实验1MATLAB软件的使用与操作资料.docx

1、实验1 MATLAB软件的使用与操作资料MATLAB软件的使用与操作1.1 实验目的 学会使用MATLAB软件，进行相应的数学建模计算机仿真与分析1.2 实验环境PC、Windows 7、MATLAB等；分小组操作完成。1.3 准备知识MATLAB语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，自1984年由美MathWorks 公司推向市场以来，历经十多年的发展与竞争，现已成为国际公认的最优秀的工程应用开发环境.MATLAB功能强大、简单易学、编程效率高，深受广大科技工作者的欢迎.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

2、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.1.3.1 MATLAB简介MATLAB，其名字来源于Matrix Laboratory，各取这两个单词的前3个字母，即“矩阵实验室”的单词缩写组合.顾名思义，MATLAB就是一种以线性软件为基础发展起来的科学计算软件，同时它还代表着一种数据可视化的开放型高级编程语言.MATLAB具有用法简易

3、、可灵活运用、程式结构强又兼具延展性.以下为其几个特色： 功能强的数值运算在MATLAB环境中，有超过500种数学、统计、科学及工程方面的函数可使用，函数的标示自然，使得问 题和解答像数学式子一般简单明了，让使用者可全力发挥在解题方面，而非浪费在电脑操作上. 先进的资料视觉化功能 MATLAB的物件导向图形架构让使用者可执行视觉数据分，并制作高品质的图形，完成科学性或工程 性图文并茂的文章. 高阶但简单的程式环境作为一种直译式的程式语言，MATLAB容许使用者在短时间内写完程式，所花的时间约为用 FORTRAN 或 C 的几分之一，而且不需要编译(compile)及联结 (link) 即能执行

4、，同时包含了更多及更容易使用的内建 功能. 开放及可延伸的架构 MATLAB容许使用者接触它大多数的数学原使码，检视运算法，更改现存函数，甚至加入自己的函数使 MATLAB成为使用者所须要的环境. 丰富的程式工具箱 基本部分和各种可选的工具箱.基本部分中有数百个内部函数.工具箱提 供了使用者在特别应用领域所需之许多函数. 现有工具箱有：符号运算（利用Maple V的计算核心执行 ）、影像处理、统计分析、讯号处理、神经网路、模拟分析、控制系统、最优化、模糊逻辑、化学计量分析. 1.3.2 MATLAB基础1.3.2.1 基本表示方法1.3.2.1.1 变量和赋值语句MATLAB赋值语句有两种形式

5、： (1) 变量=表达式 (2) 表达式其中“表达式”是用运算符将有关运算量连接起来的式子，其结果是一个矩阵.第二种语句形式下，将表达式的值赋给MATLAB的永久变量ans.如果在语句的最后加分号，那么，MATLAB仅仅执行赋值操作，不再显示运算的结果.在一条语句中，如果表达式太复杂，一行写不下，可以加上三个小黑点(续行符)并按下回车键，然后接下去再写.例如: s=1-1/2+1/3-1/4+1/5-1/6+1/7-1/8+1/9-1/10+1/11-1/12;1.3.2.1.2变量命名规则 变量名的大小写是敏感；变量的第一个字符必须为英文字母，而且不能超过31个字符；变量名可以包含下连字符、

6、数字，但不能为空格符、标点.1.3.2.1.3 MATLAB表达式算术表达式运算符有：(加)、(减)、*(乘)、/(右除)、(左除)、(乘方).对于矩阵来说，左除和右除表示两种不同的除数矩阵和被除数矩阵的关系.关系表达式运算符有：(小于)、(大于)、=(大于或等于)、=(等于)、=(不等于).逻辑表达式运算符有：&(与)、|(或)和(非).在MATLAB下进行基本数学运算，只需将运算式直接打在提示号 后面，并按Enter键.MATLAB将计算 的结果以ans显示.例1： 求的算术运算结果.（1）用键盘在MATLAB指令窗中输入以下内容 (12+2*(7-4)/32 （2）在上述表达式输入完成后

