第一章matlab概述及入門基礎

1、MATLAB 應用Application of Matlab Languagen 課程的作用n 課程的目的n 課程的特點n 課程安排2課程的作用 在歐美各高等學校，Matlab成為線性代數(shù)、自動控制理論、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真、圖像處理等諸多課程的基本教學工具，成為本科生、碩士生和博士生的必須掌握的基本技能。 在設計研究單位和工業(yè)部門，Matlab已被廣泛地用于研究和解決各種具體的工程問題。 可以預見，Matlab將在我國科學研究和工程應用中發(fā)揮越來越大的作用。3本課程的目的講授MATLAB語言基礎入門知識，介紹MATLAB產(chǎn)品的體系、MATLAB 桌面工具的使用方法，重點介

2、紹MATLAB的數(shù)據(jù)可視化、數(shù)值計算的基本步驟以及如何使用MATLAB語言編寫整潔、高效、規(guī)范的程序。通過本課程的學習，了解、熟悉、掌握 MATLAB的基本編程方法，并具有初步的利用計算機處理、解決實際問題的能力，為畢業(yè)設計做好準備。本課程的特點交叉性課程，是計算機技術、數(shù)學理論知識以及諸多工程理論知識的綜合。實踐性課程。內(nèi)容多，課時少，要求同學上課認真聽講，要充分利用上機實踐消化、理解、掌握課上講解內(nèi)容。4課程安排課堂教學：共20學時；（1-14周） 上機試驗：共10學時。（具體時間待定 ）成績構成：p1)上機實驗成績占20%;2)考勤 10% ;3) 考試70% （集中考試）。主要參考書精

3、通MATLAB 6.5張志涌 等編著，北航出版，2003年Matlab程序設計與應用 劉衛(wèi)國主編，高等教育5第一講 Matlab概述及入門基礎n Matlab軟件概述n Matlab的桌面環(huán)境及入門知識61Matlab概述內(nèi)容n Matlab的歷史與發(fā)展n Matlab產(chǎn)品體系n Matlab 語言的特點目的n 全面了解 Matlab軟件包n 激發(fā)對Matlab軟件的學習興趣7Matlab的歷史與發(fā)展MATLAB的歷史及影響70年代中期，Cleve Moler博士及其同事在美國國家的幫助下，開發(fā)了LINPACK和EISPACK的FORTRAN語言子程序庫，這兩個程序庫代表了當時矩陣運算的最高水

4、平。到了70年代后期，身為美國新墨西哥州大學計算機系系主任的CIeve Moler，在給學生上線性代數(shù)課時，為了讓學生能使用這兩個子程序庫，同時又不用在編程上花費過多的時間，開始著手用FORTRAN語言為學生編寫使用LINPACK和EISPACK的接口程序，他將這個程序取名為MATLAB，其名稱是由MATrix和 LABoratory（矩陣實驗室）兩個單詞的前三個字母所合成。在1978年，Malab就面世了。這個程序獲得了很大的成功， 受到了學生的廣泛歡迎。在以后的幾年里，Matlab在多所大學里作為教學輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟Cleve Moler 件廣為流傳。8將MATLAB商

5、品化的不是Cleve Moler,而是一個名叫Jack Little的人。當免費的MATLAB軟件到Stanford大學，Jack Little正在該校主修控制，便接觸到了當時MATLAB， 直覺告訴他，這是一個具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ能浖?。因此他在畢業(yè)沒多久，就開始用C語言重新編寫了MATLAB的核心。在Moler的協(xié)助下，于1984年成立MathWorks公司，首次推出MATLAB商用版。在其商用版推出的初期， MATLAB就以其優(yōu)秀的品質(zhì)（高效的數(shù)據(jù)計算能力和開放 的體系結構）占據(jù)了大部分數(shù)學計算軟件的市場，原來應 用于控制領域里的一些封閉式數(shù)學計算軟件包（如英國的UMIST、瑞典的LUND和

