MATLAB程序設(shè)計(jì)教程

  MATLAB是MATrix LABoratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，它自從1984年由美國MathWorks公司推出以來，經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)已成為國際公認(rèn)的優(yōu)秀的工程應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。

  MATLAB是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級(jí)語言。它以矩陣作為數(shù)據(jù)操作的基本單位，使得矩陣運(yùn)算變得非常簡捷、方便、高效。MATLAB提供了十分豐富的數(shù)值計(jì)算函數(shù)，而且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。MATLAB的繪圖功能也很強(qiáng)，它既可以繪制各種二維、三維圖形，還可以對圖形進(jìn)行修飾和控制，以增強(qiáng)圖形的表現(xiàn)效果。MATLAB具有編程語言的基本特征，使用MATLAB也可以像使用BASIC、FORTRAN、C等傳統(tǒng)編程語言一樣，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，而且簡單易學(xué)、編程效率高。MATLAB包含基本部分和各種可選的工具箱，其基本部分構(gòu)成了MATLAB的核心內(nèi)容，而MATLAB工具箱擴(kuò)充了其功能。

  正因?yàn)镸ATLAB強(qiáng)大的功能，使得它在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在科研與工程應(yīng)用領(lǐng)域，MATLAB已被廣泛地用于科學(xué)研究和解決各種具體的實(shí)際問題。許多科技工作者選用MATLAB做為計(jì)算工具，避免了煩瑣的底層編程，從而可以把主要精力和時(shí)間花在科學(xué)研究和解決實(shí)際問題上，提高了工作效率。在各高等院校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、圖像處理等許多課程的基本教學(xué)工具，成為大學(xué)生、碩究生必須掌握的基本編程語言。近年來，許多高校已開設(shè)了MATLAB程序設(shè)計(jì)課程，學(xué)生在學(xué)完該課程后，選擇MATLAB作為后繼課程的解題工具，從繁雜的計(jì)算中解放出來，有利于計(jì)算機(jī)和其他課程的結(jié)合，有利于學(xué)生對學(xué)科知識(shí)的掌握。

  本書是為適應(yīng)教學(xué)的需要而編寫。全書以MATLAB 6.5版為基礎(chǔ)，全面介紹MATLAB程序設(shè)計(jì)的方法與應(yīng)用，主要內(nèi)容包括：MATLAB操作基礎(chǔ)、MATLAB矩陣及其運(yùn)算、MATLAB程序設(shè)計(jì)、MATLAB文件操作、MATLAB繪圖、MATLAB數(shù)據(jù)分析與多項(xiàng)式計(jì)算、MATLAB解方程與函數(shù)極值、MATLAB數(shù)值積分與微分、MATLAB符號(hào)運(yùn)算、MATLAB圖形句柄、MATLAB圖形用戶界面設(shè)計(jì)、Simulink動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境以及在Word環(huán)境下使用MATLAB。兩個(gè)附錄分別給出了MATLAB常用命令與函數(shù)分類索引表和MATLAB可用的LaTeX字符集，可供讀者需要時(shí)查閱。

  本書的編寫尊重教學(xué)規(guī)律和特點(diǎn)，力求做到內(nèi)容豐富、取材新穎、循序漸進(jìn)、注重實(shí)用、便于教學(xué)。全書按照由淺入深、循序漸進(jìn)的原則進(jìn)行編排，書中內(nèi)容不是MATLAB函數(shù)或命令的簡單羅列，而是講清有關(guān)MATLAB函數(shù)的算法原理及有關(guān)數(shù)學(xué)背景，并結(jié)合例子介紹其用法。書中給出了許多MATLAB應(yīng)用實(shí)例，其中融入了作者的許多實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，目的是幫助讀者了解MATLAB在有關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，從而引導(dǎo)讀者更好地應(yīng)用MATLAB來解決實(shí)際問題。

  本書可作為高校理工科專業(yè)大學(xué)生、研究生學(xué)習(xí)的教材，也可供廣大科技工作者閱讀使用。本書配有電子教案，讀者可以從中國水利水電出版社網(wǎng)站（www.waterpub.com.cn）上下載或與作者聯(lián)系（liuwg@mail.csu.edu.cn）。