7、，按【Enter】键，该就指令被执行.（3）在指令执行后，MATLAB指令窗中将显示以下结果.ans = 2 我们也可给运算式的结果设定一个变量x： x = (5*2+1.3-0.8)*102/25 x = 42 变量x的值可以在下个语句中调用： y= 2*x+1y = 85 例2：计算圆面积Area,半径r = 2，则可键入 r=2; % 圆半径r = 2， area=pi*r2; % 计算圆面积area area = 12.56641.3.2.1.4 MATLAB矩阵运算矩阵是MATLAB最基本的数据对象，MATLAB的大部分运算或命令都是在矩阵运算的意义下执行的。在MATLAB中，不需对

8、矩阵的维数和类型进行说明，MATLAB会根据用户所输入的内容自动进行配置.(1) 建立矩阵建立矩阵可以用：直接输入法、利用函数建立矩阵和利用M文件建立矩阵.直接输入法是将矩阵的元素用方括号括起来，按矩阵行的顺序输入各元素，同一行的各元素之间用空格或逗号分隔，不同行的元素之间用分号分隔.(也可以用回车键代替分号)例如，键入命令: A=1 2 3;4 5 6;7 8 9输出结果是： A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9(2) 冒号表达式在MATLAB中，冒号是一个重要的运算符.利用它可以产生向量，还可用来拆分矩阵.冒号表达式的一般格式是：e1:e2:e3其中e1为初始值，e2为步长，e3为终

9、止值.冒号表达式可产生一个由e1开始到e3结束，以步长e2自增的行向量.例如： i=1:0.5:10(3) MATLAB常用数学函数MATLAB提供了许多数学函数，函数的自变量规定为矩阵变量，运算法则是将函数逐项作用于矩阵的元素上，因而运算的结果是一个与自变量同维数的矩阵. 例如： A= 1 2 3;4 5 6 C=cos(pi*A)(4) 矩阵的基本运算矩阵的运算基本包括矩阵转置（“”）、矩阵加和减（“+、-”）、矩阵乘法（“*”）、矩阵除法（“Ab=inv(A)*b”） 、矩阵的乘方（“a.2”） . 阵列运算功能中 (注意:一定要 多加 . 符号). 例如： + 加 - 减 .* 乘 .

10、/ 左除 . 右除 . 次方 . 转置 .(5) 建立矩阵的函数常用函数有： eye(size(A) 产生与A矩阵同阶的单位矩阵; zeros(m,n) 产生0矩阵; ones(m,n) 产生幺矩阵; rand (m,n) 产生随机元素的矩阵; size(a) 返回包含两个元素的向量; length(a) 返回向量的最大者. (6) 矩阵的拆分利用冒号表达式获得子矩阵的方式：1 A(:,j)表示取A矩阵的第j列全部元素；A(i,:)表示A矩阵第i行的全部元素；A(i,j)表示取A矩阵第i行、第j列的元素.2 A(i:i+m,:)表示取A矩阵第ii+m行的全部元素；A(:,k:k+m)表示取A矩

11、阵第kk+m列的全部元素，A(i:i+m,k:k+m)表示取A矩阵第ii+m行内，并在第kk+m列中的所有元素.此外，还可利用一般向量和end运算符来表示矩阵下标，从而获得子矩阵.end表示某一维的末尾元素下标.3 空矩阵的定义 X=, 存在于工作空间的矩阵，只是维数为0.(7) 字符串在MATLAB中，字符串是用单撇号括起来的字符序列.MATLAB将字符串当作一个行向量，每个元素对应一个字符，其标识方法和数值向量相同.也可以建立多行字符串矩阵.字符串是以ASCII码形式存储的.abs和double函数都可以用来获取字符串矩阵所对应的ASCII码数值矩阵.相反，char函数可以把ASCII码矩

