第一章 MATLAB基础

第一章MATLAB基础1.1MATLAB概述1.1.1MALTAB简介Matlab是“MatrixLaboratory”的缩写，意为“矩阵实验室”，主要适用于矩阵运算及控制和信息处理领域的分析设计。它使用方便，输入简便，运算高效、内容丰富、容易由用户自行扩展。现已成为美国和其它发展中国家大学教学和科研中不可缺少的工具。Matlab是一个交互式的系统，它的基本运算单元是不需指定维数的矩阵，按照IEEE的数值计算标准（能正确处理无穷数Inf(Infinity)、无定义数NaN(not-a-number)及其运算）进行计算．系统提供了大量的矩阵及其它运算函数，可以方便地进行一些很复杂的计算，而且运算效率极高．Matlab命令和数学中的符号、公式非常接近，可读性强，容易掌握，还可利用它所提供的编程语言进行编程完成特定的工作。Matlab自1984年推出以来，版本不断升级，1992年4.x版，1997年5.0版,1999年5.3版,2000年6.0版，2004年7.0版，从2006年起,MathWorks公司每年发布两次以年份命名的MATLAB版本，如R2006a（MATLAB7.2）、R2006b（MATLAB7.3）、R2007a（MATLAB7.4）、R2007b（MATLAB7.5）、R2008a（MATLAB7.6）、R2008b（MATLAB7.7）、R2009a（MATLAB7.8）、R2009b（MATLAB7.9）等。历经几十年的发展和竞争，现已成为国际最优秀的科技应用软件之一。1.1.2MATLAB的特点1.功能强大MATLAB具有数值计算和符号计算功能，以及简单易用的绘图功能，MATLAB提供了各种工具箱，用于求各类（各学科）应用问题，另外，还提供了仿真工具。2.语言简单Matlab语言是一种解释执行的语言（在没被专门的工具编译之前），它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。Matlab语言与其它语言相比，较好地解决了编辑、编译、连接和执行问题，融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。3．扩充能力强Matlab语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且Matlab的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可作为Matlab的库函数来调用。用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高Matlab使用效率和扩充它的功能。另外，为了充分利用Fortran、C等语言的资源，包括用户已编好的Fortran，C语言程序，混合编程，方便地调用有关的Fortran，C语言的子程序。4．语句简单，内涵丰富Mat1ab语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为[a，b，c,…]=fun（d，e，f，…），即一个函数由函数名fun，输入变量d，e，f,……和输出变量a，b，c……组成，对同一函数名fun，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输出变量，代表着不同的含义（有点像面向对象中的多态性）。这不仅使Matlab的库函数功能更丰富，而大大减少了需要的磁盘空间，使得Matlab编写的M文件简单、短小而高效。1.1.3MATLAB的主要功能1．数值计算和符号计算功能MATLAB以矩阵作为数据操作的基本单位，还提供了十分丰富的数值计算函数。MATLAB和著名的符号计算语言Maple与MuPAD（从MATLAB2008b开始使用MuPAD）相结合，使得MATLAB具有符号计算功能。2．绘图功能MATLAB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。3．编程语言MATLAB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，而且简单易学、编程效率高。4．MATLAB工具箱MATLAB包含两部分内容：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。除基本部分外，Matlab还根据各专门领域中的特殊需要提供了许多可选的工具箱，如应用于自动控制领域的ControlSystem工具箱和神经网络中NeuralNetwork工具箱等．1.2Matlab的集成环境1.2.1启动与退出MATLAB集成环境安装MATLAB7.X系统，需运行系统自带的安装程序setup.exe，可以按照安装提示依次操作。与一般的Windows程序一样，启动MATLAB系统有3种常见方法：(1)使用Windows“开始”菜单。(2)运行MATLAB系统启动程序matlab.exe。(3)双击桌面的MATLAB图标。启动MATLAB后，将进入MATLAB7.x集成环境。MATLAB7.x集成环境包括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)。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，如下图1.1所示。图11.1（7.5版）要退出MATLAB系统，也有3种常见方法：(1)在MATLAB主窗口File菜单中选择ExitMATLAB命令。(2)在MATLAB命令窗口输入Exit或Quit命令。(3)单击MATLAB主窗口的“关闭”按钮。1.2.2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，还主要包括菜单栏和工具栏。1．