MATLAB程序设计基础与应用

Mathematica
Mathematica有较为广泛的数学计算功能，支持比较复 杂的数值计算和符号计算。Mathematica的初始版本是由美 国物理学家Stephen Wolfram领导的一个小组开发出来用于 量子力学研究的，所以早期的Mathematica主要在数学和物 理领域流传较广。近年来，Wolfram等人正在开发Mathematica的各种工具箱，以便Mathematica适应于更多的领域。 目前已经推出了小波分析工具箱、电气工程工具箱等。和 Maple相比，Mathematica的用户界面友好、使用方便、扩展 便利。由于Mathematica也有符号计算功能，所以它可给出 任意精度的数值解。
MATLAB工具栏
用 MATLAB 的 M 文件编辑器新建一个 M 文件； 用 MATLAB 编辑器打开一个文件； 将选中的内容剪切到剪贴板； 将选中的内容复制到剪贴板； 将剪贴板中的内容粘贴到光标指定的位置； 撤消最近一次的操作； 打开 Simulink 浏览器； 打开 MATLAB 帮助窗口； 当前工作路径。
1.1.2 MATLAB 的主要特点
• 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数及其丰富。 • 运算符丰富，Matlab提供了和C语言几乎一样多的运算符。 • Matlab既有结构化的控制语句，又有面向对象编程的特性。 • 语法限制不严格，程序设计自由度大。 • 程序的可移植性好，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。 • Matlab的图形功能强大。 • 具有功能强劲的各类工具箱。 • 源程序的开放性。 • 与其他高级语言相比，Matlab程序为解释执行，故其运行 速度较慢。
• 例1-1 绘制正弦曲线和余弦曲线。 x=[0:0.5:360]*pi/180; %给出自变量 x 的定义域 plot(x,sin(x),x,cos(x));
1
%绘出函数图形
0.5
0
-0.5
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
• 例1-2 求方程 3x4+7x3 +9x2-23=0的全部根。 p=[3,7,9,0,-23]; %建立多项式系数向量 x=roots(p) %求根 x= -1.8857 -0.7604 + 1.7916i -0.7604 - 1.7916i 1.0732
教学基本要求
1. 了解MATLAB语言特点、熟悉MATLAB视窗环境、掌握 MATLAB帮助功能的基本使用方法。 2. 掌握MATLAB中变量和函数的有关概念、以及矩阵和多项 式的构造方法。掌握数组运算和矩阵运算，并能够使用常 用的几种常用的函数进行简单问题的求解。 3. 搞清符号变量和符号表达式的定义，并能用符号运算解决 一般的微积分和方程求解问题。掌握 MATLAB 程序设计 的几种基本控制转移语句，学会使用简单M文件的编程。 4. 掌握二维平面图形和三维立体图形的绘制方法，进行数据 可视化处理。理解用户图形界面程序的构造及其编程方法。
标题栏
菜单栏
工具栏
工作空间窗口
当前目录窗口
命令窗口
启动平台窗口
命令历史记录窗口 Start按钮
MATLAB菜单栏
(1) File菜单项：File菜单项实现有关文件的操作。 (2) Edit菜单项：Edit菜单项用于命令窗口的编辑操作。 (3) View菜单项：View菜单项用于设置MATLAB集成环境的 显示方式。 (4) Web菜单项：Web菜单项用于设置MATLAB的Web操作。 (5) Window菜单项：主窗口菜单栏上的Window菜单，只包 含一个子菜单Close all，用于关闭所有打开的编辑器窗 口，包括M-file、Figure、Model和GUI窗口。 (6) Help菜单项：Help菜单项用于提供帮助信息。
命令窗口
• 命令窗口是MATLAB的主要交互窗口，用于输入命令并显示 除图形以外的所有执行结果。 • MATLAB命令窗口中的“>>”为命令提示符，表示MATLAB 正在处于准备状态。在命令提示符后键入命令并按下回车键 后，MATLAB就会解释执行所输入的命令，并在命令后面给 出计算结果。 • 一般来说，一个命令行输入一条命令，命令行以回车结束。 但一个命令行也可以输入若干条命令，各命令之间以逗号分 隔。 • 如果一个命令行很长，一个物理行之内写不下，可以在第一 个物理行之后加上3个小黑点并按下回车键，然后接着下一个 物理行继续写命令的其他部分。3个小黑点称为续行符，即把 下面的物理行看作该行的逻辑继续。
MATLAB程序设计基础与应用
南京理工大学 2007.3
课程的性质、目的和任务
MATLAB 是一个可视化的计算程序，被广泛地应用 在科学运算领域里。它具有功能强大、使用简单等特点， 内容包括：数值计算、符号计算、数据拟合、图形图像处 理、系统模拟和仿真分析等功能。此外，用 MATLAB 还 可以进行动画设计、有限元分析等。 本课程的目的是使学生能够运用MATLAB进行一般的 工程计算，掌握 MATLAB 的基本技术（基本计算、矩阵 处理、符号运算和图形显示技术等），为将来从事工程技 术方面的产品开发、科学研究、工程计算和管理打下一定 的基础。
2500 2000 1500 1000 500 0 -500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
• 例1-5 用一个简单命令求解线性系统 3x1+ x2 - x3 = 3.6 x1+2x2 + 4x3 = 2.1 -x1+4x2+ 5x3 = -1.4 A=[3 1 -1;1 2 4;-1 4 5];b=[3.6;2.1;-1.4]; x=A\b x= 1.4818 -0.4606 0.3848
1.4 MATLAB的工作环境
Matlab的启动与退出
• MATLAB 的启动 – 桌面快捷方式启动 – 开始菜单方式启动 • MATLAB的退出 – 在MATLAB主窗口File菜单中选择Exit 命令。 – 在MATLAB命令窗口输入Exit或Quit命令。 – 单击MATLAB主窗口的“关闭”按钮。
