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1、第一章 MATLAB编程基础新主楼C-5031MATLABMatrix LaboratoryMATLABMatrix Laboratory语言特点语言特点: :n1）演算纸式、科学工程计算、高级语言n2）以矩阵（或向量）为基本计算单元，强大的矩阵运算能力n3）内嵌常用运算函数及数值计算函数：n小数圆整化函数fix，round，ceil，floorn复数创建和操作complex(a,b)，conj(z) ，real(z) ，imag(z)n数据处理（插值与拟合）、微/积分运算、代数/微分方程求解等n符号运算n4）强大的数据及图形处理能力n5）支持用户图形界面设计n6）支持外部接口设计半物理仿真应
2、用n数值计算n信号处理n系统识别n自动控制n振动理论n时序分析与建模n优化设计n神经网络控制n化学统计学n动态仿真系统n特殊函数和图形领域MATLAB表现出一般高级语言难以比拟的优势，并可以方便地用于几乎所有的科学和工程计算的各个方面可以说，MATLAB不仅是一种编程语言，而且在广义上是一种语言开发系统MATLABMATLAB语言是所有应用的基础语言是所有应用的基础主要内容n数据类型n矩阵操作n程序设计n图形可视化n图形用户界面开发n数值计算n参考文献：n1尹泽明，丁春利等.精通MATLAB6.5.清华大学出版社；n2罗华飞.MATLABGUI设计学习手记.北京航空航天大学出版社；n3高会生等
3、译.MATLAB原理与工程应用.电子工业出版社；1.1 MATLAB环境n目录和路径n命令窗口变量=表达式，；，,clc，工作空间n变量浏览器whos, clear all, save, 大小写nConmand History和实录diaryn桌面n程序编辑器变量工作空间n脚本n命令窗口输入并执行，所用变量均在基本工作空间中获取nM文件n使用MATLAB的Editor编制M文件。以.m格式存取，从工作空间创建并获取变量，工作空间中键入其名称即可运行n函数n关键字为function，以函数名.m文件格式存取，第一次执行时将生成内存代码，生成的变量存放在函数的工作区，需在MATLAB检索路径中（注
4、意：函数名称与文件名相同）1.2 基本程序元素n变量n局部变量：函数中设断点查询，脚本变量问题n全局变量：声明globaln永久变量：persistentn运算符运算符运算方式说 明运算符运算方式说明+、矩阵、数组运算加、减+、矩阵/数组运算加、减*、/矩阵运算乘、除. *数组运算数组乘矩阵运算左除，左边为除数. /数组运算数组左除 矩阵运算乘方.数组运算数组右除矩阵运算转置. 数组运算数组乘方：矩阵数组运算索引，用于增量操作. 数组运算数组转置变量区分字母的大小写变量必须以字母开头，之后可以是任意字母、数字或者下滑线变量中不能含有标点符号1.2 基本程序元素a=1,2,3a=123b=1;2
5、;3b=123c1=a(1)+a(2)+a(3)c1=6c2=a*bc2=14c3=b*ac3=123246369c4=c2.*c3c4=1428422856844284126c4=c2*c3c4=14284228568442841261.2 基本程序元素n关系运算符n逻辑运算符与函数关系运算符说 明小于=小于等于大于=大于等于= =等于 =不等于运算类型运算符与函数说 明元素运算&（and）逻辑与（or）逻辑或 （not）逻辑非xor逻辑异或捷径运算&对标量值的捷径与对标量值的捷径或x=(b&(a/b10)如果b为0，捷径运算符就不会计算（a/b10）的值了，也就避免了被0除的错误1.2 基
6、本程序元素n特殊运算符特殊运算符说 明 生成向量和矩阵 单元数组赋值( )算术运算中优先计算；封装函数参数=赋值语句共轭转置；两个之间为字符串%注释,分隔矩阵下标和函数参数:创建矢量、数组下标；循环迭代.域访问续行符;结束行；禁止显示结果；隔开声明函数句柄1.2 基本程序元素n常用函数1.2 基本程序元素n特殊表达式字符串计算表达式neval(expression)ny1,y2, =feval(fun_name,x1,xn)程序一：t=0:1:2*pi;y=eval(sin(t)；plot(y)程序二：t=0:1:2*pi;y=feval(sin,t)；plot(y)程序三：t=0:1:2*p
7、i;y=feval(sin,t)；plot(y)1.3 矩阵n创建n直接排列在方括号内，行与行间用分号，列与列间用逗号或空格nA=(start:step:end) 或 linspace(n1,n2,n)定义等间距分布行向量n特殊：neye(m,n)nzeros(m,n)nones(m,n)nrand(m,n)nmagic(n) nV=a1,a2,a3 A=diag(V)n高维可借助矩阵连接方式或cat,repmat,reshape等命令nrepmat(num,m,n)clear xticx(1)=1;for i=1:10000 x(i+1)=2*x(i);endtocclear xticx=z
8、eros(1,10000);x(1)=1;for i=1:10000 x(i+1)=2*x(i);endtoc1.3 矩阵n连接nC=A B：横向连接矩阵A、B，要求具有相同行数nC=A;B：纵向连接矩阵A、B，要求具有相同列数nC=cat(DIM,A,B): DIM=2 列连接，DIM=1：行连接n重塑矩阵形状nB=reshape(A,m,n) 或 B=reshape(A,m,n） a=48 49 50; b=98 99 100; a;bans = 48 49 50 98 99 100 a=abc;cde; reshape(a,3,2)ans =adccbe reshape(a,2,2)?
