MATLAB与仿真第二章.docx
《MATLAB与仿真第二章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MATLAB与仿真第二章.docx（58页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
MATLAB与仿真第二章
目录
第二章MATLAB基础1
2.1变量和数组1
2.2MATLAB变量的初始化3
2.2.1用赋值语句初始化变量3
2.2.2用捷径表达式（shortexpressions）来赋值4
2.2.3用内置函数来初始化5
2.2.4用关键字input初始化变量6
测试2.16
2.3多维数组6
2.3.1多维数组在内存中的存储7
2.3.1用单个下标访问多标数组8
2.4子数组8
2.4.1end函数9
2.4.2子数组在左边的赋值语句的使用9
2.4.3用一标量来给子数组赋值10
2.5特殊变量11
测试2.211
2.6显示输出数据12
2.6.1改变默认格式12
2.6.2disp函数13
2.6.3用fprintf函数格式化输出数据13
2.7数据文件13
测试2.314
2.8标量运算和数组运算15
2.8.1标量运算符15
2.8.2数组运算和矩阵运算15
例2.116
2.9运算的优先级17
例2.218
测试2.418
2.10MATLAB的内建函数19
2.10.1选择性结果19
2.10.2带数组输入的MATLAB函数的应用19
2.10.3常见的MATLAB函数19
2.11画图入门19
2.11.1简单的xy画图的应用20
2.11.2打印图象21
2.11.3联合作图22
2.11.4线的颜色,线的形式,符号形式和图例22
2.11.5对数尺度24
2.12例子25
例2.325
例2.426
例2.528
2.13调试MATLAB程序29
2.14总结30
2.14.1好的编程习惯31
2.14.2MATLAB总结31
2.15练习33
2.133
2.233
2.333
2.433
2.534
2.634
2.734
2.834
2.934
2.1034
2.1135
2.1235
2.1335
2.1435
2.1535
2.1636
2.1736
2.1836
第二章MATLAB基础
在本章我将向大家介绍MATLAB的基本元素。
在本章的章末，你将会编写简单的函数化的工具。
2.1变量和数组
MATLAB程序的基本数据单元是数组。
一个数组是以行和列组织起来的数据集合，并且拥有一个数组名。
数组中的单个数据是可以被访问的，访问的方法是数组名后带一个括号，括号内是这个数据所对应行标和列标。
标量在MATLAB中也被当作数组来处理——它被看作只有一行一列的数组。
数组可以定义为向量或矩阵。
向量一般来描述一维数组，而矩阵往往来描述二维或多维数组。
在本书中，当我们讨论一维数组时用向量表示，当我们讨论二维或多维向量时用矩阵。
如果在特殊情况下，同时遇到这两种数组，我们就把他们通称为“数组”。
数组的大小（size）由数组的行数和列数共同决定,注意行数在前。
一个数组所包含的数据多少可由行数乘列数得到。
例如，下列数组的大小为
数组
大小
这是一个3×2矩阵，包含6个元素
这是一个一维行向量，共有4个元素
这是一个一维行向量，共有4个元素
数组中的单个数据是可以被访问的，访问的方法是数组名后带一个括号，括号内是这个数据所对应的行标和列标。
如果这个数组是一个行向量或列向量，则只需要一个下标。
例如上面的数组A（21）为3，C
（2）为2。
一个MATLAB变量是一段包含一个数组的内存区，并且拥有一个用户指定的变量名。
通过适当的命令和它的变量名随时可以就调用它和修改它。
MATLAB的变量名必须以字母开头，后面可以跟字母，数字和下划线（_）.只有前31个字符是有效的；如果超过了31个字符，基余的字符将被忽略。
如果声明两个变量，两变量名只有第32个字符不同，那么MATLAB将它们当作同一变量对待。
常见编程错误
确保你所声明的变量名前31个字符是独一无二的。
否则，MATLAB将无法辨认出它们的不同。
当你编写程序时，给变量起一个有意义的名字非常的重要。
有意义的名字极大的提高了程序的可读性和可维护性。
像day，month和year这样的名字意义非常明确，即使第一次看到也能理解。
尽管空格不能用在MATLAB变量名中，但是可以用下划线代替空格创造出有意义的变量名。
比如，changerate可以写成change_rate.