6、SIMNON、德國的KEDDC）就紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。Jack Little9Matlab的歷史與發(fā)展Matlab版本的發(fā)展 1992年，支持Windows 3.x的MATLAB 4.0版本推出，增加了Simulink，Control， Neural Network，Signal Processing等專用工具箱。 1993年11月，MathWorks公司推出了Matlab 4.1，其中主要增加了符號運算功能。當升級至Matlab 4.2c，這能在用戶中得到廣泛應用。 1997年，Matlab 5.0版本問世了,實現(xiàn)了真正的32位運算，加快數(shù)值計算，圖形表現(xiàn)有效。 2001年初，

7、MathWorks公司推出了Matlab 6.0（R12）。 2002年7月，推出了Matlab 6.5(R13)，在這一版本中Simulink升級到了5.0，性能有了很大提高，另一大特點是推出了JIT程序加速器，Matlab的計算速度有了明顯的提高。 2005年9月，推出了MAILAB 7.1(Release14 SP3)，在這一版本中Simulink升級到了6.3，軟件性能有了新的提高，用戶界面更加友好。值得說明的是，Matlab V7.1版采用了更先進的數(shù)學程序庫，即“LAPACK”和“BLAS”。10Matlab的歷史與發(fā)展Matlab版本的發(fā)展到7.1版為止，MATLB的釋放編號均以

8、數(shù)字來命名。版本釋放編號年份1984年1986年1987年1990年1992年1994年1996年1997年版本釋放編號年份1999年MATLAB 1.0MATLAB 2MATLAB 3MATLAB 3.5MATLAB 4MATLAB 4.2cMATLAB 5.0MATLAB 5.1MATLAB 5.1.1MATLAB 5.2MATLAB 5.2.1MATLAB 5.3MATLAB 5.3.1MATLAB 6.0MATLAB 6.1MATLAB 6.5MATLAB 6.5.1MATLAB 6.5.2MATLAB 7MATLAB 7.0.1MATLAB 7.0.4MATLAB 7.1R11 R1

9、1.1 R12 R12.1 R13 R13SP1 R13SP2 R14 R14SP1 R14SP2R14SP32000年2001年2002年2003年R7 R8 R9 R9.1 R10R10.12004年1998年2005年11Matlab的歷史與發(fā)展Matlab版本的發(fā)展從7.2版開始，釋放編號以年份來命名，每年3月份推出的用a表示，9月份推出的則以b表示，例如R2006a代表2006年3月推出的版本，R2009b指2009年下半年推出的版本。版本釋放編號年份2010年版本MATLAB 7.2MATLAB 7.3MATLAB 7.4MATLAB 7.5MATLAB 7.6MATLAB 7.7

10、MATLAB 7.8MATLAB 7.9釋放編號R2006a R2006b R2007a R2007b R2008a R2008b R2009aR2009b年份2006年MATLAB 7.10MATLAB 7.11MATLAB 7.12MATLAB 7.13MATLAB 7.14MATLAB 8.0MATLAB 8.1MATLAB 8.2MATLAB 8.3R2010a R2010b R2011a R2011b R2012a R2012b R2013a R2013bR2014a2011年2007年2012年2008年2013年2009年2014年12MATLAB就是這樣經(jīng)過了近30年的專門打造

11、、20多年的千錘百煉，它以高性能的數(shù)組運算（包括矩陣運算）為基礎，不僅實現(xiàn)了大多數(shù)數(shù)學 算法的高效運行函數(shù)和數(shù)據(jù)可視化，而且提供了非常高效的計算機高級編 程語言，在用戶可參與的情況下，各種專業(yè)領域的工具箱不斷開發(fā)和完善， MATLAB取得了巨大的成功，已廣泛應用于科學研究、工程應用，用于數(shù)值計算分析、系統(tǒng)建模與仿真。早在20世紀90年代初，歐美等發(fā)達國家的大學就將MATLAB列為一種必須掌握的編程語言。近幾年來，國內(nèi)的很多大學也將MATLAB列為了本 科生必修課程。與Maple、Mathematica數(shù)學計算軟件相比，MATLAB以數(shù)值計算見長，而Maple等以符號運算見長，能給出解析解和任意

