第一章 基础准备及入门.ppt

数学软件信息与计算科学学院孙滢,课程主要内容:1MATLAB编程软件2LATEX文字编辑软件课程安排:共12周前7周学习MATLAB后5周学习LATEX考试方式：略,MATLAB部分,一、MATLAB基础准备及入门二、数值数组及其运算三、字符串数组、元胞数组和构架数组四、数值计算五、符号计算六、MATLAB绘图七、MATLAB程序设计八、Simulink交互式仿真集成环境九、句柄图象十、图形用户界面(GUI)制作,MATLBA学习的具体内容,第一章基础准备及入门,（一）MATLAB语言的发展,MATLAB名字由MATrix和LABoratory两词的前三个字母组合而成。那是20世纪七十年代，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK矩阵软件工具包库程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。,1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场。从这时起，MATLAB的内核采用C语言编写，而且除原有的数值计算能力外，还新增了数据图视功能。,现今的matlab7.X拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。,自MathWorks公司1993年推出matlab4.0问世以来，matlab语言就成为了最具吸引力、应用最为广泛的科学计算语言；,1997年仲春，matlab5.0版问世，紧接着是5.1、5.2，以及1999年春的5.3版。,2001年和2002年mathworks公司又相继推出了强大的matlab升级版本matlab6.0和matlab6.5,（二）MATLAB语言的特点,1）语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。,2）运算符丰富由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。,3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。,4）程序限制不严格，程序设计自由度大例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。,5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。,6）MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。,7）功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。,MATLAB包含两个部分：核心部分：有数百个核心内部函数各种可选的工具箱工具箱又分为两类：功能性工具箱学科性工具箱,功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能，功能性工具箱用于多种学科。,学科性工具箱是专业性比较强的，面向专门的学科领域。如controltoolbox,signlproceessingtoolbox,commumnicationtoolbox等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而可直接进行高，精，尖的研究。,符号数学工具箱SIMULINK仿真工具箱控制系统工具箱信号处理工具箱图像处理工具箱通讯工具箱系统辨识工具箱小波分析工具箱神经元网络工具箱金融工具箱,8）源程序的开放性开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。,9）MATLAB的缺点和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。,（三）MATLAB语言的功能强大的数值（矩阵）运算功能广泛的符号运算功能计算结果的可视化功能可靠的容错功能应用灵活的兼容与接口功能信息量丰富的联机检索功能,1.矩阵运算功能,MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能，是基于矩阵运算的处理工具。变量矩阵，运算矩阵的运算例如C=A+B，A,B,C都是矩阵,是矩阵的加运算即使一个常数，Y=5，MATLAB也看做是一个11的矩阵,2.符号运算功能(1)符号运算即用字符串进行数学分析(2)允许变量不赋值而参与运算(3)用于解代数方程、微积分、复合导数、积分、二重积分、有理函数、微分方程、泰乐级数展开、寻优等等，可求得解析符号解,3.丰富的绘图功能与计算结果的可视化,具有高层绘图功能两维、三维绘图具有底层绘图功能句柄绘图,4.图形化程序编制功能,动态系统进行建模、仿真和分析的软件包用结构图编程，而不用程序编程只需拖几个方块、连几条线，即可实现编程功能,5.MATLAB的容错功能非法操作时，给出提示，并不影响其操作1/0Warning:Dividebyzeroans=Inf,6.MATLAB的兼容功能可与C语言、FORTURE语言跨平台兼容用函数CMEX、FMEX实现,7.强大的联机检索帮助功能,可随时检索matlab函数可随时查询matlab函数的使用方法,（四）MATLAB语言系统的组成,MTALAB系统由五个主要部分组成,(1)MATALB语言体系高层次的矩阵数组语言具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。,(2)MATLAB工作环境包括管理工作空间中的变量数据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。,(3)图形句柄系统这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。,(4)MATLAB数学函数库这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。,(5)MATLAB应用程序接口(API)这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。,MATLAB是一个集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。