第1章 MATLAB操作基礎(chǔ)1

第1章MATLAB操作基礎(chǔ)

1.1MATLAB概述

1.2MATLAB的運(yùn)行環(huán)境與安裝

1.3MATLAB集成環(huán)境

1.4MATLAB幫助系統(tǒng)

第1章MATLAB操作基礎(chǔ)

1.1MATLAB概述

1.2MATLAB的運(yùn)行環(huán)境與安裝

1.3MATLAB集成環(huán)境

1.4MATLAB幫助系統(tǒng)1.1MATLAB概述70年代后期，CleverMoler講授線性代數(shù)課程時(shí)，編寫的接口程序。取名為MATLAB(matrix和laboratory)矩陣實(shí)驗(yàn)室。作為教學(xué)輔助免費(fèi)軟件。(用FORTRAN編制)80年代初，JohnLittle和CleverMoler等一起，用C語言開發(fā)了第二代專業(yè)版。具備了數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。隨后，他們成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市場。1.1.1MATLAB的發(fā)展

1984年，MATLAB第1版(DOS版)

1992年，MATLAB4.0版

1994年，MATLAB4.2版

1997年，MATLAB5.0版

1999年，MATLAB5.3版

2000年，MATLAB6.0版

2001年，MATLAB6.1版

2002年，MATLAB6.5版

2004年，MATLAB7.0版2005年，MATLAB7.1版2010年，MATLAB7.11版1.1.1MATLAB的主要應(yīng)用領(lǐng)域1.航空航天/國防工業(yè)

2.汽車工業(yè)3.電信行業(yè)4.計(jì)算機(jī)外設(shè)開發(fā)5.教育6.科學(xué)研究7.金融財(cái)務(wù)8.管理科學(xué)當(dāng)然也包括我們光學(xué)工程中的應(yīng)用（光柵）例子：光柵光柵衍射的公式為：其中x為觀察屏上點(diǎn)坐標(biāo)，D為觀察屏到光柵的垂直距離，a為光柵各縫的寬度，d為光柵常數(shù)，d=a+b，b是相鄰狹縫的間距；N是光柵上狹縫的數(shù)目；λ是光波波長。a=0.01e-3;b=0.04e-3;d=a+b;D=1;N=8;%為光柵各個(gè)參數(shù)賦值lamda=600e-9;%光的波長x=-0.2:0.0003:0.2;y=-1:0.03:1;%屏上觀察平面的大小[X,Y]=meshgrid(x,y);%組成數(shù)據(jù)網(wǎng)格sinsita=X./(D^2+X.^2).^0.5;%計(jì)算sin(θ)arfa=pi*a*sinsita./lamda;%計(jì)算αbeita=pi*d*sinsita./lamda;%計(jì)算βI=(sin(arfa).^2./(arfa.^2)).*...(sin(N.*beita).^2./(sin(beita).^2));%相對(duì)光強(qiáng)分布figure;%開辟圖形窗口plot(x,I);%畫光強(qiáng)與觀察點(diǎn)位置關(guān)系圖figure;view(0,90);%新開圖形窗口并在xy平面內(nèi)觀察holdon%colormap(gray);%選擇灰度色圖mesh(X,Y,I);%繪制衍射圖樣光強(qiáng)與位置的關(guān)系光柵衍射的模擬圖樣1.1.2MATLAB的主要功能

1．?dāng)?shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能

MATLAB以矩陣作為數(shù)據(jù)操作的基本單位，還提供了十分豐富的數(shù)值計(jì)算函數(shù)。

MATLAB和著名的符號(hào)計(jì)算語言Maple相結(jié)合，使得MATLAB具有符號(hào)計(jì)算功能。2．繪圖功能

MATLAB提供了兩個(gè)層次的繪圖操作：一種是對(duì)圖形句柄進(jìn)行的低層繪圖操作，另一種是建立在低層繪圖操作之上的高層繪圖操作。3．編程語言

MATLAB具有程序結(jié)構(gòu)控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特征，而且簡單易學(xué)、編程效率高。

4．MATLAB工具箱

MATLAB包含兩部分內(nèi)容：基本部分和各種可選的工具箱。

MATLAB工具箱分為兩大類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。1.1.3Matlab的主要特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1.編程容易語言簡潔緊湊，庫函數(shù)極為豐富

(被稱為第四代計(jì)算機(jī)語言)2.圖形功能強(qiáng)大3.工具箱功能極為豐富的工具箱4.控制臺(tái)和圖形桌面完美結(jié)合缺點(diǎn)程序的執(zhí)行速度較慢

