毕业设计论文基于matlab的数据分析与建模工具原型的设计与实现管理资料.docx

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毕业设计论文基于matlab的数据分析与建模工具原型的设计与实现管理资料

学号：

06416125

常州大学

毕业设计（论文）

（2010届）

题目基于MATLAB的数据分析与

建模工具的设计与实现

学生

学院信息科学与工程学院专业班级计算机科学与技术

校内指导教师专业技术职务副教授

校外指导老师专业技术职务

二○一○年六月

基于MATLAB的数据分析与建模工具的设计与实现

摘要

进入20世纪以来，随着数学以空前的广度和深度向一切领域渗透，以及计算机的飞速发展，数学建模越来越受到人们的高度重视，这由数学建模被列入新的高中数学课程标准，全国大学生数学建模竞赛活动如火如荼地开展，足可窥见一般。

数学软件MATLAB在数学建模中的应用，以期提高数学建模的效率和质量，进而增强解决实际问题的能力。

在本文的系统实现中，我们主要用要的软件是MATLAB2009b，JDK，和MATLAB中的JavaBuiledr。

本文主要做了以下几个工作

（1）选择了人口的马得尔萨斯人口模型和Logistic模型，以及战争模型

（2）对这些模型分析处理得出函数式（3）查资料学习连接数据库（4）利用MATLAB分析数据画出图形（5）JAVA调用MATLAB现有的模块来构建数据分析建模工具显示图形。

通过这样可以很方便的实现数据的分析与建模，调用现有的模块，省去大量编写程序的时间，简单，有效，而不像以前的做法中如果所设计的系统中需要对数据进行分析和建模，则只能针对所采用建模方法和理论，编写JAVA程序来实现。

本课题致力于采用现有的成熟的建模工具中提供的数据分析模块接口来构建一个数据分析建模工具的原型，旨在提供一种简单有效且准确性高，可以在各种自主开发的系统中应用的建模方式，而不是采用的是Java编程来实现，这不就是一种创新么。

关键词：

MATLAB；数学模型；数学建模

BasedonMATLABdataanalysisandmodelingtoolsforthedesignandimplementation

Abstract

intothe20thcentury,withthemathematicsatanunprecedentedbreadthanddepthofpenetrationtoallareas,aswellastherapiddevelopmentofcomputer,mathematicalmodelingmoreandmorepeople'sattention,thisconsistsofmathematicalmodelingwaslistedinthenewhighschoolmathematicscurriculumstandards,NationalUniversitymathematicalmodelingconteststride,enoughtoseetheGeneral.MathematicalsoftwareMATLABinmathematicalmodeling,withaviewtoimprovingtheefficiencyandquality,whichwillinturnstrengthentheabilitytosolvepracticalproblems.Inthisarticleofthesystemimplementation,wemainlyusedtosoftwareisMATLAB2009b,JDK,andJavaBuiledrinMATLAB.Thisarticleismainlydoneonseveralwork

（1）selectapopulationofelsaspopulationmodelandLogisticmodel,aswellaswarmodel

（2）onthemodeloftreatmentthatfunctional（3）checkingtheinformationonlearningtoconnecttothedatabase（4）useMATLABanalysisdatatodrawgraphics（5）JAVAcallMATLABexistingmodulestobuildadataanalysismodelingtoolsdisplaythegraphic.Thiscaneasilydataanalysisandmodeling,callanexistingmodule,savingalotoftimewritingprograms,simple,effective,andnotliketheoldpracticesifthedesignofthesystemofdataanalysisandmodeling,youcanonlyusemodelingmethodandtheory,writingJavaprograms.Thistopicfocusesonusingexistingmaturemodelingtoolsprovidedataanalysismoduleinterfacetobuildadataanalysismodelingtoolsprototype,isdesignedtoprovideasimpleandeffectiveandaccurateinallkindsofhomegrownsystemmodelingapproach,ratherthanresortingtoJavaprogramming,thisisaninnovativeMody.