本書第1、10、11、12章由劉衛(wèi)國編寫，第2、5、6章由蔡立燕編寫，第3章由童鍵編寫，第4章由陳昭平編寫，第7章由江林編寫，第8、9章由舒衛(wèi)真編寫，第13章由劉光瑜編寫，附錄由劉胤宏編寫。參加本書部分內(nèi)容編寫及程序調(diào)試、文字校對、錄入排版工作的還有熊擁軍、戴忠、劉澤星、王新英、吳相智、劉國強(qiáng)、付劍波、謝華、李波、劉樂、劉盼盼等。全書由劉衛(wèi)國教授審閱定稿。

  在本書的編寫過程中，作者盡最大的努力來避免錯(cuò)誤的發(fā)生，但由于時(shí)間倉促及水平所限，書中不妥或錯(cuò)誤之處在所難免，敬請各位讀者批評(píng)指正。

序
前言
第1章  MATLAB操作基礎(chǔ) 1
1.1  MATLAB概述 1
1.1.1  MATLAB的發(fā)展 1
1.1.2  MATLAB的主要功能 2
1.1.3  初識(shí)MATLAB 3
1.2  MATLAB的運(yùn)行環(huán)境與安裝 5
1.2.1  MATLAB的運(yùn)行環(huán)境 5
1.2.2  MATLAB的安裝 5
1.3  MATLAB集成環(huán)境 6
1.3.1  啟動(dòng)與退出MATLAB集成環(huán)境 6
1.3.2  主窗口 7
1.3.3  命令窗口 10
1.3.4  工作空間窗口 12
1.3.5  當(dāng)前目錄窗口和搜索路徑 12
1.3.6  命令歷史記錄窗口 14
1.3.7  啟動(dòng)平臺(tái)窗口和Start按鈕 15
1.4  MATLAB幫助系統(tǒng) 15
1.4.1  幫助窗口 15
1.4.2  幫助命令 16
1.4.3  演示系統(tǒng) 17
1.4.4  遠(yuǎn)程幫助系統(tǒng) 18
習(xí)題一 18
第2章  MATLAB矩陣及其運(yùn)算 19
2.1  變量和數(shù)據(jù)操作 19
2.1.1  變量與賦值 19
2.1.2  預(yù)定義變量 20
2.1.3  內(nèi)存變量的管理 20
2.1.4  MATLAB常用數(shù)學(xué)函數(shù) 22
2.1.5  數(shù)據(jù)的輸出格式 23
2.2  MATLAB矩陣 24
2.2.1  矩陣的建立 25
2.2.2  矩陣的拆分 27
2.2.3  特殊矩陣 29
2.3  MATLAB運(yùn)算 33
2.3.1  算術(shù)運(yùn)算 33
2.3.2  關(guān)系運(yùn)算 36
2.3.3  邏輯運(yùn)算 37
2.4  矩陣分析 38
2.4.1  對角陣與三角陣 39
2.4.2  矩陣的轉(zhuǎn)置與旋轉(zhuǎn) 41
2.4.3  矩陣的逆與偽逆 42
2.4.4  方陣的行列式 43
2.4.5  矩陣的秩與跡 43
2.4.6  向量和矩陣的范數(shù) 44
2.4.7  矩陣的條件數(shù) 45
2.4.8  矩陣的特征值與特征向量 46
2.5  矩陣的超越函數(shù) 48
2.6  字符串 49
2.7  結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和單元數(shù)據(jù) 51
2.7.1  結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 51
2.7.2  單元數(shù)據(jù) 52
2.8  稀疏矩陣 53
2.8.1  矩陣存儲(chǔ)方式 53
2.8.2  稀疏存儲(chǔ)方式的產(chǎn)生 54
2.8.3  稀疏矩陣應(yīng)用舉例 58
習(xí)題二 59
第3章  MATLAB程序設(shè)計(jì) 62
3.1  M文件 62
3.1.1  M文件概述 62
3.1.2  M文件的建立與打開 63
3.2  程序控制結(jié)構(gòu) 64
3.2.1  順序結(jié)構(gòu) 64
3.2.2  選擇結(jié)構(gòu) 66
3.2.3  循環(huán)結(jié)構(gòu) 71
3.3  函數(shù)文件 76
3.3.1  函數(shù)文件的基本結(jié)構(gòu) 76
3.3.2  函數(shù)調(diào)用 77
3.3.3  函數(shù)參數(shù)的可調(diào)性 78
3.3.4  全局變量與局部變量 79
3.4  程序舉例 80
3.5  程序調(diào)試 84
3.5.1  程序調(diào)試概述 84
3.5.2  調(diào)試器 85
