \code{size} und \code{length} des Vektors wenn er transponiert wird? \begin{solution} L\"ange \"andert sich nicht. R\"uckgabewert von size ist invertiert. \end{solution} \part Addiere 5 zu jedem Element von \verb+x+. \begin{solution} \code{disp(x + 5)} \end{solution} \part Multipliziere jedes Element von \code{x} mit 2; \begin{solution} \code{disp(x * 2)} \end{solution} \part Definiere einen zweiten Vektor (\verb+y = [4 1 3 5];+). Stelle sicher, dass \code{x} wieder in seiner urspr\"unglichen Form ist. \part Addiere beide Vektoren \code{x + y}. \begin{solution} \code{y = [4 1 3 5]; \\disp(x + y)\\7 3 9 13} \end{solution} \part Subtrahiere beide Vektoren \code{x - y}. \begin{solution} \code{disp(x - y)\\-1 1 3 3} \end{solution} \part Multipliziere beide Vektoren \code{x * y}. \begin{solution} \code{disp(x * y)\\Error using *. Inner matrix dimension must agree.} \end{solution} \part Erkl\"are die Fehlermeldung. \begin{solution} * ist der Operator f\"ur die Matrixmultiplikation. Bei dieser muessen die inneren Dimensionen \"uebereinstimmen. \code{disp(size(x))\\1 4 \\disp(size(y)) \\ 1 4}\\ (m,n)*(n,o) w\"are ok. \end{solution} \part Was m\"usste man machen, damit \code{mtimes} bzw. der \code{*} Operator funktionieren? \begin{solution} y m\"usste transponiert werden: \code{x * y'} \end{solution} \part Multipliziere die Vektoren elementweise (\code{x .* y}) und weise das Ergebnis eine neuen Variablen zu. \begin{solution} \code{z = x .* y;} \end{solution} \end{parts} \question Erzeugen von Vektoren mit Helferfunktionen: \begin{parts} \part Erstelle einen 100 Elemente langen Vektor mit der Funktion \code{ones} (siehe Hilfe). Was macht sie? \begin{solution} \code{ones(100,1)} erzeugt einen Vektor bei dem alle Elemente mit 1 gef\"ullt sind. \end{solution} \part Erstelle einen 100 Elemente langen Vektor mit der Funktion \code{zeros}. Was macht diese? \begin{solution} \code{zeros(100,1)} erzeugt einen Vektor bei dem alle Elemente mit 0 gef\"ullt sind. \end{solution} \part Erstelle einen 100 Elemente langen Vektor in dem jedes Element den Wert 4.5 hat. \begin{solution} \code{ones(100,1) * 4.5} \end{solution} \part Erzeuge einen Vektor mit 100 Zufallszahlen (\code{rand}, siehe Hilfe). \begin{solution} \code{x = rand(100,1)} \end{solution} \part Erzeuge einen Vektor mit 100 Werten zwischen 0 und 1 mithilfe der Funktion \code{linspace}. \begin{solution} \code{x = linspace(0,1,100)} \end{solution} \end{parts} \question Indizieren in Vektoren: \begin{parts} \part Erzeuge einen Vektor mit 100 Elementen (0 - 100). \begin{solution} \code{x = linspace(0,100,100);} \end{solution} \part Gib jeweils den ersten, den letzten, den 5., 24. und den vorletzten Wert aus. \begin{solution} \code{disp(x(1))\\ disp(x(end))\\ disp(x(5))\\ disp(x(24))\\ disp(x(end-1))} \end{solution} \part Gib die ersten 10 Werte aus. \begin{solution} \code{x(1:10)} \end{solution} \part Gib die letzten 10 Werte aus. \begin{solution} \code{disp(x(end-10:end))} \end{solution} \part Versuche den Wert an der Stelle 0 auszugeben. \begin{solution} \code{x(0)\\ Subscript indices must either be real positive integers or logicals.} \end{solution} \part Versuche den Wert an der Stelle 110 auszugeben. \begin{solution} \code{x(110)\\ Index exceeds matrix dimensions.} \end{solution} \part Gib die Werte an den Stellen 3, 15, und 42 zusammen als Vektor aus. \begin{solution} \code{disp(x([3 15 42]))} \end{solution} \part Gib 10 zuf\"allig ausgew\"ahlte Werte aus (benutze \verb+randi+ um die Indizes zu erstellen). \begin{solution} \code{x(randi(100,10,1))} \end{solution} \end{parts} \question Erzeuge eine Variable und speichere etwas Text in ihr, so dass mindestens 2 Worte vorhanden sind. (z.B. \code{x = 'some text'}). Benutze die Indizierung um die W\"orter einzeln auszugeben. \begin{solution} \code{x = 'some text'; \\ disp(x(1:4))\\disp(x(6:end))} \end{solution} \newpage \section*{Matrizen} \question Erstelle folgende Matrix \[ A = \left( \begin{array}{ccc} 7 & 3 & 5 \\ 1 & 8 & 3 \\ 8 & 6 & 4 \end{array} \right) \] \begin{parts} \part Gib das Element in der 3. Zeile und 2. Spalte aus. \begin{solution} \code{x = [7 3 5; 1 8 3; 8 6 4];\\x(3,2)} \end{solution} \part Gib jeweils alle Elemente der 1., 2. und 3. Zeile aus. \begin{solution} \code{x([1 2 3],:);} \end{solution} \part Gib jeweils alle Elemente der 1., 2., und 3. Spalte aus. \begin{solution} \code{disp(x(:, 1))\\ disp(x(:, 2))\\ disp(x(:, 3))} \end{solution} \part Erh\"ohe das Element in der 2. Zeile