菜单栏MATLAB的菜单栏包括7个菜单项，其中File菜单实现有关文件的操作，Edit菜单用于命令窗口的编辑操作，Debug菜单用于程序调试，Parallel菜单用于设置并行计算的运行环境，Desktop菜单用于设置MATLAB集成环境的显示方式，Window菜单用于关闭所有打开的编辑器窗口或选择活动窗口，Help菜单用于提供帮助信息。2．工具栏MATLAB的工具栏提供了一些命令按钮（包括新建文件、打开文件、剪切、复制和粘贴等常用图标）和一个当前路径列表框。这些命令按钮有对应的菜单命令，但比菜单命令使用起来更快捷、方便。1.2.3命令窗口(CommandWindow)命令窗口是MATLAB的主要交互窗口，用于输入命令并显示除图形以外的所有执行结果。MATLAB命令窗口中的“”为命令提示符，表示MATLAB正在处于准备状态。在命令提示符后键入命令并按下回车键后，MATLAB就会解释执行所输入的命令，并在命令后面给出计算结果。一般来说，一个命令行输入一条命令，命令行以回车结束。但一个命令行也可以输入若干条命令，各命令之间以逗号分隔，若前一命令后带有分号，则逗号可以省略。例如p=15,m=35p=15;m=35如果一个命令行很长，一个物理行之内写不下，可以在第一个物理行之后加上3个小黑点并按下回车键，然后接着下一个物理行继续写命令的其他部分。3个小黑点称为续行符，即把下面的物理行看作该行的逻辑继续。在MATLAB里，有很多的控制键和方向键可用于命令行的编辑。1.2.4工作空间窗口工作空间是MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、保存和删除。1.2.5当前目录窗口和搜索路径1．当前目录窗口当前目录是指MATLAB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、函数可以被运行或调用。在当前目录窗口中可以显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件并提供搜索功能。将用户目录设置成当前目录也可使用cd命令。例如，将用户目录c:\mydir设置为当前目录，可在命令窗口输入命令：cdc:\mydir2．MATLAB的搜索路径当用户在MATLAB命令窗口输入一条命令后，MATLAB按照一定次序寻找相关的文件。基本的搜索过程是：(1)检查该命令是不是一个变量。(2)检查该命令是不是一个内部函数。(3)检查该命令是否当前目录下的M文件。(4)检查该命令是否MATLAB搜索路径中其他目录下的M文件。用户可以将自己的工作目录列入MATLAB搜索路径，从而将用户目录纳入MATLAB系统统一管理。设置搜索路径的方法有：(1)用path命令设置搜索路径。例如，将用户目录c:\mydir加到搜索路径下，可在命令窗口输入命令：path(path,’c:\mydir’)(2)用对话框设置搜索路径。在MATLAB的File菜单中选SetPath命令或在命令窗口执行pathtool命令，将出现搜索路径设置对话框。通过AddFolder或AddwithSubfolder命令按钮将指定路径添加到搜索路径列表中。在修改完搜索路径后，则需要保存搜索路径。1.2.6命令历史记录窗口命令历史窗口可以内嵌在MATLAB主窗口的右下部，也可以浮动在主窗口上。在默认设置下，历史记录窗口中会自动保留自安装起所有用过的命令的历史记录，并且还标明了使用时间，从而方便用户查询。而且，通过双击命令可进行历史命令的再运行。如果要清除这些历史记录，可以选择Edit菜单中的ClearCommandHistory命令。1.2.7启动平台窗口和Start按钮MATLAB7.x的启动平台窗口可以帮助用户方便地打开和调用MATLAB的各种程序、函数和帮助文件。MATLAB7.x主窗口左下角还有一个Start按钮，单击该按钮会弹出一个菜单，选择其中的命令可以执行MATLAB产品的各种工具，并且可以查阅MATLAB包含的各种资源。1.3数据与变量1.3.1表达式Matlab的表述语句、变量的类型说明由Matlab系统解释和判断,Matlab语句通常形式为：（1）变量=表达式或者使用其简单形式：（2）表达式其中表达式是用运算符将有关运算量连接起来的式子，其结果是一个矩阵。显示在屏幕上，同时保存在变量中以留用．如果变量名和“=”省略，则具有ans名(意思指回答)的变量将自动建立．例1-1：设球的半经为r=2,求球的体积334rV解:在命令窗口输入以下代码：r=2r=2V=4/3*pi*r^3%pi为系统内置常量，乘方用^表示V=33.5103需注意的问题有以下几点：语句结束键入回车键，若语句的最后一个字符是分号，即“;”，则表明不输出当前命令的结果．如果表达式很长，一行放不下，可以键入“…”（三个点，但前面必须有个空格，目的是避免将形如“数2…”理解为“数2.”与“..”的连接，从而导致错误），然后回车．Matlab变量字母区分大小写，如A和a不是同一个变量，函数名一般使用小写字母，如inv(A)不能写成INV(A)，否则系统认为未定义函数．例1-2(续)：r=2;V=4/3*pi*r^3V=33.5103%用分号时，r的结果不显示r=2,V=4/3*pi…%用三个“…”表示续行*r^3%因为是接上一行，前面没有提示符r=2V=33.5103若需要修改已执行过的命令行，可以在命令历史窗口中找到该命令行复制，再粘贴至命令窗口修改，也可直接使用↑、↓键调出已执行的命令进行修改。例如，现将半经改为9，那么使用上述方法得：r=9;%更新r值V=4/3*pi*r^3%使用↑键直接调出.V=3.0536e+0031.3.2数据显示格式MATLAB用十进制数表示一个常数，具体可采用日常记数法和科学记数法两种表示方法。MATLAB默认的数据显示格式为短格式（short），当结果为整数时，就作为整数显示，当结果是实数时，则以小数点后4位的长度显示；若结果的数据的有效数字超出一定范围，则使用科学记数法显示；在一般情况下，MATLAB内部每一个数据元素都是用双精度数来表示和存储的。数据输出时用户可以用format命令设置或改变数据输出格式。format命令的格式为：format格式符其中格式符决定数据的输出格式表1-1format命令的格