12、精度解，而處理大量數(shù)據(jù)的能力遠不如MATLAB。MATLAB軟件功能之強大、應用之廣泛，已成為為21世紀最為重要的科學計算語言?？梢妼W習掌握這一工具的重要性。13Matlab的產(chǎn)品體系安裝MATLAB后，在安裝目錄下將包含如下文件夾。14Matlab的產(chǎn)品體系安裝MATLAB后，在安裝目錄下將包含如下文件夾。續(xù)表15MATLAB編程語言的特點 語法規(guī)則簡單。尤其內(nèi)定的編程規(guī)則，與其他編程語言（如C、Fortran等）相比更接近于常規(guī)數(shù)學表示。對于數(shù)組變量的使用，不需類型聲明，無需事先申請內(nèi)存空間。 MATLAB基本的語言環(huán)境提供了數(shù)以千計的計算函數(shù)，極大的提高了用戶的編程效率。如，一個fft函

13、數(shù)即可完成對指定數(shù)據(jù)的快速傅里葉變換，這一任務如果用C語言來編程實現(xiàn)的話，至少要用幾十條C語言才能完成。 MATLAB是一種腳本式（scripted）的解釋型語言，無論是命令、函數(shù)或變量，只要在命令窗口的提示符下鍵入，并“回車（Enter）”，MATLAB都予以解釋執(zhí)行。 平臺無關性（可移植性）。MATLAB軟件可以運行在很多不同的計算機系統(tǒng)平臺上，如Windows Me/NT/2000/XP、很多不同版本的UNIX以及Linux。無論你在哪一個平臺上編寫的程序都可以運行在其它平臺上，對于MATLAB數(shù)據(jù)文件也一樣，是平臺無關的。極大保護了用戶的勞動、方便了用戶。其繪圖功能 也是平臺無關的。無

14、論任何系統(tǒng)平臺，只要MATLAB能夠運行，其圖形功能命令就能正常運行。 因此，MATLAB是一個簡單易用、功能強大的高效編程語言。16功能強大n 數(shù)值運算n 符號運算n 強大的2D、3D數(shù)據(jù)可視化功能n 許多具有算法自適應能力的功能函數(shù)17語言簡單、內(nèi)涵豐富語言及其書寫形式非常接近于常規(guī)數(shù)學書寫形式；其操作和功能函數(shù)指令就是常用的計算機和數(shù)學書上的一些簡單英文單詞表達的，如：help、clear等；完備的幫助系統(tǒng)，易學易用。擴充能力、可開發(fā)能力較強MATLAB完全成了一個開放的系統(tǒng)用戶可以開發(fā)自己的工具箱可以方便地與Fortran、C等語言接口編程易、效率高Matlab以數(shù)組為基本計算單元具有

15、大量的算法優(yōu)化的功能函數(shù)182MATLAB的桌面環(huán)境及入門知識啟動與退出MATLAB命令窗口及使用工作空間命令歷史窗口當前目錄窗口和搜索路徑獲取在線幫助192.1 啟動與退出MATLAB啟動MATLABn 直接用鼠標雙擊桌面上MATLAB7.1圖標n 或Windows桌面的“開始”“所有程序”“MATLAB7.1” “MATLAB7.1”。退出MATLABn 關閉MATLAB桌面n 在命令窗口執(zhí)行quit或exit命令n 在菜單“文件”的下拉菜單點“exitMATLAB缺省桌面（見下頁）Matlab”202.1 啟動與退出MATLAB （續(xù)）21命令提示符Start 菜單歷史命令窗口工作空間命

