MATLAB 7.X程序设计

MATLAB是美国Mathworks公司推出的用于科学计算和图形处理的可编程软件系统。自1984年MATLAB 1.0版推向市场以来，先后经历了DOS版和Windows版两个发展阶段，随着其功能的不断加强而得到了广泛的应用，目前已成为理工科类学生及科技工作者必须掌握的重要基本技能之一。2004年Mathworks公司推出了全新的MATLAB 7.0版（Release 14），新版本在保持原有风貌的基础上对已有的功能进行了加强和扩充，仍包括基本和专业扩展两部分。其中基本部分有28个函数库，常用的函数约1200多个；专业扩展部分为用MATLAB基本语句编写而成的各种子程序集，用于解决某一专业方面的问题。

本书是作者根据自己多年从事MATLAB课程的理论教学和实践教学的经验，针对MATLAB程序设计的具体特点而编写的。为了适应教学的实际需要，对书中的内容和组织结构进行了编排，突出了以下几个方面：

（1）掌握编程原理和提高应用软件能力并重。MATLAB既是一种编程语言，又是软件环境，因此学习MATLAB既要培养编程能力，也要提高软件应用能力。本书以MATLAB 7.0版为基础，本着提高应用英文软件能力、理解MATLAB编程思想的目的，重点讲述MATLAB编程的基本原理。

（2）突出计算功能和绘图功能。MATLAB以其强大的计算功能而著称，因此书中的章节安排以MATLAB的功能为主线，在介绍了数据类型和基本编程语句后，重点介绍数值计算、符号计算和计算可视化的实现。

（3）讲解必要的函数。由于MATLAB的函数众多，本书不可能介绍各个函数库中的所有函数，因此为初学者有选择、有针对性地介绍哪些函数就成为必须首要考虑的问题。本书主要以高等数学和线性代数课程为基础介绍相应函数库中的常用函数，所涉及的函数库有20个左右，函数有800个左右，重点讲授的函数有400个左右。

（4）提高函数的应用能力。灵活应用函数是编写MATLAB程序的难点，而有些函数看似简单，但应用起来并非如此，这也是初学者的障碍。因此本书为启发初学者的思路选取了一些典型数学问题，用不同的函数编写不同思路的程序来实现，从而达到开阔思路、拓展思维的目的。

全书分为7个部分：概述部分主要简单介绍MATLAB的特点及软件环境；数据类型部分在介绍数组、子数组的概念基础上，定义了数组和矩阵的运算，并介绍了稀疏数组、字符数组、元胞数组和构架数组等特殊的数据类型，这一部分是全书的基础；程序设计部分介绍M文件的编写语句和编写、执行过程；数值计算和符号计算部分采用对照编写的方法与高等数学、线性代数相联系，介绍计算过程，真正做到数学实验室的作用，这一部分是全书的重点之一；绘图部分包括高层的二维、三维绘图函数和图形的辅助操作命令以及句柄图形、图形用户界面的设计，这一部分也是全书的重点之一；Simulink仿真环境部分简单介绍了常用模块、模型建立和仿真过程；Notebook部分介绍在Word中使用MATLAB的方法。

本书可作为高校理工科专业本科生、研究生学习的教材，也可供科研工作者阅读使用。本书配有免费电子教案，读者可从中国水利水电出版社网站（www.waterpub.com.cn/softdown）下载。

本书主要由王建卫、曲中水和凌滨编著，参加本书编写的还有韩劲松、高峻、曹树佳、王松涛。其中王建卫编写了第3章（3.3、3.4、3.5、3.6、3.7）、第4章、第5章（5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6）和附录A，以及全书内容的规划；曲中水编写了第2章（2.1、2.2、2.3、2.4）、第6章和附录B，以及全书内容的规划；韩劲松编写了第2章（2.5、2.6、2.7、2.8）；凌滨编写了第3章（3.1、3.2）和第7章；曹树佳编写了第1章、第5章（5.7）；高峻编写了第8章。曹树佳和王松涛还参与了编辑加工工作，并校对了全书。

在本书的编写过程中，编者力求内容准确、举例具体，但由于水平有限，书中不妥或错误之处在所难免，敬请读者与编者联系（jwwang2007@163.com）并批评指正。

