第4章 MATLAB編程基礎(chǔ)

第4章MATLAB編程基礎(chǔ)M文件文件操作流程控制語句程序優(yōu)化與調(diào)試基本繪圖圖像函數(shù)繪圖（一）M文件MATLAB輸入命令有兩種方法：一是在MATLAB主窗口逐行輸入命令，每個命令之間用分號或逗號分隔，每行可包含多個命令。二是將命令組織成一個命令語句文集，使用擴展名“.m”，稱為M文件。它由一系列的命令和語句組成。當(dāng)程序需要使用大量語句時，使用M文件非常方便，其編寫和執(zhí)行的效率遠遠高于從主窗口逐條輸入語句的效率。啟動M文件從命令窗口選擇【新建】或【打開】，或在命令窗口輸入“edit”腳本文件和函數(shù)文件腳本文件是一連串的MATLAB命令，它解決了運行指令較多時過于麻煩的問題，運行時只需在MATLAB命令窗口輸入文件名或單擊M文件編輯窗口的綠色三角圖標(biāo)。函數(shù)文件的第一句可執(zhí)行語句是以function引導(dǎo)的定義語句。函數(shù)文件可以接受輸入變量，返回結(jié)果，且可以返回任意多個值。事實上，MATLAB提供的函數(shù)命令大部分都是由函數(shù)文件定義的。函數(shù)文件基本格式function[返回參數(shù)列表]=函數(shù)名（輸入變量）%函數(shù)定義行%H1行及幫助文檔：解釋此函數(shù)的功能輸入、返回變量格式的檢測函數(shù)主體及注釋函數(shù)體語句例4-2編寫一個函數(shù)文件，實現(xiàn)對輸入數(shù)值求平方的功能。functiony=fun1(x)y=x.^2;

腳本文件和函數(shù)文件的比較腳本文件函數(shù)文件參數(shù)沒有輸入?yún)?shù)，沒有返回參數(shù)可以接收和返回參數(shù)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)即為腳本中的數(shù)據(jù)，全局變量產(chǎn)生局部變量，但可設(shè)為全局變量應(yīng)用編程執(zhí)行一連串的命令可以擴充MATLAB函數(shù)庫以供調(diào)用局部變量和全局變量

M文件中的語句對整個MATLAB工作空間里的變量起作用，這樣的變量稱為全局變量。局部變量是在函數(shù)體內(nèi)部使用的變量，其影響范圍只能在本函數(shù)體內(nèi)，只在函數(shù)執(zhí)行期間存在。腳本文件過程中產(chǎn)生的變量均為全局變量，保存在內(nèi)存工作空間。函數(shù)文件中產(chǎn)生的變量如果不是特別聲明均為局部變量。函數(shù)調(diào)用

函數(shù)調(diào)用有兩種語法方式：函數(shù)名參數(shù)1參數(shù)2…參數(shù)N；[返回參數(shù)1，返回參數(shù)2，…，返回參數(shù)N]=函數(shù)名(參數(shù)1，參數(shù)2，…，參數(shù)M)。例4-4：舉例說明兩種參數(shù)傳遞方式。

>>A=pi;>>dispA

A%顯示結(jié)果為A，參數(shù)A以字符串形式傳遞>>disp(A)

3.1416%顯示結(jié)果為pi的值，參數(shù)以值進行傳遞。（二）文件操作1.打開文件fid=fopen（文件名，‘打開方式’）2.關(guān)閉文件關(guān)閉文件用fclose函數(shù)，調(diào)用格式為：sta＝fclose(fid)。3.在MATLAB中，讀取二進制文件的命令是fread，其調(diào)用格式為：A=fread(fid,count,precision)