12、阵转换为字符串矩阵.例3： 建立一个字符串向量，然后对该向量做如下处理：(1) 取第15个字符组成的子字符串.(2) 将字符串倒过来重新排列.(3) 找小写字母的位置. (4) 统计字符串中小写字母的个数.在命令窗口输入： ch1= ABc123d4egkhjk56F; subch=ch1(1:5) ; %取子字符串 revch=ch1(end:-1:1); %将字符串倒排 k=find(ch1=a&ch12 error(输入变量太多!);end;if nargin=1 s=b;end;clf;t=0:pi/100:2*pi;x=r*exp(i*t);if nargout=0 plot(x,s

13、);else sa=pi*r*r; fill(real(x),imag(x),s)endaxis(square)Sa=circle(3,r) 运行结果图18.4 程序执行后运行结果1.3.3.3 MATLAB控制流1.3.3.3.1 for循环结构For循环允许一组命令以固定的和预定的次数重复.For循环的一般形式是：for x = arraycommandsend在for和end语句之间的commands按数组中的每一列执行一次. For循环可按需要嵌套.可以利用break命令跳出for循环.例4： 一个简单的for循环示例.for i=1:10; %i依次取1,2,10,.x(i)=i;

14、%对每个i值，重复执行由该指令构成的循环体，end; x %要求显示运行后数组x的值. x = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1.3.3.3.2 while循环结构与For循环以固定次数求一组命令的值相反，While 循环以不定的次数求一组语句的值. While循环的一般形式是： while expression commands end只要在表达式里的所有元素为真，就执行while和end 语句之间的commands.例5：x = zeros(1,6); % x是一个的零矩阵 i = 1; while i 0.5disp(i love you);elsedisp(i donot

15、love you); end1.3.3.3.3 switch语句switch语句根据表达式的取值不同，分别执行不同的语句，其语句格式为： switch 表达式 case 表达式1 语句组1 case 表达式2 语句组2 case 表达式m 语句组m otherwise 语句组n end例7： 根据变量 num 的值来决定显示的内容. num=input(请输入一个数); switch num case -1 disp(I am a teacher.); case 0 disp(I am a student.); case 1 disp(You are a teacher.); otherwis

16、e disp(You are a student.); end1.3.3.3.4 MATLAB全局变量在MATLAB中，全局变量用命令global定义。函数文件的内部变量是局部的，与其他函数文件及MATLAB工作空间相互隔离.但是，如果在若干函数中，都把某一变量定义为全局变量，那么这些函数将公用这一个变量.全局变量的作用域是整个MATLAB工作空间，即全程有效.所有的函数都可以对它进行存取和修改.因此，定义全局变量是函数间传递信息的一种手段.例8： 全局变量应用示例：先建立函数文件wadd.m.该函数将输入的参数加权相加.function f=wadd( x, y) %add two vari

17、able global ALPHA BETA f=ALPHA*x+BETA*y;在命令窗口中输入： global ALPHA BETA ALPHA=1; BETA=2; s=wadd(1,2)输出为： s =51.3.3.3.5数据的输入输出(1) input函数 用于向计算机输入一个参数.调用格式： A=input(提示信息，选项)；注：s选项，则允许用户输入一个字符串.例9： 求一元二次方程a2 +bx+c=0的根.a=input(a=?); b=input(b=?); c=input(c=?); d=b*b-4*a*c; x=(-b+sqrt(d)/(2*a),(-b-sqrt(d)/(

18、2*a)将该程序以aa.m文件存盘，然后运行aa.m文件(2) pause函数暂停程序的执行.调用格式：pause(延迟秒数)注：如果省略延迟时间，直接使用pause，则将暂停程 序，直到用户按任一键后程序继续执行.(3) disp函数 命令窗口输出函数.调用格式： disp(输出项)注：输出项为字符串或矩阵.例10： A=Hello,MATLAB; disp(A)输出为： Hello,MATLAB1.3.3.3.5程序的调用(1) 主函数M文件中的第一个函数就叫做主函数，前边章节中所引用的函数事实上都是主函数，主函数之后可以是任意数量的子函数，它们可以作为主程序的子程序.一般来说，在命令窗口

