Programação em matlab para engenheiros

634 Pages·2016·18.77 MB·Portuguese

by  Stephen Champman

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PROGRAMAÇÃO EM MATLAB PARA ENGENHEIROS
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TRADUÇÃO DA 5a EDIÇÃO NORTE-AMERICANA h
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STEPHEN J. CHAPMAN
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O autor apresenta, ao longo de toda a obra, uma metodologia de resolução de
problemas top-down (do mais geral para o mais específi co), reforçando a capa- PROGRAMAÇÃO
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cidade do MATLAB como uma linguagem de programação técnica que permite
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ao estudante escrever programas limpos, efi cientes e bem documentados. O
G EM MATLAB
O livro enfatiza o uso de funções para decomposição lógica de tarefas em sub-
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tarefas ainda menores e de ferramentas MATLAB pré-construídas. Apresenta, A
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com igual ênfase, notas sobre boas práticas de programação e erros de pro-
A PARA
gramação.
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A 5a edição de Programação em MATLAB para engenheiros é dedicada especi- Ã
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fi camente ao MATLAB R2014b. Seu conteúdo foi ampliado para abordar classes

E ENGENHEIROS OUTRAS OBRAS
e objetos que trabalham muito estreitamente com o novo sistema de gráfi cos M
do identifi cador. Há um novo Capítulo 3 totalmente dedicado aos diagramas
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2D, maior cobertura para diagramas 3D e, em um dos capítulos, há uma seção A FÍSICA PARA CIENTISTAS
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dedicada às animações. E ENGENHEIROS
L TRADUÇÃO DA 5a EDIÇÃO NORTE-AMERICANA
A VOLUMES 1 A 4
B
Aplicações: Destina-se à disciplina introdução à computação (ou ciência da Tradução da 8a edição norte-americana
P
computação), nos cursos de informática, como Sistemas de Informação, Ciên- A Volume 1 - Mecânica
R Volume 2 - Oscilações, ondas e
cia da Computação e Engenharia da Computação, bem como nos cursos de
A
termodinâmica
Física, Química e Engenharia, sendo particularmente útil para estudantes deste
E
Volume 3 - Eletricidade e magnetismo
último. Destina-se, ainda, a profi ssionais em geral que desejem utilizar essa N
G Volume 4 - Luz, óptica e física moderna
ferramenta da computação.
E John W. Jewett, Jr.
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H e Raymond A. Serway
E
I
R TERMODINÂMICA PARA
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ENGENHEIROS
S
Kenneth A. Kroos, Merle C. Potter
PROBABILIDADE E
ESTATÍSTICA PARA
ISBN 13 978-85-221-2522-7
ENGENHARIA E CIÊNCIAS
ISBN 10 85-221-2522-8 STEPHEN J. CHAPMAN
Tradução da 8a edição norte-americana
Jay L. Devore
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visite www.cengage.com.br 9 788522 125227
Programação em Matlab para Engenheiros_ok.indd 1 10/3/16 6:08 PM
Programação em MATLAB
para Engenheiros
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)
C466p Chapman, Stephen J.
Programação em MATLAB para engenheiros / Stephen J.
Chapman ; tradução: Noveritis do Brasil ; revisão técnica:
Flávio Soares Corrêa da Silva. – São Paulo, SP : Cengage
Learning, 2016.
632 p. : il. ; 26 cm.
Inclui índice e apêndice.
Tradução de: Matlab® programming for engineers (5. ed.).
ISBN 978-85-221-2523-4
1. MATLAB (Programa de computador). 2. Análise numéri-
ca - Processamento de dados. I. Silva, Flávio Soares Corrêa da.
II. Título.
CDU 004.438
CDD 518.028553
Índice para catálogo sistemático:
1. MATLAB (Programa de computador) 004.438
(Bibliotecária responsável: Sabrina Leal Araujo – CRB 10/1507)
Programação em MATLAB
para Engenheiros
Tradução da 5a edição norte-americana
Stephen J. Chapman
Tradução
Noveritis do Brasil
Revisão técnica
Flávio Soares Corrêa da Silva
PhD em Inteligência Artificial pela Edinburgh University, livre-docente e professor
associado do Departamento de Ciência da Computação no Instituto de Matemá-
tica e Estatística da Universidade de São Paulo (IME-USP).
Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos
Programação em Matlab para Engenheiros – Tradução © 2016, 2008 Cengage Learning
da 5ª edição norte-americana
© 2017 Cengage Learning Edições Ltda.
3ª edição brasileira
Stephen J. Chapman Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro
poderá ser reproduzida, sejam quais forem os meios
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Supervisora de produção gráfica: Fabiana Alencar
fevereiro de 1998.
Albuquerque
Título original: MATLAB® programming for engineers –
Esta editora empenhou-se em contatar os responsáveis
5th edition
pelos direitos autorais de todas as imagens e de outros
(ISBN 13: 978-1-111-57672-1; ISBN 10: 1-111-57672-6) materiais utilizados neste livro. Se porventura for
constatada a omissão involuntária na identificação de
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Este livro é dedicado, com amor, para minha filha mais nova, Devorah.