Keywords:

MATLAB,mathematicalmodels,mathematicalmodeling

1绪论

研究背景

随着科学技术对研究对象的日益精确化，定量化和数字化，随着电子计算机的技术的广泛应用，数学模型以成为处理科技领域中各种实际问题的重要工具。

人们在用复杂的数学知识解决实际问题的过程中，利用了具有代表性的数学软件MATLAB。

现在应用数学知识解决实际问题，往往要用到复杂的数学知识并且要进行大量的数学计算[1]。

而MATLAB的使用，就可以使得人们从繁重的计算中解脱出来，把更多的精力投人到对知识的理解和应用之中，从而也大大提高了进行数学建模的效率。

数学是研究现实世界数量关系和空间形式的科学，在它产生和发展的历史长河中，一直是和各种各样的应用问题紧密相关的。

数学的特点不仅在于概念的抽象性、逻辑的严密性，结论的明确性和体系的完整性，而且在于它应用的广泛性，进入20世纪以来，随着科学技术的迅速发展和计算机的日益普及，人们对各种问题的要求越来越精确，使得数学的应用越来越广泛和深入，特别是在即将进入21世纪的知识经济时代，数学科学的地位会发生巨大的变化，它正在从国或经济和科技的后备走到了前沿。

经济发展的全球化、计算机的迅猛发展，数学理伦与方法的不断扩充使得数学已经成为当代高科技的一个重要组成部分和思想库，数学已经成为一种能够普遍实施的技术。

培养学生应用数学的意识和能力已经成为数学教学的一个重要方面。

数学是在实际应用的需求中产生的，我们把遇到的实际问题进行分析，发现其中的可以用数学语言来描述的关系或规律，把这个实际问题转化成一个数学问题，建立了数学模型。

但数学模型迫切需要一个方便、快捷且功能强大的工具去实现并解决，特别随着科技的进步，人们在解决问题的时候常常要用到许多比较复杂的数学知识和大量的数据计算，这无疑加大了人们解决间题的难度，也要耗费更长的时间。

而MATLAB正是在数

学计算和大量数据处理方面具备其它软件所不具备的优势，且操作简单，运算速度快，所以应用MATLAB进行数学建模也就大大提高了人们的效率。

而且MATLAB还有很强的绘图功能，这就可以使得模型图象化，使得研究人员对建模成果的优劣一目了然，容易进行修正与改进。

MATLAB是当前国际上最流行的科学计算软件，在数学建模与数学实验中得到广泛的应用。

目前，MATLAB在全国高校与研究单位正扮演着重要角色，应用领域也越来越广。

MATLAB是英文MatrixLaboratory（矩阵实验室）的缩写，由美国Mathworks公司开发。

MATLAB语言是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的科学计算软件。

它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。

MATLAB语言在各国的高校与研究单位正扮演着重要的角色。

在美国的一些大学，MATLAB正在成为对数值线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有益工具。

在工程技术界，MATLAB也被用来解决一些实际课题和数学模型问题。

而将MATLAB以用于数序教学，不仅可以提高学生的理解和解题能力，而且可以激发学生的学习兴趣。

课题研究现状

20世纪80年代末90年代初,世界发达国家纷纷开始对各自数学教育发展历程作全面的考察,出台了一系列数学教育发展纲要和数学课程改革蓝图,强调数学教育必须重视应用,培养和提高学生的数学应用能力已经成为国际数学教育改革的主旋律。

而数学建模（MathematicalModeling）则是一种具有创新性的科学方法,它将现实问题简化、抽象为一个数学问题或数学模型,利用恰当的数学方法求解社会实际问题。

近半个多世纪以来，随着计算机技术的迅速发展，数学的应用不仅在工程技术、自然科学等领域发挥着越来越重要的作用，而且以空前的广度和深度向经济、金融、生物、医学、环境、地质、人口、交通等新的领域渗透，所谓数学技术已经成为当代高新技术的重要组成部分。

不论是用数学方法在科技和生产领域解决哪类实际问题，还是与其它学科相结合形成交叉学科，首要的和关键的一步是建立研究对象的数学模型，并加以计算求解。

数学建模和计算机技术在知识经济时代的作用可谓是如虎添翼。

MATLAB是当前国际上最流行的科学计算软件，在数学建模与数学实验中得到广泛的应用。

目前，MATLAB在全国高校与研究单位正扮演着重要角色，应用领域也越来越广[2]。

本文的工作及意义

对于基于Matlab的数据分析与建模工具的设计与实现而言，我觉的最重要的对数学模型的数据分析与处理，利用大量的数据反复计算分析求出数学模型的函数式，连接数据库，由于连接数据库比较麻烦，所以在这我用的是EXCEL代替数据库，原理是一样的。

