MATLAB应用全解

MATLAB是适合多学科、多工作平台的开放性很强的大型科学应用软件。本书以MATLAB 2022a软件为基础，全面阐述MATLAB的功能，帮助读者尽快掌握MATLAB的应用技巧。全书共分为16章，从MATLAB工作界面讲起，详细介绍MATLAB的基础知识、数组、矩阵、符号运算、二维绘图、三维绘图、程序设计、函数、数据分析与处理、微积分运算、概率与数理统计、优化计算等内容，同时还对Simulink仿真与应用进行详细的讲解。为了方便用户更好地操作MATLAB，本书中的示例均已记录在M文件及其他相关文件中，读者可以将相应目录设置为工作目录，直接使用M文件进行操作，以提高学习效率。

本书是一本全面的MATLAB参考书，讲解翔实，结合实例引导，深入浅出，可作为高等院校理工科相关专业研究生、本科生的教材，也可作为广大科研工程技术人员的参考用书。

付文利,毕业于哈尔滨工业大学信息技术专业，研究生学历。现就职于湖北烽火通信集团虹信通信公司，担任系统工程师。精通Matlab科学计算、Simulink系统仿真、Visual C++ 程序设计等，在国内外期刊发表论文多篇。在工作实践中对Matlab/Simulink有了透彻的理解，Matlab已经成为工作中必不可少的工具。

　　MATLAB是美国MathWorks公司出品的受到业界普遍认可的商业数学应用软件，广泛应用于数据分析、无线通信、深度学习、图像处理与计算机视觉、信号处理、量化金融与风险管理、机器人、控制系统等领域，已成为大中专院校相关专业重要基础课程的首选实验平台。

　　目前许多高校开设了MATLAB的相关课程，广大师生迫切需要有效学习MATLAB课程的优秀教材；大量的MATLAB研究工作者也需要MATLAB图书作为各类MATLAB培训和MATLAB相关应用开发的参考用书。

　　基于此，本书详细讲解了MATLAB的基础知识和核心内容。全书力求从实用的角度出发，通过大量经典案例，对MATLAB的功能、操作和相关应用做了详细讲解，可以帮助读者快速掌握MATLAB的各种应用。目前MATLAB已发布了最新版本MATLAB 2022a，本书正是基于该版本进行编写的，是进行MATLAB设计和应用的最新图书。

　　1．本书特点

　　本书有如下特点：

　　由浅入深、循序渐进。本书以初、中级读者为对象，从MATLAB基本知识讲起，辅以各种MATLAB应用案例，帮助读者尽快提高MATLAB的应用技能。

　　步骤详尽、内容新颖。本书根据作者多年的MATLAB使用经验，结合大量应用案例，将MATLAB的各种经典功能、使用技巧等详细地讲解给读者，在讲解过程中步骤详尽、内容新颖，并辅以相应的图片，使读者在阅读时一目了然，从而快速掌握书中所讲内容。

　　实例典型、轻松易学。学习经典应用案例的具体操作是掌握MATLAB使用方法的最好方式。本书通过综合应用案例，详尽透彻地讲解了MATLAB的各种使用。

　　2．本书内容

　　本书在介绍MATLAB环境的基础上，详细讲解了MATLAB在科学计算、数学建模、仿真应用等方面的基础知识和核心内容。书中各章均提供了大量的针对性示例，并辅以图片和注释，供读者实战练习，快速掌握MATLAB的应用。

　　全书共分为16章，具体内容如下：

　　第一部分为MATLAB基础知识，主要介绍MATLAB的工作界面、通用命令、数据类型、基本运算等基础知识，同时对数组、矩阵的创建与操作，符号运算等内容做了详细讲解。章节安排如下：

　　第1章 初识MATLAB 第2章 基础知识

　　第3章 数组 第4章 矩阵

　　第5章 符号运算

　　第二部分为MATLAB绘图与程序设计，主要介绍二维绘图、三维绘图、图形的控制与处理，讲解程序结构与控制、程序调试与优化方法、函数类型与参数传递等内容。章节安排如下：

