MATLAB科技绘图与数据分析

《MATLAB科技绘图与数据分析》结合作者多年的数据分析与科研绘图经验，详细讲解MATLAB在科技图表制作与数据分析中的使用方法与技巧。全书分为3部分，共12章，第1部分（第1～3章）主要讲解MATLAB的基础知识，包括MATLAB的操作环境、文件操作、程序设计等；第2部分（第4～8章）结合MATLAB在数据可视化方面的功能，详细讲解MATLAB中的图窗信息、二维图绘制、三维图绘制、专业图绘制、句柄图形对象等科技绘图方面的知识；第3部分（第9～12章）讲解数据描述性分析、插值与拟合、回归分析、优化问题求解等

内容。《MATLAB科技绘图与数据分析》还配套提供了近300个示例的教学视频与上机练习资源文件，可帮助读者大大提升学习效率。

《MATLAB科技绘图与数据分析》注重实操，示例丰富，图表精美，适合从事数据可视化与数据分析的科研工程技术人员、工程师，以及高校相关专业的本科生和研究生阅读。

丁金滨

毕业于航空航天大学，现就职于中国科学院，高级工程师,从事科研工作近二十年。目前参与国家科技重大专项攻关任务，熟练掌握各种工程应用与数据分析软件，曾获得国家专利奖、北京市专利奖和中科院成果转化特等奖等荣誉。

这是一本全面介绍MATLAB科技绘图与数据分析的书籍，对于初学者和进阶用户来说，是一本不可多得的学习资源。

首先，该书从最基础的MATLAB操作讲起，逐步深入到数据分析和图表绘制的高级技巧，非常适合零基础的读者逐步学习和掌握。书中提供的大量示例和精美图表，不仅能够帮助读者理解理论知识，还能够通过实践加深记忆，提高学习效率。

其次，视频教学的加入，为读者提供了一个直观的学习途径，尤其是对于那些希望快速掌握关键技能的读者来说，视频教程可以提供即时的指导和帮助。而上机练习资源文件的存在，使得读者可以在阅读理论之后，立即动手实践，这种学以致用的方式，能够极大地提升学习效果。

最后，作者在科研领域工作20多年的经验，无疑为本书的内容增添了权威性和实用性。资深作者的深厚背景保证了书籍内容的专业性和前沿性，同时也意味着读者可以直接从业内专家那里学习到最实用的知识和技能。

总之，无论你是科研人员、工程师，还是学生，只要你需要使用MATLAB进行数据处理和分析，这本书都将是你宝贵的参考资料。它不仅能够帮助你从零开始学习MATLAB，还能够让你在数据可视化方面达到一个新的高度。

欢迎阅读《MATLAB科技绘图与数据分析》！本书的目标是帮助读者掌握数据可视化的艺术，并深入了解如何利用MATLAB工具创建引人入胜的图形以及进行数据可视化。数据可视化是数据科学和数据分析的重要组成部分，它允许我们将复杂的数据变得更加容易理解和有意义。

MATLAB是一款以矩阵计算为基础的高性能工程计算应用软件，广泛用于科学、工程、数据分析等领域。它提供了丰富的数学和工程函数，支持数据可视化、编程和脚本语言，涵盖从线性代数到图像处理等各个领域。MATLAB的交互式环境使用户能够轻松执行数值计算、数据分析和建模任务，现已成为科研、工程设计和数据科学领域的重要工具。

本书基于MATLAB R2022a编写，并对所有示例在MATLAB 2024版本上进行了测试，全书通过示例引导读者逐步掌握如何使用MATLAB来创建令人印象深刻的科技图表，并教会读者如何利用MATALB进行数据处理。根据内容安排，全书分为3部分，共12章，具体安排如下。

第1部分（第1~3章）主要讲解MATLAB的基础知识，包括MATLAB的操作环境、文件操作、程序设计等内容。

第2部分（第4~8章）结合MATLAB在数据可视化方面的功能，详细讲解了MATLAB中的图窗信息、二维图绘制、三维图绘制、专业图绘制、句柄图形对象等科技绘图方面的知识。

第3部分（第9~12章）讲解了数据描述性分析、插值与拟合、回归分析、优化问题求解等内容。

本书提供了大量的数据可视化与数据分析应用示例，为读者提供各类绘图思路，并展示了MATLAB的强大功能，读者可以在此基础上举一反三，深入学习MATLAB的详细功能。

本书编写过程中重点参考了MATLAB的帮助文档，数据部分采用自带数据或自编数据。在学习过程中，如果需要本书的原始数据，可关注“算法仿真”公众号，并发送关键词106762获取数据下载链接。为帮助读者学习，在“算法仿真”公众号中会不定期提供综合应用示例帮助读者进一步提高作图水平。

MATLAB本身是一个庞大的资源库与知识库，本书所讲难窥其全貌，仅做抛砖引玉。虽然在本书的编写过程中编者力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中欠妥之处在所难免，希望读者和同仁能够及时指出，共同促进本书质量的提高。