9、Error using = reshapeTo RESHAPE the number of elements must not change.1.3 矩阵n操作nA(m,n)：提取第m行，第n列元素。nA(:,n)：提取第n列元素。nA(m,:)：提取第m行元素。nA(m1:m2,n1:n2)：提取第m1行到第m2行和第n1列到第n2列的所有元素（提取子块）。nA(:)：得到一个长列矢量，该矢量的元素按矩阵的列进行排列。n矩阵扩展：矩阵扩展：如果在原矩阵中一个不存在的地址位置上设定一个数（赋值），则该矩阵会自动扩展行列数，并在该位置上添加这个数，而且在其他没有指定的位置补零。n消除子块：如果将
10、矩阵的子块赋值为空矩阵，则相当于消除了相应的矩阵子块。nm,n=size(A,x)：返回矩阵的行列数m与n，当x=1，则只返回行数m，当x=2，则只返回列数n。nlength(A)=max(size(A)：返回行数或列数的最大值。：返回行数或列数的最大值。nrank(A)：求矩阵的秩。1.3 矩阵n运算n转置：对于实矩阵用（）符号或（.）求转置结果是一样的；然而对于含复数的矩阵，则（）将同时对复数进行共轭处理，而（.）则只是将其排列形式进行转置。n矩阵运算符为+；-；*；和/；.*；.；./；.n只有维数相同的矩阵才能进行加减运算。n只有当两个矩阵中前一个矩阵的列数和后一个矩阵的行数相同时，才
11、可以进行乘法运算nab运算等效于求运算等效于求a*x=b的解；而的解；而a/b等效于求等效于求x*b=a的解。的解。n只有方阵才可以求幂。n点运算是两个维数相同矩阵对应元素之间的运算，在有的教材中也定义为数组运算。n矩阵求逆：inv(A)n求行列式：det(A)1.4 数据类型1.4 数据类型n函数数柄n特殊的数据结构，提供了间接调用函数方法n记录了函数的详细信息（如路径、函数名、类型以及可能存在的重载方法），立即执行不进行文件搜索，反复调用一个函数时使用可提高执行效率n用来标识子函数，并作为主函数的输出参数 例：主函数中返回子函数句柄functionout=myfunction（select
12、）switchselectcasecaselout=fun1；casecase2out=fun2；otherwiseout=endfunctiona=fun1（b，c）functiond=fun1（e，f）数据类型描述举例function handle函数句柄，指向一个函数。能传递给其他函数sinstr2func1.4 数据类型数据类型描述举例int8，uint8等带符号和无符号整数数组。存储空间比单精度或双精度数小。除int64和uint64外，其余都可用于数学运算flag=uint16（0）；a=uint8（3）+uint8（10）；b=int8（1：10）single单精度数数组。存储空
13、间比双精度小，数的精度和范围也比双精度小single（5*1038）double双精度数组。默认的数字类型默认的数字类型。二维数组可为稀疏数组3*103005+6ilogical逻辑值数组。逻辑值0或1分别代表真和假。二维数组可为稀疏数组magic(4) 71.4 数据类型n字符数组n用创建二维字符数组，必须保证每行有相同长度，可在短的字符串后加空格n用char函数创建二维字符数组，函数会自动添加空格a=abcd;efgb=char(abcd,efg)b(1)?b(5)?1.4 数据类型n常用字符串操作函数nstrcmp 和 isequal 函数调用格式函数说明strcatt = strcat
14、 (s1,s2,s3.)依次横向横向链接字符数组s1,s2,s3strvcatS = strvcat (t1, t2,t3)依次纵向向链接字符数组t1,t2,t3Strcat与的不同1)先将每个字符串尾部空格去掉2)含有字符串单元时不改变单元数组的维数1)比较字符串与字符单元，字符串与每个单元项比较，返回逻辑矩阵；2)比较两个字符单元，多维字符单元必须同维strcmp(ab;cd),cd)ans=01strcat(a,b,c)ans=acbca,b,cans=abc1.4 数据类型n常用字符串操作函数函数调用格式函数说明num2strstr = num2str(A)str = num2str(