3.5.3  調(diào)試命令 88
習(xí)題三 89
第4章  MATLAB文件操作 92
4.1  文件的打開與關(guān)閉 92
4.1.1  文件的打開 92
4.1.2  文件的關(guān)閉 93
4.2  文件的讀寫操作 93
4.2.1  二進(jìn)制文件的讀寫操作 93
4.2.2  文本文件的讀寫操作 94
4.3  數(shù)據(jù)文件定位 97
習(xí)題四 97
第5章  MATLAB繪圖 99
5.1  二維數(shù)據(jù)曲線圖 99
5.1.1  繪制單根二維曲線 99
5.1.2  繪制多根二維曲線 101
5.1.3  設(shè)置曲線樣式 104
5.1.4  圖形標(biāo)注與坐標(biāo)控制 105
5.1.5  圖形的可視化編輯 107
5.1.6  對函數(shù)自適應(yīng)采樣的繪圖函數(shù) 109
5.1.7  圖形窗口的分割 109
5.2  其他二維圖形 111
5.2.1  其他坐標(biāo)系下的二維數(shù)據(jù)曲線圖 111
5.2.2  二維統(tǒng)計(jì)分析圖 112
5.3  隱函數(shù)繪圖 114
5.4  三維圖形 115
5.4.1  三維曲線 115
5.4.2  三維曲面 116
5.4.3  其他三維圖形 120
5.5  圖形修飾處理 122
5.5.1  視點(diǎn)處理 122
5.5.2  色彩處理 124
5.5.3  光照處理 125
5.5.4  圖形的裁剪處理 126
5.6  圖像處理與動(dòng)畫制作 127
5.6.1  圖像處理 127
5.6.2  動(dòng)畫制作 128
習(xí)題五 129
第6章  MATLAB數(shù)據(jù)分析與多項(xiàng)式計(jì)算 131
6.1  數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理 131
6.1.1  最大值和最小值 131
6.1.2  求和與求積 133
6.1.3  平均值和中值 134
6.1.4  累加和與累乘積 135
6.1.5  標(biāo)準(zhǔn)方差與相關(guān)系數(shù) 136
6.1.6  排序 137
6.2  數(shù)據(jù)插值 138
6.2.1  一維數(shù)據(jù)插值 139
6.2.2  二維數(shù)據(jù)插值 140
6.3  曲線擬合 142
6.4  離散傅立葉變換 144
6.4.1  離散傅立葉變換算法簡介 144
6.4.2  離散傅立葉變換的實(shí)現(xiàn) 144
6.5  多項(xiàng)式計(jì)算 146
6.5.1  多項(xiàng)式的四則運(yùn)算 146
6.5.2  多項(xiàng)式的導(dǎo)函數(shù) 147
6.5.3  多項(xiàng)式的求值 148
6.5.4  多項(xiàng)式求根 149
習(xí)題六 150
第7章  MATLAB解方程與函數(shù)極值 152
7.1  線性方程組求解 152
7.1.1  直接解法 152
7.1.2  迭代解法 158
7.2  非線性方程數(shù)值求解 161
7.2.1  單變量非線性方程求解 161
7.2.2  非線性方程組的求解 162
7.3  常微分方程初值問題的數(shù)值解法 162
7.3.1  龍格—庫塔法簡介 163
7.3.2  龍格—庫塔法的實(shí)現(xiàn) 163
7.4  函數(shù)極值 166
習(xí)題七 167
第8章  MATLAB數(shù)值積分與微分 169
8.1  數(shù)值積分 169
8.1.1  數(shù)值積分基本原理 169
8.1.2  數(shù)值積分的實(shí)現(xiàn)方法 170
8.1.3  二重定積分的數(shù)值求解 172
8.2  數(shù)值微分 173
8.2.1  數(shù)值差分與差商 173
8.2.2  數(shù)值微分的實(shí)現(xiàn) 174
習(xí)題八 175
第9章  MATLAB符號(hào)計(jì)算 177
9.1  符號(hào)對象 177
9.1.1  建立符號(hào)對象 177
9.1.2  符號(hào)表達(dá)式運(yùn)算 179
9.1.3  符號(hào)表達(dá)式中變量的確定 183
9.1.4  符號(hào)矩陣 184
9.2  符號(hào)微積分 185
9.2.1  符號(hào)極限 185
9.2.2  符號(hào)導(dǎo)數(shù) 186
