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Université Paris-Dauphine
Département MIDOIntroduction à MATLAB-8
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 -10 -5 0 5 10 -0.5 0 0.51André Casadevall
mars 2013 p. 2 AJ.Casadevall - mars 2013Table des matières
1 MATLAB7
1.1 Qu"est ce que MATLAB?
71.2 Une session MATLAB
71.2.1 Lancer, quitterMATLAB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
1.2.2 Fonctions et commandes
81.2.3 Historique
81.2.4 Aide en ligne -help-lookfor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
1.2.5 Liste des functions usuelles -helpwin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
1.2.6 Interaction avec le système d"exploitation
92 Les "objets" de MATLAB - Listes, vecteurs, tableaux
112.1 Objets et classes de MATLAB
122.2 Valeurs littérales
122.2.1 Nombres
122.2.2 Tableaux de nombres
132.2.3 Caractères et chaînes de caractères
142.2.4 Cellules et tableaux de cellules -cell array. . . . . . . . . . . . . . . . . .14
2.3 Variables
152.3.1 Identificateurs
152.3.2 Affectation
152.3.3 Espace de travail -workspace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.4 Listes et vecteurs
182.4.1 Construction de listes
182.4.2 Construction de vecteurs
192.4.3 Nombre d"éléments d"une liste ou d"un vecteur -length. . . . . . . . . . . .20
2.4.4 Norme vectorielle -norm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
2.4.5 Accès aux éléments d"une liste ou d"un vecteur -end. . . . . . . . . . . . . .21
2.4.6 Extraction de sous-listes ou de sous-vecteurs
222.5 Tableaux
222.5.1 Construction de tableaux
222.5.2 Accès aux éléments d"un tableau -end. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
2.5.3 Lignes et colonnes d"un tableau
242.5.4 Sous-tableaux et blocs
252.5.5 Fonctionrepmat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
2.5.6 Éléments diagonaux d"un tableau -diag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.5.7 Fonctiontrilettriu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.5.8 Tableaux particuliers
272.6 Fonctions opérant sur les éléments d"un tableau
28TABLE DES MATIÈRES
2.6.1 Fonctionssumetprod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
2.6.2 Fonctionsmaxetmin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
2.6.3 Fonctions statistiques -meanetcov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.6.4 Fonctionsabs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.6.5 Norme matricielle d"un tableau -norm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.6.6 Réorganisation des éléments d"un tableau -reshapeetsort. . . . . . . . .31
3 Expressions, scripts et fonctions
333.1 Introduction
333.2 Opérations deMATLAB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
3.2.1 Opérateurs
343.2.2 Opérateurs et opérations sur les tableaux
353.2.3 Opérations booléennes - Tableaux booléens
363.2.4 Évaluation des expressions -ans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
3.3 Scripts etm-files. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.3.1 Scripts
393.3.2 Création dem-files. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.3.3 Exécution d"unm-file. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
3.3.4 Éléments d"écriture dem-files. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
3.4 Structures algorithmiques
423.4.1 Sélection -if...endetif...else...end. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
3.4.2 Répétition -for...end. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3.4.3 Itération conditionnelle -while...end. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
3.4.4 Constructionswitch...case. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
3.4.5 Traitement des erreurs -try...catch...end. . . . . . . . . . . . . . . . . .46
3.5 Fonctions
463.5.1m-Fonctions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
3.5.2 FonctionsInline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
3.5.3 Fonctions anonymes
503.5.4 Fonctions argument d"autres fonctions
503.5.5 Commandes et fonctionsnarginetnargout. . . . . . . . . . . . . . . . . .51
3.6 Optimisation des calculs
524 MATLAB et l"analyse numérique
534.1 Fonctions "numériques"
534.2 Polynômes
544.3 Calcul matriciel
554.4 Fonctions d"une variable
564.4.1 Recherche de minimum -fmin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
4.4.2 Recherche de racines -fzero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
4.4.3 Intégration -trapz,quadetquad8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5 Courbes et surfaces
595.1 Fenêtres graphiques
595.1.1 Création d"une fenêtre - fonctionsfigureetgcf. . . . . . . . . . . . . . . .59
5.1.2 Attributs d"une fenêtre -get. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
5.2 Courbes du plan
615.2.1 La fonctionplot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
5.2.2 Tracer dans une ou plusieurs fenêtres
625.2.3 La commandeprint. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64 p. 4 AJ.Casadevall - mars 2013
