第1章 MATLAB操作基础1

第1章MATLAB操作基础

1.1MATLAB概述

1.2MATLAB的运行环境与安装

1.3MATLAB集成环境

1.4MATLAB帮助系统

第1章MATLAB操作基础

1.1MATLAB概述

1.2MATLAB的运行环境与安装

1.3MATLAB集成环境

1.4MATLAB帮助系统1.1MATLAB概述70年代后期，CleverMoler讲授线性代数课程时，编写的接口程序。取名为MATLAB(matrix和laboratory)矩阵实验室。作为教学辅助免费软件。(用FORTRAN编制)80年代初，JohnLittle和CleverMoler等一起，用C语言开发了第二代专业版。具备了数值计算和数据图示化的功能。随后，他们成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场。1.1.1MATLAB的发展

1984年，MATLAB第1版(DOS版)

1992年，MATLAB4.0版

1994年，MATLAB4.2版

1997年，MATLAB5.0版

1999年，MATLAB5.3版

2000年，MATLAB6.0版

2001年，MATLAB6.1版

2002年，MATLAB6.5版

2004年，MATLAB7.0版2005年，MATLAB7.1版2010年，MATLAB7.11版1.1.1MATLAB的主要应用领域1.航空航天/国防工业

2.汽车工业3.电信行业4.计算机外设开发5.教育6.科学研究7.金融财务8.管理科学当然也包括我们光学工程中的应用（光栅）例子：光栅光栅衍射的公式为：其中x为观察屏上点坐标，D为观察屏到光栅的垂直距离，a为光栅各缝的宽度，d为光栅常数，d=a+b，b是相邻狭缝的间距；N是光栅上狭缝的数目；λ是光波波长。a=0.01e-3;b=0.04e-3;d=a+b;D=1;N=8;%为光栅各个参数赋值lamda=600e-9;%光的波长x=-0.2:0.0003:0.2;y=-1:0.03:1;%屏上观察平面的大小[X,Y]=meshgrid(x,y);%组成数据网格sinsita=X./(D^2+X.^2).^0.5;%计算sin(θ)arfa=pi*a*sinsita./lamda;%计算αbeita=pi*d*sinsita./lamda;%计算βI=(sin(arfa).^2./(arfa.^2)).*...(sin(N.*beita).^2./(sin(beita).^2));%相对光强分布figure;%开辟图形窗口plot(x,I);%画光强与观察点位置关系图figure;view(0,90);%新开图形窗口并在xy平面内观察holdon%colormap(gray);%选择灰度色图mesh(X,Y,I);%绘制衍射图样光强与位置的关系光栅衍射的模拟图样1.1.2MATLAB的主要功能

1．数值计算和符号计算功能

MATLAB以矩阵作为数据操作的基本单位，还提供了十分丰富的数值计算函数。

MATLAB和著名的符号计算语言Maple相结合，使得MATLAB具有符号计算功能。2．绘图功能

MATLAB提供了两个层次的绘图操作：一种是对图形句柄进行的低层绘图操作，另一种是建立在低层绘图操作之上的高层绘图操作。3．编程语言

MATLAB具有程序结构控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特征，而且简单易学、编程效率高。

4．MATLAB工具箱

MATLAB包含两部分内容：基本部分和各种可选的工具箱。

MATLAB工具箱分为两大类：功能性工具箱和学科性工具箱。1.1.3Matlab的主要特点

优点：1.编程容易语言简洁紧凑，库函数极为丰富

(被称为第四代计算机语言)2.图形功能强大3.工具箱功能极为丰富的工具箱4.控制台和图形桌面完美结合缺点程序的执行速度较慢

(不做编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行)（计算器功能）

小结MATLAB不仅是科学家、工程技术人员必备的工具，也是大学生和研究生必须掌握的一门技能。1.1.4初识MATLAB

例1-1计算器功能

计算:

