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文檔簡(jiǎn)介

授課班級(jí):電信0901,0902主講教師:劉海波電話(huà)箱:seainlost81@126.com電氣與信息工程系

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真的意義(1)替代許多難以或無(wú)法實(shí)施的試驗(yàn)。采用計(jì)算機(jī)仿真可以對(duì)諸如地震災(zāi)害程度、地球氣候變化、人口發(fā)展與控制等難以真正實(shí)施的試驗(yàn)進(jìn)行抽象,在抽象的仿真模型上反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn),從而替代無(wú)法實(shí)際運(yùn)作的試驗(yàn)。(2)解決一般方法難以求解的大型系統(tǒng)問(wèn)題。有些龐大的系統(tǒng),比如計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、核電站的控制等,如果采用理論分析或數(shù)學(xué)求解的方法進(jìn)行研究常常顯得無(wú)能為力,這時(shí)就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真,用試驗(yàn)的方法加以研究。(3)降低投資風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約研究開(kāi)發(fā)費(fèi)用。計(jì)算機(jī)仿真有效地提高了決策的科學(xué)性,減少了盲目投資,避免了重新設(shè)計(jì)或重建的巨大浪費(fèi)。(4)避免實(shí)際試驗(yàn)對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)的傷害。計(jì)算機(jī)仿真避免了實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)對(duì)人員傷害和對(duì)設(shè)施等的破壞,較好地達(dá)到了試驗(yàn)的目的。(5)縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間、不受時(shí)空限制。計(jì)算機(jī)仿真不受場(chǎng)地、天氣和時(shí)間等限制,充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì),既可縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間,又可多次重復(fù)進(jìn)行。計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)1)它以計(jì)算機(jī)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境,依賴(lài)實(shí)際系統(tǒng)建立抽象的仿真模型.2)計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果是實(shí)驗(yàn)解,而不是純粹的數(shù)學(xué)解析或數(shù)值分析解。

3)既能展示實(shí)際系統(tǒng)的模擬靜態(tài),又能直觀表現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。本專(zhuān)業(yè)常用的計(jì)算機(jī)仿真軟件EWB(Multisim)ProtelVHDL或FPGAMATLAB計(jì)算機(jī)仿真課程介紹定位:任選課目標(biāo):了解MATLAB,能夠熟練掌握數(shù)學(xué)(矩陣)運(yùn)算,簡(jiǎn)單編程,簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理及基本圖形繪制,并掌握MATLAB在電子信息工程專(zhuān)業(yè)主干課程中的仿真方法.教材:<<MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用>>

電子工業(yè)出版社

特點(diǎn):完全不必具備其它語(yǔ)言的基礎(chǔ),各年級(jí)各專(zhuān)業(yè)的同學(xué)都可選修。參考書(shū)推薦目錄:<<精通MATLAB6.5版>>張志涌等編著北京航天航空大學(xué)出版社

<<MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南>>陳懷琛西安電子科技大學(xué)出版社計(jì)算機(jī)仿真課程安排學(xué)時(shí):40學(xué)時(shí)(基于matlab6.5版本)安排:講課28學(xué)時(shí),上機(jī)10學(xué)時(shí),考查2學(xué)時(shí)考核要求:不得缺勤,作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須齊備考核方式:考查

學(xué)習(xí)內(nèi)容

一、MATLAB語(yǔ)言概述

二、MATLAB基本語(yǔ)法

三、MATLAB的開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具

四、MATLAB的其他函數(shù)庫(kù)

