MAT程序基础设计应用 2

MATLABProgrammingandEngineeringApplicationMATLAB程序设计与工程应用本书知识结构第1章MATLAB与程序设计1.1算法和程序了解计算机系统的基本组成，了解计算机系统中算法和程序的基本概念，典型程序设计语言的基本特点，掌握程序处理的两种基本方式（编译和解释）及其特点。1.2MATLAB入门了解MATLAB的工作环境及基本操作，熟悉脚本命令和程序的基本概念，掌握创建、编辑、保存和运行脚本程序的基本操作方法。1.3MATLAB的内置函数了解内置函数的概念，了解MATLAB中提供的初等数学内置函数及其用法。1.4MATLAB的帮助系统了解MATLAB的帮助系统，熟悉进入帮助系统、获取帮助的常用操作方法。1.1算法和程序计算机的硬件（Hardware）是电脑内部所有的组件设备，例如中央处理器CPU、主板、内存条、硬盘、显示器和键盘等，软件（Software）是与计算机系统操作有关的程序和文档。程序（Program）通常指的是完成特定功能的一组命令序列以及所处理的数据，而文档（Documentation）通常指的是与软件开发、维护和使用有关的文字材料。程序设计又称为编程（Programming），就是针对需要求解的问题，提出高效合理的算法，并选用一种合适的程序设计语言实现该算法。其中算法（Algorithm）是描述求解问题方法的操作步骤集合，而程序设计语言（ProgrammingLanguage）规定了书写程序时允许使用的一组记号和一套语法规则。1.1算法和程序算法是描述求解问题方法的操作步骤。在描述一个算法时，所采用的基本元素主要有变量、赋值、分支、循环和过程等。其中，变量（Variable）代表算法需要处理的数据，一般用若干个英文字符构成的符号来表示，例如x、y1、TotalNum等。赋值就是将期望的数据作为变量的值保存到变量中，或者对变量中原来保存的数据值进行修改。在求解不同的问题时，算法的具体操作步骤和执行流程各不相同，但大多可以归纳为三种典型情况，即顺序、分支和循环，称为程序的基本结构。任何复杂的算法问题，都可以通过设置适当的变量，利用顺序、分支和循环三种基本的执行流程及其组合来描述。1.1.1算法1.1算法和程序1.1.1算法1.1算法和程序1.1.1算法一个算法可以在另一个算法中使用，称为调用（Call）。为正确调用指定的算法，需要规定一种固定的格式，称为过程（Procedure）。过程是从解决复杂问题的大算法中抽取出来的，能够实现相对独立功能的小步骤。过程又称为子程序（Subroutine）或函数（Function），而调用子程序的程序通常称为主程序（MainFunction）。在主程序中调用子程序时，通常需要向子程序传递期望的参数，从而使子程序具有一定的通用性，能够在同一个或多个算法中多次调用以实现相同或类似的功能。1.1算法和程序1.1.2程序设计语言低级程序设计语言包括机器语言和汇编语言。机器语言（MachineLanguage）是面向计算机的底层硬件，能直接被计算机识别和执行的程序设计语言。汇编语言（Assemblylanguage）又称为符号语言（SymbolicLanguage），也是一种面向计算机底层硬件的语言。在汇编语言中，用便于人工阅读和记忆的符号（助记符，Mnemonic）代替机器语言中用抽象的二进制代码表示的指令。例如，用助记符MOV表示数据的移动操作，用ADD表示加法操作等。1.1算法和程序1.1.2程序设计语言高级程序设计语言与汇编语言相比，高级程序设计语言（简称高级语言）更接近自然语言，因而抽象度高，与具体计算机的相关度更低，求解问题的方法描述更为直观。因此，用高级语言设计程序的难度大大降低。根据设计要求，可以将所有的高级语言分为过程式语言和非过程式语言。在过程式程序设计语言中，通过用一系列可以顺序执行的运算步骤来描述相应的求解过程，而非过程式语言无法表示出求解过程顺序执行的运算步骤。1.1算法和程序1.1.2程序的编译和解释高级语言和汇编语言程序都需要翻译为计算机能识别的目标程序（机器语言），才能被计算机硬件识别、处理和执行。这一翻译过程一般由专门的语言处理程序实现，例如汇编程序、编译程序、解释程序和相应的操作程序等。在各种语言处理程序中，编译（Compile）和解释（Interpret）是语言处理的两种基本方式。在编译方式下，首先根据算法编制相应的高级语言或汇编语言程序（称为源程序），然后用专门的语言处理程序（编译程序、汇编程序）翻译为等价的目标程序，再由计算机硬件进行识别、存储、处理和执行，源程序、编译程序和汇编程序不参与目标程序的运行过程。1.2MATLAB入门MATLAB是一个功能十分强大的开发平台，具有极其丰富的各种功能，在计算机程序设计、科学计算和数据分析、系统建模与仿真和几乎所有行业（通信、自动控制、大数据、人工智能和机器学习、金融等）的工程实践中都得到了极其广泛的应用。与传统的计算机语言相比，MATLAB在技术解决问题方面具有许多优势。其中主要包括如下几方面。