在主命令窗口中输入>>(15+10)/3^0.5+7^2ans=2.048845726811990e+002例1-2学生成绩统计（平均分，成绩分布）

在主窗口中输入：

a=[706580598792768460885595]len=length(a)%矩阵长度（学生数）

ave=sum(a)/len%总分/学生数

c=length(find(a<60))%不及格人数例1-3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)%求根结果：x=-1.8857-0.7604+1.7916i-0.7604-1.7916i1.0732

例1-4求积分

quad('x.*log(1+x)',0,1)

结果:ans=0.2500例1-5求解线性方程组。

a=[2,-3,1;8,3,2;45,1,-9];

b=[4;2;17];

x=inv(a)*b1.1.5数值、变量和表达式

1.数值十进制表示，可以带负号和小数点。如：3-990.011.3e-134.5e33浮点算法的pc机上，数值相对精度是：eps，保持有效数字16位。2.变量

MATLAB语言不要求对所使用变量进行事先声明，也不需要指定变量类型，它会自动根据所赋予变量的值或对变量所进行的操作来确定变量的类型。在赋值过程中，如果变量已存在，旧值将被新值所代替，并以新的变量类型代替旧的变量类型。变量的命名需遵守如下规则：变量名区分大小写；变量名长度不超过64位，第64个字符之后的字符将被忽略；变量名以字母开头，变量名中可包含字母、数字、下划线，但不能使用标点和空格。特殊变量：ans最近生成的无名结果(answer)nargin,nargout函数的输入参数和输出参数个数(numberofargumentinputnumberofargumentoutput)>>aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabc=2Warning:'aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabc'exceedsMATLAB'smaximumnamelengthof63charactersandhasbeentruncatedto'aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa'.(Type"warningoffMATLAB:namelengthmaxexceeded"tosuppressthiswarning.)aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa=2>>aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaefWarning:'aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaef'exceedsMATLAB'smaximumnamelengthof63charactersandhasbeentruncatedto'aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa'.(Type"warningoffMATLAB:namelengthmaxexceeded"tosuppressthiswarning.)aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa=2MATLAB有一些预定义的变量，这些特殊的变量称为常量。常用的常量i,j含义：虚数单位；pi含义：圆周率，NaN或nan含义：Not-a-Number，表示不是一个数inf含义：无穷大realmax含义：最大正实数realmin含义：最小正实数例1：常量

>>pians=3.141592653589793e+000例2:虚数单位>>1+2ians=1.0000+2.0000i1+i2???Undefinedfunctionorvariable'ia'.>>a=3a=3>>1+2a???1+2a|Error:Missingoperator,comma,orsemicolon.例3:变量ans>>13*15ans=195>>b=13*15b=195常量的值被改变后怎么办？定义变量时，应避免与常量名相同，以免改变这些常量的值，如果已改变了某个常量的值，可以通过“clear+常量名”命令恢复该常量的初始设定值。当然，重新启动MATLAB也可以恢复这些常量值。例4:常量的改变与恢复例：>>pi=1pi=1>>clearpi>>pians=3.141592653589793e+000clearall命令可将工作空间中所有的变量清除。2.1.2数字变量MATLAB是以矩阵为基本运算单元的，而构成数值矩阵的基本单元是数字。1.数字变量的运算对于简单的数字运算，可以直接在命令窗口中以平常惯用的形式输入，如：>>258*369ans=95202当表达式比较复杂或重复量出现次数较多时，更好的办法是先定义变量，再由变量表达式计算得到结果。

[例5]要求计算水在温度为0℃,20℃,40℃,60℃,80℃时的粘度，已知水的粘度随温度的变化公式为:

其中为水的粘度，值为：1.785×10-3>>muw0=1.785e-3;%定义摄氏零度时的粘度值>>a=0.03368;%定义两常数>>b=0.000221;>>t=20;%定义摄氏温度变量>>muw=muw0/(1+a*t+b*t^2)%计算摄氏温度对应粘度值muw=1.0131e-003说明

