Scipy

Scipy Exercises

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Exercise 10.1: Least squares

import numpy as np
import scipy.optimize as opt

m = 10
n = 5
num = 20

A = np.random.randint(-num, num, size = m * n).reshape(m, n)
b = np.random.randint(-num, num, size = m * 1).reshape(m, 1)

# Least squares, solve (A.T)Ax = (A.T)b
x = np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(A.T, A)), A.T), b)

# Compute the norm of the residual
print ("The norm of the residual:", np.linalg.norm(x))

Result of Exercise 10.1

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Exercise 10.2: Optimization

import numpy as np
import scipy.optimize as opt

def f(x):
    """Compute f(x) = -sin^2(x - 2)exp(-x^2)"""
    return -np.power(np.sin(x - 2), 2) * np.exp(-np.power(x, 2))

print ("f(x) = -sin^2(x - 2)exp(-x^2)")

# find maximum by minimum of -f(x)
max = -opt.minimize_scalar(f).fun

print ("maximum of f(x):", max)
print ("when x =", opt.minimize_scalar(f).x)

Result of Exercise 10.2

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Exercise 10.3: Pairwise distances

import numpy as np
from scipy.spatial import distance

n = 5
m = 5
num = 20

# Generate matrix X with 5 rows and 5 cols
X = np.random.randint(-num, num, size = n * m).reshape(n, m)

print ("Matrix X")
print (X)

for i in range(0, n):
    for j in range(i + 1, n):
        print ("The distance between row", i + 1, "and row", j + 1, "is ", end = "")
        print (distance.cityblock(X[i], X[j]))

Result of Exercise 10.3

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分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform, FRFT)是对传统傅里叶变换的拓展,它通过非整数阶的变换方式,能够更有效地处理非线性信号以及涉及时频局部化的问题。在信号处理领域,FRFT尤其适用于分析非平稳信号,例如在雷达、声纳和通信系统中,对线性调频(Linear Frequency Modulation, LFM)信号的分析具有显著优势。LFM信号是一种频率随时间线性变化的信号,因其具有宽频带和良好的时频分辨率,被广泛应用于雷达和通信系统。FRFT能够更精准地捕捉LFM信号的时间和频率信息,相比普通傅里叶变换,其性能更为出色。 MATLAB是一种强大的数值计算和科学计算工具,拥有丰富的函数库和用户友好的界面。在MATLAB中实现FRFT,通常需要编写自定义函数或利用信号处理工具箱中的相关函数。例如,一个名为“frft”的文件可能是用于执行分数阶傅里叶变换的MATLAB脚本或函数,并展示其在信号处理中的应用。FRFT的正确性验证通常通过对比变换前后信号的特性来完成,比如评估信号的重构质量、信噪比等。具体而言,可以通过计算原始信号与经过FRFT处理后的信号之间的相似度,或者对比LFM信号的关键参数(如初始频率、扫频率和持续时间)是否在变换后得到准确恢复。 在MATLAB代码实现中,通常包含以下步骤:首先,生成LFM信号模型,设定其初始频率、扫频率、持续时间和采样率等参数;其次,利用自定义的frft函数对LFM信号进行分数阶傅里叶变换;接着,使用MATLAB的可视化工具(如plot或imagesc)展示原始信号的时域和频域表示,以及FRFT后的结果,以便直观对比;最后,通过计算均方误差、峰值信噪比等指标来评估FRFT的性能。深入理解FRFT的数学原理并结合MATLAB编程技巧,可以实现对LFM信号的有效分析和处理。这个代码示例不仅展示了理论知识在
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