编 者

2007年3月

前言
第1章 MATLAB概述 1
1.1 MATLAB的发展历程和特点 1
1.1.1 MATLAB的发展历程 1
1.1.2 MATLAB的特点 2
1.2 MATLAB的安装与启动 2
1.2.1 MATLAB的安装 2
1.2.2 启动与退出MATLAB系统 4
1.3 MATLAB的工作环境 5
1.3.1 命令窗口 5
1.3.2 M文件编辑/调试窗口 5
1.3.3 图形窗口 6
1.3.4 工作空间窗口 7
1.3.5 历史命令窗口 7
1.3.6 MATLAB帮助系统 8
1.3.7 MATLAB搜索路径 10
习题 12
第2章 MATLAB运算基础 13
2.1 概述 13
2.1.1 数据术语 13
2.1.2 数据类型 13
2.2 变量 14
2.2.1 变量的命名 14
2.2.2 变量的赋值 14
2.2.3 特殊变量 15
2.2.4 内存变量的管理 15
2.3 数值数组 17
2.3.1 数值数组的建立 17
2.3.2 数组元素的标识 24
2.3.3 子数组 25
2.3.4 数组的赋值 27
2.3.5 数组元素的删除 28
2.3.6 多维数组 28
2.4 稀疏数组 31
2.4.1 数组元素的存储 31
2.4.2 稀疏数组的建立 32
2.5 矩阵和数组的运算 34
2.5.1 矩阵和数组的算术运算 34
2.5.2 矩阵和数组的乘方运算 37
2.5.3 矩阵和数组的数学函数 37
2.6 字符串 40
2.6.1 字符串的定义 40
2.6.2 字符串的连接和替换 40
2.6.3 字符串比较函数 41
2.6.4 字符串转换函数 42
2.7 元胞数组 43
2.7.1 元胞数组的建立 43
2.7.2 转换函数 45
2.7.3 元胞数组的使用 46
2.8 构架数组 47
2.8.1 构架数组的建立 47
2.8.2 域的增加和删除 49
2.8.3 构架数组元素的引用 50
2.8.4 域值操作函数 51
2.8.5 构架数组的嵌套 52
习题 53
第3章 MATLAB程序设计 55
3.1 关系运算 55
3.1.1 概述 55
3.1.2 关系运算符 55
3.1.3 关系运算规则 55
3.1.4 关系运算的应用 56
3.2 逻辑运算 58
3.2.1 逻辑运算符和运算法则 58
3.2.2 逻辑函数 59
3.2.3 运算符优先级 61
3.3 M文件 62
3.3.1 M文件概述 62
3.3.2 M文件的建立 62
3.4 分支语句 63
3.4.1 If结构 63
3.4.2 switch-case结构 64
3.4.3 try-catch结构 66
3.5 循环语句 67
3.5.1 while循环 67
3.5.2 for循环 68
3.5.3 循环程序的等价形式 71
3.6 函数文件 73
3.6.1 函数文件的格式 73
3.6.2 全局变量和临时变量 75
3.6.3 函数文件的应用 76
3.7 MATLAB 文件处理 77
3.7.1 MATLAB 文件处理简介 77
3.7.2 数据文件的分类 77
3.7.3 文件打开和关闭 77
3.7.4 二进制I/O函数 78
3.7.5 格式化I/O函数 79
3.7.6 文件位置和状态函数 80
习题 81
第4章 数值计算 83
4.1 概述 83
4.2 数据分析 83
4.2.1 统计分析 83
4.2.2 协方差和相关系数 90
4.2.3 傅里叶变换 91
4.3 矩阵操作 91
4.3.1 矩阵的结构变换 91
4.3.2 矩阵分析 96
4.3.3 矩阵的特征值分析 106
4.3.4 矩阵的分解 107
4.4 多项式函数 111
4.4.1 多项式的表示 111
4.4.2 多项式的算术运算 111
4.4.3 导函数 112
4.4.4 多项式求根 113
4.4.5 多项式估值 114
4.4.6 部分分式函数 116
4.4.7 多项式积分 116
4.5 插值和拟合 117
4.5.1 数值插值 117
4.5.2 数据拟合 118
4.6 数值微分与积分 119
4.6.1 差分 119
4.6.2 数值积分 120
习题 122
第5章 符号计算 125
5.1 符号计算基础 125
5.1.1 概述 125