15、A,precision)str = num2str(A,format)数字转化为字符串。Precision为最大精度，默认为五位精度，format为格式字符串str2numx = str2num(str)将字符串或字符数组转换为数字或矩阵;4位精度num2str（pi，%7.3f）ans=3.142str2num（3.14159e0）ans=3.1416str2num（12；34）ans=1234内容索引内容索引：左边=单元下标在花括号内右边=指定单元内容单元索引单元索引：左边=单元下标括在括号内右边=单元内容放在花括号内1.4 数据类型n单元数组C=cell(1,3)；CC=C(1)=daf
16、ei,liuqin；C(2)=B;A；C(3)=889998;988999；CC=1x2cell2x1char2x3doublecell数据类型描述举例cell array单元数组。各单元可存储不同维数、不同数据类型的数组，通过矩阵索引操作获取数据a1,1=Reda1,2=magic(4)celldisp(a)celldisp（C）C11=dafeiC12=liuqinC2=BAC3=999889991.4 数据类型n字符串单元nc=cellstr(S)：将字符数组S的每一行每一行变为字符串单元c的一个单独单元，并去掉尾部空格并去掉尾部空格week=Sunday;Monday;Tuesday;
17、a=cellstr(week)a=SundayMondayTuesday1.4 数据类型n结构数组：用字段来容纳数组results.name=dafei；results.rank=2；results.score=889998；resultsresults=name：dafeirank：2score:889998fieldnames（results）ans=namerankscores=struct（field1，value1，field2value2，）数据类型描述举例structure结构数组。利用一个字段域来容纳数据。每个域可保存不同维数不同类型数组a.day=12a.color=Redr
18、esults(2).name=liuqin；results(2).rank=2；results(2).score=606060；1.5 程序设计n程序类型n1、脚本文件n在命令窗口中输入并执行，所用变量均在工作空间中获取，不需要输入输出参数的调用，退出MATLAB后就释放了n2、程序文件（M文件）n使用MATLAB的Editor编制M文件。以.m格式进行存取，包含一连串MATLAB指令和必要的注解，从工作空间创建并获取变量（即处理的数据为命令窗口中的数据，没有输入参数，也不会返回参数），运行时只需在工作空间中键入其名称即可。n3、函数文件n关键字为function，函数第一次执行时将生成内存代
19、码，生成的变量存放在函数的工作区。需要注意函数文件的放置位置，一般自己的函数文件放在当前目录；如果对一个专题有了足够多的函数，可如果对一个专题有了足够多的函数，可以生成一个工具箱，以生成一个工具箱，放在一个固定的目录下，并在MATLAB中加入这个目录路径即可。1.5 程序设计n程序流程控制n调试说明清除命令：清除workspace中的变量和图形（clear,close）定义变量：包括全局变量的声明及参数值的设定逐行执行命令：指MATLAB提供的运算指令或工具箱提供的专用命令控制循环：包含for,ifthen,switch,while等语句逐行执行命令end绘图命令：将运算结果绘制出来1.5 程
20、序设计n函数文件程序编辑nEditor/Debugger程序编辑环境中，文字的不同颜色显示表明文字的不同属性。绿色：注解；黑色：程序主体；红色：属性值的设定；蓝色：控制流程。n子程序与主程序之间的数据是通过参数进行传递的，子程序应用主程序传递来的参数进行计算后，将结果返回主程序。n常用编程命令：npause：停止文件执行直至有键按下。pause(n)将使程序暂停n秒nechoon/off：控制是否在屏幕上显示程序内容nkeyboard：停止程序执行，把控制权交给键盘。输入return并回车后继续程序执行nx=input(prompt)：把输入的字符串作为提示符，等待使用者输入一个响应，然后把它
21、赋值到x1.5 程序设计n函数参数nn=nargin(fun)：返回函数fun定义的输入参数个数nn=nargout(fun)：返回函数fun定义的输出参数个数nvarargin和varargout：传送或返回不定数目的参数n如果在函数声明行将varargin作为最后一个输入参数，则函数在调用时可接受任意个变量。functionc=myfun(a,b)ifnargin2error(toomanyinputarguments.);elsec=a+b;end1.5 程序设计n函数参数nvarargin和varargout：传送或返回不定数目的参数n如果在函数声明行将varargin作为最后一个输入
