科学计算与 MATLAB语言教学内容第 1讲介绍 MATLAB概述与运算基础第 2讲介绍 MATLAB程序设计第 3讲 MATLAB文件操作第 4讲绘图形功能第 5讲线形代数中的数值计算问题第 6讲数据处理方法与多项式第 7讲 MATLAB符号计算第 8讲 MATLAB的图形用户界面设计第一讲 MATLAB概述与运算基础
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年由美国 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 。
在欧美各高等院校,MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、
图像处理等课程的基本教学工具,成为大学生、硕士生以及博士生必须掌握的基本技能。
MATLAB:
是英文 MATrix LABorotory(矩阵实验室 )
的缩写。
一,MATLAB特点,
一,MATLAB特点,
1,数值计算和符号计算功能
MATLAB的数值计算功能包括:矩阵运算、多项式和有理分式运算、数据统计分析、数值积分、优化处理等。符号计算将得到问题的 解析 解。
2.MATLAB语言
MATLAB除了命令行的交互式操作以外,还可以程序方式工作。使用 MATLAB可以很容易地实现 C或 FORTRAN语言的几乎全部功能,包括 Windows图形用户界面的设计。
3.图形功能
MATLAB提供了两个层次的图形命令:一种是对图形句柄进行的低级图形命令,另一种是建立在低级图形命令之上的高级图形命令 。 利用 MATLAB的高级图形命令可以轻而易举地绘制二维,三维乃至四维图形,并可进行图形和坐标的标识,
视角和光照设计,色彩精细控制等等 。
4.应用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。
其工具箱分为两大类: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、可视建模仿真功能及文字处理功能等。学科性工具箱专业性比较强,如控制系统工具箱、信号处理工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、金融工具箱等,用户可以直接利用这些工具箱进行相关领域的科学研究。
一,MATLAB特点,
二,MATLAB运行环境二,MATLAB运行环境硬件:
一般要求 486以上的处理器,16MB以上内存、足够的的硬盘可用空间 (随安装组件的多少而定 ),CD-ROM驱动器、鼠标等。
软件:
Windows 9x
三,MATLAB集成环境三,MATLAB集成环境
MATLAB 5.X是一个高度集成的语言环境,在该环境下既可以进行交互式的操作,又可以编写程序,运行程序并跟踪调试程序 。
1,MATLAB的启动与一般的 Windows 95程序一样,启动 MATLAB有两种常见方法:
(1)通过,开始,按钮,选择,程序,菜单项,然后打开,MATLAB”菜单中的,MATLAB”程序,就可启动
MATLAB系统
(2) 利用 Windows 95建立快捷方式的功能,将 MATLAB
程序以快捷方式放在桌面上 。 只要在桌面上双击该图标即可启动 MATLAB
2,MATLAB命令窗口
(1) 命令窗口的菜单栏菜单栏共包含 File,Edit,Window和 Help四项 。
File菜单项,
New命令:用于建立 M文件,图形窗口 。
Open命令:打开一个已经建立的 M文件 。
Run Script命令:执行一个命令文件 。
Load Workspace命令:将变量装入当前空间。
Save Workspace As命令:把当前工作空间的所有变量用后缀为,mat的文件保存起来。
三,MATLAB集成环境
File菜单项,
Show Workspace命令:打开变量浏览器 。
Set Path命令:打开 MATLAB的路径浏览器 。
Preferences命令:打开命令窗口的显示格式 。
Print Setup命令:设置打印机的参数 。
Print命令:打印和设置一些打印参数 。
Print Selection命令:打印选中的内容 。
Exit MATLAB命令:退出 MATLAB系统 。
三,MATLAB集成环境
2,MATLAB命令窗口
Edit菜单项:
Undo,Cut,Copy和 Paste等命令:分别用于撤销上一次操作,剪切,复制和粘贴 。
Clear命令:删除内容 。
Select All命令:用于选定所有文本内容 。
Clear Session命令:清除命令编辑区的全部内容,但并不删除工作空间中的变量 。
三,MATLAB集成环境
2,MATLAB命令窗口
Help菜单项,
Help Window命令:打开 MATLAB的帮助窗口 。
Help Tips命令:打开帮助窗口,并首先显示 MATLAB的帮助系统的分类和使用方法 。
Help Desk(HTML)命令:打开系统 WWW浏览器,并显示
MATLAB的帮助桌面 。
Examples and Demos命令:可以通过演示 MATLAB提供的例子来熟悉相关部分的用法。
About MATLAB命令:打开关于 MATLAB的版本和版权等信息。
Subsribe命令:打开机器上的 WWW浏览器,用户可过填写相关的表格来获得 MathWorks公司的产品。
三,MATLAB集成环境
2,MATLAB命令窗口
Window菜单项:
利用 Window菜单项可以查看目前 MATLAB打开的所有窗口,并可选中某个窗口为当前窗口,从而实现在不同窗口之间的转换 。
三,MATLAB集成环境
2,MATLAB命令窗口
(2) 命令窗口的工具栏工具栏提供了一些命令按钮,使用命令按钮可使操作更快捷,更方便 。
