MATLAB操作基础

第1章MATLAB操作基础MATLAB是一款功能十分强大的工程软件，用户可以通过它实现科学计算、工程运算和仿真运算。在本章中，将详细讲解MATLAB的基础操作内容。本章的内容是后面章节的基础，了解常见的操作方法会给用户操作MATLAB带来便利。1.1MATLAB概述从第一个版本推出以来，MATLAB就以其友好的界面、强大的功能受到用户的喜爱。随后的版本更是在原始版本的基础上，不断扩展MATLAB软件的功能。下面将概要地介绍MATLAB的主要功能和特点。1.1.1MATLAB的主要功能MATLAB提供了上百个预先定义好的命令和函数，这些函数可通过用户自定义扩展。MATLAB能够用单一的函数求解线性系统，完成大量的高级矩阵处理。此外，它还提供了大量强有力的二维、三维图形工具，可以方便、快捷地完成各种绘图操作。根据MATLAB可以实现的任务性质，可将其功能划分为如下几个方面。数值计算和符号计算功能：以矩阵作为数据操作的基本单位，提供了丰富的数值计算函数。与著名的符号计算语言——Maple相结合，使得MATLAB拥有了符号计算功能。绘图功能：提供了两个层次的绘图操作，一种是对图形句柄进行的低层绘图操作，另一种是建立在低层绘图操作之上的高层绘图操作。编程语言：具有程序结构控制、函数调用、数据结构、输入/输出、面向对象等程序语言特征。MATLAB工具箱：MATLAB包含两部分内容，即基本部分和各种可选的工具箱。MATLAB工具箱分为两大类：功能性工具箱和学科性工具箱。1.1.2MATLAB的特点MATLAB利用丰富的函数资源，为用户提供了最直观、最简洁的程序开发环境，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB的主要特点如下：语言简洁紧凑，使用方便灵活，函数丰富。运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，因此其提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活运用这些运算符可使程序变得极为简短。MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环、while循环、break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。MATLAB程序的可移植性较好，基本上无须修改就可以在各种计算机和操作系统上运行。MATLAB的图形功能强大，具有较强的编辑图形界面的能力。1.2MATLAB集成环境MATLAB7.0是高度集成的语言环境，用户可以从中运行MATLAB的常用函数、编写MATLAB的程序代码，还可以自定义设置集成环境的属性。本节将详细讲解如何使用MATLAB的集成环境。1.2.1启动与退出MATLAB系统的启动与Windows程序一样，有3种常用方法。选择“开始”|“程序”|MATLAB|MATLAB命令，即可启动MATLAB系统。利用Windows建立快捷方式的功能，将MATLAB程序以快捷方式图标的形式放在桌面上。只要在桌面上双击该图标，即可启动MATLAB。运行MATLAB系统启动程序matlab.exe。启动MATLAB后，将进入MATLAB7.0集成环境。MATLAB7.0集成环境主要由MATLAB主窗口、命令窗口（CommandWindow）、工作空间窗口（Workspace）、命令历史窗口（CommandHistory）、当前目录窗口（CurrentDirectory）和启动平台窗口（LaunchPad）等组成。当MATLAB安装完毕并首次启动时，展现在屏幕上的界面为MATLAB的默认界面，如图1.1所示。图1.1MATLAB7.0的默认初始界面要退出MATLAB系统，也有3种方法。单击MATLAB命令窗口右上角的“关闭”按钮。在命令窗口中选择File|Exit命令。在MATLAB命令窗口中输入Exit和Quit命令。1.2.2命令窗口MATLAB主窗口是指其工作界面，而命令窗口是其中最重要的窗口之一，如图1.2所示。用户可以在命令窗口中输入函数，然后显示运算的结果。命令窗口中的“”是命令提示符，表示MATLAB当前处于准备状态。在命令提示符后输入命令，并按下Enter键后，MATLAB就会解释执行所输入的命令。图1.2命令窗口通常情况下，用户可以在一个命令行输入一条命令，按下Enter键表示结束。但一个命令行也可以输入多条命令，用逗号分隔；若前一命令后带有分号，则逗号可以省略。例如：m=30,n=50m=20;n=45如果命令行很长，一行之内写不下，可以在第一行之后加上3个小黑点，并按下Enter键，然后在下一行继续写其他部分。3个小黑点称为续行符，即把下面的物理行看作该行的继续。在MATLAB中，有很多的控制键和方向键可用于命令行的编辑。提示：在MATLAB中，变量名是以字母开头，后接字母、数字或下划线的字符序列，最多19个字符，且区分字母的大小写。MATLAB提供的标准函数名必须用小写字母。说明：图中光标所在的空白区域是命令编辑区，用于输入命令和显示结果。1.2.3工作空间窗口工作空间窗口用于存储各种变量和结果。在该窗口中，将显示工作空间中所有变量的名称、字节数和变量类型，用户可对变量进行查看、编辑、保存和删除等操作，如图1.3所示。图1.3工作空间窗口1.2.4当前目录窗口当前目录是指运行文件时的工作目录，只有在当前目录或搜索路径下的文件、函数，用户才可以运行或调用。在当前目录窗口中，用户可以改变当前目录。此外，MATLAB还为文件提供了搜索功能。用户可以使用cd命令设置当前目录。例如，要将用户目录c:\mydir设置为当前目录，可在命令窗口输入如下命令。cdc:\mydirMATLAB的当前目录窗口如图1.4所示。图1.4当前目录窗口1.2.5命令历史窗口在默认情况下，命令历史窗口会保留从安装起所有用过的函数的历史记录，并标明使用时间。在该窗口中双击某一命令，即可再次运行该命令。