Prefácio
O MATLAB (abreviatura para MATrix LABoratory – Laboratório de Matrizes) é um programa de
computador especializado otimizado para cálculos científicos e de engenharia. Inicialmente, foi pro-
jetado para cálculos com matrizes; ao longo dos anos, transformou-se em um sistema computacional
flexível, capaz de resolver essencialmente qualquer problema técnico.
O programa MATLAB implementa a linguagem de mesmo nome, juntamente com vasta biblio-
teca de funções predefinidas que tornam as tarefas de programação técnica mais fáceis e eficientes.
Essa variedade extremamente ampla de funções torna muito mais fácil resolver os problemas técni-
cos no MATLAB do que em outras linguagens, como Fortran ou C. Este livro apresenta a linguagem
MATLAB conforme é implementada na versão R2014b e mostra como usá-la para resolver proble-
mas técnicos típicos.
Esse livro ensina o MATLAB como linguagem de programação técnica que mostra aos estu-
dantes como escrever programas claros, eficientes e documentados. Ele não tem a pretensão de ser
a descrição completa de todas as centenas de funções do MATLAB. Contudo, ensina o estudante a
utilizar o MATLAB como linguagem computacional e a forma de localizar qualquer função deseja-
da com recursos de ajuda on-line extensivos do MATLAB.
Os primeiros oito capítulos do texto foram projetados para servir como texto para um curso de
“Introdução à Programação/Resolução de Problemas” para estudantes calouros de engenharia. Este
material deve se adequar tranquilamente a um curso de nove semanas, três horas cada. Os capítulos
restantes abordam tópicos avançados como Entrada/Saída, Programação Orientada a Objetos e Interfaces
Gráficas do Usuário. Esses capítulos podem ser abordados em um curso mais longo ou usados como re-
ferência pelos estudantes de engenharia ou engenheiros em exercício que usam o MATLAB como parte
de seus cursos ou empregos.
Novidades da 5a Edição
A 5a edição deste livro é dedicada especificamente ao MATLAB R2014b. A versão 2014b é a pri-
meira edição do MATLAB a habilitar o novo H2 Graphics System, que produz saídas da mais alta
qualidade. Os componentes gráficos agora são objetos MATLAB com identificadores que retornam
propriedades. Além disso, a implementação MATLAB de objetos e programação orientada a objetos
amadureceu desde a última edição deste livro e merece ser abordada detalhadamente. Este livro foi
ampliado para abordar classes e objetos do MATLAB que trabalham muito estreitamente com o
novo sistema de gráficos do identificador.
VIII | Programação em MATLAB para Engenheiros
As principais mudanças desta edição do livro incluem:
■ Redução do tamanho dos capítulos iniciais. As ramificações e os laços agora possuem um capí-
tulo específico e a discussão das funções está dividida em dois capítulos. Essa mudança auxilia
os estudantes a assimilarem o material em blocos de dimensão mais adequada.
■ Um novo Capítulo 3 é totalmente dedicado aos diagramas 2D, coletando todas as informações
de diagrama em um único local.
■ O Capítulo 8 apresenta cobertura maior para diagramas 3D, e o Capítulo 13 agora apresenta
uma seção dedicada às animações.
■ O Capítulo 12 é uma discussão totalmente nova de classes MATLAB e programação orientada
a objetos.
■ O Capítulo 13 foi escrito novamente para abranger novos diagramas do identificador H2, em
que os identificadores agora são objetos MATLAB em vez de números.
■ No final do livro você encontra um encarte com figuras coloridas que facilitam seu entendimento.
Vantagens do MATLAB para Programação Técnica
O MATLAB tem muitas vantagens, em comparação com linguagens computacionais convencionais,
para resolver problemas técnicos. Entre elas estão:
1. Facilidade de Uso
M ATLAB é uma linguagem interpretada, assim como muitas versões do Basic. Como o Basic,
ele é muito fácil de usar. O programa pode ser utilizado como bloco de rascunhos para avaliar
expressões digitadas na linha de comandos ou para executar grandes programas escritos pre-
viamente. Os programas podem ser facilmente escritos e modificados no ambiente integrado
de desenvolvimento, e depois depurados por meio do depurador MATLAB. Como a linguagem
é fácil de usar, ela é ideal para uso educativo e para o desenvolvimento rápido de protótipo de
novos programas.
Diversas ferramentas para desenvolvimento de programas são fornecidas, o que facilita o
uso do programa. Elas incluem um editor/depurador integrado, documentação e manuais on-li-
ne, um navegador de espaço de trabalho e diversas demos.
2. Independência de Plataforma
O MATLAB tem suporte em muitos sistemas computacionais diferentes, o que proporciona gran-
de margem de independência de plataforma. No momento da publicação deste livro, a lingua-