五、MATLAB在電路中的應(yīng)用

六、MATLAB在信號(hào)與系統(tǒng)中的應(yīng)用

七、MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用

八、MATLAB在自動(dòng)控制原理中的應(yīng)用

九、MATLAB工具箱簡(jiǎn)介第1章MATLAB語(yǔ)言概述

1.1MATLAB語(yǔ)言的發(fā)展

matlab語(yǔ)言是由美國(guó)的CleverMoler博士于1980年開(kāi)發(fā)的,設(shè)計(jì)者的初衷是為解決“線(xiàn)性代數(shù)”課程的矩陣運(yùn)算問(wèn)題,取名MATLAB即MatrixLaboratory矩陣實(shí)驗(yàn)室的意思。它將一個(gè)優(yōu)秀軟件的易用性與可靠性、通用性與專(zhuān)業(yè)性、一般目的的應(yīng)用與高深的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用有機(jī)的相結(jié)合。MATLAB是一種直譯式的高級(jí)語(yǔ)言,比其它程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言容易。MATLAB語(yǔ)言與其它語(yǔ)言的關(guān)系仿佛和C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言的關(guān)系一樣計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展數(shù)值運(yùn)算解析運(yùn)算管理、可視化智能化標(biāo)志著計(jì)算機(jī)語(yǔ)言向“智能化”方向發(fā)展,被稱(chēng)為第四代編程語(yǔ)言。MATLAB已不僅僅是一個(gè)“矩陣實(shí)驗(yàn)室”了,它還集科學(xué)計(jì)算、圖象處理、聲音處理于一身,并提供了豐富的Windows圖形界面設(shè)計(jì)方法。MATLAB語(yǔ)言是功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言,它以超群的風(fēng)格與性能風(fēng)靡全世界,成功地應(yīng)用于各工程學(xué)科的研究領(lǐng)域。MATLAB在美國(guó)已經(jīng)成為大學(xué)工科學(xué)生必修的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言之一(C,FORTRAN,ASSEMBLER,MATLAB)近年來(lái),MATLAB語(yǔ)言已在我國(guó)推廣使用,現(xiàn)在已應(yīng)用于各學(xué)科研究部門(mén)和許多高等院校。MATLAB軟件的發(fā)展

1984年,MATLAB第1版(DOS版)

1992年,MATLAB4.0版

1994年,MATLAB4.2版

1997年,MATLAB5.0版

1999年,MATLAB5.3版

2000年,MATLAB6.0版

2001年,MATLAB6.1版

2002年,MATLAB6.5版

2004年,MATLAB7.0版1.矩陣運(yùn)算功能MATLAB提供了豐富的矩陣運(yùn)算處理功能,是基于矩陣運(yùn)算的處理工具。變量

矩陣,運(yùn)算

矩陣的運(yùn)算例如C=A+B,A,B,C都是矩陣,是矩陣的加運(yùn)算即使一個(gè)常數(shù),Y=5,MATLAB也看做是一個(gè)11的矩陣MATLAB主要功能2.符號(hào)運(yùn)算功能符號(hào)運(yùn)算即用字符串進(jìn)行數(shù)學(xué)分析允許變量不賦值而參與運(yùn)算用于解代數(shù)方程、微積分、復(fù)合導(dǎo)數(shù)、積分、二重積分、有理函數(shù)、微分方程、泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)、尋優(yōu)等等,可求得解析符號(hào)解3.豐富的繪圖功能與計(jì)算結(jié)果的可視化具有高層繪圖功能——兩維、三維繪圖具有底層繪圖功能——句柄繪圖使用plot函數(shù)可隨時(shí)將計(jì)算結(jié)果可視化4.圖形化程序編制功能動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包用結(jié)構(gòu)圖編程,而不用程序編程只需拖幾個(gè)方塊、連幾條線(xiàn),即可實(shí)現(xiàn)編程功能5.豐富的MATLAB工具箱MATLAB主工具箱SIMULINK仿真工具箱符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱控制系統(tǒng)工具箱信號(hào)處理工具箱圖象處理工具箱通訊工具箱系統(tǒng)辨識(shí)工具箱神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)工具箱金融工具箱

許多學(xué)科,在MATLAB中都有專(zhuān)用工具箱,現(xiàn)已有30多個(gè)工具箱,但MATLAB語(yǔ)言的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束,各學(xué)科的相互促進(jìn),將使得MATLAB更加強(qiáng)大。6.MATLAB的兼容功能可與C語(yǔ)言、FORTURE語(yǔ)言跨平臺(tái)兼容用函數(shù)CMEX、FMEX實(shí)現(xiàn)此功能不推薦使用7.MATLAB的容錯(cuò)功能非法操作時(shí),給出提示,并不影響其操作1/0Warning:Dividebyzeroans=Inf8.MATLAB的開(kāi)放式可擴(kuò)充結(jié)構(gòu)

matlab所有函數(shù)都是開(kāi)放的用戶(hù)可按自己意愿隨意更改正因?yàn)榇斯δ?,使得matlab的應(yīng)用越來(lái)越廣泛9.強(qiáng)大的聯(lián)機(jī)檢索幫助系統(tǒng)可隨時(shí)檢索matlab函數(shù)可隨時(shí)查詢(xún)matlab函數(shù)的使用方法語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊,使用方便靈活,庫(kù)函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書(shū)寫(xiě)形式自由,利用起豐富的庫(kù)函數(shù)避開(kāi)繁雜的子程序編程任務(wù),壓縮了一切不必要的編程工作。運(yùn)算符豐富。由于MATLAB是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的,MATLAB提供了和C語(yǔ)言幾乎一樣多的運(yùn)算符,靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句(如for循環(huán),while循環(huán),break語(yǔ)句和if語(yǔ)句),又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。程序限制不?yán)格,程序設(shè)計(jì)自由度大。例如,在MATLAB里,用戶(hù)無(wú)需對(duì)矩陣預(yù)定義就可使用。