为便于读者尽快掌握本书内容，本书还配套提供了学习资源，包括教学视频和资源文件。教学视频讲解并演示了本书近300个示例的操作过程，读者扫码即可直接观看。配套资源文件可以扫描下述二维码下载：

如果下载有问题，请用电子邮件联系[email protected]，邮件主题为“MATLAB科技绘图与数据分析”。

本书注重实操，示例丰富，图表精美，适合从事数据可视化与数据分析的科研工程技术人员、工程师，以及高校相关专业的本科生和研究生阅读。

最后，感谢您选择了本书，希望您在阅读过程中获得乐趣，同时也能够从中获益。在学习过程中，如遇到与本书有关的问题，可以访问“算法仿真”公众号获取帮助。

著 者

2024年1月

第 1 章　MATLAB的基本操作1

1.1　工作环境1

1.1.1　工作界面1

1.1.2　选项卡2

1.1.3　命令行窗口3

1.1.4　命令历史记录窗口4

1.1.5　当前文件夹5

1.1.6　工作区和变量编辑器5

1.2　搜索路径7

1.2.1　路径搜索机制7

1.2.2　设置搜索路径8

1.3　文件操作9

1.3.1　打开文件9

1.3.2　关闭文件11

1.3.3　读取二进制文件11

1.3.4　写入二进制文件12

1.3.5　写入文本文件13

1.3.6　读取文本文件15

1.4　数据存取17

1.4.1　使用向导导入数据17

1.4.2　使用函数存取数据18

1.5　帮助系统20

1.5.1　文本帮助20

1.5.2　演示帮助22

1.5.3　帮助导航窗口23

1.6　本章小结23

第 2 章　数据类型与基本运算24

2.1　数据类型24

2.1.1　数值类型25

2.1.2　字符类型29

2.1.3　结构体30

2.1.4　元胞数组33

2.1.5　函数句柄36

2.1.6　映射容器38

2.2　运算符与运算42

2.2.1　算术运算符42

2.2.2　关系运算符43

2.2.3　逻辑运算符44

2.2.4　运算优先级46

2.3　矩阵基础46

2.3.1　矩阵与数组46

2.3.2　创建矩阵47

2.3.3　改变矩阵结构49

2.3.4　矩阵元素索引50

2.3.5　矩阵信息53

2.4　本章小结56

第 3 章　程序设计57

3.1　变量与语句57

3.1.1　变量命名57

3.1.2　变量类型58

3.1.3　特殊变量58

3.1.4　关键字59

3.1.5　语句构成60

3.2　程序控制60

3.2.1　顺序结构60

3.2.2　分支结构61

3.2.3　循环结构67

3.2.4　其他常用控制命令70

3.3　M文件73

3.3.1　M文件编辑器73

3.3.2　函数式M文件75

3.3.3　脚本式M文件76

3.4　本章小结77

第4章　图窗信息78

4.1　图窗窗口78

4.1.1　创建图窗78

4.1.2　获取当前坐标区或图79

4.1.3　创建笛卡儿坐标区80

4.1.4　清除坐标区81

4.1.5　清空图窗82

4.2　分块图布局83

4.2.1　分块图布局函数83

4.2.2　创建布局84

4.2.3　指定流式图块排列85

4.2.4　创建布局标题和轴标签86

4.2.5　创建占据多行和多列的坐标区87

4.2.6　从特定编号的图块开始放置坐标区对象89

4.2.7　替换图块的内容91

4.3　子图布局92

4.3.1　划分子图函数92

4.3.2　创建子图93

4.3.3　绘制大小不同的子图94

4.3.4　自定义子图位置95

4.3.5　创建包含极坐标区的子图96

4.3.6　将子图置为当前坐标区97

4.3.7　将现有坐标区转换为子图97

4.3.8　将不同图窗中的坐标区转换为子图98

4.4　坐标轴信息99

4.4.1　添加轴标签99

4.4.2　设置坐标轴范围100

4.4.3　设置坐标轴刻度103

4.4.4　设置坐标轴刻度标签104

4.4.5　旋转坐标轴刻度标签105

4.4.6　显示坐标区轮廓106

4.4.7　设置坐标轴范围和纵横比107

4.4.8　显示或隐藏坐标区网格线110

4.4.9　创建双Y轴图112

4.5　添加标题与图例114

4.5.1　添加标题114

4.5.2　添加副标题116

4.5.3　添加副标题到子图网格118

4.5.4　添加图例119

4.6　本章小结124

第 5 章　二维图绘制125

5.1　基于数据绘图125

5.1.1　图形绘制的基本步骤125

5.1.2　基本绘图函数127

5.1.3　工作区绘图131

5.2　函数图绘制131

5.2.1　泛函绘图131

5.2.2　一元函数绘图133

5.2.3　隐函数绘图135

5.3　图形修饰136

5.3.1　线型、标记和颜色136

5.3.2 “名称-值对”参数138

5.3.3　图案填充139

5.4　特殊坐标图143

5.4.1　极坐标图143

5.4.2　对数坐标图144

5.4.3　柱坐标/球坐标图147

5.5　本章小结148

第 6 章　三维图绘制149

6.1　三维图形绘制149

6.1.1　基本绘图步骤149

6.1.2　基本绘图函数151

6.1.3　图形的修饰154

6.2　网格与曲面图155

6.2.1　生成栅格数据155

6.2.2　数据生成函数156

6.2.3　绘制网格图158