gem oferece suporte para Windows 7/8, Linux e Macintosh. Os programas escritos em quaisquer
plataformas serão executados em todas essas outras plataformas e os arquivos de dados escritos
em qualquer plataforma podem ser lidos de maneira transparente em qualquer outra plataforma.
Como resultado, os programas escritos em MATLAB podem migrar para novas plataformas quan-
do houver mudança nas necessidades do usuário e podem ser facilmente compartilhados.
3. Funções Predefinidas
O MATLAB vem completo, com uma grande biblioteca de funções predefinidas que apresen-
tam soluções testadas e pré-embaladas para muitas tarefas técnicas básicas. Por exemplo, su-
ponha que você esteja escrevendo um programa para calcular as estatísticas relacionadas a
um conjunto de dados de entrada. Na maioria das linguagens, seria necessário escrever suas
próprias sub-rotinas ou funções para implementar os cálculos como média aritmética, desvio
padrão, mediana etc. Esta e centenas de outras funções fazem parte da linguagem MATLAB,
facilitando muito o seu trabalho.
Além da grande biblioteca de funções integrada na linguagem MATLAB básica, existem
muitas ferramentas especiais disponíveis para ajudar a resolver problemas complexos em áreas
específicas. Por exemplo, você pode adquirir ferramentas-padrão para resolver problemas de
Processamento de Sinais, Sistemas de Controle, Comunicações, Processamento de Imagens e
Redes Neurais, além de outros.
Prefácio | IX
4. Diagramações Independentes de Dispositivos
D iferente de outras linguagens computacionais, o MATLAB possui vários comandos de ima-
gem e de diagramação integral. Os diagramas e as imagens podem ser exibidos em qualquer
dispositivo de saída gráfica compatível com o computador em que o MATLAB esteja sendo
executado. Este recurso torna o MATLAB uma ferramenta excepcional para visualização de
dados técnicos.
5. Interface Gráfica de Usuário
O MATLAB contém ferramentas que permitem aos programadores construir interativamente
uma interface gráfica de usuário (GUI, do inglês Graphical User Interface) para seus progra-
mas. Com este recurso, os programadores são capazes de projetar programas sofisticados de
análise de dados, os quais podem ser operados por usuários relativamente inexperientes.
Características deste Livro
Muitas características deste livro foram projetadas para enfatizar a maneira adequada de escrever
programas confiáveis no MATLAB. Essas características devem atender bem ao estudante quando
estiver aprendendo o MATLAB pela primeira vez, mas também deve ser útil para o profissional no
trabalho. Entre elas temos:
1. Ênfase na Metodologia de Projeto Top-Down
O livro apresenta uma metodologia de projeto top-down no Capítulo 4 e então a utiliza consis-
tentemente em seu decorrer. Essa metodologia encoraja o estudante a pensar a respeito do pro-
jeto apropriado de um programa antes de iniciar a codificação. O livro enfatiza a importância de
definir claramente o problema a ser resolvido e os dados de entrada e de saída requeridos antes
de iniciar qualquer outra atividade. Uma vez definido apropriadamente o problema, o livro ensi-
na os estudantes a aplicarem o refinamento passo a passo para subdividir a tarefa em subtarefas
sucessivamente menores e implementarem as subtarefas como sub-rotinas ou funções separa-
das. Finalmente, os estudantes aprendem a importância de efetuar testes em todos os estágios
do processo, tanto unitários das rotinas componentes como testes exaustivos do produto final.
O processo formal do projeto ensinado no livro pode ser resumido da seguinte maneira:
1. Estabeleça claramente o problema que você está tentando resolver.
2. Defina os dados de entrada requeridos pelo programa e os dados de saída produzidos
por ele.
3. Descreva o algoritmo que você pretende implementar no programa. Esse passo requer
um projeto top-down e a decomposição passo a passo, fazendo uso de seu pseudocódi-
go ou de fluxogramas.
4. Transforme o algoritmo em expressões do MATLAB.
5. Teste o programa MATLAB. Nesse passo estão incluídos os testes unitários de funções
específicas e o teste exaustivo do programa final, com diferentes conjuntos de dados.
2. Ênfase em Funções
O livro enfatiza o uso de funções para a decomposição lógica de tarefas em subtarefas menores.
Ele ensina as vantagens das funções para ocultar dados. Enfatiza também a importância dos tes-
tes unitários das funções antes de combiná-las no programa final. O livro mostra ainda os erros
mais comuns em funções e como evitá-los.
3. Ênfase em Ferramentas MATLAB
O livro ensina o uso apropriado das ferramentas integradas do MATLAB para facilitar a progra-
mação e depuração de programas. As ferramentas tratadas são o Editor/Depurador, o Navegador
do Espaço de Trabalho, o Navegador de Ajuda e as ferramentas de projeto da GUI.