TABLE DES MATIÈRES
5.2.4 Courbes paramétriques
655.2.5 Personnalisation des axes et de laplotting-box. . . . . . . . . . . . . . . . .65
5.2.6 Autres fonctions de tracé de courbes planes
685.3 Courbes de l"espace - Fonctionplot3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
5.4 Surfaces de l"espace
695.4.1 Modélisation du domaine[x0,x1]×[y0,y1]- fonctionmeshgrid. . . . . . . .69
5.4.2 Tracé de la surface - fonctionsmeshetsurf. . . . . . . . . . . . . . . . . .69
5.4.3 Surfaces et courbes de niveau
706 Importation et exportation de données
736.1 Retour sur les commandessaveetload. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
6.1.1 Enregistrement de la valeur de tableaux dans un fichier-text -save. . . . .73
6.1.2 Retrouver la valeur d"un tableau -load. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
6.2 Lire et écrire dans un fichier Excel
756.2.1 Importer des valeurs d"un fichier Excel -xlsread. . . . . . . . . . . . . . .75
6.2.2 Exporter des valeurs vers une feuille Excel -xlswrite. . . . . . . . . . . .76
7 Matrices-test77
8 Exemples81
Index85AJ.Casadevall - mars 2013 p.5
TABLE DES MATIÈRES
p. 6 AJ.Casadevall - mars 2013 1MATLAB
1.1 Qu"est ce que MATLAB?
71.2 Une session MATLAB
71.2.1 Lancer, quitter MATLAB
81.2.2 Fonctions et commandes
81.2.3 Historique
81.2.4 Aide en ligne -help-lookfor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
1.2.5 Liste des functions usuelles -helpwin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
1.2.6 Interaction avec le système d"exploitation
9 1.1Qu"est ce que MA TLAB?
MATLABpourMATtrixLABoratory, est une application qui a été conçue afin de fournir un environnement de calcul matriciel simple, efficace, interactif et portable, permettant la mise en oeuvre des algorithmes développés dans le cadre des projetslinpacketeispack.MATLABest constitué d"un noyau relativement réduit, capable d"interpréter puis d"évaluer les
expressions numériques matricielles qui lui sont adressées : soit directemen tau cla vierd epuisune fenêtre de commande ; soit sous forme de séquences d"expressions ou scriptsenregistrées dans des fichiers-texte appelésm-files(ou fichiers.m) et exécutées depuis la fenêtre de commande;soit plus raremen tsous forme de fic hiersbinaires app elésmex-files(ou fichiers.mex) générés
à partir d"un compilateurCoufortran.
Ce noyau est complété par une bibliothèque de fonctions prédéfinies, très souvent sous forme de
fichiersm-files, et regroupés en paquetages outoolboxes. A côté destoolboxesrequiseslocaletmatlab,
il est possible d"ajouter des toolboxes spécifiques à tel ou tel problème mathématique,Optimization
Toolbox,Signal Processing Toolboxpar exemple, ou encore des toolboxes crées par l"utilisateur lui-
même. Un système de chemin d"accès oupathpermet de préciser la liste des répertoires dans lesquels
MATLABtrouvera les différents fichiersm-filesutilisés. 1.2Une session MA TLAB
L"interface-utilisateur deMATLABvarie légèrement en fonction de la version deMATLABet dutype de machine utilisée. Elle est constitué d"une fenêtre de commande qui peut être complétée par
une barre de menu et pour les versions les plus récentes de plusieurs fenêtres, affichant l"historique
de la session, la structure des répertoires accessibles parMATLAB... Avant la première utilisation
deMATLAB, il est vivement recommandé (c"est même indispensable dans le cas d"une installationCHAPITRE 1. MATLAB
en réseau) que chaque utilisateur crée un répertoire de travail,tpMatlabpar exemple, où il pourra
enregistrer ses fichiers. Lors de la première session, le chemin d"accès à ce répertoire sera ajouté
aux chemins d"accès connus deMATLAB(MATLABPATH), soit en utilisant l"itemSet Pathdu menu File, soit en tapant la commandeaddpathsuivie du chemin d"accès au répertoire de travail. 1.2.1Lancer, quitter MATLAB
Dans l"environnementunix, pour lançerMATLABon tape la commandematlabsur la ligne de commande active; dans les environnementsWindowsouMacOs, il suffit de cliquer sur l"icône de l"application. La fenêtre de commande deMATLABs"ouvre alors et on tape les commandes ou lesexpressions à évaluer à droite du prompt». Le processus d"évaluation est déclenché par la frappe
de la toucheprécédemment est le répertoire de travail de la session en tapant la commandecdsuivie du chemin
d"accès au répertoiremyMatlab. On quitteMATLABen tapantquitdans la fenêtre de commande ou en sélectionnantquitdans le menuFilede la barre de menu pour les versionsWindowsouMacOs. 1.2.2F onctionset commandes
Certaines fonctions deMATLABne calculent pas de valeur numérique ou vectorielle, mais ef- fectuent une action sur l"environnement de la session en cours. Ces fonctions sont alors appeléescommandes. Elles sont caractérisées par le fait que leurs arguments (lorsqu"ils existent) ne sont
pas placés entre parenthèses. Les autres fonctions se comportent de façon assez semblable aux
fonctions mathématiques et la valeur qu"elles calculent peut être affectée à une variable.