22、参数，则函数在调用时可接受任意个变量组成一个单元数组，varargin为单元数组名。该单元数组第i个单元就是从varargin位置算起的第i个输入参数nVarargout也是一个预定义的单元数组，第i个单元是从varargout位置算起的第i个输出参数functionc=myfun(x,varargin)如果调用方式为mafun(a,b,c)则varargin是长度为2的单元数组并且varargin1=b,varargin2=c。funtionvarargout=myfun(x,y)ab=myfun(c,d)：varargout1的值赋给avarargout2的值赋给b。给定输出参数：func
23、tionzvarargout=myfun(x,y)1.5 程序设计n函数参数nnargchk和nargoutchkn函数体内使用，分别用于验证输入参数和输出参数的个数是否在规定的范围内。它们经常与error、nargin、和nargout函数一起用。msg=nargchk(minargs,maxargs,numargs)或msg=nargchk(minargs,maxargs,numargs,string)Functionc=myfun(a,varargin)Error(nargchk(2,3,nargin)在命令行输入：myfun(5)结果为：？Errorusing=myfunNotenou
24、ghinputarguments.1.6 图形可视化n绘图函数n图形管理n曲线/曲面图生成n注释及图形特性管理类生 成 类注释和特性类FigureSubplotZoomHoldplotpolarplotyyfill特殊功能函数stairs, stem, barsemilogx, semilogy, loglogxlabel, ylabel, titletext, legendbox, gridsetaxis, axis equal, axis offclabel3D3D3D viewrotate3dplot3surf, surfcwaterfallmesh,meshc,meshz contou
25、r,contours,contourfcylinderzlabel,text3colorbar, colormapshading1.4 绘图简介n基本二维绘图命令n选项参数option=LineStyleMarkerColor定义了图形曲线的颜颜色、线型及标示符号色、线型及标示符号，如：bd表示用蓝色虚线连接蓝色菱形点形式绘制数据plot（x1,y1,option1,x2,y2,option2,）1.4 绘图简介nLineWidth、MarkerEdgeColor、MarkerFaceColor、MarkerSizenColororder、LineStyleOrder：设置默认线条颜色和类型n
26、例：绘制0，2pi区间一条正弦曲线，采用线条宽度为2的蓝色点划线，标记为边缘红色填充绿色，大小为12像素的五星plot（x1,y1,option1,x2,y2,option2,） t=0:0.2:2*pi; y=sin(t); plot(t,y,-.pb,LineWidth,2,MarkerSize,12,.MarkerEdgeColor,r,MarkerFaceColor,g)1.4 绘图简介n简单的图形控制命令包括：n（1）clc：清除命令窗口。n（2）grid：自动在所画出的图形坐标中添加栅格，注意用在plot之后。n（3）holdon：允许在同一坐标系下绘制不同的图形。n（4）hold
27、off：释放当前图形窗口，绘制的下一幅图形将作为当前图形，即覆盖原来的图形，这是MATLAB的缺省状态。n（5）选择图像：figure（1）；figure（2）；figure(n)。打开不同的图形窗口，以便绘制不同的图形。MATLAB在缺省状态下，只打开一个图形窗口。n（6）subplot（m,n,p）或subplot（mnp）：分割图形显示窗口。将图形窗口分成m行n列的子窗口，序号为p的子窗口为当前窗口。子窗口的编号由上至下，由左至右。1.4 绘图简介n设定轴的范围：naxis（xminxmaxyminymax）naxis(equal)：将x坐标轴和y坐标轴的单位刻度大小调整为一样。n文字标