好的编程习惯
给你的变量起一个描述性的且易于记忆的变量名。
例如，货币汇率可以exchange_rate为变量名。
这种方法将使得你的程序更加明确且易于理解。
在你所写的程序的开头列出一数据字典（datadictionary）十分的重要.数据字典列举了你在本程序中用到的所有变量的定义。
它的定义应包括本条目的所要描述的内容和它在执行时所在的单元。
当编写程序时，编定数据字典看似没有必要。
但是设想一下，在过了一段时间后，你或其他人要对此程序修改，这时数据字典就显得十分的有用。
好的编程习惯
给每个程序创建一个数据字典以增强程序的可维护性。
在MATLAB语言中是区分字母大小的，也就是说，大写字母和小写字母代表的东西是不同的。
所以变量NAME,Name，name在MATLAB中是不同的。
所以已用过的小写变量名与一个新建大写的变量名重名，这时使用时要特别地小心。
在一般情况下，我们一律用小写字母来表示。
好的编程习惯
在每次用到一个变量时，我们要确保变量名的大小写的精确匹配。
在变量名中只使用小写字母是一个好的编程习惯。
两个最常见的变量类型是char型和double型。
double型的变量包括由64位双精度浮点数构成的标量或数组。
这种变量可以代表实数，虚数和复数。
每个值的实部和虚部的变化范围为正负10308~10308，拥有15到16位有效数字。
这是基本的数字数据类型。
无论什么时侯，你将一个数值赋值于一个变量名，那么MATLAB将自动建立一个double型变量。
例如，下面语句创建了一个以var为变量名的double型变量，包含了一个double型的单个元素，存储了复数值（1+i）;
var=1+i;
char型的变量包括由16位数值构成的标量或数组，每一个16位数代表一个字符。
这个类型的经常用于字符串操作，当一个字符或字符串赋值于一个变量名时，系统会自动建立一个char型变量。
例如，下面的这个语句创建了一个char型变量comment，并存储了一个字符串在其内。
当这个语执行后，系统将会建立一个1×26的字符串数组。
comment='thisisacharacterstring';
像C语言这样的语言中，变量类型和变量在使用之前必须强制声明。
这种语言我们叫它强类型语言。
相对地，像MATLAB这样的叫做弱类型语言。
通过简单的赋值形式就可以创建变量，变量类型取决于创建时的类型。
2.2MATLAB变量的初始化
当变量初始化时，MATLAB将会自动建立变量。
有三种方式初始化MATLAB中的变量：
1．用赋值语句初始化变量
2．用input函数从键盘输入初始化变量
3．从文件读取一个数据
前两种方法我们在这里讨论，第三方法我们将在2.7节介绍。
2.2.1用赋值语句初始化变量
最简单的创建和初始化一个变量的方法是用赋值语句赋予变量一个或多个值。
赋值语句的一般形式如下
var=expression
var是变量名，expression可以是一个标量、一个数组或常量、其他变量和数学运算符号（+、-）的联合。
这个表达式（expression）的值是通过一般的数学运算法则计算出来的，然后将产生的结果存储到变量var中。
下面是一些用赋值语句初始化的变量：
var=40*i;
var2=var/5;
array=[1234];
x=1;
y=2;
第一个例子创建了一个double类型的标量变量，存储了一个虚数40i。
第二个例子创建了一个表达式var2，把var/5的值存储于内。
第三个例子创建了一个数组array，并存储了一个4元素的行向量于内。
最后一个例子显示了多个赋值语句可写在同一行，中间用逗号或分号隔开。
注意如果在赋值语句执行时变量已经存在，那么这个变量原有的值将被覆盖。
正如第三个例子显示的，数据数组也可以初始化变量。
我们可以用是括号[]和分号建立数组。
所有元素按行阶排序，换句话说，每一行的值从左向右，顶部的行置于最前，底部的行置于最后。
在一行内单个数值可用空格或逗号隔开，而行与行之间要与则用分号隔开，或另起一行书写。
下面的表达式都是合法的，能用于建立一个变量：
[3.4]
这个表达式创建了1×1数组（一个标量）,包含数值3.4.这时括号可以省略.
[1.02.03.0]
这个表达式创建了1×3数组,一维行向量[123]
[1.0;2.0;3.0]
表达式创建了一个3×1数组,一维列向量
[1,2,3;4,5,6]
这个表达式创建了一个2×3数组,矩阵
[1,2,3
4,5,6]
这个表达式创建了一个2×3数组,矩阵
[]
是个空数组,没有行,没有列（注意他与元素全为零的数组的区别）
注意一个数组每一行元素的个数必须完全相同,每一列元素的个数也必须完全相同.像[123;45]这样的表达式是非法的,因为第一行有3个元素,第二行有只有2个元素.