利用MATLAB编写函数，编程，分析出建模结果。

到这，也只是做了其中的一部分，而接下来的任务就是用JavaBuilder在Java程序中调用Matlab，在JDK中的界面元素构建用户界面，显示分析建模的结果。

所以本文的主要工作接纳如下：

（1）查找书籍，资料，理解分析人口的马得尔萨斯人口模型和Logistic模型，以及战争模型，为分析建模做好基础。

（2）深入理解这几个数学模型，分析数据与处理。

利用大量的数据反复计算分析求出数学模型的函数式。

（3）连接EXCEL数据库，导入、连接数据，分析，编写函数，运行，分析显示出建模结果。

（4）在MATLAB的高级版本中，利用JavaBuilder在Java程序中调用Matlab丰富的数值计算资源，编译生成Java的CLASS类文件，在JDK中的界面元素构建用户界面，显示分析建模的结果。

这样一来，本文采用现有的成熟的建模工具中提供的数据分析模块接口来构建一个数据分析建模工具的原型，提供了一种简单有效且准确性高，可以在各种自主开发的系统中应用的建模方式。

省去了大量的编程过程，加深对数学建模的印象，使之更加的生动易懂。

文章大体结构

本文的大体结构如下：

第一章绪论。

介绍本文的研究背景和目的，以及方案的选择原理、结构、特点和依据，并给出文章的大体结构。

第二章需求分析，并给出大概的总体设计，给出数学模型的分析过程，对运行环境给出解释和说明，做好充分的前提准备，为分步设计做好准备。

第三章分步设计系统，首先给出MATLAB下数据分析、建模的结果。

编译工程给出CLASS类文件，然后在MCR环境下利用JDK构建用户界面，脱离MATLAB执行，给出最后的实现结果。

最后对本文所作的工作做了总结，指出存在的问题，提出了进一步研究方向。

2需求分析

为了实现系统，首先我们要做的是需求分析，在对系统大概的做分析，给出详细的数学模型的解释，为第三步做好准备。

总体要求

本文所阐述的系统分成两部分，一部分是数学模型和MATLAB的部分，另一部分是JAVA调用MATLAB显示建模分析结果的部分，所以在下面的描述中，我们也要相应的分为两部分来说明。

性能需求

MATLAB介绍和发展

MATLAB名字由MATrix和LABoratory两词的前三个字母组合而成。

那是20世纪七十年代后期的事：

时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler教授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库程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。

  经几年的校际流传，在Little的推动下，由Little、Moler、SteveBangert合作，于1984年成立了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。

  MATLAB以商品形式出现后，仅短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英国的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德国的KEDDC）纷纷淘汰，而改以MATLAB为平台加以重建。

在时间进入20世纪九十年代的时候，MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。

  到九十年代初期，在国际上30几个数学类科技应用软件中，MATLAB在数值计算方面独占鳌头，而Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名。

Mathcad因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。

MathWorks公司于1993年推出版本，从此告别DOS版。

版在继承和发展其原有的数值计算和图形可视能力的同时，出现了以下几个重要变化：

（1）推出了SIMULINK。

这是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。

它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而大大提高了人们对非线性、随机动态系统的认知能力。

（2）开发了与外部进行直接数据交换的组件，打通了MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发的道路。

（3）推出了符号计算工具包。

1993年MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权，以Maple为“引擎”开发了SymbolicMathToolbox。

MathWorks公司此举加快结束了国际上数值计算、符号计算孰优孰劣的长期争论，促成了两种计算的互补发展新时代。

（4）构作了Notebook。

MathWorks公司瞄准应用范围最广的Word，运用DDE和OLE，实现了MATLAB与Word的无缝连接，从而为专业科技工作者创造了融科学计算、图形可视、文字处理于一体的高水准环境。

  1997年春，版问世，紧接着是、，以及和1999年春的版。

与相比，现今的MATLAB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。

（关于的特点下节将作更详细的介绍。

） 

  诚然，到1999年底，Mathematica也已经升到版，它特别加强了以前欠缺的大规模数据处理能力。

Mathcad也赶在2000年到来之前推出了Mathcad2000，它购买了Maple内核和库的部分使用权，打通了与MATLAB的接口，从而把其数学计算能力提高到专业层次。

但是，就影响而言，至今仍然没有一个别的计算软件可与MATLAB匹敌。

  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。

在那里，MATLAB是攻读学位的大学生、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，Gage公司的各种硬卡、仪器等都接受MATLAB的支持。