Dans de nombreux cas, fonctions ou commandes peuvent être appelées avec des arguments quidifférent soit par leur nombre, soit par leur nature (nombre, vecteur, matrice, ...). Le traitement
effectué dépend alors du nombre et de la nature des arguments. Par exemple, nous verrons plusloin que la fonctiondiagappelée avec une matrice pour argument retourne le vecteur constitué par
sa diagonale principale ouvecteur diagonal. Lorsque cette même fonction est appelée avec un vecteur pour argument, elle retourne la matrice diagonale dont le vecteur-diagonal est le vecteurdonné. Aussi une fonction ou une commande n"est pas caractérisée par son seul nom, mais par sa
signaturec"est à dire l"ensemble constitué de son nom et de la liste des types de ses paramètres.
1.2.3Historique
MATLABconserve l"historique des commandes. Il est donc possible à l"aides des flèches du clavier
de remonter dans la liste des instructions déjà entrées pour retrouver une instruction particulière
pour la réutiliser et éventuellement la modifier avant de l"utiliser à nouveau. 1.2.4Aide en ligne - help-lookfor
MATLABcomporte un très grand nombre d"opérateurs, de commandes et de fonctions. Tous neseront pas décrits dans ce document d"autant qu"une aide en ligne efficace peut être utilisée. On
peut taper les commandes suivantes : -helppermet d"obtenir l"aide de l"aide et donne une liste thématique;-helpnom de fonctiondonne la définition de la fonction désignée et des exemples d"utilisation;
-lookforsujetdonne une liste des rubriques de l"aide en ligne en relation avec le sujet indiqué.Exemple 1.2.1 :
>> lookfor min minus.m: %- Minus. uminus.m: %- Unary minus. REALMIN Smallest positive floating point number.p. 8 AJ.Casadevall - mars 20131.2. UNE SESSION MATLAB
FLOOR Round towards minus infinity.
MIN Smallest component.
FMIN Minimize function of one variable.
FMINS Minimize function of several variables.
COLMMD Column minimum degree permutation.
GMRES Generalized Minimum Residual Method.
QMR Quasi-Minimal Residual Method
SYMMMD Symmetric minimum degree permutation.
>> help fminFMIN Minimize function of one variable.
X = FMIN("F",x1,x2) attempts to return a value of x which is a local minimizer of F(x) in the interval x1 < x < x2. "F" is a string containing the name of the objective function to be minimized. X = FMIN("F",x1,x2,OPTIONS) uses a vector of control parameters. If OPTIONS(1) is positive, intermediate steps in the solution are displayed; the default is OPTIONS(1) = 0. OPTIONS(2) is the termination tolerance for x; the default is 1.e-4. OPTIONS(14) is the maximum number of function evaluations; the default is OPTIONS(14) = 500. The other components of OPTIONS are not used as input control parameters by FMIN. For more information, see FOPTIONS. X = FMIN("F",x1,x2,OPTIONS,P1,P2,...) provides for additional arguments which are passed to the objective function, F(X,P1,P2,...) [X,OPTIONS] = FMIN(...) returns a count of the number of steps taken in OPTIONS(10).Examples
fmin("cos",3,4) computes pi to a few decimal places. fmin("cos",3,4,[1,1.e-12]) displays the steps taken to compute pi to about 12 decimal places.See also FMINS.
