Matlab教程

MATLAB软件基础§1MATLAB概述MATLAB是MATrixLABoratory（“矩阵实验室”）的缩写，是由美国MathWorks公司开发的集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体的，功能强大、操作简单的语言。是国际公认的优秀数学应用软件之一。20世纪80年代初期，CleveMoler与JohnLittle等利用C语言开发了新一代的MATLAB语言，此时的MATLAB语言已同时具备了数值计算功能和简单的图形处理功能。1984年，CleveMoler与JohnLittle等正式成立了Mathworks公司，把MATLAB语言推向市场，并开始了对MATLAB工具箱等的开发设计。1993年，Mathworks公司推出了基于个人计算机的MATLAB4.0版本，到了1997年又推出了MATLAB5.X版本（Release11），并在2000年又推出了最新的MATLAB6版本（Release12）。现在，MATLAB已经发展成为适合多学科的大型软件，在世界各高校，MATLAB已经成为线性代数、数值分析、数理统计、优化方法、自动控制、数字信号处理、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。特别是最近几年，MATLAB在我国大学生数学建模竞赛中的应用，为参赛者在有限的时间内准确、有效的解决问题提供了有力的保证。概括地讲，整个MATLAB系统由两部分组成，即MATLAB内核及辅助工具箱，两者的调用构成了MATLAB的强大功能。MATLAB语言以数组为基本数据单位，包括控制流语句、函数、数据结构、输入输出及面向对象等特点的高级语言，它具有以下主要特点：1）运算符和库函数极其丰富，语言简洁，编程效率高，MATLAB除了提供和C语言一样的运算符号外，还提供广泛的矩阵和向量运算符。利用其运算符号和库函数可使其程序相当简短，两三行语句就可实现几十行甚至几百行C或FORTRAN的程序功能。2）既具有结构化的控制语句（如for循环、while循环、break语句、if语句和switch语句），又有面向对象的编程特性。3）图形功能强大。它既包括对二维和三维数据可视化、图像处理、动画制作等高层次的绘图命令，也包括可以修改图形及编制完整图形界面的、低层次的绘图命令。4）功能强大的工具箱。工具箱可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互的功能。而学科性工具箱是专业性比较强的，如优化工具箱、统计工具箱、控制工具箱、小波工具箱、图象处理工具箱、通信工具箱等。5）易于扩充。除内部函数外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可修改源文件和加入自己的文件，它们可以与库函数一样被调用。§2MATLAB的安装与启动2.1MATLAB的安装要用MATLAB6，首先必须在计算机上安装MATLAB6应用软件，随着软件功能的不断完善，MATLAB对计算机系统配置的要求越来越高。下面给出安装和运行MATLAB6所需要的计算机系统配置。◆MATLAB6对硬件的要求CPU要求：PentiumII、PentiumIII、AMDAthlon或者更高；光驱：8倍速以上；内存：至少64MB，但推荐128MB以上；硬盘：视安装方式不同要求不统一，但至少留1GB用于安装（安装后未必有1GB）；显卡：8位；◆MATLAB6对软件的要求Windows95、Window98、WindowsNT或Windows2000；Word97或word2000等，用于使用MATLABNotebook；AdobeAcrobatReader用于阅读MATLAB的PDF的帮助信息。MATLAB6的安装和其它应用软件类似，可按照安装向导进行安装，这里不再赘述。2.2MATLAB的启动和退出与常规的应用软件相同，MATLAB的启动也有多种方式，首先常用的方法就是双击桌面的MATLAB图标，也可以在开始菜单的程序选项中选择MATLAB组件中的快捷方式，当然也可以在MATLAB的安装路径的子目录中选择可执行文件“MATLAB.exe”。启动MATLAB后，将打开一个MATLAB的欢迎界面，随后打开MATLAB的桌面系统（Desktop）如图2-1所示。图2-1MATLAB的桌面系统§3MATLAB的开发环境MATLAB的开发环境就是在使用MATLAB的过程中可激活的，并且为用户使用提供支持的集成系统。这里介绍几个比较重要的如：桌面平台系统、帮助系统和数据交换系统。3.1MATLAB桌面平台桌面平台是各桌面组件的展示平台，默认设置情况下的桌面平台包括6个窗口，具体如下：3.1.1MATLAB主窗口MATLAB6比早期版本增加了一个主窗口。该窗口不能进行任何计算任务的操作，只用来进行一些整体的环境参数的设置。3.1.2命令窗口（CommandWindow）命令窗口是对MATLAB进行操作的主要载体，默认的情况下，启动MATLAB时就会打开命令窗口，显示形式如图1-1所示。一般来说，MATLAB的所有函数和命令都可以在命令窗口中执行。在MATLAB命令窗口中，命令的实现不仅可以由菜单操作来实现，也可以由命令行操作来执行，下面就详细介绍MALTAB命令行操作。实际上，掌握MALAB命令行操作是走入MATLAB世界的第一步，命令行操作实现了对程序设计而言简单而又重要的人机交互，通过对命令行操作，避免了编程序的麻烦，体现了MATLAB所特有的灵活性。例如：％在命令窗口中输入sin(pi/5)，然后单击回车键，则会得到该表达式的值sin（pi/5）ans=0.5878由例可以看出，为求得表达式的值，只需按照MALAB语言规则将表达式输入即可，结果会自动返回，而不必像其他的程序设计语言那样，编制冗长的程序来执行。当需要处理相当繁琐的计算时，可能在一行之内无法写完表达式，可以换行表示，此时需要使用续行符“……”否则MATLAB将只计算一行的值，而不理会该行是否已输入完毕。