1.2MATLAB語(yǔ)言的特點(diǎn)

程序的可移植性很好,基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。MATLAB的圖形功能強(qiáng)大。在FORTRAN和C語(yǔ)言里,繪圖都很不容易,但在MATLAB里,數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。MATLAB的缺點(diǎn)是,它和其他高級(jí)程序相比,程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理,也不生成可執(zhí)行文件,程序?yàn)榻忉寛?zhí)行,所以速度較慢。功能強(qiáng)大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含兩個(gè)部分:核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類(lèi):功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能,圖示建模仿真功能,文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。功能性工具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的,如controltoolbox,signlproceessingtoolbox,commumnicationtoolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專(zhuān)家編寫(xiě)的,所以用戶(hù)無(wú)需編寫(xiě)自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序,而直接進(jìn)行高,精,尖的研究。程序的開(kāi)放性。開(kāi)放性也許是MATLAB最受人們歡迎的特點(diǎn)。除內(nèi)部函數(shù)以外,所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件,用戶(hù)可通過(guò)對(duì)源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。

1.3MATLAB的工作環(huán)境1MATLAB的運(yùn)行環(huán)境

硬件環(huán)境:

(1)CPU

(2)內(nèi)存

(3)硬盤(pán)

(4)CD-ROM驅(qū)動(dòng)器和鼠標(biāo)。

軟件環(huán)境:

(1)Windows98/NT/2000或WindowsXP

(2)其他軟件根據(jù)需要選用2MATLAB的安裝

安裝MATLAB6.5系統(tǒng),需運(yùn)行系統(tǒng)自帶的安裝程序setup.exe,可以按照安裝提示依次操作。3.MATLAB系統(tǒng)的啟動(dòng)

與一般的Windows程序一樣,啟動(dòng)MATLAB系統(tǒng)有3種常見(jiàn)方法:

(1)使用Windows“開(kāi)始”菜單。

(2)運(yùn)行MATLAB系統(tǒng)啟動(dòng)程序matlab.exe。

(3)利用快捷方式。啟動(dòng)MATLAB后,將進(jìn)入MATLAB6.5集成環(huán)境。MATLAB6.5集成環(huán)境包括MATLAB主窗口、命令窗口(CommandWindow)、工作空間窗口(Workspace)、命令歷史窗口(CommandHistory)、當(dāng)前目錄窗口(CurrentDirectory)和啟動(dòng)平臺(tái)窗口(LaunchPad)。

當(dāng)MATLAB安裝完畢并首次啟動(dòng)時(shí),展現(xiàn)在屏幕上的界面為MATLAB的默認(rèn)界面,如右圖所示。4.MATLAB系統(tǒng)的退出

要退出MATLAB系統(tǒng),也有4種常見(jiàn)方法:

(1)在MATLAB主窗口File菜單中選擇ExitMATLAB命令。

(2)在MATLAB命令窗口輸入Exit命令(3)在MATLAB命令窗口輸入Quit命令。

(4)單擊MATLAB主窗口的“關(guān)閉”按鈕。5.主窗口

MATLAB主窗口是MATLAB的主要工作界面。主窗口除了嵌入一些子窗口外,還主要包括菜單欄和工具欄。

1.菜單欄

在MATLAB6.5主窗口的菜單欄,共包含F(xiàn)ile、Edit、View、Web、Window和Help6個(gè)菜單項(xiàng)。(1)File菜單項(xiàng):File菜單項(xiàng)實(shí)現(xiàn)有關(guān)文件的操作。

(2)Edit菜單項(xiàng):Edit菜單項(xiàng)用于命令窗口的編輯操作。

(3)View菜單項(xiàng):View菜單項(xiàng)用于設(shè)置MATLAB集成環(huán)境的顯示方式。(4)Web菜單項(xiàng):Web菜單項(xiàng)用于設(shè)置MATLAB的Web操作。(5)Window菜單項(xiàng):主窗口菜單欄上的Window菜單,只包含一個(gè)子菜單Closeall,用于關(guān)閉所有打開(kāi)的編輯器窗口,包括M-file、Figure、Model和GUI窗口。