,加上MATLAB更强的功能扩展能力，与它的主系统一起，构成一个功能更加强大的系统,（五）MATLAB语言的应用,在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容。这几乎成了九十年代教科书与旧版书籍的区别性标志。MATLAB成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。,在国际学术界，MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流学术刊物上，（尤其是信息科学刊物），都可以看到MATLAB的应用。,在设计研究单位和工业部门，MATLAB被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。如美国NationalInstruments公司信号测量、分析软件LabVIEW，Cadence公司信号和通信分析设计软件SPW等，或者直接建筑在MATLAB之上，或者以MATLAB为主要支撑。又如HP公司的VXI硬件，TM公司的DSP等等接受MATLAB的支持。,（六）matlab界面介绍,MATLAB的用户界面主要包括以下三个方面的内容：MATLAB的主菜单MATLAB的工具栏MATLAB的窗口,1.MATLAB的主菜单,MATLAB的主菜单包括File、Edit、Debug、Desktop、Window和Help菜单。可以执行的操作有New、Open、Undo、Redo、Cut、copy和Step等。,2.MATLAB的工具栏,MATLAB的工具栏包括新建文件、打开文件、剪切、复制和粘贴等常用图标同时，MATLAB的工具栏适时显示MATLAB的当前路径，用户还可以通过工具栏来改变当前路径,3.Matlab常用的交互界面,命令窗口（commandwindow）历史命令窗口（commandhistory）当前目录窗口（currentdirectory）工作空间浏览器（workspacebrowser）开始按钮（start）,1)命令窗口（commandwindow）,Matlab的主要操作界面，大部分操作命令和结果在此进行菜单栏Matlab7.0版比6.5版增加了debug（编译m文件）和desktop（界面置放模式）减少了view命令提示符显示方式字体、大小、颜色设置files/preferences,命令窗口常用控制指令,也可以利用菜单命令实现例如：dird:MyProg%显示d:MyProg目录下的文件清单editd:MyProgexm013_9.m%打开编辑器编辑exm013_9.mwhichexm013_9.m%指出exm013_9.m所在的目录,常用标点功能,符号的作用,逗号和分号的作用逗号和分号可作为指令间的分隔符，matlab允许多条语句在同一行出现。分号如果出现在指令后，屏幕上将不显示结果。,注意：只要是赋过值的变量，不管是否在屏幕上显示过，都存储在工作空间中，以后可随时显示或调用。变量名尽可能不要重复，否则会覆盖。当一个指令或矩阵太长时，可用续行冒号的作用用于生成等间隔的向量，默认间隔为1。用于选出矩阵指定行、列及元素。循环语句,2)历史命令窗口（commandhistory）,记录用户在Matlab命令窗口中输入的所有的命令包括每次启动Matlab的时间和每次启动所有的命令行对历史命令的编辑（复制/运行/创建m文件/快捷方式/profilecode）,利用命令创建“日志”来记录历史命令,diary例：diaryfirst_diary%输入复数z1=10+5i;z2=5+9i;z3=6;a=z1,z2,z3a=10.0000+5.0000i5.0000+9.0000i6.0000diaryoffWork目录下/所有文件中打开firstdiary（默认路径，可修改）,3)当前目录窗口（currentdirectory）,当前目录浏览器管理Matlab中大量的函数和数据库包括菜单栏、当前目录设计区，工具菜单和文件详细菜单对文件详细菜单区域中的文件可以方便地进行编辑或运行,4)工作空间浏览器（workspacebrowser）,保存内存变量，从而可以方便地对其进行查阅和编辑等等（双击浏览数组编辑器或右键其他编辑）可在命令窗口利用操作命令在查阅和删除内存变量,MATLAB的路径搜索,MATLAB7有一个专门用于寻找“.m”文件的路径搜索器。“.m”文件是以目录和文件夹的方式分布于文件系统中的，一部分“.m”文件的目录是MATLAB7的子目录，由于MATLAB7的一切操作都是在它的搜索路径(包括当前路径中进行的，所以如果调用的函数在搜索路径之外，MATLAB7就会认为此函数并不存在。,MATLAB的路径搜索,（1）MATLAB的当前目录在命令窗口中输入cd命令，并按Enter键确认，即显示有当前MATLAB7工作所在目录。cdC:MATLAB71work,MATLAB的路径搜索,（2）MATLAB的路径搜索选择MATLAB的主窗口中File|SetPath命令，进入到设置路径搜索的对话框，用户可以设置新的路径,内存变量的操作命令,1.内存变量的查阅、删除1）who，whos指令查询内存变量who指令获取当前所有内存变量的名称列表。whos指令获取详细的内存变量列表，包含变量类型、大小等信息。2）clear指令删除内存变量clear指令清除所有内存变量clearv1v2清除内存变量v1v2，被删变量间用空格分隔3）打开工作空间浏览器(WorkSpace)，可以看到所有内存变量的详细说明，和whos指令效果相同。并且可以通过右键点击变量引出现场菜单，对该变量进行编辑、删除、重命名、保存、绘图等操作。,数据文件的存取,1)利用指令save、load实现数据文件(*.mat)的存取。save/loadfilename%保存/打开文件filename.matsave/loadfilenamev1v2%保存/打开变量v1v22)打开工作空间浏览器(WorkSpace)，可以在右键现场菜单中选择SaveWorkspaceas保存所有内存变量，或SaveSelectionas保存指定变量。例a=123;456;789;%输入一个3*3数组ab=Thisisatest;%输入一个字符串数组c=3;d=0.2;,whoYourvariablesare:abcdwhosNameSizeBytesClassa3x372doublearrayb1x1428chararrayc1x18doublearrayd1x18doublearrayGrandtotalis25elementsusing116bytesclearcsavefilenameabc