함수 scanf()는 (보통은 키보드로) 입력을 받아들이는 기능을 수행하면 stdio.h 에 정의되어 있다. 만약 하나의 정수를 입력받아서 a라는 변수에 저장하고 싶다면 다음과 같이 해야 한다.

이렇게 하면 사용자로보터 숫자 입력을 받아서 변수 a에 저장한다. ‘&’는 주소 연산자로서 포인터를 설명하는 장에서 자세히 알아볼 것이고 여기에서는 scanf()함수에서는 변수 앞에 &를 붙여야 한다고만 알아두고 넘어가자.

실수를 입력받을 때는 %f (float형) 나 %lf (double 형) 지시자를 사용하면 된다.

두 개 이상의 입력을 한 번에 받으려면 다음과 같이 하면 된다.

여기서 scanf() 함수 내에서 "%d %d"와 같이 %d와 %d가 공백문자로 구분되어 있다면 사용자가 숫자르 입력할 때에도 공백문자로 구별해야 한다. 만약

와 같이 콤마(,)로 구분되어 있으면 사용자도 11,22 와 같이 콤마로 구별해서 숫자를 입력해야 한다. 그렇지 않으면 오동작이 일어난다.

 여기에서는 이전 포스트에 이어서 기본적인 행렬 생성의 기본적인 내용을 설명하겠다.

함수의 행렬

 행렬을 입력하는 또 다른 예로, 아래와 같이 주어진 행렬 C를 생각해보자.

위 행렬은 다음과 같이 입력될 수 있다.

여기서 exp(x)함수는 ex 값(exponetial)을 구하는 함수이고, sqrt(x)함수는 제곱근(square root)을 구하는 함수이다. exp(x)함수나 sqrt(x)함수의 용법이 궁금하다면 help 명령어를 사용하면 된다. help exp 명령을 내리면 exp()함수에 대한 기본 설명, 유사한 함수들 그리고 오버로드(overload)된 함수들에 대한 설명이 나오는 것을 알 수 있다. 유사한 함수들의 목록에 expm()함수가 있는데 함수명 끝의 m은 이 함수가 행렬연산을 한다는 것을 나타내며 스칼라 연산 함수들은 보통 대응하는 행렬 연산 함수를 가지고 있다.

[그림 1] Octave 4.0에서 help exp 명령을 수행한 결과

전치 행렬 (transpose)

 어떤 행렬의 전치행렬(transpose)을 만드는 방법은 행렬의 끝에 작은따옴표 (‘)를 붙이는 것이다. 예를 들어서 C행렬의 전치행렬을 만들어 D에 입력하고 싶다면 다음과 같이 한다.

어떤 행렬의 대각 요소(diagonal element)란 행 인덱스와 열 인덱스가 같은 요소를 그리고 비대각요소(off-diagonal element)는 같지 않은 요소를 의미한다. 위의 예에서 행렬 C의 비대각요소의 위치가 대칭적으로 바뀌어서 D에 저장되었음을 알 수 있다.

 또는 행렬을 입력할 때 마지막에 (‘)을 추가하면 입력되는 행렬의 전치행렬이 바로 구해진다.

이와 같이 전치 행렬은 행렬의 끝에 작은 따옴표로 쉽게 구해진다.

 수치 해석(numerical analysis)분야에서 독보적인 위치를 차지하고 있는 툴은 단연 MATLAB이다. 수치 해석에 특화된 독자적인 스크립트 언어를 가지고 있고 (문법 구조가 robust하지 않다는 평이 있긴 하지만) 다양한 분야에 적용가능한 toolbox와 폭넓은 이용자층, 개발사의 적극적 지원 등 장점이 많은 툴이다. java로 개발되어서 실행하려면 jvm을 먼저 설치해야 한다. (물론 jvm의 성능이 비약적으로 향상되었긴 하지만 속도면에서 불리한 면이 있지 않을까하는 짐작이 든다.)

 단점은 역시 꽤 고가의 툴이라는 점이며 이 점때문에 학부생들이나 가볍게 배워보려는 이들에게는 실습 도구로 사용하기에 적합하지 않다. 개발사인 mathwork사에서 라이센스를 꽤 엄격하게 관리하고 있기도 하다. (라즈베리파이에는 무료로 제공된다는 얘기도 있는데 아직 확인을 못 해 봤다. 그리고 그 사양 위에서 matlab이 원활하게 실행될 것 같지도 않다.) 국내에서 출판된 공학 수학 교재들 중에 MATLAB을 보조적으로 사용하는 것들이 있는데 이런 점에서 적절치 않다고 생각한다.

 다른 대안이 없는 것은 아니다.일단 Octave라는 걸출한 오픈 소스 프로그램이 있는데 Matlab과의 문법 호환성이 거의 100%라서 기본적인 코드는 거의 변환 없이 실행이 가능할 정도이므로 학부생들의 기초 교육은 이것을 사용하면 된다. 그동안 gui 환경이 갖춰지지 않아서 불편했는데 (베타 버전이긴 하지만) 최근에는 gui환경도 지원하기 시작해서 더욱 고무적이다.