　　第6章 二维绘图 第7章 三维绘图

　　第8章 程序设计 第9章 函数

　　第三部分为MATLAB高级应用，主要介绍数据分析与处理、微积分运算、概率与数理统计、优化计算等内容。章节安排如下：

　　第10章 数据分析与处理 第11章 微积分运算

　　第12章 概率与数理统计 第13章 优化计算

　　第四部分为Simulink仿真应用，主要介绍Simulink系统仿真、子系统创建与封装方法、系统仿真与调试等内容。章节安排如下：

　　第14章 Simulink仿真基础 第15章 Simulink子系统

　　第16章 Simulink仿真与调试

　　本书赠送MATLAB工具箱应用部分内容，包括MATLAB在神经网络、信号处理、图像处理、小波分析等领域的应用内容，读者可根据需要选择学习。

　　3．读者对象

　　本书适合MATLAB初学者和希望提高MATLAB应用技能的读者，具体如下：

　　? MATLAB爱好者 ? 广大科研工作者

　　? 大中专院校教师和在校生 ? 相关培训机构教师和学员

　　4．读者服务

　　读者在学习过程中遇到与本书有关的技术问题，可通过“算法仿真”公众号反馈给编者，编者会尽快给予解答。书中所涉及的素材文件（程序代码）已上传到云盘，读者可通过公众号获取下载链接。

　　读者可以通过“算法仿真”公众号与编者保持联系，并获取更多资源。

　　5．本书编者

　　本书由付文利编著。虽然编者在本书的编写过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中疏漏之处在所难免，希望读者能够及时指出，共同促进本书质量的提高。最后再次希望本书能为读者的学习和工作提供帮助！

　　

　　

　　编 者

6

MATLAB应用全解

　　