28、示：ntext(x,y,字符串)：在图形的指定坐标位置(x,y)处，标示单引号括起来的字符串。ngtext(字符串)：利用鼠标在图形的某一位置标示字符串。ntitle(字符串)：在所画图形的最上端显示说明该图形标题的字符串。nxlabel(字符串)，ylabel(字符串)：设置x，y坐标轴的名称。n输入特殊的文字需要用反斜杠（）开头。nlegend(字符串1,字符串2,字符串n)nfill(x,y,color)1.4 绘图简介n绘图工具nbox,grid,axis，pan，zoon，datacursormoden窗口介绍、copy subplot 221 plot(sin(0:0.1:1.2*
29、pi) box off subplot 222 plot(sin(0:0.1:1.2*pi) grid on subplot(2,2,3 4) plot(cos(0:0.1:2*pi) grid minorlegend(余弦)1.4 绘图简介n特殊绘图nsemilogx：绘制以x轴为对数坐标（以10为底），y轴为线性坐标的半对数坐标图形。nsemilogy：绘制以y轴为对数坐标（以10为底），x轴为线性坐标的半对数坐标图形。n应用型绘图指令：可用于数值统计分析或离散数据处理nbax（x,y）；hist（y,x）nstairs（x,y）；stem（x,y）1.4 绘图简介n特殊绘图nsemilo
30、gx：绘制以x轴为对数坐标（以10为底），y轴为线性坐标的半对数坐标图形。nsemilogy：绘制以y轴为对数坐标（以10为底），x轴为线性坐标的半对数坐标图形。n应用型绘图指令：可用于数值统计分析或离散数据处理nbax（x,y）；hist（y,x）nstairs（x,y）；stem（x,y）1.4 绘图简介%examclcclear%绘制对应于每个输入x的输出y的高度条形图subplot(221)x=12345678910;y=56348110356;bar(x,y)%绘制x1在以y1为中心的区间中分布的个数条形图subplot(222)x1=randn(1,1000);%生成1000个各随
31、机数y1=-3:0.1:3;hist(x1,y1)%绘制y2对应于x2的梯形图subplot(223)x2=0:0.1:10;y2=1./(x2.3-2.*x2+4);stairs(x2,y2)%绘制y3对应于x3的散点图subplot(224)x3=0:0.1:10;y3=1./(x2.3-2.*x2+4);stem(x3,y3)1.4 绘图简介n三维绘图nPlot3(x1,y1,z1,S1,x2,y2,z2,S2,) t=0:pi/50:10*pi; plot3(t.*sin(t),t.*cos(t),t) text(0,0,0,Origin) title(Helix),xlabel(si
32、n(t),ylabel(cos(t),zlabel(t) grid1.4 绘图简介n网格图X,Y,Z=peaks(30);mesh(X,Y,Z)grid,xlabel(x-axis),ylabel(y-axis),zlabel(z-axis)title(meshofpeaks)1.4 绘图简介n曲面图X,Y,Z=peaks(30);surf(X,Y,Z)grid,xlabel(x-axis),ylabel(y-axis),zlabel(z-axis)title(surfofpeaks)练习题n将y按升序排列，然后根据向量y中新的元素顺序重新排列向量zny=-1,6,15,-7,31,2,-4,
33、-5nz=10,20,30,40,50,60,70,80;n进行下列计算，给出不使用for和while等循环语句的计算方法;n1 . n2.求出y=x*sin(x) 在0x100的每个峰值，并绘制曲线练习题n1：将y按升序排列，然后根据向量y中新的元素顺序重新排列向量zny=-1,6,15,-7,31,2,-4,-5nz=10,20,30,40,50,60,70,80;nMATLAB语句：nynew,indx=sort(y);nznew=z(indx)n执行结果：nynew=-7 -5 -4 -1 2 6 15 31nindx=4 8 7 1 6 2 3 5nznew=40 80 70 10 60 20 30 50