在例中,同一行为‘%’以后的内容只起到注示的作用，对最终结果不产生任何影响。当用户不想显示中间的计算结果时，可用“；”来结束一行的输入，则此时中间结果将不显示在屏幕上；当用户想再次查询此变量时，只需输入变量名。在MATLAB中，一般代数表达式的输入就如同在纸上进行演算一样，如四则运算符就直接用+、-、*和/即可，所以，还有人称其为演算纸式的科学计算语言。例如：>>124+456ans=580>>124*456ans=56544MATLAB中的乘方、开方运算可能和其他一些语言中有所不同，分别由^符号和函数来sqrt实现。>>12^2ans=144>>sqrt(ans)ans=12也可用^符号来计算开方，及其它非平方根的情况。>>12^2ans=144>>ans^0.5ans=12注意：用^符号计算，返回的只是第一象限的结果。>>(8)^(1/3)ans=2>>ans=1.0000+1.7321i说明由于单纯数字的运算在用MATLAB解决计算问题时很少用到，且很多功能函数已融入矩阵运算和数组运算当中，因此，将在以后详细介绍相关内容。这里只提醒大家一点，注意计算中的顺序和优先级问题，一般说来，^和sqrt的优先级最高，*、/次之，+、-的优先级最低。例:>>1+2*3^4ans=1631.1.6计算结果的图形表示

例1：画出衰减振荡曲线及其它的包络线。t的取值范围是。t=0:pi/50:4*pi;y0=exp(-t/3); y=exp(-t/3).*sin(3*t);plot(t,y,'-r',t,y0,':b',t,-y0,':b')grid

例1.3.4-2】画出所表示的三维曲面（图1.3-4）。其中x，y的取值范围是[-8，8]clear;x=-8:0.5:8;%定义自变量xy=x’;%定义自变量yX=ones(size(y))*x;%计算自变量平面上取值点x坐标的二维数组Y=y*ones(size(x));%计算自变量平面上取值点y坐标的二维数组R=sqrt(X.^2+Y.^2)+eps; %计算中间变量Z=sin(R)./R; %

计算与自变量二维数组相应的函数值surf(X,Y,Z); %绘制三维网络图colormap(cool) %指定网络图用cool色图绘制xlabel('x'),ylabel('y'),zlabel('z')

1.2MATLAB的运行环境与安装1.2.1MATLAB的运行环境

硬件环境：

(1)CPU

(2)内存

(3)硬盘

(4)CD-ROM驱动器和鼠标。

软件环境：

(1)Windows98/NT/2000或WindowsXP

(2)其他软件根据需要选用1.2.2MATLAB的安装

安装MATLAB6.5系统，需运行系统自带的安装程序setup.exe，可以按照安装提示依次操作。1.3MATLAB集成环境1.3.1启动与退出MATLAB集成环境

1．MATLAB系统的启动

与一般的Windows程序一样，启动MATLAB系统有3种常见方法：

(1)使用Windows“开始”菜单。

(2)运行MATLAB系统启动程序matlab.exe。

(3)利用快捷方式。启动MATLAB后，将进入MATLAB6.5集成环境。MATLAB6.5集成环境包括MATLAB主窗口、命令窗口(CommandWindow)、工作空间窗口(Workspace)、命令历史窗口(CommandHistory)、当前目录窗口(CurrentDirectory)和启动平台窗口(LaunchPad)。

当MATLAB安装完毕并首次启动时，展现在屏幕上的界面为MATLAB的默认界面，如右图所示。主命令窗口编辑窗口编辑窗口2．MATLAB系统的退出

要退出MATLAB系统，也有3种常见方法：

(1)在MATLAB主窗口File菜单中选择ExitMATLAB命令。

(2)在MATLAB命令窗口输入Exit或Quit命令。

(3)单击MATLAB主窗口的“关闭”按钮。1.3.2主窗口

MATLAB主窗口是MATLAB的主要工作界面。主窗口除了嵌入一些子窗口外，还主要包括菜单栏和工具栏。

1．菜单栏

在MATLAB6.5主窗口的菜单栏，共包含File、Edit、View、Web、Window和Help6个菜单项。(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Closeall，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。2．工具栏