V

前 言

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

第一部分 MATLAB基础知识

第1章 初识MATLAB 3

　　46分钟

　　1.1 MATLAB简介 3

　　1.2 工作界面 4

　　　　1.2.1 命令行窗口 5

　　　　1.2.2 命令历史记录窗口 8

　　　　1.2.3 当前文件夹和路径管理 9

　　　　1.2.4 搜索路径 9

　　　　1.2.5 工作区和数组编辑器 11

　　　　1.2.6 变量的编辑命令 12

　　　　1.2.7 存取数据文件 13

　　1.3 通用命令 14

　　　　1.3.1 常用命令 14

　　　　1.3.2 输入内容的编辑 14

　　　　1.3.3 标点 15

　　1.4 帮助系统 15

　　　　1.4.1 纯文本帮助 15

　　　　1.4.2 帮助导航 16

　　　　1.4.3 示例帮助 16

　　1.5 初步使用MATLAB 17

　　1.6 本章小结 18

第2章 基础知识 19

　　69分钟

　　2.1 基本概念 19

　　　　2.1.1 常量与变量 19

　　　　2.1.2 无穷量和非数值量 20

　　　　2.1.3 标量、向量、矩阵与数组 21

　　　　2.1.4 命令、函数、表达式和语句 21

　　　　2.1.5 数组、矩阵与符号矩阵 22

　　2.2 数据类型 23

　　　　2.2.1 数据类型概述 23

　　　　2.2.2 整数类型 24

　　　　2.2.3 浮点数类型 26

　　　　2.2.4 显示格式 27

　　　　2.2.5 常用函数 28

　　2.3 基本运算 29

　　　　2.3.1 算术运算 29

　　　　2.3.2 关系运算 30

　　　　2.3.3 逻辑运算 30

　　　　2.3.4 运算符的优先级 33

　　　　2.3.5 常用函数 33

　　2.4 向量 34

　　　　2.4.1 向量生成 35

　　　　2.4.2 向量加减和数乘运算 37

　　　　2.4.3 向量点积和叉积运算 37

　　2.5 字符串 39

　　　　2.5.1 字符串变量与一维字符数组 39

　　　　2.5.2 对字符串的多项操作 40

　　　　2.5.3 二维字符数组 42

　　2.6 小结 43

第3章 数组 44

　　100分钟

　　3.1 创建数组 44

　　　　3.1.1 创建空数组 44

　　　　3.1.2 创建一维数组 45

　　　　3.1.3 创建二维数组 46

　　　　3.1.4 创建三维数组 47

　　　　3.1.5 创建低维标准数组 50

　　　　3.1.6 创建高维标准数组 51

　　3.2 数组属性 52

　　　　3.2.1 数组结构 52

　　　　3.2.2 数组大小 53

　　　　3.2.3 数组维度 54

　　　　3.2.4 数组数据类型 54

　　　　3.2.5 数组内存的占用 55

　　3.3 创建特殊数组 56

　　　　3.3.1 0-1数组 56

　　　　3.3.2 对角数组 56

　　　　3.3.3 随机数组 57

　　　　3.3.4 魔方数组 58

　　3.4 数组操作 58

　　　　3.4.1 保存和装载 58

　　　　3.4.2 索引和寻址 59

　　　　3.4.3 扩展和裁剪 61

　　　　3.4.4 形状改变 66

　　　　3.4.5 数组运算 69

　　　　3.4.6 数组查找 72

　　　　3.4.7 数组排序 73

　　　　3.4.8 高维数组降维 73

　　3.5 多维数组及其操作 74

　　　　3.5.1 多维数组属性 74

　　　　3.5.2 多维数组操作 75

　　3.6 小结 78

第4章 矩阵 79

　　66分钟

　　4.1 矩阵基本操作 79

　　　　4.1.1 元素存储次序 79

　　　　4.1.2 元素表示及操作 80

　　4.2 创建矩阵 83

　　　　4.2.1 直接输入法 83

　　　　4.2.2 抽取法 84

　　　　4.2.3 拼接法 85

　　　　4.2.4 函数法 86

　　　　4.2.5 拼接函数和变形函数法 87

　　　　4.2.6 加载法 89

　　　　4.2.7 M文件法 90

　　　　4.2.8 复数矩阵输入 90

　　　　4.2.9 大矩阵的生成 91

　　4.3 基本运算 91

　　　　4.3.1 矩阵行列式的值 91

　　　　4.3.2 矩阵加减、数乘与乘法 92

　　　　4.3.3 求矩阵的逆 92

　　　　4.3.4 矩阵的除法 93

　　　　4.3.5 求矩阵的秩 94

　　　　4.3.6 求矩阵的特征值与特征向量 95

　　　　4.3.7 矩阵的乘幂与开方 95

　　　　4.3.8 矩阵的指数与对数运算 96

　　　　4.3.9 矩阵转置 96

　　　　4.3.10 矩阵的提取与翻转 97

　　4.4 矩阵特征参数 98

