數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)作業(yè)

碩士研究生非筆試課程考核報(bào)告（以論文或調(diào)研報(bào)告等形式考核用）2015至2016學(xué)年第1學(xué)期考核課程：數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)提交日期：2015年12月8日?qǐng)?bào)告題目：淺議matlab的功能與應(yīng)用考核成績(jī)考核成績(jī)考核人姓名蔡永守學(xué)號(hào)2014015105年級(jí)2014級(jí)專業(yè)建筑與土木工程所在學(xué)院土木學(xué)院山東建筑大學(xué)研究生處制【本文摘要】Matlab是功能強(qiáng)大的工程計(jì)算和數(shù)據(jù)處理、分析軟件，為科學(xué)工作者帶來(lái)了極大的便利。本文介紹了MATLAB的發(fā)展歷程和影響，并重點(diǎn)介紹了MATLAB的功能和作用，以及其在工作的運(yùn)用?！娟P(guān)鍵詞】Matlab

數(shù)據(jù)處理MATLAB的簡(jiǎn)介MATLAB是“MatrixLaboratory”的縮寫(xiě)，意為“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，是當(dāng)今美國(guó)很流行的科學(xué)計(jì)算軟件．信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到今天，科學(xué)計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用．在許多諸如控制論、時(shí)間序列分析、系統(tǒng)仿真、圖像信號(hào)處理等方面產(chǎn)生了大量的矩陣及其相應(yīng)的計(jì)算問(wèn)題．自己去編寫(xiě)大量的繁復(fù)的計(jì)算程序，不僅會(huì)消耗大量的時(shí)間和精力，減緩工作進(jìn)程，而且往往質(zhì)量不高．美國(guó)Mathwork軟件公司推出的MATLAB軟件就是為了給人們提供一個(gè)方便的數(shù)值計(jì)算平臺(tái)而設(shè)計(jì)的．MATLAB是一個(gè)交互式的系統(tǒng)，它的基本運(yùn)算單元是不需指定維數(shù)的矩陣，按照IEEE的數(shù)值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)（能正確處理無(wú)窮數(shù)Inf(Infinity)、無(wú)定義數(shù)NaN(not-a-number)及其運(yùn)算）進(jìn)行計(jì)算．系統(tǒng)提供了大量的矩陣及其它運(yùn)算函數(shù)，可以方便地進(jìn)行一些很復(fù)雜的計(jì)算，而且運(yùn)算效率極高．MATLAB命令和數(shù)學(xué)中的符號(hào)、公式非常接近，可讀性強(qiáng)，容易掌握，還可利用它所提供的編程語(yǔ)言進(jìn)行編程完成特定的工作．除基本部分外，MATLAB還根據(jù)各專門(mén)領(lǐng)域中的特殊需要提供了許多可選的工具箱，如應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的ControlSystem工具箱和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中NeuralNetwork工具箱等。MATLAB的基本功能MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連matlab開(kāi)發(fā)工作界面接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫(xiě)了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。MATLAB的安裝MATLAB有各種版本，早期有MATLAB1.0for386的DOS版本，后來(lái)逐步發(fā)展．這里介紹的版本是MATLAB6.xforWindows．因?yàn)樗褂梅奖?，界面美觀，我們選擇它作為主要講解版本．MATLAB還有許多附加的部分，最常見(jiàn)的部分稱為Simulink，是一個(gè)用作系統(tǒng)仿真的軟件包，它可以讓您定義各種部件，定義各自對(duì)某種信號(hào)的反應(yīng)方式及與其它部件的連接方式．最后選擇輸入信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)仿真運(yùn)行整個(gè)模擬系統(tǒng)，并給出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)．Simulink有時(shí)是作為MATLAB的一部分提供的，稱為MATLABwithSimulink版本．MATLAB還有許多工具箱，它們是根據(jù)各個(gè)特殊領(lǐng)域的需要，用MATLAB自身的語(yǔ)言編寫(xiě)的程序集，使用起來(lái)非常方便．您可以視工作性質(zhì)和需要購(gòu)買相應(yīng)的工具箱．常見(jiàn)的工具箱有：SignalProcess信號(hào)處理SystemIdentification系統(tǒng)辨識(shí)Optimization優(yōu)化NeuralNetwork神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ControlSystem自動(dòng)控制Spline樣條SymbolicMath符號(hào)代數(shù)ImageProcess圖像處理NonlinearControl非線性控制Statistics統(tǒng)計(jì)MATLAB的基本用法從Windows中雙擊MATLAB圖標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)MATLAB命令窗口（CommandWindow），在一段提示信息后，出現(xiàn)系統(tǒng)提示符“>>”．MATLAB是一個(gè)交互系統(tǒng)，您可以在提示符后鍵入各種命令，通過(guò)上下箭頭可以調(diào)出以前打入的命令，用滾動(dòng)條可以查看以前的命令及其輸出信息．如果對(duì)一條命令的用法有疑問(wèn)的話，可以用Help菜單中的相應(yīng)選項(xiàng)查詢有關(guān)信息，也可以用help命令在命令行上查詢，您可以試一下help、helphelp和helpeig（求特征值的函數(shù)）命令．四、MATLAB的應(yīng)用。MATLAB產(chǎn)品族可以用來(lái)進(jìn)行以下各種工作：●數(shù)值分析●數(shù)值和符號(hào)計(jì)算●工程與科學(xué)繪圖●控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真●數(shù)字圖像處理技術(shù)●數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)●通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真●財(cái)務(wù)與金融工程MATLAB的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用MATLAB函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問(wèn)題。發(fā)展歷程20世紀(jì)70年代，美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任CleveMoler為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用FORTRAN編寫(xiě)了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市場(chǎng)。到20世紀(jì)90年代，MATLAB已成為國(guó)際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。五、MATLAB的特點(diǎn)