• 例 1-3 绘制函数 y=2sin(1+x)的图像，并计算当 x=0.5 时的函数值。 x=(1:0.1:10); y=2*sin(1+x); plot(x，y) y=2*sin(1+0.5) %给出自变量 x 的定义域 %写出函数形式 %绘出函数图形 %求当 x=0.5 时的 y 值，其后不 加分号，直接在窗口中给出结果
1.1.3 其他数学类科技软件
• Maple • MathCAD • Mathematica
Maple
Maple是由加拿大Waterloo大学开发出的一种数学软件。 Maple最突出的功能为其符号计算， 无论是MathCAD还是 MATLAB，在符号计算方面都得借助于Maple的威力，Maple 提供了2000多个数学函数，其范围涉及数学的各个分支：基本 代数、欧氏几何学、数论、有理函数、微积分、微分方程、图 形学、线性代数、离散数学、群论等等。 Maple在数值计算和数据可视化方面也有较强的能力。与 MATLAB相比，Maple的数值计算另有特色。Maple能把所求 得的解析解转换成任意精度的数值解。对那些没有最终解析解 的问题，Maple能从中间解析解开始计算数值解，这将缩短误 差的传递途径，从而提高解的精度。
MathCAD
MathCAD是MathSoft公司在80年代推出的一个交互式 的数学文字软件。MathSoft公司推出MathCAD的初衷是给广 大教师、学生及工程人员提供一个兼备文字、数学和图形处 理能力的集成工作环境，以便于科学分析报告、教案及作业 等的完成。精度、速度、算法稳定性及复杂的符号计算都不 是MathCAD的最初设计目标。 MathCAD和MATLAB一样，要求用户输入的数学公式、 方程及矩阵等格式都非常符合人们习惯的书写格式。和 Maple相比，MathCAD的文字处理能力较强。MATLAB的文 字处理能力当然更强，但MATLAB的文字处理借助于微软公 司的Word。MathCAD最值得称道的是它生成的Electric Book中的命令、函数和图形都是“活”的，命令中任何参数的 变化都会使相应的结果发生变化。
第1章 MATLAB概述
1.1 MATLAB简介 1.2 MATLAB的安装 1.3 MATLAB 的基本组成 1.4 MATLAB的工作环境 1.5 MATLAB帮助系统
1.1 MATFra Baidu bibliotekAB简介
• MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成。20 世纪70年代后期，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler 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、Steve Bangert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。
1.2 Matlab的安装
• 安装MATLAB 6.5系统，只需运行系统的安装程 序setup.exe，可以按照安装提示依次操作。
填入序列号
1.3 MATLAB 的基本组成
• MATLAB 由核心部分和各种可选的工具箱（Toolbox）两 大部分组成。 • 核心部分包括了MATLAB 语言、工作环境、句柄图形、 数学函数库和应用程序接口五部分。 • 工具箱又可分为功能性工具箱和学科性工具箱。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。功能性工具箱能 用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，由相 应领域内的专家编写的，故用户无需编写自己学科范围内 的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。
•
1.1.1 MATLAB的版本
• • • • • • • • 1992 年初推出了基于 Windows 的 MATLAB 4.x 版本。 1997 年推出 5.1 版本。 1998 年推出 5.2 版本。 1999 年推出 MATLAB 5.3 版本，MATLAB 5.3对应于 Release 11 。 2000 年推出了 MATLAB 6.0 版本，MATLAB 6.0 对应于 Release 12。 2002年推出了 MATLAB 6.5 版本，MATLAB 6.5 对应于 Release 13。 2004年推出了 MATLAB 7.0 版本，MATLAB 7.0 对应于 Release 14。 2006年9月推出MATLAB2006b。
1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 2
y =1.9950
%输出 y 的计算结果
-2 1 2 3 4 5 6
7
8
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10
• 例 1-4 绘制函数 y=3x3-10x2+5x-8的图像。 for i=1:100 x(i)=0.1*i; y(i)=3*x(i)^3-10*x(i)^2+5*x(i)-8; end plot(x,y) 或 x=(1:0.1:100); y=3*x.^3-10*x.^2+5*x-8; plot(x,y)
使用教材及参考书
• 王沫然 ，《MATLAB与科学计算》（第2版）， 北京：电子工业出版社，2003。 • 张志勇，《精通MATLAB6.5》，北京：北京航天 航空大学出版社，2003。 • 肖伟，MATLAB程序设计与应用，北京：清华大 学出版社，2005。 • 罗建军，MATLAB教程，北京：电子工业出版 社，2005。
课程安排
• 学 时：32（讲课20, 上机12） • 适用对象：理工科类本科生 • 教学方法：授课、上机练习和自学相结合 • 考核方式：综合考核 • 授课教师：李忠新 • 上 • 上 课: 周四，第五大节，Ⅳ-A212 (1、2、4、5、7、10、11周) 机：3 (4H) 、6(4H )、8(4F)、12(4H)