使用方便

平台独立性

MATLAB编译器

丰富的预定义函数库

设备独立的绘图功能

图形化的用户界面1.2MATLAB入门1.2.1MATLAB的工作环境1.2MATLAB入门1.2.2脚本和程序在MATLAB的命令行窗口可以直接输入简单的命令或者数学表达式，实现简单的运算和操作。这些命令称为脚本（Script）命令。如果需要实现复杂的运算功能，可以将脚本命令集中放到一个文件中，称为脚本程序（ScriptProgram）。1.2MATLAB入门脚本命令在命令行窗口中的命令提示符“>>”后，输入的各种命令和数据、变量、数学表达式和数学函数等，统称为脚本命令。每条命令输入完毕后回车，将立即得到执行，并在命令行的下面显示执行结果，同时在工作区子窗口中显示脚本命令创建的变量及变量的值或属性等。因此说MATLAB是一种解释型程序设计语言。三个常用的脚本命令——clc：清除命令行子窗口clear：清除工作区子窗口中的所有变量；closeall：关闭运行程序所创建和打开的所有图形窗口。1.2MATLAB入门脚本程序的创建和保存将多个脚本命令集中放到一个文件中，即可得到脚本程序。MATLAB的脚本程序文件名默认以.m为后缀。在MATLAB中，可以通过如下几种方法创建脚本程序。（1）单击主页选项卡上的新建脚本按钮。此时将在主窗口中间自动打开编辑器子窗口，同时在主窗口的顶部出现编辑器、发布、视图等标签。在编辑器子窗口顶部有一个标签untitled，这就是新创建的脚本程序文件。通过重复单击主页选项卡上的新建脚本按钮，可以创建更多新的脚本程序文件，各新建的程序文件依次自动命名为untitled.m、untitled2.m等。每个程序文件对应一个标签，并显示在编辑器子窗口的顶部，如图1-5所示。单击某个程序文件的标签，即可在编辑器子窗口中录入编辑程序。1.2MATLAB入门1.2MATLAB入门（2）如果已经打开编辑器子窗口，通过依次单击主窗口中编辑器选项卡上的新建、脚本命令，也可以创建脚本程序文件。每创建一个程序文件，都将在编辑器子窗口的顶部增加一个对应的选项卡标签。通过以上两种方法创建的脚本程序，只是显示在编辑器子窗口中，并可以在其中编辑录入程序。程序一旦做了修改或编辑，子窗口顶部的标签后面将出现一个星号，表示程序文件还没有保存到硬盘上。单击主窗口中编辑器选项卡上的保存按钮，即可实现程序文件的保存。默认保存到在当前文件夹子窗口中设置的当前文件夹中，也可以指定保存到其他位置，同时注意为程序文件起一个合适的文件名。在MATLAB中，脚本程序文件名的后缀默认为.m。1.2MATLAB入门（3）在当前文件夹子窗口中右击，在弹出的快捷菜单中依次单击新建、脚本菜单命令。创建的程序文件仍然依次自动命名为untitled.m、untitled2.m等，并同时保存在当前文件夹中，此时可以为程序文件起一个合适的文件名。在当前文件夹中双击所创建的程序文件名，即可在编辑器子窗口中打开文件并编辑录入程序。（4）在命令行窗口输入edit命令创建脚本程序。例如，输入如下命令>>editmyprog将自动打开编辑器子窗口，其中程序文件名为myprog.m。如果未指定文件名，将打开一个名为untitledi.m的新程序文件，其中的i可以为2、3、4、…，取决于在当前编辑器子窗口中原来已经创建的程序文件个数。1.2MATLAB入门脚本程序的运行创建脚本程序并编辑完程序代码后，利用编辑器选项卡上运行按钮组中的工具按钮可以实现程序的运行控制等，如图1-7所示。单击运行按钮，直接启动程序运行，也可以利用运行按钮的下拉菜单命令实现断点的设置和清除，以实现断点运行和程序调试等。1.2MATLAB入门程序运行完毕后，程序中所有的变量都将出现在工作区子窗口，某些变量的运行结果也将同步显示在命令行窗口。例如，新建脚本程序，并将其保存为prog1.m。在编辑器子窗口中打开该文件，并在其中输入如图1-10所示程序。运行程序后，将在工作区得3个变量a、b和c，同时在命令行窗口显示运行结果。由于第1和第2条命令后面有分号，因此在命令行窗口只显示变量c的值，而不显示a和b变量的值。1.2MATLAB入门1.3MATLAB的内置函数作为一款科学计算工具，MATLAB提供了大量用于科学计算和各行业应用程序的库函数，称为MATLAB的内置函数。MATLAB中的数学运算内置函数主要包括如下几类：初等数学函数库：算术运算函数、三角