 그 외에도 scilab이 있는데 scilab은 유럽 등지에서는 꽤 유명하고 널리 쓰이는 수치해석 툴로써 무료로 사용할 수 있는 프리웨어이다. 하지만 개인적으로는 matlab과는 많이 동떨어진 문법을 가지고 있고 익히기도 꽤 어려웠다는  경험이 있다. 그리고 freemat 이라는 것도 있는데 matlab과 100%호환되는 툴을 지향하고 개발되기 시작했으나 2013년 이후로 개발이 중지된 것 같다. 최근에는 python+numpy 라는 (역시 오픈소스) 떠오르는 방법도 있다. (필자는 이것을 가장 추천하는 편이다.)

 모든 개발 환경이 클라우드로 옮겨가고 있는 추세이다. matlab은 아니지만 가장 간편하게 (무료로) matlab 코드를 실행시킬 수 있는 방법은 온라인 옥타브이다. 접속하면 바로 코딩이 가능하고 그 결과를 즉시로 확인해 볼 수 있다.

위 그림에서와 같이 plot()명령의 결과도 바로 확인할 수 있다. 단, scrip파일을 작성하려면 로그인을 해야 한다.

mathclouds 라는 사이트도 있다. 여기에서도 matlab 문법을 지원한다.

matlab 실습을 가장 간편하게 할 수 있는 방법은 이러한 서비스들을 사용하는 것이다.

 MATLAB에서 취급되는 모든 데이터형은 기본적으로 행렬(matrix)이다. 스칼라(scalar)값은 1☓1차원의 행렬이고 벡터는 n☓1차원의 행렬이다. 일반적으로 수학 교재에서 그냥 벡터라 하면 열벡터(column vector)를 의미하는 경우가 많다. 이 책에서도 앞으로 그냥 벡터라고 하면 열벡터를 의미하는 것으로 한다. 심지어 문자열도 그 문자 각각의 아스키(ASCII)코드값의 행렬(벡터)로 표시하며 다항식은 계수들의 행렬(벡터)로 표시한다. 함수에 넘겨주는 입력 파라메터도 행렬이고 함수의 수행 결과 생성되는 출력값도 역시 행렬이다. 앞으로 다음과 같이 구분하도록 하겠다. (m,n은 양의 정수)

       ① 스칼라 : 1x1차원의 행렬

       ② 벡터 : nx1차원의 행렬 (행벡터 : 1xn 차원 행렬)

       ③ 행렬 : mxn 차원의 행렬

 이제 행렬을 저장하는 변수를 만드는 기본적인 방법을 설명한다. MATLAB에 행렬을 입력하는 방법의 하나는 원소들을 대괄호 안에 입력하는 것으로 각 원소들은 공란 또는 콤마로 분리되어야 한다. 예를 들어 다음과 같은 행렬은

아래와 같이 한 줄에 입력할 수 있다.

위에서 보듯 행렬의 원소들을 대괄호 안에 입력해야한다. 모든 행의 원소들은 공란 또는 ‘,’로 분리되어야 하며, 마지막 행을 제외한 각 행의 끝은 세미콜론으로 구분한다.

 크기가 큰 행렬은 몇 개의 입력 줄로 펼쳐서 나타낼 수 있다. 예를 들어 다음과 같은 행렬 B를 생각해보자.

이 행렬은 다음과 같은 네 줄로 나눠서 입력할 수 있다.

여기서 ‘]’뒤에 세미콜론 ‘;’를 사용하였는데 끝에 세미콜론을 할 경우 처리 결과를 출력하지 않는다. 또한 각행의 마지막에 세미콜론 ‘;’을 사용하였는데, 이것을 생략하여도 같은 행렬로 입력된다.

 이미 만들어진 행렬을 이용하여 새로운 행렬을 만들 수도 있다.

이 예에서는 이미 만들어진 행렬 A를 이용하여 A행 밑에 한 행을 추가하여 새로운 행렬 A1을 생성하였다.

[그림 1]  행렬 A1의 구조

새로운 열을 A행렬 오른편에 추가하고 싶다면 다음과 같이 하면 된다.

또는 다음과 같이 한 번에 같은 일을 수행할 수도 있다.

 다른 예로 A행렬을 두 번 이용하여 다음과 같이 새로운 AA라는 행렬을 만들 수도 있다.

위에서 행렬 A를 옆으로 나란히 붙어서 새로운 행렬 AA를 만들었다. 또는

위에서는 행렬 A를 밑으로 나란히 붙어서 새로운 행렬 AA2를 만들었다. 위와 같이 기존에 생성된 행렬들을 합성하여 새로운 행렬을 만들 때는 그 행렬들의 차원에 주의해야 한다. 다음의 예를 보자.

두 행렬을 옆으로 연결할 때는 행수가 같아야 하고 밑으로 붙일 때는 열수가 같아야 한다. 그렇지 않으면 위와 같이 오류가 발생한다.