19、或是其他的M文件只能调用主函数，调用的时候就是直接调用其函数名. 比如，函数average的M文件average.m如下：function y = average(x) % AVERAGE Mean of vector elements.y = sum(x)/length(x); % Actual computation(2) 子函数与其他的高级语言一样，在MATLAB 7语言中也可以很方便地定义子函数，用来扩充函数的功能。在函数文件中题头定义的函数为主函数，而在函数体内定义的其他函数都被视为子函数。子函数只能为主函数或同一主函数下的其他子函数所使用。(必须和相应的主函数放到同一目录下！)例1

20、1： 利用函数的递归调用，求n！. n!本身就是以递归的形式定义的：显然，求n!需要求(n-1)!，这时可采用递归调用.递归调用函数文件factor.m如下：function f=factor(n)if n=1 f=1;else f=factor(n-1)*n; %递归调用求(n-1)!end(3) 局部函数MATLAB 7语言中把放置在目录private下的函数称为局部函数，这些函数只有private目录的父目录中的函数才可以调用，其他目录下的函数不能调用. 局部函数与子函数所不同的是，局部函数可以被其父目录下的所有函数所调用，而子函数则只能被其所在的M文件的主函数所调用.所以，局部函数在可

21、用的范围上大于子函数；在函数编辑的结构上，局部函数与一般的函数文件的编辑相同，而子函数只能在主函数文件中编辑.1.3.4 MATLAB图形功能1.3.4.1 MATLAB 二维图形作为一个功能强大的工具软件，Matlab具有很强的图形处理功能，提供了大量的二维、三维图形函数.由于系统采用面向对象的技术和丰富的矩阵运算，所以在图形处理方面即常方便又高效.表18.1 MATLAB中基本绘图函数命 令含 义plot建立向量或矩阵各队队向量的图形title给图形加标题xlabel给x轴加标记ylabel给y轴加标记text在图形指定的位置上加文本字符串gtext在鼠标的位置上加文本字符串grid打开网

22、格线1.3.4.2 plot函数调用格式:格式：plot(x,y1,cs,.)Plot为绘制一维曲线的基本函数，但在使用此函数之前，我们需先定义曲线上每一点的x及y座标，及曲线的性质（系统默认亦可） ，其中c表示颜色， s表示线型.例12：x=0:0.001:10; % 0到10的1000个点的x座标y=cos(x); % 对应的y座标%plot(x,y); % 绘图Y=cos(10*x);axis(0,6,-1.5,1) %用axis(xmin,xmax,ymin,ymax)函数来调整图轴的范围plot(x,y,r:,x,Y,b) % 同时画两个函数MATLAB也可对图形加上各种注解与处理：

23、xlabel(x轴); % x轴注解 ylabel(y轴); % y轴注解 title(余弦函数); % 图形标题 legend(y = cos(x); % 图形注解 gtext(y = cos(x); % 图形注解 ,用鼠标定位注解位置grid on; % 显示格线 图18.5 程序执行后运行结果1.3.4.3使用Insert菜单对图形进行处理例13：x=linspace(-3,5,100);y=cos(x);z=sin(x);plot(x,y,x,z)title(一条正弦曲线和一条余弦曲线);xlabel(x的取值范围)ylabel(Y和Z的值)图18.6 利用程序生成图形后，基于Insert菜单对图形处理表18.2 plot函数绘图的参数设置字元颜色字元图线型态y黄色.点k黑色o圆w白色xxb蓝色+g绿色*r红色-实线c亮青色:点线m锰紫色-.点虚线字元颜色字元图线型态1.3.4.4