常见编程错误
每一行元素的个数必须完全相同,每一列元素的个数也必须完全相同.试图创建一个不同行（列）拥有不同数目元素的数组,在编译时将会出现错误.
用于初始化数组的表达式可以包括代数符号或事先已经定义好的数组.例如赋值语句
a=[01+7]
b=[a
（2）7a]
定义了数组a=[08]和数组b=[8708].
当我们创建一个数组时,不是每一个元素都必须定义.如果要定义一个特殊的数组,或只有一个或几个元素没有定义,那么之前的那些元素将会自动创建,并初始化为0.例如,如果数组c事先没有定义,语句c（2,3）=5将会创建一矩阵
。
相似地，指定一个值赋予一个存在的数组，但超过了这个数组的大小。
例如，假设存在一数组d=[12],下面这个语句
d（4）=4;
将会制造出数组d=[1204].
在每个赋值语句末的分号有特殊的目的：
无论在何时一个表达式在赋值语句中被赋值，分号将会中止变量值的重复。
如果句末没有分号，变量值将会自动显示在命令窗口（TheCommandWindows）中。
>>e=[123;456]
e=
123
456
如果在赋值语句末有分号，这种重复将会消失。
重复是一个用于检查你的工作极好的方法，但是它降低了运行速度。
因此，我们在一般情况下总是禁止重复。
尽管如此，重复计算的结果提供了一个强大的应急调试器。
如果你不能确定一个特定的赋值语句结果是多少，这时你可以去掉这个语句后的分号，当这个语句编译时，结果会显示在命令窗口（TheCommandWindows）。
好的编程习惯
在MATLAB赋值语句后加上一个分号来禁止变量值在命令窗口（TheCommandWindows）的重复。
这将大大提高编译的速度。
好的编程习惯
如果你在调试程序时需要检测一个语句的结果，可能把句后的分号去掉，这样结果将会出现在命令窗口（TheCommandWindows）。
2.2.2用捷径表达式（shortexpressions）来赋值
创建一个小数组用一一列举出元素的方法是比较容易的，但是当我们创建包括成千上万个元素的数组怎么办？
把每一个元素列举出来则不太现实。
MATLAB提供一种专门的捷径标记法，这种方法用克隆运算符（colonoperator）适用于上述情况。
克隆运算符指定一系列的数值，它指定了这个系列数的第一值，步增和最后一个值。
它的一般顺序始下
first:
incr:
last
first代表数组的每一个值，incr代表步增量，last代表这个数组的最后一个值。
如果步增量为1，那么步增量可省略，而变成了first:
last格式。
例如，表达式1:
2:
10是创建一个1×5行向量[13579]的简便方法。
>>x=1:
2:
10
x=
13579
用克隆标记法初始化一个含有一百个元素的数组
，语句如下
Angles=（.01:
.01:
1）*pi
捷径表达式可以联合转置运算符（’）来初始化行向量，或更加复杂的矩阵。
转置运算符可以在需要的情况下完成行和列的转换。
因为这个表达式
f=[1:
4]';
产生一个4元素行向量[1234]，然后将其转换成4元素的列向量
;相似地，表达式
g=1:
4;
h=[g'g']
将会创建一个矩阵
2.2.3用内置函数来初始化
数组也可以用MATLAB内置函数创始化。
例如，函数zeros可以初始化任何大小的全为零的数组。
用许多形式的zeros函数。
如果这个函数的参数只是一个标量，那么MATLAB将会创建一个方阵，行数和列数均为这个参数。
如果这个函数有两个标量参数，那么第一个参数代表行数，第二个参数代表列数。
因为size函数所返回的一个数组的行数和列数，所以它可以联合zeros函数来创建一个相同大小零矩阵。
下面是一些用到zeros函数的例子。
a=zeros
（2）;
b=zeros（2,3）;
c=[12;34];
d=zeros（size（c））
这些语句产生下列的数组
相似地,ones函数产生的数组包含的元素全为1,eye函数通常用来产生单位矩阵,只有对角线的元素为1.其他元素为0.表2.1列出一些用于初始化变量的函数.