6.2.4　绘制曲面图161

6.2.5　绘制函数图162

6.3　三维图形的控制164

6.3.1　设置视角164

6.3.2　设置坐标轴166

6.3.3　透视、镂空与裁切167

6.3.4　颜色控制170

6.3.5　照明和材质处理174

6.4　本章小结175

第 7 章　专业图绘制176

7.1　线图176

7.1.1　创建阶梯图176

7.1.2　含误差条的线图177

7.1.3　面积图179

7.1.4　堆叠线图180

7.1.5　等高线图181

7.2　分布图183

7.2.1　直方图183

7.2.2　创建条形图184

7.2.3　二元直方图186

7.2.4　箱线图187

7.2.5　分簇散点图190

7.2.6　三维分簇散点图193

7.2.7　气泡图195

7.3　散点图和平行坐标图197

7.3.1　散点图197

7.3.2　三维散点图199

7.3.3　分bin散点图200

7.3.4　带直方图的散点图201

7.3.5　散点图矩阵203

7.3.6　平行坐标图204

7.4　离散数据图207

7.4.1　条形图207

7.4.2　三维条形图208

7.4.3　帕累托图209

7.4.4　茎图（离散序列数据图）210

7.4.5　三维离散序列图212

7.5　总体部分图及热图213

7.5.1　气泡云图213

7.5.2　词云图214

7.5.3　饼图215

7.5.4　三维饼图217

7.5.5　热图217

7.6　本章小结219

第8章　句柄图形对象220

8.1　句柄图形对象体系220

8.1.1　句柄图形组织220

8.1.2　句柄图形对象类型简介221

8.2　句柄图形对象的基本操作222

8.2.1　创建对象222

8.2.2　访问对象句柄224

8.2.3　复制和删除对象226

8.2.4　控制图形输出227

8.2.5　保存句柄233

8.3　图形对象属性设置233

8.3.1　设置属性233

8.3.2　设置默认属性235

8.3.3　通用属性237

8.4　核心句柄图形对象238

8.4.1　Figure对象238

8.4.2　Core对象240

8.4.3　Plot对象241

8.4.4　Group对象243

8.4.5　Annotation对象245

8.5　Axes对象246

8.5.1　标签与外观246

8.5.2　坐标轴位置248

8.5.3　一图多轴249

8.5.4　坐标轴控制253

8.5.5　线条颜色控制254

8.5.6　绘图操作255

8.6　本章小结256

第 9 章　数据描述性分析257

9.1　基本统计量257

9.1.1　均值（期望）258

9.1.2　中位数259

9.1.3　方差261

9.1.4　标准差262

9.1.5　高阶矩263

9.1.6　相关系数264

9.1.7　协方差265

9.1.8　互相关265

9.1.9　互协方差266

9.2　偏度与峰度267

9.2.1　偏度268

9.2.2　峰度269

9.3　统计数据可视化270

9.3.1　Andrews图270

9.3.2　平行坐标图271

9.3.3　双标图272

9.3.4　经验累加分布图274

9.3.5　Q-Q图（分位数图）275

9.3.6　箱线图276

9.4　本章小结278

第 10 章　插值与拟合279

10.1　数据插值279

10.1.1　一维插值279

10.1.2　二维插值282

10.1.3　三维插值284

10.1.4　多维插值285

10.1.5　三次样条插值287

10.1.6　分段三次Hermite插值287

10.1.7　修正Akima分段三次Hermite插值288

10.2　曲线拟合289

10.2.1　多项式拟合290

10.2.2　曲线拟合工具291

10.3　本章小结294

第 11 章　回归分析295

11.1　一元多项式回归295

11.1.1　获取拟合数据295

11.1.2　估值与残差296

11.1.3　置信区间297

11.1.4　交互式操作环境299

11.2　多元线性回归299

11.2.1　多元线性回归建模299

11.2.2　多元回归残差图302

11.3　非线性回归303

11.3.1　回归模型303

11.3.2　回归预测304

11.3.3　回归置信区间306

11.3.4　交互式操作环境307

11.3.5　曲线拟合工具308

11.4　逐步回归309

11.4.1　逐步回归建模309

11.4.2　交互式操作环境311

11.5　本章小结311

第 12 章　优化问题求解312

12.1　基于问题的优化312

12.1.1　创建优化变量312

12.1.2　创建方程问题313

12.1.3　创建优化问题315

12.1.4　求解优化问题或方程问题317

12.2　基于求解器的优化323

12.2.1　线性规划324

12.2.2　有约束非线性规划327

12.2.3　无约束非线性优化329

12.2.4　多目标规划332

12.2.5　二次规划337

12.3　最小二乘最优问题339

12.3.1　约束线性最小二乘339

12.3.2　非线性曲线拟合341

12.3.3　非负线性最小二乘342

12.4　本章小结343

参考文献344