此外，用户还可以根据需要删除保留的命令。典型的命令历史窗口如图1.5所示。图1.5命令历史窗口1.3MATLAB的基础操作为了便于读者理解，本节将结合一些具体的案例介绍MATLAB的基础操作，为后面章节的学习做好准备。1.3.1使用命令窗口下面将讲解如何在命令窗口中输入数值，并查看MATLAB将如何显示用户输入的数值或者矩阵数值。【案例1.1】演示矩阵的输入方法。（1）在命令窗口输入下面的命令：A=[123;456;789];按Enter键，命令被执行。（2）在命令执行后，MATLAB命令窗口中将显示以下结果，如图1.6所示。图1.6命令窗口的结果AA=123456789【案例分析】本例只是简单地演示如何输入矩阵的内容，关于矩阵输入的具体内容将在后面章节中具体分析。1.3.2绘制图形MATLAB的最大功能除了科学计算和数值运算之外，显示对应的图形也是其重要特色之一。在MATLAB中，用户可以使用简单的命令绘制出复杂的图形。下面就简单介绍一下MATLAB绘制图形的功能。【案例1.2】绘制函数的图形。（1）在命令窗口中输入下列内容：x=0:pi*0.05:2*pi;y=x.*exp(-x);plot(x,y)gridon（2）执行上述命令后，结果如图1.7所示。图1.7绘制超越函数的图形【案例分析】上述函数实质上是超越函数，如果使用其他软件，会比较复杂，需要使用多个函数。同时，用户可以根据需要编辑其图形。这些函数将在后面章节中进行详细的分析、讲解。1.3.3查看内存变量内存变量是MATLAB中的重要内容，MATLAB中的所有数据都保存在内存中。在进行一些复杂的操作和运算后，有时需要查看内存变量的内容和属性。对此，MATLAB提供了几个常见的函数，可以帮助用户方便、快捷地实现内存变量的查看。【案例1.3】查看MATLAB内存空间中包含的变量。在命令窗口中输入下列内容：whoYourvariablesare:AC1C2C3C4aemtxyz【案例分析】从上面的结果中可以看出，在当前MATLAB内存空间中包含多个变量，用户可以查看Workspace的变量情况，如图1.8所示。图1.8工作空间的变量【案例1.4】分析MATLAB中驻留变量的详细情况，其中包括变量名、数组维数、占用字节数和变量的类型（如双精度）等。（1）在命令窗口中输入下列内容：whosNameSizeBytesClassA3x372doublearrayC13x372doublearrayC22x232doublearrayC32x232doublearrayC42x232doublearraya1x18doublearraye1x41328doublearraym1x18doublearrayt1x2011608doublearrayx1x41328doublearrayy1x41328doublearrayz100x10080000doublearrayGrandtotalis10356elementsusing82848bytes（2）清除内存中的所有变量，然后重新查看内存情况。输入下面的命令：clear;whos【案例分析】从上面的结果中可以看出，当用户使用clear命令清除所有的变量后，内存中将不包含任何变量，如图1.9所示。图1.9清除变量后的情况1.4帮助系统MATLAB提供了大量的函数，功能十分强大。当遇到一些不熟悉的功能后，可以通过帮助系统获取帮助。本节将详细介绍MATLAB中的帮助系统。1.4.1帮助窗口用户可以通过以下3种方法进入MATLAB的帮助窗口：在MATLAB主窗口中单击工具栏中的Help按钮。在命令窗口中输入helpwin、helpdesk或doc。选择Help|MATLABHelp命令。1.4.2帮助命令MATLAB提供了多个帮助命令，主要包括help、lookfor以及模糊查询等。在命令窗口中输入help命令，将会显示帮助系统中所包含的所有项目。1．直接使用help命令【功能介绍】如果知道所要求助的主题词或命令名称，则可以使用help命令获得MATLAB提供的在线帮助。【案例1.5】查看关于绘图函数poly的帮助信息。在MATLAB的命令窗口中输入如下内容：helppolyPOLYConvertrootstopolynomial.POLY(A),whenAisanNbyNmatrix,isarowvectorwithN+1elementswhicharethecoefficientsofthecharacteristicpolynomial,DET(lambda*EYE(SIZE(A))-A).POLY(V),whenVisavector,isavectorwhoseelementsarethecoefficientsofthepolynomialwhoserootsaretheelementsofV.Forvectors,ROOTSandPOLYareinversefunctionsofeachother,uptoordering,scaling,androundofferror.ROOTS(POLY(1:20))generatesWilkinson'sfamousexample.ClasssupportforinputsA,V:float:double,singleSeealsoroots,conv,residue,polyval.Overloadedfunctionsormethods(oneswiththesamenameinotherdirectories)helpsym/poly.mReferencepageinHelpbrowserdocpoly.【案例分析】上面的帮助信息其实是程序开发人员对该函数提供的说明文字。2．分类搜索【案例1.6】显示帮助的分类名称明细表。在MATLAB的命令窗口中输入如下内容：helpHELPtopicsmatlab\general-Generalpurposecommands.matlab\ops-Operatorsandspecialcharacters.matlab\lang-Programminglangua