使用fread讀取該文件后，得到的為代碼對應(yīng)的數(shù)值數(shù)組，使用char()命令可以將數(shù)值數(shù)組轉(zhuǎn)換成程序代碼。（三）MATLAB的流程控制語句通常MATLAB程序按照前后順序執(zhí)行，但在實際中，常會運到很多情況需要重復(fù)執(zhí)行一段語句，多次寫同一組命令非常麻煩，為此MATLAB提供了多種流控制語句：循環(huán)控制語句條件控制語句其它流程控制語句1.循環(huán)控制語句1）for循環(huán)語句

for語句執(zhí)行固定次數(shù)的循環(huán)，將循環(huán)條件的初值、判別和變化放在循環(huán)的開頭。for循環(huán)語句的一般形式是：for（計數(shù)器=初值：增量：終止值）執(zhí)行語句，…，執(zhí)行語句end2）while循環(huán)語句

while循環(huán)函數(shù)用于當(dāng)循環(huán)過程不滿足某個指定條件時終止的情況就，此時事先并不能確定循環(huán)的執(zhí)行次數(shù)。while循環(huán)的格式為while(邏輯表達式)

執(zhí)行語句end例：利用for循環(huán)求1！+2！+3！++5！的值

sum=0;fori=1:5

pdr=1;fork=1:i

pdr=pdr*k;endsum=sum+pdr;end例：找出近似級數(shù)

中誤差大于1%之前的最大的x值（精確到小數(shù)點后兩位位置）其MATLAB程序為：x=0;while(exp(x)-1-x-x^2/2-x^3/6<=0.01)x=x+0.01;enddisp(x-0.01)2.條件控制語句

1）

if、else、elseif語句

if語句用來檢查邏輯運算、邏輯函數(shù)、邏輯變量值等邏輯表達式的真假，若為真則執(zhí)行if和else之間的執(zhí)行語句，否則，轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一分支。其格式為：

if邏輯表達式執(zhí)行語句1else

執(zhí)行語句2end例：分區(qū)間顯示函數(shù)值functiony=f(x)ifx<0y=0;elseifx<1f=x;elseifx<2f=2-x;elsef=0;end2）switch語句switch函數(shù)的語法結(jié)構(gòu)為：switch輸入表達式（標(biāo)量或字符串）

case條件語句1

執(zhí)行語句1case條件語句2

執(zhí)行語句2otherwise

執(zhí)行語句nend例：根據(jù)用戶要求找出數(shù)組x中的最大值、最小值或所有元素的和。t=[0:100];x=exp(-t).*sin(t);%給定數(shù)組xrequire=input('Type

min,max,or

sum.','s')%用戶輸入要求require=lower(require);switchrequirecase'min'%分支判斷通過比較字符串完成

minimum=min(x)case'max'maximum=max(x)case'sum'total=sum(x)otherwise

disp('Youhavenotenteredaproperrequirement')end3.其它流控制語句

1）

input提示用戶從鍵盤輸入數(shù)值、字符串或表達式。常用的格式為：（1）a=input(‘Pleaseinputanumber：’)（2）a=input(‘Pleaseinputanumber：’，‘s’)2）

keyboard命令使MATLAB暫停程序的運行并調(diào)用機器的鍵盤命令進行處理。處理完后，鍵入return，按回車鍵，程序?qū)⒗^續(xù)運行。3.其它流控制語句