MATLAB6.5主窗口的工具栏共提供了10个命令按钮。这些命令按钮均有对应的菜单命令，但比菜单命令使用起来更快捷、方便。1.3.3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，若前一命令后带有分号，则逗号可以省略。例如

p=15,m=35

p=15;m=35

表达式后带分号的，结果将不输出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。

按方向键中的上下键，可调出已输入的命令举例>>1+2+3...+4ans=10>>1+2+3+...4ans=10命令窗口的操作要旨

缺省显示方式

6.0版本所有字符和数码都是同一颜色（黑色）6.5版本对字符和数码分类采用不同的颜色，更为醒目。缺省时：if，for：蓝色指令，表达式和计算结果：黑色字符串：赭红色计算结果以‘短（short）’格式显示，注意：不要认为计算结果的精度就是显示结果的精度，实际的存储和运行都是以双精度进行>>sqrt(2)ans=1.4142MATLAB语言中数值有多种显示形式。在缺省情况下，若数据为整数，则就以整型表示；若为实数，则以保留小数点后4位的浮点数表示。在MATLAB语言中所有的数据均按由IEEE浮点标准规定的长型格式存储，数值的有效范围为10-308~10308(realmin~realmax)1.3.4工作空间窗口()

工作空间是MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、保存和删除。1.3.5当前目录窗口和搜索路径

1．当前目录窗口

当前目录是指MATLAB运行文件时的工作目录，只有在当前目录或搜索路径下的文件、函数可以被运行或调用。

在当前目录窗口中可以显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件并提供搜索功能。

将用户目录设置成当前目录也可使用cd命令。例如，将用户目录c:\mydir设置为当前目录，可在命令窗口输入命令：

cdc:\mydir2．MATLAB的搜索路径

当用户在MATLAB命令窗口输入一条命令后，MATLAB按照一定次序寻找相关的文件。基本的搜索过程是：

(1)检查该命令是不是一个变量。

(2)检查该命令是不是一个内部函数。

(3)检查该命令是否当前目录下的M文件。

(4)检查该命令是否MATLAB搜索路径中其他目录下的M文件。用户可以将自己的工作目录列入MATLAB搜索路径，从而将用户目录纳入MATLAB系统统一管理。设置搜索路径的方法有：

(1)用path命令设置搜索路径。例如，将用户目录c:\mydir加到搜索路径下，可在命令窗口输入命令：

path(path,’c:\mydir’)(2)用对话框设置搜索路径

在MATLAB的File菜单中选SetPath命令或在命令窗口执行pathtool命令，将出现搜索路径设置对话框。通过AddFolder或AddwithSubfolder命令按钮将指定路径添加到搜索路径列表中。

在修改完搜索路径后，则需要保存搜索路径。1.3.6命令历史记录窗口

在默认设置下，历史记录窗口中会自动保留自安装起所有用过的命令的历史记录，并且还标明了使用时间，从而方便用户查询。而且，通过双击命令可进行历史命令的再运行。如果要清除这些历史记录，可以选择Edit菜单中的ClearCommandHistory命令。1.3.7主命令窗口

主命令窗口可以帮助用户方便地打开和调用MATLAB的各种程序、函数和帮助文件。

主窗口左下角还有一个Start按钮，单击该按钮会弹出一个菜单，选择其中的命令可以执行MATLAB产品的各种工具，并且可以查阅MATLAB包含的各种资源。

1.4MATLAB帮助系统1.4.1帮助窗口

进入帮助窗口可以通过以下3种方法：

(1)单击MATLAB主窗口工具栏中的Help按钮。

(2)在命令窗口中输入helpwin、helpdesk或doc。

(3)选择Help菜单中的“MATLABHelp”选项。Helpdesk窗口帮助系统提供关于MATLAB操作、函数等详尽的介绍。其中，对函数的介绍非常全面(包括原理、使用)，并且给出例子。部分函数及功能有演示。1.4.2简单帮助命令

MATLAB帮助命令包括help