MATLAB-巨人肩上的工具 

MATLAB被誉为“巨人肩上的工具”。

由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言--如Basic、Fortran和C等那样难于掌握，用Matlab编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，所以又被称为演算纸式科学算法语言

一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。

在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。

MATLAB的含义是矩阵实验室（MATRIXLABORATORY），主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。

MATLAB自问世以来,就是以数值计算称雄。

MATLAB进行数值计算的基本单位是复数数组（或称阵列），这使的MATLAB高度“向量化”。

经过十几年的完善和扩充，现已发展成为线性代数课程的标准工具。

由于它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。

美国许多大学的实验室都安装有MATLAB供学习和研究之用。

在那里,MATLAB是攻读学位的大学生硕士生博士生必须掌握的基本工具。

MATLAB中包括了被称作工具箱（TOOLBOX）的各类应用问题的求解工具。

工具箱实际上是对MATLAB进行扩展应用的一系列MATLAB函数（称为M文件），它可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。

随着MATLAB版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛，成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。

，改变了以前单一的“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作”的状况。

这可让使用者也可以象VB、VC、VJ、DELPHI等那样进行一般的可视化的程序编辑。

在命令窗口（matlabcommandwindow）键入simulink，就出现（SIMULINK）窗口。

以往十分困难的系统仿真问题，用SIMULINK只需拖动鼠标即可轻而易举地解决问题，这也是近来受到重视原因所在。

JDK的内容和介绍

JDK（JavaDevelopmentKit）是SunMicrosystems针对Java开发员的产品。

自从Java推出以来，JDK已经成为使用最广泛的JavaSDK（Softwaredevelopmentkit）。

JDK是整个Java的核心，包括了Java运行环境（JavaRuntimeEnvirnment），一堆Java工具和Java基础的类库（）。

不论什么Java应用服务器实质都是内置了某个版本的JDK。

因此掌握JDK是学好Java的第一步。

最主流的JDK是Sun公司发布的JDK，除了Sun之外，还有很多公司和组织都开发了自己的JDK，例如IBM公司开发的JDK，BEA公司的Jrocket，还有GNU组织开发的JDK等等。

其中IBM的JDK包含的JVM（JavaVirtualMachine）运行效率要比SunJDK包含的JVM高出许多。

而专门运行在x86平台的Jrocket在服务端运行效率也要比SunJDK好很多。

但不管怎么说，我们还是需要先把SunJDK掌握好。

提供了泛型等非常实用的功能，，，，,。

，其运行效率得到了非常大的提高，尤其是在桌面应用方面。

JDK本身使用了Java语言编写，在我们下载的安装包里，，里面就是JDK的源代码。

JDK包含的基本组件包括：

　　·javac–编译器，将源程序转成字节码

　　·jar–打包工具，将相关的类文件打包成一个文件

　　·javadoc–文档生成器，从源码注释中提取文档

　　·jdb–debugger，查错工具

　　·java–运行编译后的java程序（.class后缀的）

　　appletviewer：

小程序浏览器，一种执行HTML文件上的Java小程序的Java浏览器。

　　Javah：

产生可以调用Java过程的C过程，或建立能被Java程序调用的C过程的头文件。

　　Javap：

Java反汇编器，显示编译类文件中的可访问功能和数据，同时显示字节代码含义。

Jconsole:

Java进行系统调试和监控的工具。

：

这个是系统的基础类，比如String等都是这里面的，这个package是唯一一个可以不用import就可以使用的Package

　:

这里面是所有输入输出有关的类，比如文件操作等

　:

这里面是与网络有关的类，比如URL,URLConnection等。

　:

这个是系统辅助类，特别是集合类Collection,List,Map等。

　:

这个是数据库操作的类，Connection,Statement，ResultSet等

　:

这个是JSP,Servlet等使用到的类

本文用的是Matlab2009b软件和JDK,通过MATLAB中的JavaBuilder实现Matlab和java的混编。

把Matlab函数包装到1个或多个Java类。

而何为JavaBuilder，MATLABBuilderforJava（又叫JavaBuilder）是对MATLABCompiler的扩展。

用JavaBuilder可以将MATLAB函数包装到一个或多个Java类中形成一个Java组件或包。

每个MATLAB函数被封装为Java类的一个方法，可以在Java应