(6)Help菜單項(xiàng):Help菜單項(xiàng)用于提供幫助信息。

菜單項(xiàng)File,其功能如下

New 建立新文件

OpenM-File 打開(kāi)M-文件

Openselected 打開(kāi)選定文件

SaveWorkspaceAs 將工作區(qū)存為

RunM-File 運(yùn)行M-文件

LookForSelected尋找選定文件

Print 打印

PrintSetup 打印設(shè)置

ExitMATLAB 退出MATLAB如果選擇Options\NumericFormat(數(shù)字顯示格式)可以得出下一級(jí)子菜單,允許用戶(hù)設(shè)置matlab下結(jié)果數(shù)據(jù)的顯示格式??蓮闹羞x擇Short(默認(rèn)的簡(jiǎn)潔格式)和Long(高精度格式)等由于各菜單項(xiàng)的選擇、執(zhí)行方法與Windows風(fēng)格完全相同,就不一一說(shuō)明了。6.工具欄

MATLAB6.5主窗口的工具欄共提供了10個(gè)命令按鈕。這些命令按鈕均有對(duì)應(yīng)的菜單命令,但比菜單命令使用起來(lái)更快捷、方便。7.命令窗口

命令窗口是MATLAB的主要交互窗口,用于輸入命令并顯示除圖形以外的所有執(zhí)行結(jié)果。

MATLAB命令窗口中的“>>”為命令提示符,表示MATLAB正在處于準(zhǔn)備狀態(tài)。在命令提示符后鍵入命令并按下回車(chē)鍵后,

MATLAB就會(huì)解釋執(zhí)行所輸入的命令,并在命令后面給出計(jì)算結(jié)果。

一般來(lái)說(shuō),一個(gè)命令行輸入一條命令,命令行以回車(chē)結(jié)束。但一個(gè)命令行也可以輸入若干條命令,各命令之間以逗號(hào)分隔,若前一命令后帶有分號(hào),則逗號(hào)可以省略。

p=15,m=35p=15;m=35p=15;m=35;如果一個(gè)命令行很長(zhǎng),一個(gè)物理行之內(nèi)寫(xiě)不下,可以在第一個(gè)物理行之后加上3個(gè)小黑點(diǎn)并按下回車(chē)鍵,然后接著下一個(gè)物理行繼續(xù)寫(xiě)命令的其他部分。3個(gè)小黑點(diǎn)稱(chēng)為續(xù)行符,即把下面的物理行看作該行的邏輯繼續(xù)。

在MATLAB里,有很多的控制鍵和方向鍵可用于命令行的編輯。8工作空間窗口

工作空間是MATLAB用于存儲(chǔ)各種變量和結(jié)果的內(nèi)存空間。在該窗口中顯示工作空間中所有變量的名稱(chēng)、大小、字節(jié)數(shù)和變量類(lèi)型說(shuō)明,可對(duì)變量進(jìn)行觀察、編輯、保存和刪除。9當(dāng)前目錄窗口和搜索路徑

1.當(dāng)前目錄窗口

當(dāng)前目錄是指MATLAB運(yùn)行文件時(shí)的工作目錄,只有在當(dāng)前目錄或搜索路徑下的文件、函數(shù)可以被運(yùn)行或調(diào)用。

在當(dāng)前目錄窗口中可以顯示或改變當(dāng)前目錄,還可以顯示當(dāng)前目錄下的文件并提供搜索功能。

將用戶(hù)目錄設(shè)置成當(dāng)前目錄也可使用cd命令。例如,將用戶(hù)目錄c:\mydir設(shè)置為當(dāng)前目錄,可在命令窗口輸入命令:

cdc:\mydir2.MATLAB的搜索路徑

當(dāng)用戶(hù)在MATLAB命令窗口輸入一條命令后,MATLAB按照一定次序?qū)ふ蚁嚓P(guān)的文件。基本的搜索過(guò)程是:

(1)檢查該命令是不是一個(gè)變量。

(2)檢查該命令是不是一個(gè)內(nèi)部函數(shù)。

(3)檢查該命令是否當(dāng)前目錄下的M文件。

(4)檢查該命令是否MATLAB搜索路徑中其他目錄下的M文件。10命令歷史記錄窗口

在默認(rèn)設(shè)置下,歷史記錄窗口中會(huì)自動(dòng)保留自安裝起所有用過(guò)的命令的歷史記錄,并且還標(biāo)明了使用時(shí)間,從而方便用戶(hù)查詢(xún)。而且,通過(guò)雙擊命令可進(jìn)行歷史命令的再運(yùn)行。如果要清除這些歷史記錄,可以選擇Edit菜單中的ClearCommandHistory命令。11啟動(dòng)平臺(tái)窗口和Start按鈕