例如：sin(1/9*pi)+sin(2/9*pi)+sin(3/9*pi)+……sin(4/9*pi)+sin(5/9*pi)+sin(6/9*pi)+……sin(7/9*pi)+sin(8/9*pi)+sin(9/9*pi)+……ans=5.6713使用续行符之后MATLAB会自动将前一行保留而不加以计算，并与下一行衔接，等待完整输入后再计算整个输入的结果。在MATLAB命令行操作中，有一些键盘按键可以提供特殊而方便的编辑操作。比如：“↑”可用于调出前一个命令行，“↓”可调出后一个命令行，避免了重新输入的麻烦。当然下面即将讲到的历史窗口也具有此功能。3.1.3历史窗口（CommandHistory）历史命令窗口是MATLAB6新增添的一个用户界面窗口，默认设置下历史命令窗口会保留自安装时起所有命令的历史记录，并标明使用时间，以方便使用者的查询。而且双击某一行命令，即在命令窗口中执行该命令。3.1.4发行说明书窗口（LaunchPad）发行说明书窗口是MATLAB6所特有的，用来说明用户所拥有的Mathworks公司产品的工具包、演示以及帮助信息。当选中该窗口中的某个组件之后，可以打开相应的窗口工具包。3.1.5当前目录窗口（CurrentDirectory）在当前目录窗口中可显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件，包括文件名、文件类型、最后修改时间以及该文件的说明信息等并提供搜索功能。3.1.6工作空间管理窗口（Workspace）工作空间管理窗口是MATLAB的重要组成部分。在工作空间管理窗口中将显示所有目前保存在内存中的MATLAB变量的变量名、数据结构、字节数以及类型，而不同的变量类型分别对应不同的变量名图标。3.2MATLAB帮助系统完善的帮助系统是任何应用软件必要的组成部分。MATLAB提供了相当丰富的帮助信息，同时也提供了获得帮助的方法。首先，可以通过桌面平台的【Help】菜单来获得帮助，也可以通过工具栏的帮助选项获得帮助。此外，MATLAB也提供了在命令窗口中的获得帮助的多种方法，在命令窗口中获得MATLAB帮助的命令及说明列于表3-1中。其调用格式为：命令+指定参数表3-1命令说明doc在帮助浏览器中显示指定函数的参考信息help在命令窗口中显示M文件帮助helpbrowser打开帮助浏览器，无参数helpwin打开帮助浏览器，并且见初始界面置于MATLAB函数的M文件帮助信息lookfor在命令窗口中显示具有指定参数特征函数的M文件帮助web显示指定的网络页面，默认为MATLAB帮助浏览器例如：helpsinSINSineSIN(X)isthesineoftheelementsofXOverloadedmethodsHelpsym/sin.m另外也可以通过在组件平台中调用演示模型（demo）来获得特殊帮助。3.3数据交换系统MATLAB提供了多种方法将数据从磁盘或剪贴板中读入MATLAB工作空间。具体的读写方法可依据用户的喜好以及数据的类型来选择。这里主要介绍文本数据的读入。对于文本数据（ASCII）而言，最简单的读入方法就是通过MATLAB的数据输入向导（ImportWizard），也可以通过MATLAB函数实现数据读入。例如，对于文本文件test.txt：students’scoresEnglishChineseMathmaticsWang9998100Li988970Zhang809097Zhao776587下面通过上述两种方法将该文件数据读入MATLAB工作空间，先介绍MATLAB数据交换系统对文本数据的识别。此时文件的前几行（此处为“students’scores”）将被识别为文件头，文件头可以为一行或几行，也可以识别出数据的列头（此处为：“English”、“Chinese”、和“Mathmatics”）和行头（此处为“wang”、“li”、“zhang”和“zhao”），其余的为可分断数据（此处为“99”、“98”、和“100”等）。首先是通过数据输入向导编辑器读入数据，通过桌面平台上的【File】菜单中的【ImportData】选项打开输入向导编辑器，按向导提示进行操作完成整个文本数据的输入，则用户可以在MATLAB开发环境中使用该文本数据。例如：whosNameSizeBytesClassData4396doublearrayGrandtotalis12elementsusing96bytesDataData=9998100988970809097776587“whos”用于显示当前MATLAB工作空间的变量，而在命令窗口中输入data后，将显示该数据。在命令窗口或M文件中调用相应的函数也可以实现数据的读入。例如：[a,b,c,d]=textread(‘text.txt’,‘%s%s%s%s’,‘headlines’,2)（读者可亲自上机看结果）§4MATLAB数值计算功能MATLAB强大的数值计算功能使其在诸多数学计算软件中傲视群雄，是MATLAB软件的基础。本节将简要介绍MATLAB的数据类型、矩阵的建立及运算。4.1MATLAB数据类型MATLAB的数据类型主要包括：数字、字符串、矩阵、单元型数据及结构型数据等，限于篇幅我们将重点介绍其中几个常用类型。4.1.1变量与常量变量是任何程序设计语言的基本要素之一，MATLAB语言当然也不例外。与常规的程序设计语言不同的MATLAB并不要求事先对所使用的变量进行声明，也不需要指定变量类型，MATLAB语言会自动依据所赋予变量的值或对变量所进行的操作来识别变量的类型。在赋值过程中如果赋值变量已存在时，MATLAB语言将使用新值代替旧值，并以新值类型代替旧值类型。在MATLAB语言中变量的命名应遵循如下规则：（1）变量名区分大小写。（2）变量名长度不超31位，第31个字符之后的字符将被MATLAB语言所忽略。（3）变量名以字母开头，可以是字母、数字、下划线组成，但不能使用标点。与其他的程序设计语言相同，在MATLAB语言中也存在变量作