3）pause命令使程序運行暫停，等待用戶按任意鍵繼續(xù)。pause(n)表示停止n秒后繼續(xù)執(zhí)行。4）break命令終止循環(huán)的執(zhí)行，使程序不必等待循環(huán)的自然結(jié)束，而根據(jù)循環(huán)內(nèi)部另設(shè)的條件是否滿足來決定是否退出循環(huán)。5）還有一中情況是若發(fā)生錯誤時，跳過錯誤繼續(xù)執(zhí)行其余的循環(huán)體。此時可使用continue命令。。（四）MATLAB程序優(yōu)化與調(diào)試提高程序效率、優(yōu)化程序的方法：（1）矢量化操作：將循環(huán)程序等價為矢量或矩陣操作。MATLAB是矩陣語言，內(nèi)部數(shù)據(jù)運算是基于矢量和矩陣的，矢量化操作可以加速程序的執(zhí)行。（2）預(yù)分配矩陣空間：相比在循環(huán)語句中逐步增加矩陣的維數(shù)，預(yù)先定義矢量的方法能夠提高程序的執(zhí)行效率和內(nèi)存使用率。（3）使用C-MEX文件：在必須使用for或while循環(huán)體時，為了提高執(zhí)行效率，可以將循環(huán)部分的代碼轉(zhuǎn)化為C-MEX文件。（4）盡量使用函數(shù)文件：在MATLAB中，函數(shù)文件的效率一般比腳本文件的效率要高，這是由于函數(shù)文件有自己的工作空間，執(zhí)行一次后僅保存程序運行必需的變量，并將函數(shù)編譯成偽代碼，下次調(diào)用時提高了效率。運行過程的錯誤類型一般包括兩種：語法錯誤和運行錯誤。（1）語法錯誤：由于格式錯誤或算法錯誤導(dǎo)致程序不能正常運行。（2）運行錯誤：運行結(jié)果與預(yù)期效果不一致。其原因是多方面的，包括對算法理解不正確、誤用指令或程序流控制不合理等。對于這種錯誤MATLAB不會給出錯誤信息，很難發(fā)現(xiàn)，需要跟蹤調(diào)試才能找出問題。調(diào)試程序的方法：（1）將函數(shù)中被選定行的分號去掉，運算的中間結(jié)果就可以在控制窗口中顯示，便于發(fā)現(xiàn)錯誤。（2）在選定的位置鍵入keyboard命令，以便將臨時控制權(quán)交給鍵盤，這樣就可以查詢函數(shù)工作區(qū)，并可以根據(jù)需要改變變量的值。若要回到程序，輸入return命令即可。（3）對于函數(shù)文件，在function語句前插入%，把函數(shù)文件變?yōu)槟_本文件，工作空間就是基本工作空間，便于出現(xiàn)錯誤時可以查詢。（4）在適當(dāng)?shù)奈恢美妹铒@示變量值。利用disp命令或直接以變量名（不加分號）作為一行。（5）利用echoon和echooff顯示執(zhí)行的指令行，判斷程序流是否正確。（6）還可以使用MATLAB編譯器的debug菜單進行調(diào)試。（五）基本繪圖

MATLAB提供強大的命令完成用圖表來顯示向量和矩陣，通過圖形的線型、立面、色彩、光線、視角等屬性的控制，可把數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征表現(xiàn)得淋漓盡致。三維曲面圖Matlab繪圖的一般步驟包括：（1）輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，包括各種向量、矩陣等。（2）調(diào)用適當(dāng)?shù)睦L圖函數(shù)進行繪圖，并對圖形屬性進行設(shè)置，包括坐標(biāo)軸標(biāo)注、線條的顏色、線型等以得到較理想的圖形。（3）添加圖形注釋。在完成圖表的基礎(chǔ)外觀并設(shè)置坐標(biāo)軸屬性后，還可以添加一些注釋信息，如圖表的標(biāo)題、坐標(biāo)軸的名稱、圖例和文字說明等。1.二維繪圖在二維曲線繪圖命令中，plot是最基本和最重要的指令其它許多特殊繪圖指令都是以它為基礎(chǔ)而形成的。（1）plot(X,Y)：基本格式，以y(x)的函數(shù)關(guān)系作出直角坐標(biāo)圖，如果y為n×m的矩陣，則以x為自變量，作出m條曲線。（2）plot(Y)：缺省自變量繪圖格式，x為向量,以x元素值為縱坐標(biāo)，以相應(yīng)元素下標(biāo)為橫坐標(biāo)繪圖（3）plot(x1,y1,x2,y2)：繪制多條曲線（4）plot(X1,Y1,LineSpec1,X2,Y2,LineSpec2…)將按順序分別畫出由參數(shù)LineSpeci定義的（Xi,Yi）線條?？梢曰旌鲜褂萌齾?shù)和二參數(shù)的形式，即：plot(X1,Y1,LineSpec1,X2,Y2,X3,Y3,LineSpec3)。參數(shù)LineSpec涉及線條的類型、色彩、標(biāo)記符號，將在后文介紹。例：在[0,2]區(qū)間內(nèi)繪制曲線y=2exp(-x)cos(2x)及其包絡(luò)，并要求包絡(luò)用紅色虛線繪制。x=1:pi/50:2*pi;%規(guī)定向量x的取值范圍及間距y=2*exp(-x).*cos(2*pi*x);y1=2*exp(-x);%y1為上包絡(luò)，-y1為下包絡(luò)plot(x,y,x,y1,':r',x,-y1,':r')表二維函數(shù)繪圖函數(shù)用法函數(shù)用法loglog雙對數(shù)坐標(biāo)area面積圖semilogxx軸對數(shù)刻度坐標(biāo)pie扇形圖polar極坐標(biāo)圖hist柱形圖bar垂直條形圖commet彗星圖barh水平條形圖stairs階梯圖errorbar誤差條形圖rose玫瑰花圖semilogyy軸對數(shù)刻度坐標(biāo)compass羅盤圖例：分別作函數(shù)y=10exp(x)的雙對數(shù)坐標(biāo)和y軸對數(shù)坐標(biāo)。