16、令窗口文件編輯窗口工具欄菜單欄2.2 命令窗口的使用激活命令窗口?！啊?與閃爍的光標一起表明系統(tǒng)就緒，等待輸入。命令窗口脫離MATLAB桌面。簡單計算12 + 2 (7 - 4) 32【例1-1】計算（1）在MATLAB命令窗口輸入以下內(nèi)容：(12+2*(7-4)/32（2） 按【Enter】鍵，指令執(zhí)行。（3） 返回的計算結果：ans=2222.2 命令窗口（續(xù)）說明在命令窗口【Enter】鍵提交命令執(zhí)行。Matlab所用運算符（如+、-、等）是各種計算程序中常見的。計算結果中的“ans”是英文“answer”的一種縮寫， 其含義就是“運算答案”。ans是Matlab的一個預定義 變量。23

17、2.2 命令窗口（續(xù)）簡單計算（續(xù)）【例1-2】計算 sin(45 )sin(45*pi/180)ans=0.7071(+ 1) 的值，其中x=4.92?！纠?-3】計算2ex+0.5，。sqrt(2*exp(4.92+0.5)+1)ans=21.278124 Matlab中開平方sqrt(x)是英文square root的縮寫 Matlab中指數(shù)函數(shù)exp(x)， 常見的表達方式。 Matlab中正弦函數(shù)sin就是常見的正弦函數(shù)。 它的參數(shù)值是以“弧度”為單位的。 pi也是Matlab的預定義變量。 pi=3.14159 Matlab對字母大小寫是敏感的。2.2 命令窗口 （續(xù)）7“clc”

18、清除窗口顯示內(nèi)容的命令。2sin(0.3p )【例1-4】計算的值。y =1+5y=2*sin(0.3*pi)/(1+sqrt(5)y=0.50002cos(0.3p )【例1-5】計算的值。y =1+5y=2*cos(0.3*pi)/(1+sqrt(5)y=0.363325% 命令行編輯 “”鍵調(diào)回已輸入過命令。 修改。2.2 命令窗口 （續(xù)）【例1-5】計算半徑為5.2m的圓的周長和面積。radius=5.2;%圓的半徑area=pi*5.22, circle_len=2*pi*5.2area =84.9487circle_len =32.672626 以上兩例，命令行中用到了等號“=”。

19、 計算結果不再賦給“ans”，而是賦給 用戶指定的變量y、area、circle_len。 無論是預定義變量還是用戶自定義變量都被存儲在系統(tǒng)的工作空間內(nèi)，即系統(tǒng)定義的一個存儲窗口變量的內(nèi)存空間。 Who、whos命令用來顯示工作空間的變量 clear命令用來清除工作空間的變量。2.2 命令窗口（續(xù)）whoYour variables are:ans areawhosName ans areacircle_lenradiusySize 1x1 1x11x1 1x11x1Bytes 88888Classdouble array double array double arraydouble arr

20、aycircle_len radiusydouble arrayGrand total is 5 elements using 40 bytes27 Who、whos命令用來顯示工作空間的變量區(qū)別：whos命令給出變量名的同時還會給出他們的維數(shù)和性質(zhì)。 clear命令用來清除工作空間的變量。2.2 命令窗口 （續(xù)）clear ywhoYour variables are:ansareacircle_lenradiusclear ans areawhosYour variables are:Name circle_lenradiusSize1x1 1x1Bytes88Class double a

21、rraydouble arrayGrand total is 2 elements using 16 bytes282.2 命令窗口 （續(xù)）數(shù)值顯示格式設置缺省顯示格式：簡潔的短（short g）格式窗口命令及語法格式：format 顯示格式關鍵字如：format long%15位數(shù)字顯示常見通用命令命令clc clearwho或whos dircdhelp或doc quit或exit edit含義清除命令窗口的顯示內(nèi)容清除Matlab工作空間中保存的變量顯示Matlab工作空間中的變量信息顯示當前工作目錄的文件和子目錄顯示或設置當前工作目錄獲取在線幫助關閉/退出MATALB 打開M文件編輯器