1.2.5Liste des functions usuelles - helpwin
On obtient la liste des fonctionMATLABusuelles en classées par thème en tapanthelpwin: -helpwin elfunaffiche la liste des fonctions mathématiques élémentaires, -helpwin specfunaffiche la liste des fonctions mathématiques avancées, -helpwin elmataffiche la liste des fonctions matricielles élémentaires, 1.2.6In teractiona vecle système d"exploitation
Les commandes et fonctions suivantes permettent àMATLABd"interagir avec le système d"ex- ploitation de la machine sur laquelle il est utilisé : -addpathpath: ajoute le chemin d"accès (path) à la liste des chemins d"accès connus deMATLAB(MATLABPATH) ;
-cdoupwd: affiche le chemin d"accès au répertoire de travail actuel;-cdpath: fixe le répertoire de chemin d"accèspathcomme repertoire de travail;AJ.Casadevall - mars 2013 p.9
CHAPITRE 1. MATLAB
-dirouls: affiche le contenu du répertoire de travail actuel;-delete: efface le fichier spécifié (peut être utilisée sous forme de fonction sous la forme :
delete("nomDeFichier")); -mkdirpath: crée le repertoire de chemin d"accèspath; -rmpathpath: supprime le chemin d"accès (path) du (MATLABPATH); -isdir (path): fonction booléenne qui retourne1si le chemin d"accès (path) est celui d"un répertoire,0sinon;-filesep: variable dont la valeur est celle du symbole séparateur de lignes (dépend du système
d"exploitation de la machine utilisée);p. 10 AJ.Casadevall - mars 2013 2Les "objets" de MATLAB - Listes,
vecteurs, tableaux2.1 Objets et classes de MATLAB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2 Valeurs littérales
122.2.1 Nombres
122.2.2 Tableaux de nombres
132.2.3 Caractères et chaînes de caractères
142.2.4 Cellules et tableaux de cellules -cell array. . . . . . . . . . . . . . . . .14
2.3 Variables
152.3.1 Identificateurs
152.3.2 Affectation
152.3.3 Espace de travail -workspace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.4 Listes et vecteurs
182.4.1 Construction de listes
182.4.2 Construction de vecteurs
192.4.3 Nombre d"éléments d"une liste ou d"un vecteur -length. . . . . . . . . . .20
2.4.4 Norme vectorielle -norm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
2.4.5 Accès aux éléments d"une liste ou d"un vecteur -end. . . . . . . . . . . . .21
2.4.6 Extraction de sous-listes ou de sous-vecteurs
222.5 Tableaux
222.5.1 Construction de tableaux
222.5.2 Accès aux éléments d"un tableau -end. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
2.5.3 Lignes et colonnes d"un tableau
242.5.4 Sous-tableaux et blocs
252.5.5 Fonctionrepmat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
2.5.6 Éléments diagonaux d"un tableau -diag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.5.7 Fonctiontrilettriu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.5.8 Tableaux particuliers
272.6 Fonctions opérant sur les éléments d"un tableau
282.6.1 Fonctionssumetprod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
2.6.2 Fonctionsmaxetmin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
2.6.3 Fonctions statistiques -meanetcov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.6.4 Fonctionsabs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.6.5 Norme matricielle d"un tableau -norm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
CHAPITRE 2. LES "OBJETS" DE MATLAB - LISTES, VECTEURS, TABLEAUX2.6.6 Réorganisation des éléments d"un tableau -reshapeetsort. . . . . . . .31
2.1Ob jetset classes de MA TLAB
Unobjetest une abstraction du monde réel (pourMATLABcelui du calcul matriciel), qui caractérisée par : des informations structurées ou partie data(pour une matrice, par exemple, le nombre de lignes, le nombre de colonnes, la valeur des coefficients ...); par un c ertaincomp ortementdéfini par des métho des(p ourles matrices, la somme, le p roduitLa famille des objets possédant le même type de structure pour la partiedataet les même méthodes
constitue uneclasse. Laclasse fondamentaledeMATLABest la classedoublequi modélise les tableaux mono ou bi-dimensionnels de nombres réels ou complexes à la norme IEEE (double array).Les nombresréels ou complexes sont considérés comme des tableaux1×1. Cette classe permet également
de créer, mais de façon moins naturelle, des tableaux de dimension supérieure à deux. Les classes suivantes, sont moins fréquemment utilisées :la classe charmodélise les chaînes de caractères (char array), un caractère unique étant
une chaîne de longueur un; la classe sparsemodélise les matrices creuses (i.e.dont la plupart des éléments sont nuls) réelles ou complexes. A partir de la version5,MATLABa proposé des structures de données complémentaires souvent utilisées dans les objets prédéfinis deMATLAB, les objets graphiques en particulier : la classe structuremodélise les tableaux de "structures"; les "structures" au sens deMATLAB sont des structure de données assez semblables auxstructduCpour leur partiedatadu moins (leurs composantes ouchampssont accessibles par une notation pointée); la classe cellmodélise les tableaux de "cellules" oucell array; les cellules sont des sortes de conteneurs dans les quels on peut plaçer d"autres objets; on accède à chacun par une notation indicée. Dans les versions antérieures à la version7,MATLABne proposait ni valeurs prédéfinies trueoufalseni classe pour modéliser les booléens. Depuis la version7MATLABpossède une classelogical. Comme dans les versions antérieures,falseest associé à la valeur0;true est associé à1et par extension, à toute valeur non nulle. En conclusion, toutes les classes deMATLABsont associées à des tableaux de structures de données (au sens général) relativeent classiques. 2.2V aleurslittérales
Le terme devaleur littéraledésigne les valeurs qu"on peut directement taper au clavier et qui peuvent être alors affectées à une variable. 2.2.1Nom bres
Les nombres réels et entiers (MATLABne distingue pas entre réels et entiers) sont écrits sous
les formes décimales ou scientifiques usuelles :2,3.214,1.21E33.