x=linspace(0,100);subplot(2,1,1)%劃分子圖loglog(x,10*exp(x))xlabel('x');ylabel('y');title('雙對數(shù)圖');subplot(2,1,2)semilogy(x,10*exp(x),'-s')xlabel('x');ylabel('y');title('y軸對數(shù)坐標(biāo)');例4-15假定誤差限為10%，產(chǎn)生一系列數(shù)字，并生成該數(shù)據(jù)的誤差條形圖。x=linspace(0,2*pi,60);%在指定的范圍內(nèi)均勻取值，取60個點y=10*cos(x);%產(chǎn)生數(shù)據(jù)e=0.1*y;%定義誤差限errorbar(x,y,e)xlabel('x');ylabel('y');title('誤差條形圖')參數(shù)LineSpec涉及線條的類型、色彩、標(biāo)記符號

字母顏色標(biāo)點線型

y黃色·點線

m粉紅○圈線

c亮藍××線

r大紅＋＋字線

g綠色－實線

b藍色星形線

w白色：虛線

k黑色－·(--)點劃線例4-18設(shè)定曲線顏色、線型和標(biāo)記等。t=0:pi/20:2*pi;plot(t,t.*cos(t),'-.r*')%由字符串'-.r*'傳遞曲線線型和顏色及線上標(biāo)記holdonplot(t,sin(t-pi),':bs')plot(t,sin(2*t),'-mo','LineWidth',2,'MarkerEdgeColor','k','MarkerSize',12)%'LineWidth'改變線條寬度，'MarkerEdgeColor'設(shè)置標(biāo)記顏色，'MarkerSize'設(shè)置標(biāo)記大%小2.繪圖標(biāo)識繪制圖形時MATLAB根據(jù)數(shù)據(jù)范圍自動選擇合適的坐標(biāo)長度，用戶還可以根據(jù)需要使用axis命令制定坐標(biāo)刻度:

axis([xmin

xmax

ymin

ymax

zmin

zmax])：給出x、y、z的最小值和最大值來設(shè)置當(dāng)前坐標(biāo)軸的x軸、y軸和z軸的范圍，系統(tǒng)按照給出的3個坐標(biāo)軸的范圍繪制合適的三維圖。如果只給出4個參數(shù)，則是給定x軸和y軸的范圍。grid：給二維或三維圖形的坐標(biāo)面增加分格線。其用法包括：

gridon：給當(dāng)前的坐標(biāo)軸增加分格線。

gridoff：從當(dāng)前的坐標(biāo)軸中去掉分格線。

grid：改變分格線的顯示與否的狀態(tài)。title：給當(dāng)前圖形加上標(biāo)題。格式為title(‘string’)，在圖形窗口頂端的中間位置放置字符串string作為標(biāo)題xlabel、ylabel、zlabel：分別給x、y、z軸添加坐標(biāo)軸標(biāo)注，其用法與title一致。legend：在多種圖形對象（線條圖，條形圖，餅形圖等）的窗口中添加一個圖例。對于每一線條，圖例會在用戶給定的文字標(biāo)簽旁邊顯示線條的線型，標(biāo)記符號和顏色等。圖例位置由幾個因素決定，用戶可以用鼠標(biāo)拖動圖例到恰當(dāng)?shù)奈恢?，雙擊標(biāo)簽可以進入標(biāo)簽編輯狀態(tài)。函數(shù)的一般調(diào)用形式為：