22、292.3工作空間查看工作空間內(nèi)存變量，可以由who、whos 。命名新變量。修改變量名刪 除 變 量 繪圖保存變量數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)302.4 歷史窗口歷史窗口：首先記錄每次啟動時間并記錄在命令窗口輸入的命令，此次運行期間， 輸入的所有命令被記錄為一組，并以此次啟動時間為標志。使用歷史窗口：可以查看命令窗口輸入過的命令或語句可以選擇一條或多條命令執(zhí)行拷貝、執(zhí)行、創(chuàng)建M文件等。要清除歷史記錄，可以選擇Edit菜單中的Clear Command History 命令312.5 當前目錄窗口和搜索路徑當前目錄窗口：指Matlab運行時的工作目錄。只有在當前目錄和搜索路徑下的文件、函數(shù)才可以被運行和調(diào)用。

23、如果沒有特殊指明，數(shù)據(jù)文件也將存放在當前目錄下； 用戶可以將自己的工作目錄設置成當前目錄，從而使 得所有操作都在當前目錄中進行。在桌面快捷方式中-右鍵-屬性-修改起始位置為目標目錄32搜索路徑：指Matlab執(zhí)行過程中對變量、函數(shù)和文件進行搜索的路徑。在File菜單中選擇Set Path命令或在命令窗口輸入pathtool命令，出現(xiàn)搜索路徑設置對話框：！修改完搜索路徑后， 需要進行保存。332.6獲取在線幫助MATLAB提供的幫助信息有兩類n 簡單純文本幫助信息helplookfor（條件比較寬松）例：inversen 窗口式綜合幫助信息（文字、公式、圖形）dochelpwin34【功能演示-

24、1】2 x5 - 3 x3 + 71x2 - 9 x + 13 = 0 的全部根。求方程p = 2,0,-3,71,-9,13;建立多項式系數(shù)向量x = roots(p)；求根x =-3.49141.6863 + 2.6947i1.6863 - 2.6947i0.0594 + 0.4251i0.0594 - 0.4251i35【功能演示-2】求解線性方程組2 x + 3 y - z = 28 x + 2 y + 3z = 445 x + 3 y + 9z = 23a = 2,3,-1;8,2,3;45,3,9;建立系數(shù)矩陣ab = 2;4;23;建立列向量bx = inv(a)*bx =0.5

25、5310.2051-0.278436符號計算syms x y z建立符號變量x,y,z=solve(2*x+3*y-z-2,8*x+2*y+3*z-4,45*x+3*y+9*z-23)x = 151/273y = 8/39z =-76/27337【功能演示-3】求解定積分1求解 I=x ln(1 + x)dx0quad(x.*log(1+x),0,1)ans = 0.250或syms x int(x*log(1+x),0,1) ans =1/438【功能演示-4】多項式曲線擬合考慮如下x-y 一組實驗數(shù)據(jù)：x=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10;y=1.2, 3, 4,

26、 4, 5, 4.7, 5, 5.2, 6, 7.2;注：y(x) = x3 - 2x2 - 5一次多項式擬合：y = 1- 20- 5In MATLABp1 = polyfit(x,y,1);三次多項式擬合：p3 = polyfit(x,y,3);plot 原始數(shù)據(jù)、一次擬合曲線和三次擬合曲線x2=1:0.1:10;y1=polyval(p1,x2); y3=polyval(p3,x2);plot( x, y, *, x2, y1, :, x2, y3)39擬合曲線圖由圖可見，三次擬合結果較好。403 數(shù)值表示、變量及表達式3.1 數(shù)值的記述Matlab的數(shù)只采用習慣的十進制表示，可以帶小數(shù)點和負號；其缺省的數(shù)據(jù)類型為雙精度浮點型（double）。例如：3-100.0011.3e101.256e-63.2 變量命名規(guī)則 變量名、函數(shù)名對字母的大小寫是敏感的。如MyVar與myvar表示兩個不同的變量。 變量名的第一個字符必須是英文字母。 變量名可以包含英文字母、下劃線和數(shù)字。 變量名不能包含空格、標點和運算符。 變量名最多可包含63個字符（6.5及以后的版本）。413 數(shù)值表示、變量及表達式（續(xù)）3.3Matlab預定義的變量說明每當MATLAB啟動完成，這些變量就被產(chǎn)生。MATLAB中，被0除不會