(不做編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行)（計(jì)算器功能）

小結(jié)MATLAB不僅是科學(xué)家、工程技術(shù)人員必備的工具，也是大學(xué)生和研究生必須掌握的一門技能。1.1.4初識(shí)MATLAB

例1-1計(jì)算器功能

計(jì)算:

在主命令窗口中輸入>>(15+10)/3^0.5+7^2ans=2.048845726811990e+002例1-2學(xué)生成績統(tǒng)計(jì)（平均分，成績分布）

在主窗口中輸入：

a=[706580598792768460885595]len=length(a)%矩陣長度（學(xué)生數(shù)）

ave=sum(a)/len%總分/學(xué)生數(shù)

c=length(find(a<60))%不及格人數(shù)例1-3求方程3x4+7x3+9x2-23=0的全部根。

p=[3,7,9,0,-23];%建立多項(xiàng)式系數(shù)向量

x=roots(p)%求根結(jié)果：x=-1.8857-0.7604+1.7916i-0.7604-1.7916i1.0732

例1-4求積分

quad('x.*log(1+x)',0,1)

結(jié)果:ans=0.2500例1-5求解線性方程組。

a=[2,-3,1;8,3,2;45,1,-9];

b=[4;2;17];

x=inv(a)*b1.1.5數(shù)值、變量和表達(dá)式

1.數(shù)值十進(jìn)制表示，可以帶負(fù)號(hào)和小數(shù)點(diǎn)。如：3-990.011.3e-134.5e33浮點(diǎn)算法的pc機(jī)上，數(shù)值相對(duì)精度是：eps，保持有效數(shù)字16位。2.變量

MATLAB語言不要求對(duì)所使用變量進(jìn)行事先聲明，也不需要指定變量類型，它會(huì)自動(dòng)根據(jù)所賦予變量的值或?qū)ψ兞克M(jìn)行的操作來確定變量的類型。在賦值過程中，如果變量已存在，舊值將被新值所代替，并以新的變量類型代替舊的變量類型。變量的命名需遵守如下規(guī)則：變量名區(qū)分大小寫；變量名長度不超過64位，第64個(gè)字符之后的字符將被忽略；變量名以字母開頭，變量名中可包含字母、數(shù)字、下劃線，但不能使用標(biāo)點(diǎn)和空格。特殊變量：ans最近生成的無名結(jié)果(answer)nargin,nargout函數(shù)的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)個(gè)數(shù)(numberofargumentinputnumberofargumentoutput)>>aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabc=2Warning:'aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabc'exceedsMATLAB'smaximumnamelengthof63charactersandhasbeentruncatedto'aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa'.(Type"warningoffMATLAB:namelengthmaxexceeded"tosuppressthiswarning.)aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa=2>>aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaefWarning:'aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaef'exceedsMATLAB'smaximumnamelengthof63charactersandhasbeentruncatedto'aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa'.(Type"warningoffMATLAB:namelengthmaxexceeded"tosuppressthiswarning.)aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa=2MATLAB有一些預(yù)定義的變量，這些特殊的變量稱為常量。常用的常量i,j含義：虛數(shù)單位；pi含義：圓周率，NaN或nan含義：Not-a-Number，表示不是一個(gè)數(shù)inf含義：無窮大realmax含義：最大正實(shí)數(shù)realmin含義：最小正實(shí)數(shù)例1：常量

>>pians=3.141592653589793e+000例2:虛數(shù)單位>>1+2ians=1.0000+2.0000i1+i2???Undefinedfunctionorvariable'ia'.>>a=3a=3>>1+2a???1+2a|Error:Missingoperator,comma,orsemicolon.例3:變量ans>>13*15ans=195>>b=13*15b=195常量的值被改變后怎么辦？定義變量時(shí)，應(yīng)避免與常量名相同，以免改變這些常量的值，如果已改變了某個(gè)常量的值，可以通過“clear+常量名”命令恢復(fù)該常量的初始設(shè)定值。當(dāng)然，重新啟動(dòng)MATLAB也可以恢復(fù)這些常量值。例4:常量的改變與恢復(fù)例：>>pi=1pi=1>>clearpi>>pians=3.141592653589793e+000clearall命令可將工作空間中所有的變量清除。2.1.2數(shù)字變量MATLAB是以矩陣為基本運(yùn)算單元的，而構(gòu)成數(shù)值矩陣的基本單元是數(shù)字。1.數(shù)字變量的運(yùn)算對(duì)于簡單的數(shù)字運(yùn)算，可以直接在命令窗口中以平常慣用的形式輸入，如：>>258*369ans=95202當(dāng)表達(dá)式比較復(fù)雜或重復(fù)量出現(xiàn)次數(shù)較多時(shí)，更好的辦法是先定義變量，再由變量表達(dá)式計(jì)算得到結(jié)果。