legend(‘string1’,‘string2’,…)：只要指定標(biāo)注字符串，該函數(shù)就會按順序把字符串添加到相應(yīng)的曲線線型符號之后。text：在圖形窗口的任意位置添加文本字符串。多次疊繪、雙縱坐標(biāo)和多子圖1）一般來說，每執(zhí)行一次繪圖命令就刷新當(dāng)前的圖形窗口，原有的圖形將被覆蓋。若希望在已存在的圖形上繼續(xù)添加新的圖形，可使用圖形保持命令hold。-------多次繪制2）plotyy函數(shù)繪制雙縱坐標(biāo)圖，它的調(diào)用方式為：

plotyy(x1,y1,x2,y2,fun1,fun2)：按左側(cè)y軸的刻度對x1繪圖，y2按右側(cè)y軸的刻度對x2繪圖。參數(shù)fun1和參數(shù)fun2可以是‘semilogx’、‘loglog’等表示刻度方式的字符串。若缺省參數(shù)fun1和fun2，則結(jié)果與使用plot命令相同。-------雙縱坐標(biāo)3）MATLAB中使用subplot函數(shù)完成多子圖，subplot本身并沒有繪圖功能，只把當(dāng)前圖形窗口分隔成幾個矩形部分，決定了如何分割圖形窗口以及下一幅圖將被放在哪個子窗口中。其調(diào)用格式為：

subplot(m,n,p)將一圖形窗口分成m行n列的小窗口，并設(shè)置第p個子窗口為當(dāng)前窗口。子窗口按行由左向右，自上而下進行編號。

------多子圖例：將圖形窗口分為三部分，其中上半部分為兩個小窗口，下半部分為一個窗口。且在下部分繪制雙縱坐標(biāo)圖。t=0:2/20:2;subplot(2,2,1)%將圖形窗口分成兩部分，并在上部分畫圖plot(t,exp(t),'-.r*',t,t.*sin(t-pi),':bs')legend('exp(t)','t.*sin(t-pi)')xlabel('t');ylabel('y');title('連續(xù)曲線')subplot(2,2,2)stem(t,t.*sin(t-pi))xlabel('t');ylabel('y')legend('t.*sin(t-pi)')title('離散曲線')subplot(2,1,2)plotyy(t,exp(t),t,exp(t),'plot','semilogy')%雙縱坐標(biāo)圖xlabel('t');ylabel('exp(t)');title('雙縱坐標(biāo)')gridon3.三維繪圖三維繪圖的主要功能：繪制三維曲線圖繪制三維曲面圖、柱面圖和球面圖繪制三維等高線圖視角控制三維繪圖函數(shù)函數(shù)用法函數(shù)用法plot3三維曲線圖pie3三維餅形圖stem3三維離散序列圖contour3三維等高線圖surf表面圖mesh網(wǎng)格圖fill3三維填充多邊形圖sphere三維立體圓球圖三維曲線圖三維圖形可以用命令plot3來繪制，該命令與plot類似，但是需要三個參數(shù)，其線型和顏色也可以指定，調(diào)用格式為：

plot3(x,y,z,LineSpec)：要求為相同大小的向量或矩陣。LineSpec字符串為可選項，當(dāng)不設(shè)定LineSpec時以默認(rèn)的線型屬性三維曲線。當(dāng)設(shè)定LineSpec時，就以LineSpec規(guī)定的線型屬性繪制三維曲線。plot3繪制曲線的屬性設(shè)定與plot函數(shù)一致。二維圖形的所有基本特性對三維圖形全都適用。三維曲面圖當(dāng)不需要繪制非常精細的三維曲面時，可以使用mesh函數(shù)：

mesh(X,Y,Z,c)：在XY確定的區(qū)域內(nèi)繪制Z的網(wǎng)格圖。一般來說X、Y、Z是維數(shù)相同的矩陣。，c用于指定不同高度下的顏色范圍。c省略時，默認(rèn)c=Z，即顏色正比于圖形的高度。另外：meshc，用于繪制網(wǎng)格圖和基本的等值線圖；meshz，用于繪制包含零平面的網(wǎng)格圖。surf函數(shù)：各線條之間的補面用顏色填充，調(diào)用格式與mesh函數(shù)一致。例:比較mesh和surf函數(shù)繪制的三維圖形。[x,y]=meshgrid(0:0.1:2*pi);%將向量x，y轉(zhuǎn)化為矩陣，矩陣的行是向量x%復(fù)制，矩陣的列是向量y的復(fù)制z=sin(x).*cos(y);mesh(x,y,z);figuresurf(x,y,z)contour3函數(shù)繪制三維空間等高線圖，該命令生成一個定義在矩形柵格曲面上的三維等高線圖，調(diào)用格式為：