1、語(yǔ)言新特點(diǎn)

（1）數(shù)據(jù)類型和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)

MATLAB6.x版與舊版最顯著的不同在于數(shù)據(jù)類型的變化。6.x版現(xiàn)有六種基本數(shù)據(jù)類型：雙精度數(shù)組、字符串?dāng)?shù)組、元胞數(shù)組、構(gòu)架數(shù)組、稀疏矩陣和unit8數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)類型的變革，面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)的采用，所產(chǎn)生的影響是廣泛而深層的。這種影響首先表現(xiàn)在MATLAB的自身。從5.0版起，MATLAB就用新數(shù)據(jù)類型逐步地對(duì)其自身的函數(shù)指令加以改造。這個(gè)過(guò)程一直延續(xù)到6.x版才基本完成。比如6.x版就推出了一組名稱全新（求取極小值等）的泛函指令，它們優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置是采用構(gòu)架數(shù)組進(jìn)行的。再如6.x版提供的常微分方程解算指令ODESolver的參數(shù)設(shè)置也全是靠新數(shù)據(jù)類型進(jìn)行的。

新數(shù)據(jù)類型和面向?qū)ο蠹夹g(shù)的影響之二：若干通用工具包的相應(yīng)升級(jí)。以符號(hào)計(jì)算為例，在MATLAB4.2c中，SymbolicMathToolbox1.0版處理符號(hào)計(jì)算的指令形式與數(shù)值計(jì)算指令形式很不協(xié)調(diào)，顯得十分生硬。比如，符號(hào)矩陣的“四則”運(yùn)算的舊版指令分別是symadd,symsub,symmul和inverse。但在6.x版中，符號(hào)工具包已升級(jí)為2.0版，新的“四則”符號(hào)運(yùn)算指令形式上與數(shù)值計(jì)算完全相同，它們分別是+,-,*,/。新的符號(hào)計(jì)算形式已被改造得與“MATLAB風(fēng)格數(shù)值計(jì)算形式”渾然統(tǒng)一。