5.1.2 创建符号常量 125
5.1.3 创建符号变量 126
5.2 符号表达式的基本操作 127
5.2.1 符号表达式的基本运算 127
5.2.2 符号数值精度控制 130
5.2.3 符号对象转换为数值对象 130
5.2.4 自由变量的确定 131
5.2.5 变量置换 131
5.2.6 反函数和复合函数 132
5.3 符号多项式函数 133
5.3.1 合并同类项 133
5.3.2 因式分解 135
5.3.3 分子、分母的提取 136
5.3.4 化简 137
5.3.5 展开 138
5.4 符号微积分 139
5.4.1 符号极限 139
5.4.2 符号微分 140
5.4.3 符号积分 145
5.5 积分变换 148
5.5.1 符号卷积 148
5.5.2 傅里叶变换及其反变换 149
5.5.3 拉普拉斯变换及其反变换 149
5.5.4 Z变换及其反变换 150
5.6 解方程 151
5.6.1 符号代数方程的求解 151
5.6.2 符号微分方程的求解 153
5.7 可视化数学分析界面 155
5.7.1 单变量函数分析工具 155
5.7.2 泰勒级数 156
习题 157
第6章 MATLAB绘图 160
6.1 二维绘图 160
6.1.1 直角坐标系的二维图形 160
6.1.2 绘制图形的辅助操作 162
6.1.3 plotyy函数 166
6.1.4 极坐标系绘图 167
6.1.5 对数坐标绘图 169
6.1.6 隐函数绘图 171
6.2 特殊二维图形的绘制 175
6.2.1 直方图 175
6.2.2 饼图 175
6.2.3 离散杆状图 176
6.2.4 阶梯状图 176
6.2.5 射线图 177
6.2.6 误差条形图 178
6.2.7 彗星图 179
6.2.8 圆形图 179
6.3 三维绘图 180
6.3.1 三维曲线 180
6.3.2 三维曲面 182
6.3.3 色彩处理 186
6.3.4 图像的读写和动画处理 188
6.3.5 特殊三维图形的绘制 189
6.4 句柄图形 192
6.4.1 句柄图形体系 192
6.4.2 图形对象的建立 192
6.4.3 对象句柄的获取方法 196
6.4.4 对象属性的获取和设置 197
6.5 图形用户界面 198
6.5.1 图形用户界面对象层次结构 198
6.5.2 用户菜单 198
6.5.3 对话框 200
6.5.4 用户控件 203
6.6 图形用户界面设计工具 204
6.6.1 图形用户界面设计工具的启动 204
6.6.2 图形用户界面设计窗口的组成 205
习题 209
第7章 Simulink仿真环境 211
7.1 Simulink的启动与退出 211
7.1.1 Simulink简介 211
7.1.2 Simulink的启动和模型编辑窗口 211
7.1.3 Simulink的文件操作 213
7.1.4 Simulink的退出 213
7.2 Simulink的基本模块 214
7.2.1 基本模块库 214
7.2.2 常用模块的参数设置 216
7.3 模型文件的创建 217
7.3.1 模块的操作 217
7.3.2 信号线的操作 218
7.3.3 创建模型文件 219
7.4 子系统 221
7.4.1 子系统建立的方法 221
7.4.2 子系统的封装 221
7.4.3 条件执行子系统 224
7.5 通过命令窗口创建Simulink模型 224
7.5.1 Simulink模型文件操作命令 224
7.5.2 Simulink模型文件编辑命令 225
习题 225
第8章 Notebook 227
8.1 Notebook的安装与启动 227
8.1.1 Notebook的安装 227
8.1.2 Notebook的启动 228
8.1.3 M-book模板的界面 229
8.1.4 Notebook的单元样式 229
8.2 Notebook的使用 230
8.2.1 输入单元 230
8.2.2 自动初始化单元 231
8.2.3 单元组 232
8.2.4 输出单元的设置 233
8.2.5 计算区 235
8.2.6 运行方法 236
习题 237
附录A 实验 238
附录B 函数库 243
参考文献