表2.1用于创始化变量的MATLAB函数
函数
作用
zeros（n）
创建一个n×n零矩阵
zeros（n,m）
创建一个n×m零矩阵
zeros（size（arr））
创建一个与数组arr的零矩阵
ones（n）
创建一个n×n元素全为1矩阵
ones（n,m）
创建一个n×m元素全为1矩阵
eye（n）
创建一个n×n的单位矩阵
eye（n,m）
创建一个n×m的单位矩阵
length（arr）
返回一个向量的长度或二维数组中最长的那一维的长度
size（arr）
返回指定数组的行数和列数
2.2.4用关键字input初始化变量
关键字input用来提示使用者和直接从键盘输入初始化变量.当脚本文件（Scriptfiles）时,它可以用来提示使用者输入.input函数在命令窗口（TheCommandWindows）显示提示语句,并等待用户输入一个值.例如,下面的赋值语句:
my_val=input（'enteraninputvalue:
'）
当这个语句被编译时,MATLAB打印出字符串enteraninputvalue:
然后等待用户回复.如果要只输入一个数,那么只需要直接键入,如果要输入一个数组,则必须带上中括号（[]）.不管怎样，当按下回车键时.在窗口输入的任何值都会被储入变量my_val.如果只按下回车键,那么这个变量就存储了一个空矩阵.
如果input函数中有字符's'做为它的第二个参数,输入的数据就被当字符串.因此,语句
in1=input（'enterdata:
'）;
enterdata:
1.23
把数值1.23存储到in1中.而语句
in2=input（'enterdata:
','s'）
enterdata:
123
把字符串1.23存储到in2中.
测试2.1
本测试提供了一个快速的检查方式，看你是否掌握了2.1和2.2的基本内容。
如果你对本测试有疑问，你可以重读2.1和2.2，问你的老师，或和同学们一起讨论。
在附录B中可以找到本测试的答案。
1.数组,矩阵,向量有什么区别?
2.回答关于下列矩阵的有关问题
（a）C的大小是多少？
（b）C（2,3）的值是多少？
（c）列出值为0.6的元素的下标
3.确定下列数组的大小，通过whos或工作空间窗口（Theworkspacebrowser）检查你的答案。
注意在本练习中后面的数组可能要用到前面数组的定义。
（a）u=[1020*i10+20]
（b）v=[-1;20;3]
（c）w=[10-9;2-20;123]
（d）x=[u'v]
（e）y（3,3）=-7
（f）z=[zeros（4,1）ones（4,1）zeros（1,4）']
（g）v（4）=x（2,1）
4.w（2,1）的值是多少？
5.x（2,1）的值是多少？
6.y（2,1）的值是多少?
7.当语句（g）执行后，v（3）的值是多少？
2.3多维数组
正如我们所看到的，MATLAB的数组可能是一维或多维的。
一维的数组可以形象地看作一系列的数垂直地罗列起来，用一个下标就可以调用数组中的元素（如图a）。
这样的数组适用于一个变量的函数，例如在规定的时间间隔后一系列的测量温度。
许多数据的类型需要多变量的函数。
例如，我要在5个不同的地方，每个地方测4次温度。
在这种情况下，我们的20次测量结果在逻辑上分为五个不同的行，每行有4个测量结果（如图b）.在这种情况下，我们就需要两个下标来调用这个数组特定的函数：
第一个下标选择行，第二个下标选择列。
这样的数组叫做二维数组。
二维数组中元素的个数取决于这个数组的行数和列数。
出于问题的需要，MATLAB允许我们创建多维数组。
这些数组的每一维对应一个下标，和每一个单个元素都可以通过它的每一个下标被调用。
在这个数组中元素的总和取决于每一维中元素的个数。
例如，下面两个语句创建了一个2×3×2数组c
>>c（:
:
1）=[1,2,3;4,5,6];
>>c（:
:
2）=[7,8,9;10,11,12];
>>whosc
NameSizeBytesClass
c2x3x296doublearray
Grandtotalis12elementsusing96bytes
这个数组（2×3×2）包括12种元素，它的内容显示方法和其他数组的显示方法大体相同
>>c
c（:
:
1）=
123
456
c（:
:
2）=
789
101112
2.3.1多维数组在内存中的存储
一个有m行和n列的二维数组包括m×n个元素，这些元素在计算机的内存中将会占有m×n个连续的内存空间。
这些数组的元素在内存中是如何排列的呢？