[例5]要求計(jì)算水在溫度為0℃,20℃,40℃,60℃,80℃時(shí)的粘度，已知水的粘度隨溫度的變化公式為:

其中為水的粘度，值為：1.785×10-3>>muw0=1.785e-3;%定義攝氏零度時(shí)的粘度值>>a=0.03368;%定義兩常數(shù)>>b=0.000221;>>t=20;%定義攝氏溫度變量>>muw=muw0/(1+a*t+b*t^2)%計(jì)算攝氏溫度對(duì)應(yīng)粘度值muw=1.0131e-003說明

在例中,同一行為‘%’以后的內(nèi)容只起到注示的作用，對(duì)最終結(jié)果不產(chǎn)生任何影響。當(dāng)用戶不想顯示中間的計(jì)算結(jié)果時(shí)，可用“；”來結(jié)束一行的輸入，則此時(shí)中間結(jié)果將不顯示在屏幕上；當(dāng)用戶想再次查詢此變量時(shí)，只需輸入變量名。在MATLAB中，一般代數(shù)表達(dá)式的輸入就如同在紙上進(jìn)行演算一樣，如四則運(yùn)算符就直接用+、-、*和/即可，所以，還有人稱其為演算紙式的科學(xué)計(jì)算語言。例如：>>124+456ans=580>>124*456ans=56544MATLAB中的乘方、開方運(yùn)算可能和其他一些語言中有所不同，分別由^符號(hào)和函數(shù)來sqrt實(shí)現(xiàn)。>>12^2ans=144>>sqrt(ans)ans=12也可用^符號(hào)來計(jì)算開方，及其它非平方根的情況。>>12^2ans=144>>ans^0.5ans=12注意：用^符號(hào)計(jì)算，返回的只是第一象限的結(jié)果。>>(8)^(1/3)ans=2>>ans=1.0000+1.7321i說明由于單純數(shù)字的運(yùn)算在用MATLAB解決計(jì)算問題時(shí)很少用到，且很多功能函數(shù)已融入矩陣運(yùn)算和數(shù)組運(yùn)算當(dāng)中，因此，將在以后詳細(xì)介紹相關(guān)內(nèi)容。這里只提醒大家一點(diǎn)，注意計(jì)算中的順序和優(yōu)先級(jí)問題，一般說來，^和sqrt的優(yōu)先級(jí)最高，*、/次之，+、-的優(yōu)先級(jí)最低。例:>>1+2*3^4ans=1631.1.6計(jì)算結(jié)果的圖形表示

例1：畫出衰減振蕩曲線及其它的包絡(luò)線。t的取值范圍是。t=0:pi/50:4*pi;y0=exp(-t/3); y=exp(-t/3).*sin(3*t);plot(t,y,'-r',t,y0,':b',t,-y0,':b')grid

例1.3.4-2】畫出所表示的三維曲面（圖1.3-4）。其中x，y的取值范圍是[-8，8]clear;x=-8:0.5:8;%定義自變量xy=x’;%定義自變量yX=ones(size(y))*x;%計(jì)算自變量平面上取值點(diǎn)x坐標(biāo)的二維數(shù)組Y=y*ones(size(x));%計(jì)算自變量平面上取值點(diǎn)y坐標(biāo)的二維數(shù)組R=sqrt(X.^2+Y.^2)+eps; %計(jì)算中間變量Z=sin(R)./R; %

計(jì)算與自變量二維數(shù)組相應(yīng)的函數(shù)值surf(X,Y,Z); %繪制三維網(wǎng)絡(luò)圖colormap(cool) %指定網(wǎng)絡(luò)圖用cool色圖繪制xlabel('x'),ylabel('y'),zlabel('z')

1.2MATLAB的運(yùn)行環(huán)境與安裝1.2.1MATLAB的運(yùn)行環(huán)境

硬件環(huán)境：

(1)CPU

(2)內(nèi)存

(3)硬盤

(4)CD-ROM驅(qū)動(dòng)器和鼠標(biāo)。

軟件環(huán)境：

(1)Windows98/NT/2000或WindowsXP

(2)其他軟件根據(jù)需要選用1.2.2MATLAB的安裝

安裝MATLAB6.5系統(tǒng)，需運(yùn)行系統(tǒng)自帶的安裝程序setup.exe，可以按照安裝提示依次操作。1.3MATLAB集成環(huán)境1.3.1啟動(dòng)與退出MATLAB集成環(huán)境