MATLAB6.5的啟動(dòng)平臺(tái)窗口可以幫助用戶(hù)方便地打開(kāi)和調(diào)用MATLAB的各種程序、函數(shù)和幫助文件。

MATLAB6.5主窗口左下角還有一個(gè)Start按鈕,單擊該按鈕會(huì)彈出一個(gè)菜單,選擇其中的命令可以執(zhí)行MATLAB產(chǎn)品的各種工具,并且可以查閱MATLAB包含的各種資源。

1.4幫

統(tǒng)

1.命令行幫助命令行幫助是一種“純文本”幫助方式。MATLAB的所有命令、函數(shù)的M文件都有一個(gè)注釋區(qū)。在該區(qū)中,用純文本形式簡(jiǎn)要地?cái)⑹隽嗽摵瘮?shù)的調(diào)用格式和輸入、輸出變量的含義。該幫助內(nèi)容最原始,但也最真切可靠。每當(dāng)MATLAB不同版本中的函數(shù)文件發(fā)生變化時(shí),該純文本幫助也跟著同步變化。所以,純文本幫助具有獨(dú)特的作用。

利用“help”命令,

即在MATLAB命令窗口中運(yùn)行“help”,

就可以獲得命令行幫助。

【例1.2】命令行幫助實(shí)例。

【解】(1)運(yùn)行“help”(直接在MATLAB命令窗口中輸入“help”),則顯示的幫助信息將列出所有函數(shù)類(lèi)別及工具箱的名稱(chēng)和功能。在MATLAB命令窗口中輸入:

>>help

運(yùn)行結(jié)果為:

HELPtopicsmatlab\generalGeneralpurposecommands.matlab\opsOperatorsandspecialcharacters.matlab\langProgramminglanguageconstructs.matlab\elmatElementarymatricesandmatrixmanipulation.matlab\elfunElementarymathfunctions.…(3)若在help命令后面添加工具箱名,則可以獲得該工具箱中各種類(lèi)別函數(shù)的名稱(chēng)和功能說(shuō)明。例如,運(yùn)行helpcontrol,將獲得控制系統(tǒng)工具箱中各種類(lèi)別函數(shù)的名稱(chēng)和功能說(shuō)明。在MATLAB命令窗口中輸入:

>>helpcontrol運(yùn)行結(jié)果為:ControlSystemToolboxVersion6.2.1(R14SP3)26Jul2005General.ctrlpref-SetControlSystemToolboxpreferences.ltimodels-DetailedhelponthevarioustypesofLTImodels.

ltiprops-DetailedhelponavailableLTImodelproperties.…(4)若在help命令后面添加函數(shù)名,則可以獲得該函數(shù)的具體使用方法。如運(yùn)行“helprank”,即可以獲得矩陣求秩函數(shù)的具體用法。在MATLAB命令窗口中輸入:

>>helprank

運(yùn)行結(jié)果為:RANKMatrixrank.RANK(A)providesanestimateofthenumberoflinearlyindependentrowsorcolumnsofamatrixA.RANK(A,tol)isthenumberofsingularvaluesofAthatarelargerthantol.RANK(A)usesthedefaulttol=max(size(A))*eps(norm(A)).…

2.聯(lián)機(jī)幫助(幫助導(dǎo)航/瀏覽器)

聯(lián)機(jī)幫助由MATLAB的幫助導(dǎo)航/瀏覽器完成。該瀏覽器是MATLAB專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一個(gè)獨(dú)立幫助子系統(tǒng),由幫助導(dǎo)航器(HelpNavigator)和幫助瀏覽器(HelpBrowser)兩部分組成,見(jiàn)圖1.6。構(gòu)成這個(gè)子系統(tǒng)的文件全部存放在matlab71\help目錄下,與M文件完全無(wú)關(guān)。該幫助子系統(tǒng)對(duì)MATLAB功能的敘述系統(tǒng)、豐富、詳盡,而且界面十分友好、方便,隨版本的更新速度也快,

是尋求幫助的主要資源之一。

1.6幫助導(dǎo)航/瀏覽器界面

打開(kāi)圖1.6的幫助

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