新數(shù)據(jù)類型和面向?qū)ο蠹夹g(shù)影響之三：一系列的應(yīng)用工具包相繼升級(jí)。這不僅使應(yīng)用工具包表現(xiàn)更為友善，而且功能大大加強(qiáng)。以控制工具包為例，新版利用構(gòu)架數(shù)組和重載技術(shù)，把線性時(shí)不變系統(tǒng)（LinearTime-Invariantsystem）設(shè)計(jì)為“LTI對(duì)象”。這樣處理后，不管LTI是由傳遞函數(shù)產(chǎn)生、由零極點(diǎn)增益方式產(chǎn)生，還是由狀態(tài)方程形式創(chuàng)建，只要是LTI對(duì)象，它們之間就可方便地進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。

（2）控制流和函數(shù)類型

新版MATLAB的控制流新增了多分支結(jié)構(gòu)switch-case、try-catch結(jié)構(gòu)和警告提示指令error、warning。這進(jìn)一步提高了程序的可讀性和運(yùn)行可靠性。

新版的函數(shù)類型大大豐富，適應(yīng)編制和管理復(fù)雜程度不同的程序。例如內(nèi)聯(lián)函數(shù)比較簡(jiǎn)練，適用于各類比較簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型。而子函數(shù)、私用函數(shù)的增添，使得復(fù)雜函數(shù)比較容易組織，既提高了軟件的“重用度”，又避免了眾多內(nèi)存變量名的沖突、龐大工具庫(kù)的函數(shù)名沖突。

為函數(shù)設(shè)計(jì)了新的變長(zhǎng)度輸入輸出宗量varagin、varagout。采用了這種變長(zhǎng)度宗量，MATLAB自身的新版指令被進(jìn)一步“柔性化”。一個(gè)指令可以接受任意多個(gè)輸入宗量，可以產(chǎn)生任意多個(gè)輸出宗量，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要?？墒沟盟羞@些措施使得MATLAB能更加便捷地編制復(fù)雜的大型程序。當(dāng)然，用戶也可以借助這種變長(zhǎng)度宗量來(lái)編制靈活多變的應(yīng)用程序。

工作環(huán)境

所謂工作環(huán)境是指：幫助系統(tǒng)、工作內(nèi)存管理、指令和函數(shù)管理、搜索路徑管理、操作系統(tǒng)、程序調(diào)試和性能剖析工具等。

1、傳統(tǒng)工作環(huán)境

與同時(shí)期其他數(shù)學(xué)類軟件相比，舊版MATLAB的工作環(huán)境雖屬比較友善之列，但其工作環(huán)境確實(shí)比較“單調(diào)”。它的幫助系統(tǒng)是“純文本”形式的；內(nèi)存管理、路徑管理、調(diào)試工具是單純指令操縱形式的；文件類型也形式單一，僅有M文件和MAT文件。4.2c版情況開(kāi)始變化，但那只是過(guò)渡形式。

2、工作環(huán)境新特點(diǎn)

（1）大量引入圖形用戶界面

6.x版改變了過(guò)去單調(diào)依靠“在指令窗通過(guò)純文本形指令進(jìn)行各種操作”面貌，引入了許多讓使用者一目了然的圖形界面，如在線幫助的交互型界面helpwin，管理工作內(nèi)存的workspace，交互式的路徑管理界面pathtool，指令窗顯示風(fēng)格設(shè)置界面等。它們的開(kāi)啟方式有：工具條圖標(biāo)開(kāi)啟、選擇菜單項(xiàng)開(kāi)啟，直接“文本式”指令開(kāi)啟。

6.x版更進(jìn)一步把圖形顯示窗改造成了交互操作的可編輯圖形界面。

（2）引入了全方位幫助系統(tǒng)

“臨場(chǎng)”在線幫助：這些幫助內(nèi)容，大多嵌附在M文件中，即時(shí)性強(qiáng)，反應(yīng)速度快。它對(duì)求助內(nèi)容的回答最及時(shí)準(zhǔn)確。MATLAB舊版就一直采用這種幫助系統(tǒng)，并深受用戶歡迎。新版保留原功能的同時(shí)，還新增一個(gè)內(nèi)容與之完全對(duì)應(yīng)的圖形界面helpwin，加強(qiáng)了對(duì)用戶的向?qū)А?/p>