1．MATLAB系統(tǒng)的啟動(dòng)

與一般的Windows程序一樣，啟動(dòng)MATLAB系統(tǒng)有3種常見方法：

(1)使用Windows“開始”菜單。

(2)運(yùn)行MATLAB系統(tǒng)啟動(dòng)程序matlab.exe。

(3)利用快捷方式。啟動(dòng)MATLAB后，將進(jìn)入MATLAB6.5集成環(huán)境。MATLAB6.5集成環(huán)境包括MATLAB主窗口、命令窗口(CommandWindow)、工作空間窗口(Workspace)、命令歷史窗口(CommandHistory)、當(dāng)前目錄窗口(CurrentDirectory)和啟動(dòng)平臺(tái)窗口(LaunchPad)。

當(dāng)MATLAB安裝完畢并首次啟動(dòng)時(shí)，展現(xiàn)在屏幕上的界面為MATLAB的默認(rèn)界面，如右圖所示。主命令窗口編輯窗口編輯窗口2．MATLAB系統(tǒng)的退出

要退出MATLAB系統(tǒng)，也有3種常見方法：

(1)在MATLAB主窗口File菜單中選擇ExitMATLAB命令。

(2)在MATLAB命令窗口輸入Exit或Quit命令。

(3)單擊MATLAB主窗口的“關(guān)閉”按鈕。1.3.2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，還主要包括菜單欄和工具欄。

1．菜單欄

在MATLAB6.5主窗口的菜單欄，共包含F(xiàn)ile、Edit、View、Web、Window和Help6個(gè)菜單項(xiàng)。(1)File菜單項(xiàng)：File菜單項(xiàng)實(shí)現(xiàn)有關(guān)文件的操作。

(2)Edit菜單項(xiàng)：Edit菜單項(xiàng)用于命令窗口的編輯操作。

(3)View菜單項(xiàng)：View菜單項(xiàng)用于設(shè)置MATLAB集成環(huán)境的顯示方式。(4)Web菜單項(xiàng)：Web菜單項(xiàng)用于設(shè)置MATLAB的Web操作。

(5)Window菜單項(xiàng)：主窗口菜單欄上的Window菜單，只包含一個(gè)子菜單Closeall，用于關(guān)閉所有打開的編輯器窗口，包括M-file、Figure、Model和GUI窗口。

(6)Help菜單項(xiàng)：Help菜單項(xiàng)用于提供幫助信息。2．工具欄

MATLAB6.5主窗口的工具欄共提供了10個(gè)命令按鈕。這些命令按鈕均有對(duì)應(yīng)的菜單命令，但比菜單命令使用起來更快捷、方便。1.3.3命令窗口

命令窗口是MATLAB的主要交互窗口，用于輸入命令并顯示除圖形以外的所有執(zhí)行結(jié)果。

MATLAB命令窗口中的“>>”為命令提示符，表示MATLAB正在處于準(zhǔn)備狀態(tài)。在命令提示符后鍵入命令并按下回車鍵后，MATLAB就會(huì)解釋執(zhí)行所輸入的命令，并在命令后面給出計(jì)算結(jié)果。一般來說，一個(gè)命令行輸入一條命令，命令行以回車結(jié)束。但一個(gè)命令行也可以輸入若干條命令，各命令之間以逗號(hào)分隔，若前一命令后帶有分號(hào)，則逗號(hào)可以省略。例如

p=15,m=35

p=15;m=35

表達(dá)式后帶分號(hào)的，結(jié)果將不輸出如果一個(gè)命令行很長，一個(gè)物理行之內(nèi)寫不下，可以在第一個(gè)物理行之后加上3個(gè)小黑點(diǎn)并按下回車鍵，然后接著下一個(gè)物理行繼續(xù)寫命令的其他部分。3個(gè)小黑點(diǎn)稱為續(xù)行符，即把下面的物理行看作該行的邏輯繼續(xù)。