Les nombres complexes sont écrits sous la formea+bi, comme dans1+2i.p. 12 AJ.Casadevall - mars 2013
2.2. VALEURS LITTÉRALES
Fonctions relatives aux nombres complexes
-realetimagrenvoient respectivement la partie réelle et la partie imaginaire du complexe passé en paramètre, -absetargrenvoient respectivement le module et l"argument du complexe passé en paramètre, -conjrenvoie le complexe conjugué du nombre complexe passé en paramètre. 2.2.2T ableauxde nom bres
Les tableaux de nombres réels ou complexes de dimension un ou deux suivent la syntaxe sui- vante : un tableau est délimité par des cro chets; les élémen tsson ten trésligne par ligne ;les élémen tsappartenan tà la même ligne son tséparés par des espaces (ou par des virgules) ;
les différen teslignes qui doivent posséder le même nombre d"éléments, sont séparées
par des points-virgule.Exemple 2.2.1 :
Les tableaux :
1 2 3 41
2 341 2 0 0
0 2 3 1
0 0 2 2
s"écrivent sous la forme[1 2 3 4 ] [1; 2; 3; 4 ] [1 2 0 0 ; 0 2 3 1 ; 0 0 2 2 ]: >> [1 2 3 4 ] ans =1 2 3 4
>> [1; 2; 3; 4 ] ans = 1 2 3 4 >> [1 2 0 0 ; 0 2 3 1 ; 0 0 2 2 ] ans =1 2 0 0
0 2 3 1
0 0 2 2
Lorsque toutes les lignes ne possèdent pas lemême nombre d"éléments: >> [1 2 ; 1 2 3] ??? Number of elements in each row must be the same.Dans la suite, on appelera :
-vecteurun tableau de format(n,1)i.e.ne comportant qu"une seule colonne; -listeou encorevecteur-ligneun tableau de format(1,n)i.e.ne comportant qu"une seule ligne; -tableauun tableau au sens commun du terme, c"est à dire une structure organisée en lignes et colonnes.AJ.Casadevall - mars 2013 p.13 CHAPITRE 2. LES "OBJETS" DE MATLAB - LISTES, VECTEURS, TABLEAUX 2.2.3Caractères et c haînesde caractères
On écrit lescaractèreset leschaînes de caractèresentre apostrophes :"a", "toto"et MATLABles considère comme des chaînes de caractères de longueur un. D"autre part, pourMATLAB, chaînes de caractères et liste de caractères sont des objets de même nature :Exemple 2.2.2 :
La liste de caractères["a" "b" "c" "d" "e"]est identique à la chaînes de caractères ["abcde"]: >>["a" "b" "c" "d" "e"] ans = abcde Mieux encore,"abcde";["abc" "de"]est identique à"abcde": >>["abc" "de"] ans = abcdeCet exemple donne un idée du rôle des crochets[ ]. Les crochets sont le symbole de l"opérateur
de concaténation: concaténation "en ligne" lorsque le s éparateurest un e spaceou une virgule ; concaténation "en colonne" lorsque le séparateur est un p oint-virgulecomme dans les tableauxde nombres (il est alors nécessaire que les listes de nombres ou de caractères ainsi concaténées
possèdent le même nombre d"éléments).