9.2.3  符號(hào)積分 187
9.2.4  積分變換 188
9.3  級(jí)數(shù) 190
9.3.1  級(jí)數(shù)符號(hào)求和 190
9.3.2  函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù) 191
9.4  符號(hào)方程求解 191
9.4.1  符號(hào)代數(shù)方程求解 191
9.4.2  符號(hào)常微分方程求解 192
習(xí)題九 193
第10章  MATLAB圖形句柄 195
10.1  圖形對象及其句柄 195
10.2  圖形對象屬性 196
10.3  圖形對象的創(chuàng)建 199
10.3.1  圖形窗口對象 199
10.3.2  坐標(biāo)軸對象 201
10.3.3  曲線對象 203
10.3.4  文字對象 203
10.3.5  曲面對象 205
習(xí)題十 206
第11章  MATLAB圖形用戶界面設(shè)計(jì) 208
11.1  菜單設(shè)計(jì) 208
11.1.1  建立用戶菜單 208
11.1.2  菜單對象常用屬性 209
11.1.3  快捷菜單 211
11.2  對話框設(shè)計(jì) 212
11.2.1  對話框的控件 212
11.2.2  對話框的設(shè)計(jì) 212
11.3  圖形用戶界面設(shè)計(jì)工具 221
11.3.1  圖形用戶界面設(shè)計(jì)窗口 221
11.3.2  對象屬性查看器 224
11.3.3  菜單編輯器 224
11.3.4  位置調(diào)整工具 226
11.3.5  對象瀏覽器 226
11.3.6  Tab順序編輯器 227
習(xí)題十一 230
第12章  Simulink動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境 231
12.1  Simulink操作基礎(chǔ) 231
12.1.1  Simulink簡介 231
12.1.2  Simulink的啟動(dòng)與退出 232
12.2  系統(tǒng)仿真模型 233
12.2.1  Simulink的基本模塊 233
12.2.2  模塊的編輯 234
12.2.3  模塊的連接 235
12.2.4  模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置 236
12.3  系統(tǒng)的仿真 239
12.3.1  設(shè)置仿真參數(shù) 239
12.3.2  啟動(dòng)系統(tǒng)仿真與仿真結(jié)果分析 245
12.3.3  系統(tǒng)仿真實(shí)例 249
12.4  使用命令操作對系統(tǒng)進(jìn)行仿真 252
12.5  子系統(tǒng)及其封裝技術(shù) 256
12.5.1  子系統(tǒng)的建立 256
12.5.2  子系統(tǒng)的條件執(zhí)行 258
12.5.3  子系統(tǒng)的封裝 261
12.6  S函數(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 266
12.6.1  用MATLAB語言編寫S函數(shù) 266
12.6.2  S函數(shù)的應(yīng)用 269
習(xí)題十二 271
第13章  在Word環(huán)境下使用MATLAB 273
13.1  Notebook操作基礎(chǔ) 273
13.1.1  Notebook的安裝 273
13.1.2  Notebook的啟動(dòng) 274
13.1.3  Notebook界面 274
13.2  單元的使用 275
13.2.1  輸入輸出單元 276
13.2.2  自動(dòng)初始化單元 278
13.2.3  單元組 278
13.2.4  計(jì)算區(qū) 280
13.2.5  單元的其他操作 281
13.3  輸出格式控制 282
13.3.1  數(shù)據(jù)輸出控制 282
13.3.2  圖形輸出控制 283
13.3.3  修改M-book模板的樣式 284
習(xí)題十三 284
附錄1  MATLAB常用命令與函數(shù)分類索引表 285
附錄2  MATLAB可用的LaTeX字符集 300
參考文獻(xiàn) 302

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