按方向鍵中的上下鍵，可調(diào)出已輸入的命令舉例>>1+2+3...+4ans=10>>1+2+3+...4ans=10命令窗口的操作要旨

缺省顯示方式

6.0版本所有字符和數(shù)碼都是同一顏色（黑色）6.5版本對(duì)字符和數(shù)碼分類采用不同的顏色，更為醒目。缺省時(shí)：if，for：藍(lán)色指令，表達(dá)式和計(jì)算結(jié)果：黑色字符串：赭紅色計(jì)算結(jié)果以‘短（short）’格式顯示，注意：不要認(rèn)為計(jì)算結(jié)果的精度就是顯示結(jié)果的精度，實(shí)際的存儲(chǔ)和運(yùn)行都是以雙精度進(jìn)行>>sqrt(2)ans=1.4142MATLAB語言中數(shù)值有多種顯示形式。在缺省情況下，若數(shù)據(jù)為整數(shù)，則就以整型表示；若為實(shí)數(shù)，則以保留小數(shù)點(diǎn)后4位的浮點(diǎn)數(shù)表示。在MATLAB語言中所有的數(shù)據(jù)均按由IEEE浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長型格式存儲(chǔ)，數(shù)值的有效范圍為10-308~10308(realmin~realmax)1.3.4工作空間窗口()

工作空間是MATLAB用于存儲(chǔ)各種變量和結(jié)果的內(nèi)存空間。在該窗口中顯示工作空間中所有變量的名稱、大小、字節(jié)數(shù)和變量類型說明，可對(duì)變量進(jìn)行觀察、編輯、保存和刪除。1.3.5當(dāng)前目錄窗口和搜索路徑

1．當(dāng)前目錄窗口

當(dāng)前目錄是指MATLAB運(yùn)行文件時(shí)的工作目錄，只有在當(dāng)前目錄或搜索路徑下的文件、函數(shù)可以被運(yùn)行或調(diào)用。

在當(dāng)前目錄窗口中可以顯示或改變當(dāng)前目錄，還可以顯示當(dāng)前目錄下的文件并提供搜索功能。

將用戶目錄設(shè)置成當(dāng)前目錄也可使用cd命令。例如，將用戶目錄c:\mydir設(shè)置為當(dāng)前目錄，可在命令窗口輸入命令：

cdc:\mydir2．MATLAB的搜索路徑

當(dāng)用戶在MATLAB命令窗口輸入一條命令后，MATLAB按照一定次序?qū)ふ蚁嚓P(guān)的文件?；镜乃阉鬟^程是：

(1)檢查該命令是不是一個(gè)變量。

(2)檢查該命令是不是一個(gè)內(nèi)部函數(shù)。

(3)檢查該命令是否當(dāng)前目錄下的M文件。

(4)檢查該命令是否MATLAB搜索路徑中其他目錄下的M文件。用戶可以將自己的工作目錄列入MATLAB搜索路徑，從而將用戶目錄納入MATLAB系統(tǒng)統(tǒng)一管理。設(shè)置搜索路徑的方法有：

(1)用path命令設(shè)置搜索路徑。例如，將用戶目錄c:\mydir加到搜索路徑下，可在命令窗口輸入命令：

path(path,’c:\mydir’)(2)用對(duì)話框設(shè)置搜索路徑

在MATLAB的File菜單中選SetPath命令或在命令窗口執(zhí)行pathtool命令，將出現(xiàn)搜索路徑設(shè)置對(duì)話框。通過AddFolder或AddwithSubfolder命令按鈕將指定路徑添加到搜索路徑列表中。

在修改完搜索路徑后，則需要保存搜索路徑。1.3.6命令歷史記錄窗口

在默認(rèn)設(shè)置下，歷史記錄窗口中會(huì)自動(dòng)保留自安裝起所有用過的命令的歷史記錄，并且還標(biāo)明了使用時(shí)間，從而方便用戶查詢。而且，通過雙擊命令可進(jìn)行歷史命令的再運(yùn)行。如果要清除這些歷史記錄，可以選擇Edit菜單中的ClearCommandHistory命令。1.3.7主命令窗口

主命令窗口可以幫助用戶方便地打開和調(diào)用MATLAB的各種程序、函數(shù)和幫助文件。

主窗口左下角還有一個(gè)Start按鈕，單擊該按鈕會(huì)彈出一個(gè)菜單，選擇其中的命令可以執(zhí)行MATLAB產(chǎn)品的各種工具，并且可以查閱MATLAB包含的各種資源。

1.4MATLAB幫助系統(tǒng)1.4.1幫助窗口

進(jìn)入幫助窗口可以通過以下3種方法：

(1)單擊MATLAB主窗口工具欄中的Help按鈕。

(2)在命令窗口中輸入helpwin、helpdesk或doc。

(3)選擇Help菜單中的“MATLABHelp”選項(xiàng)。Helpdesk窗口幫助系統(tǒng)提供關(guān)于MATLAB操作、函數(shù)等詳盡的介紹。其中，對(duì)函數(shù)的介紹非常全面(包括原理、使用)，并且給出例子。部分函數(shù)及功能有演示。1.4.2簡單幫助命令

MATLAB幫助命令包括help