工作空间新建 剪切 粘贴 浏览器 新仿真模型打开 复制 撤消 路径浏览器 帮助三,MATLAB集成环境
2,MATLAB命令窗口
(3) 命令窗口的命令编辑区命令编辑区用于输入命令和显示计算结果。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。
例如,在 MATLAB命令窗口输入命令:
a=[1,1.5,2,9,7 ; 0,3.6,0.5,-4,4 ; 7,10,-
3,22,33; 3,7,8.5,21,6; 3,8,0,90,-20]
将显示一个 5*5矩阵 。
三,MATLAB集成环境
2,MATLAB命令窗口
( 4) MATLAB帮助系统
MATLAB 5.X里有以下几种方法可获得帮助:帮助命令,帮助窗口,MATLAB帮助桌面或在线帮助页 。 对于 Internet用户,还可直接链接到 MathWorks公司的网页上 (http://www.mathworks.com)寻求帮助 。
三,MATLAB集成环境
2,MATLAB命令窗口
3,MATLAB的退出要退出 MATLAB系统,有三种方法:
(1)单击 MATLAB命令窗口的,关闭,按钮 。
(2)在命令窗口 File菜单中选 Exit MATLAB命令 。
(3)在 MATLAB命令窗口输入 Exit和 Quit命令 。
在 MATLAB中,变量名是以字母开头,后接字母,数字或下划线的字符序列,最多 19个字符,
且区分字母的大小写 。 MATLAB提供的标准函数名必须用小写字母 。
三,MATLAB集成环境四,MATLAB运算量
1,变量和赋值语句
MATLAB赋值语句有两种形式:
(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 。
[ 注 ] 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;
四,MATLAB运算量
2,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 ),<=(小于或等于 ),>(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 )
四,MATLAB运算量运算法则:
(1)在逻辑运算中,确认非零元素为真,用 1表示,零元素为假,用 0表示 。
(2)参与逻辑运算的可以是两个标量,两个同维矩阵或参与逻辑运算的元素一个为标量,另一个为矩阵 。
(3 )在算术,关系,逻辑运算中,算术运算优先级最高,
逻辑运算优先级最低 。
四,MATLAB运算量
2,MATLAB表达式五,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,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
四,MATLAB运算量利用函数建立数值矩阵,MATLAB提供了许多生成和操作矩阵的函数,可以利用它们去建立矩阵 。
例如,reshape函数和 diag函数等 。
reshape函数用于建立数值矩阵 。
diag函数用于产生对角阵 。
利用 M文件建立矩阵,对于比较大且比较复杂的矩阵,
可以为它专门建立一个 M文件 。 其步骤为:
第一步:使用编辑程序输入文件内容 。
第二步:把输入的内容以纯文本方式存盘 (设文件名为
mymatrix.m)。
第三步:在 MATLAB命令窗口中输入 mymatrix,就会自动建立一个名为 AM的矩阵,可供以后显示和调用 。
四,MATLAB运算量
1.建立矩阵利用 M文件建立矩阵,对于比较大且比较复杂的矩阵,
可以为它专门建立一个 M文件 。 其步骤为:
第一步:使用编辑程序输入文件内容 。
第二步:把输入的内容以纯文本方式存盘 (设文件名为
mymatrix.m)。
第三步:在 MATLAB命令窗口中输入 mymatrix,就会自动建立一个名为 AM的矩阵,可供以后显示和调用 。
四,MATLAB运算量
1.建立矩阵
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 。
四,MATLAB运算量
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]
B=fix(pi*A)
C=cos(pi*B)
4,矩阵的基本运算
( 1 ) 矩阵转置
( 2 ) 矩阵加和减
( 3 ) 矩阵乘法
( 4 ) 矩阵除法 A\b=inv(A)*b
( 5 ) 矩阵的乘方 a^2
四,MATLAB运算量
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 。
四,MATLAB运算量
6,数组运算
( 1) 数组的加和减
( 2) 数组的乘和除
( 3) 数组的乘方六.应用举例
【 例 1】 求解线性方程组 AX=B
1 1.5 2 9 7 3
0 3.6 0.5 -4 4 -4
其中 A= 7 10 -3 22 33,B= 20
3 7 8.5 21 6 5
3 8 0 90 -20 16
在 MATLAB命令窗口输入命令:
a=[1,1.5,2,9,7 ; 0,3.6,0.5,-4,4 ; 7,10,-3,22,33 ;
3,7,8.5,21,6; 3,8,0,90,-20];
b=[3;-4;20;5;16];
x=a\b
得到的结果是:
x =
3.5653
-0.9255
-0.2695
0.1435
0.0101
【 例 2】 求方程 x^4+7x^3 +9x-20=0的全部根 。
在 MATLAB命令窗口输入:
p=[1,7,0,9,-20]; %建立多项式系数向量
x=roots(p) %求根得到的结果是:
x =
-7.2254
-0.4286 + 1.5405i
-0.4286 - 1.5405i
1.0826