綜合型在線幫助文庫(kù)helpdesk：該文庫(kù)以HTML超文本形式獨(dú)立存在。整個(gè)文庫(kù)按MATLAB的功能和核心內(nèi)容編排，系統(tǒng)性強(qiáng)，且可以借助“超鏈接”方便地進(jìn)行交叉查閱。但是，這部分內(nèi)容偶而發(fā)生與真實(shí)M文件脫節(jié)的現(xiàn)象。

完整易讀的PDF文檔：這部分內(nèi)容與HTML幫助文庫(kù)完全對(duì)應(yīng)。PDF文檔不能直接從指令窗中開(kāi)啟，而必須借助AdobeAcrobatReader軟件閱讀。這種文件的版面清楚、規(guī)范，適宜有選擇地系統(tǒng)閱讀，也適宜于制作硬拷貝。

演示軟件demo：這是一個(gè)內(nèi)容廣泛的演示程序。MATLAB一向重視演示軟件的設(shè)計(jì)，因此無(wú)論MATLAB舊版還是新版，都隨帶各自的演示程序。只是，新版內(nèi)容更豐富了。

（3）M文件編輯、調(diào)試的集成環(huán)境

新的編輯器有十分良好的文字編輯功能。它可采用色彩和制表位醒目地區(qū)分標(biāo)識(shí)程序中不同功能的文字，如運(yùn)算指令、控制流指令、注釋等。通過(guò)編輯器的菜單選項(xiàng)可以對(duì)編輯器的文字、段落等風(fēng)格進(jìn)行類似Word那樣的設(shè)置。

從5.2版起，還新增了“變量現(xiàn)場(chǎng)顯示”功能，只要把鼠標(biāo)放在變量名上（Mouseover），就能在現(xiàn)場(chǎng)顯示該變量的內(nèi)容。

在6.x版中，調(diào)試器已經(jīng)被圖形化，它與編輯器集成為一體。只需點(diǎn)動(dòng)交互窗上的調(diào)試圖標(biāo)就可完成對(duì)程序的調(diào)試。

（4）M文件的性能剖析

調(diào)試器只負(fù)責(zé)M文件中語(yǔ)法錯(cuò)誤和運(yùn)行錯(cuò)誤的定位，而性能剖析指令profile將給出程序各環(huán)節(jié)的耗時(shí)分析報(bào)告。6.x版剖析指令的分析報(bào)告特別詳細(xì)，它將幫助用戶尋找影響程序運(yùn)行速度的“瓶頸”所在，以便改進(jìn)。

（5）Notebook新的安裝方式

從4.2c版引入Notebook以來(lái)，這種集文字、計(jì)算、圖形于一體的“活”環(huán)境就深受用戶贊賞。但直到5.2版至，Notebook的安裝都是與MATLAB的安裝同步進(jìn)行的。這種安裝方式的不便之處是：一旦Word發(fā)生變動(dòng)，就必須把MATLAB全盤(pán)重裝。6.x版改變了這種局面，它可以在MATLAB指令窗中“隨時(shí)”進(jìn)行安裝Notebook，省時(shí)靈活。

（6）MATLAB環(huán)境可運(yùn)行文件的多樣化

舊版中，用戶可編制和運(yùn)行的程序文件只有M腳本文件和M函數(shù)文件。6.x版新增了產(chǎn)生偽代碼P文件的pcode指令和產(chǎn)生二進(jìn)制MEX文件的mex指令。較之M文件，這兩種文件的運(yùn)行速度要快得多，保密性也好。

圖視系統(tǒng)六、MATLAB中有趣的演示實(shí)例MATLAB中也同樣有許多有意思的實(shí)例，為提高讀者對(duì)MATLAB和Simulink的興趣，特舉部分以供參考。具體如下，運(yùn)行的時(shí)候只要將“：”前面的代碼復(fù)制到MATLAB中就可以了，隨之會(huì)出現(xiàn)各種各樣的演示實(shí)例，對(duì)初學(xué)者幫助不小?！羝矫媾c立體繪圖graf2d：XY平面繪圖（火柴棒）graf2d2：XYZ立體繪圖（切片）hndlgraf：平面顯示線型處理窗口及命令演示hndlaxis：平面顯