MATLAB以列主导顺序分配数组中的元素。
也就是说，内存先分配第一列的元素，然后第二列，第三列，……以此类推，直到所有列都被分配完。
图2.3说明4×3数组a的内存分配情况。
正如我们所看到的，元素a（1,2）是其实在内存分配的第五个位置。
在下一节我们讨论用单一下标访问数组元素和第八章低级I/O接口，内存分配元素的顺序将变得十分重要。
这种分配方式也适用于多维数组。
数组的第一个下标增长最快，第二个仅次之，依此类推，最后一个变化最慢。
例如，在一个2×2×2数组中，它的元素在内存中的分配顺序是
（1，1，1），（2，1，1），（1，2，1），（2，2，1），（1，1，2），（2，1，2），（1，2，2），（2，2，2）。
2.3.1用单个下标访问多标数组
MATLAB的特性之一就是它允许使用者或程序员把一个多维数看作一个一维数组，这个一维数组的长度等于多维数组的元素数。
如果用一个下标访问一个多维数组，那么元素的排列顺序就是内存的分配顺序。
例如，假设我们要声明一个4×3的数组如下：
>>a=[123
456
789
101112]
a=
123
456
789
101112
那么a（5）的值为5和a（1,2）的值相同，这是因为元素a（1,2）排在内存第五个位置。
在一般情况下，我们不应使用MATLAB的这一特性。
用单个下标访问多维数组可能会带很多的麻烦。
好的编程习惯
在访问多维数组时，总是使用合适的维数。
2.4子数组
你可以选择和使用一个MATLAB函数的子集，好像他们是独立的数组一样。
在数组名后面加括号，括号里面是所有要选择的元素的下标，这样就能选择这个函数的子集了。
例如，假设定义了一个数组arr1如下
arr1=[1.1-2.23.3-4.45.5]
那么arr1（3）为3.3,arr1（[14]）为数组[1.1-4.4],arr1（1:
2:
5）为数组[1.13.35.5].
对于一个二维数组，克隆运算符可以用于下标来选择子数组。
例如，假设
arr2=[123;-2-3-4;345]
将建立一个数组
arr2=
在这种定义下，子数组arr2（1,:
）为[123]，子数组arr2（:
1:
2:
3）为
2.4.1end函数
MATLAB中有一个特殊的函数叫做end函数,对于创建子数组的下标非常的有用.当用到一个函数的下标时,end函数将会返回下标的最大值.
例如,假设数组arr3定义如下:
arr3=[12345678];
那么arr3（5:
end）将会产生数组[5678],arr3（end）将会产生值8.
end函数返回的值一般为所要下标的最大值.如果end函数显示有不同的下标,那它将在一个表达式内返回不同的值.例如,假设一个3×4数组arr4的定义如下:
arr4=[1234;5678;9101112]
那么表达式arr4（2:
end,2:
end）将会返回
.注意第一个end返回值为3,第二个返回值为4.
2.4.2子数组在左边的赋值语句的使用
只要数组的形（行数和列数）和子数组的形相匹配，把子数组放于赋值语句的左边用来更新数组中的值。
如果形不匹配，那么将会有错误产生。
例如，下面有一个3×4数组定义如下：
>>arr4=[1234;5678;9101112]
arr4=
1234
5678
9101112
因为在等号左边的表达式的形（2×2）与a相匹配，那么下面的这个赋值语句是合法的。
>>arr4（1:
2,[14]）=[2021;2223]
arr4=
202321
226723
9101112
注意数组元素（1，1），（1，4）（2，1）和（2，4）得到了更新。
相对而言，两边的形不相匹配，则表达式是非法的，例如下面这个表达式。
>>arr5（1:
2,[14]）=[2021]
?
?
?
Subscriptedassignmentdimensionmismatch.
常见编程错误
对于涉及子数组的赋值语句，等号两边的形必须相匹配。
否则将会产生错误。
在MATLAB中用子数组赋值和用值直接赋值有很大的不同。
如果用子数组赋值，那么只有相应的值得到更新，而其他的值保持不变。
另一方面，直接赋值，则数组的原有内容全部删除并被新的值替代。
例如，假设用一个数组arr4定义如下：
>>arr4=[1234;5678;9101112]
arr4=
1234
5678
9101112
下面的赋值语句，只更新特定的元素：
>>arr4（1:
2,[14]）=[2021;2223]
arr4=
202321
226723
9101112
相对地，下面的赋值
升级会员 