contour3(Z)：畫出三維空間角度觀看矩陣Z的等高線圖，其中Z的元素被當(dāng)作是距離xy平面的高度，矩陣Z至少為22階的。等高線的條數(shù)和高度是自動選擇的,若[m,n]=size(Z)，則x軸的范圍為[1:n]，y軸的范圍為[1:m]。

contour3(X,Y,Z)、contour3(X,Y,Z,n)、contour3(X,Y,Z,v)：X與Y定義x軸與y軸的范圍。若X為矩陣，則X(1,:)定義x軸的范圍；若Y為矩陣，則Y(:,1)定義y軸的范圍；若X與Y同時為矩陣，它們必須同型。函數(shù)sphere生成三維直角坐標(biāo)系中的單位球體，其調(diào)用格式為：（1）sphere(n)：在當(dāng)前坐標(biāo)系中畫出有nn個面的球體，默認(rèn)情況下該單位球體由2020個面組成。（2）[X,Y,Z]=sphere(n)：返回球面坐標(biāo)矩陣。該命令不繪制圖形，只返回矩陣?？梢杂妹顂urf（X,Y,Z）或mesh（X,Y,Z）畫出球體。視角控制視角就是指觀察圖形的方向，MATLAB中使用view指定立體圖形的觀察點，控制圖形的視角。觀察者（觀察點）的位置決定了坐標(biāo)軸的方向。

view(az,el)、view([az,el])：設(shè)置三維空間圖形觀察點。az是方位角，el為仰角。

view([x,y,z])：在直角坐標(biāo)系中設(shè)置點（x,y,z）為視點。注意：輸入?yún)⒘恐荒苁欠嚼ㄌ柕南蛄啃问?。（六）圖像圖像的類別：根據(jù)圖像著色方法的不同，MATLAB的圖像可以分為：索引圖像、亮度圖像和真彩色圖像三種。

1.索引圖像的數(shù)據(jù)矩陣為指向顏色表矩陣的索引號。如果索引圖像的圖像數(shù)據(jù)值為X(i,j)，顏色表數(shù)組為cmap，則每個圖像像素的顏色就是cmap(X(i,j),:)。要求X中的數(shù)值必須是位于[1,length(cmap)]范圍之內(nèi)的整數(shù)。根據(jù)圖像數(shù)據(jù)和顏色表，可以使用命令image(x)；colormap(cmap)來顯示圖像。2.亮度圖像的圖像數(shù)據(jù)矩陣表示圖像的亮度值。該類型的圖像通常用于顯示由灰度或單色顏色表染色的圖像，也可用于其它顏色表染色的圖像。亮度圖像對數(shù)據(jù)范圍沒有要求，但用戶可以指定亮度圖像的數(shù)據(jù)范圍，并且將其作為指向顏色表的索引。如:images(X,[01]);colormap(gray)將X的值限制在[01]之間，0指向顏色表的第一個顏色，1指向顏色表的最后一個顏色，介于0和1之間的數(shù)據(jù)被用來作為指向顏色表中其它顏色的索引。省略[01]意味著不對X進行限定。3.真彩色圖像通常由一個包含有效RGB值的的數(shù)組創(chuàng)建。該數(shù)組的行和列表明了像素的位置，也聲明了圖像中每一個像素的顏色值。由于真彩色圖像已經(jīng)將顏色信息包含在圖像數(shù)據(jù)中，因此不需顏色表。真彩色圖像的顯示可用命令image(X)完成。圖像的讀寫

1.不同類型的圖像有固定的數(shù)據(jù)格式、著色類型，要在MATLAB中使用其它軟件的圖像，需要用imread函數(shù)讀取該圖像，將該圖像的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MATLAB圖像的數(shù)據(jù)格式:A=imread(filename,fmt):返回存放圖像的變量名A，filename為圖像的文件名，fm