und 3. Spalte um Eins. \begin{solution} \code{x(2,3) = x(2,3) + 1;} \end{solution} \part Ziehe von allen Elementen der 1. Zeile 5 ab. \begin{solution} \code{x(1,:) = x(1,:) - 5;} \end{solution} \part Multipliziere alle Elementen der 3. Spalte mit 2. \begin{solution} \code{x(:,3) = x(:,3) * 2;} \end{solution} \end{parts} \question Erstelle eine $5 \times 5$ Matrix \code{M} die Zufallszahlen enth\"alt (nutze die MATLAB Funktion \verb+randn()+. Benutze die Hilfe: Was macht die Funktion?). \begin{parts} \part Gib das Element in der 2. Zeile und 3. Spalte aus. \begin{solution} \code{disp(M(2,3))} \end{solution} \part Gib jeweils alle Elemente der 1., 3. und letzten Zeile aus. \begin{solution} \code{disp(M(1,:)) \\ disp(M(3,:))\\ disp(M(size(M,1), :))} \end{solution} \part Gib jeweils alle Elemente der 2. und 4. Spalte aus. \begin{solution} \code{disp(M(:,2))\\ disp(M(:,4))} \end{solution} \part Greife mit einem einzigen Kommando auf die Elemente jeder zweiten Spalte zu und speichere die Daten in einer neuen Variable. \begin{solution} \code{y = M(:, [2:2:size(M,2)])} \end{solution} \part Berechne jeweils den Mittelwert der 1., 3. und 5. Zeile (Funktion \code{mean}, siehe Hilfe). \begin{solution} \code{mean(M([1 3 5],:), 2)} \end{solution} \part Berechne die Summe aller Werte der 2. und 4. Spalte (Funktion \code{sum}, siehe Hilfe). \begin{solution} \code{sum(M(:, [2 4]), 1)} \end{solution} \part Berechne die Summe aller Elemente der Matrize. \begin{solution} \code{sum(M(:))} \end{solution} \part Ersetze die Elemente der 2. Zeile mit denen der 4. \begin{solution} \code{M(2,:) = M(4,:)} \end{solution} \part F\"uhre folgendes Kommando aus: \code{M(1:2,1) = [1, 2, 3]}. Was k\''onnte die Absicht dieses Codes gewesen sein? Was bedeutet die Fehlermeldung? \begin{solution} \code{M(1:2,1) = [1, 2,3];\\ Subscripted assignment dimension mismatch.} \\ Der einzuf\"ugende Vektor hat 3 Elemente, die Auswahl von M in die geschrieben werden soll hat nur die Gr\"o{\ss}e 2; \end{solution} \end{parts} \question Matrizen k\"onnen neben der ``normalen'' \textit{subscript} Indizierung auch \textit{linear} indiziert werden (siehe Hilfe \"uber Indexing oder Funktionen \verb+sub2ind+ oder \verb+ind2sub+). \begin{parts} \part Erstelle eine 2-D Matrix mit Zufallszahlen mit der Dimensionalit\"at \verb+[10,10]+. \begin{solution} \code{x = randn(10, 10)} \end{solution} \part Wie viele Werte enth\"alt sie? \begin{solution} 100 \end{solution} \part Benutze das lineare Indizieren um 50 zuf\"allige Werte auszuw\"ahlen. \begin{solution} \code{x(randi(100, 50, 1)])} \end{solution} \part Wo liegt der Vorteil gegen\"uber der \textit{subscript} Indizierung? \part Berechne die Summe aller Werte mit einem Funktionsaufruf.. \begin{solution} \code{sum(x(:))} oder \code{sum(sum(x))} \end{solution} \end{parts} \question Erstelle folgende Variablen \verb+x = [1 5 9]+ and \verb+y = [7 1 5]+ und \verb+M = [3 1 6; 5 2 7]+. Welche der folgenden Operationen funktionieren? Wenn nicht, warum funktionieren sie nicht? Teste Deine Vorhersagen. \begin{parts} \part \code{x + y} \begin{solution} Funktioniert! \end{solution} \part \code{x * M} \begin{solution} Matrixmultiplikation Funktioniert nicht! Inner dimensions must agree! \end{solution} \part \code{x + y'} \begin{solution} Funktioniert nicht! Die Dimensionalit\"aten passen nicht. \end{solution} \part \code{M - [x y]} \begin{solution} Funktioniert nicht! \code{[x y] ist ein Zeilenvektor der L\"ange 6, M ist eine Martix.} \end{solution} \part \code{[x; y]} \begin{solution} Funktioniert! Gr\"o{\ss}e: 2 3 \end{solution} \part \code{M - [x; y]} \begin{solution} Funktioniert! \end{solution} \end{parts} \question Erstelle eine 3-D Matrix aus drei 2-D Matrizen. Benutze die \verb+cat()+ Funktion f\"ur diesen Zweck (schaue in der Hilfe nach, wie sie benutzt wird). \begin{parts} \part Gib alle Elemente des ersten ``Blattes'' aus (Index 1 der 3. Dimension). \begin{solution} \code{x = randn(5,5); \\y = randn(5, 5);\\ z = cat(3, x, y);\\disp(z(:,:,1))} \end{solution} \end{parts} \question Erzeuge eine $5 \times 5 \times 5$ Matrix die mit ganzzahligen, gleichverteilten Zufallszahlen zwischen 0 und 100 gef\"ullt ist. \begin{parts} \part Berechne den Mittelwert aller Bl\"atter dieser Matrix (benutze \verb+mean()+, siehe Hilfe). \begin{solution} \code{x = rand(5,5,5) .* 100;\\ disp(mean(mean(x(:,:,1))))\\ disp(mean(mean(x(:,:,2)))) \\ disp(mean(mean(x(:,:,3))))} \end{solution} \end{parts} \end{questions} \end{document}