　　　　4.4.1 条件数、矩阵的稳定性 98

　　　　4.4.2 特征值和特征向量 99

　　　　4.4.3 范数 104

　　　　4.4.4 条件数 106

　　4.5 矩阵的数学函数 107

　　　　4.5.1 三角函数 107

　　　　4.5.2 指数函数和对数函数 109

　　　　4.5.3 复数函数 111

　　4.6 稀疏矩阵技术 112

　　　　4.6.1 基本稀疏矩阵 112

　　　　4.6.2 稀疏矩阵函数 115

　　4.7 矩阵分解 118

　　　　4.7.1 Cholesky分解 118

　　　　4.7.2 不完全Cholesky分解 119

　　　　4.7.3 LU分解 120

　　　　4.7.4 不完全LU分解 121

　　　　4.7.5 QR分解 122

　　　　4.7.6 操作QR分解结果 123

　　　　4.7.7 奇异值分解 123

　　4.8 小结 124

第5章 符号运算 125

　　55分钟

　　5.1 基本概念 125

　　　　5.1.1 符号对象 125

　　　　5.1.2 符号常量 128

　　　　5.1.3 符号变量 128

　　　　5.1.4 符号表达式、函数与方程 129

　　　　5.1.5 自变量函数 133

　　　　5.1.6 符号矩阵 134

　　5.2 符号运算基本内容 137

　　　　5.2.1 符号变量代换 137

　　　　5.2.2 符号对象转换为数值对象 138

　　　　5.2.3 符号表达式化简 140

　　　　5.2.4 符号运算的其他函数 143

　　　　5.2.5 两种特定的符号运算函数 144

　　5.3 符号微积分 146

　　　　5.3.1 符号极限运算 146

　　　　5.3.2 符号函数微分运算 149

　　　　5.3.3 符号函数积分运算 150

　　　　5.3.4 符号卷积 152

　　　　5.3.5 符号积分变换 152

　　5.4 符号矩阵及其运算 155

　　　　5.4.1 符号矩阵元素访问 155

　　　　5.4.2 符号矩阵基本运算 156

　　　　5.4.3 符号矩阵化简 161

　　　　5.4.4 符号矩阵微分与积分 163

　　5.5 符号方程求解 164

　　　　5.5.1 代数方程求解 164

　　　　5.5.2 微分方程求解 167

　　5.6 小结 169

第二部分 MATLAB绘图与程序设计

第6章 二维绘图 173

　　50分钟

　　6.1 数据可视化 173

　　　　6.1.1 离散数据可视化 173

　　　　6.1.2 连续函数可视化 176

　　6.2 基本二维图形绘制 178

　　　　6.2.1 二维图形绘制步骤 178

　　　　6.2.2 二维基本绘图函数(plot) 179

　　　　6.2.3 快速方程式绘图(fplot,ezplot) 182

　　6.3 二维图形的修饰 183

　　　　6.3.1 色彩、线型和点型 183

　　　　6.3.2 坐标轴的调整 185

　　　　6.3.3 刻度和栅格 187

　　　　6.3.4 设置坐标框 188

　　　　6.3.5 图形标识 189

　　　　6.3.6 图案填充 192

　　6.4 子图绘制法 194

　　6.5 特殊图形的绘制 197

　　　　6.5.1 特殊坐标系图形的绘制 197

　　　　6.5.2 特殊二维图形的绘制 201

　　6.6 二维绘图应用 206

　　6.7 小结 212

第7章 三维绘图 213

　　24分钟

　　7.1 三维绘图基础 213

　　　　7.1.1 三维绘图基本步骤 213

　　　　7.1.2 三维绘图基本函数 214

　　　　7.1.3 三维坐标标记及图形标记 217

　　7.2 三维网格曲面 218

　　　　7.2.1 绘制三维曲面 218

　　　　7.2.2 栅格数据的生成 222

　　　　7.2.3 网格曲面的绘制命令 224

　　　　7.2.4 隐藏线的显示和关闭 227

　　7.3 三维阴影曲面的绘制 228

　　　　7.3.1 带有等高线的阴影曲面绘制 228

　　　　7.3.2 具有光照效果的阴影曲面绘制 228

　　7.4 三维图形的控制 229

　　　　7.4.1 设置视角位置 229

　　　　7.4.2 设置坐标轴 230

　　7.5 三维图形特殊处理 231

　　　　7.5.1 透视、镂空和裁切 231

　　　　7.5.2 色彩控制 233

　　　　7.5.3 照明和材质处理 236

　　　　7.5.4 简捷绘图函数 237

　　7.6 特殊三维图形 239

　　　　7.6.1 螺旋线 239

　　　　7.6.2 抛物面 240

　　　　7.6.3 柱状图 241

　　　　7.6.4 柱体 243

　　　　7.6.5 饼状图 244

　　　　7.6.6 双曲面 245

　　　　7.6.7 三维等高线 246

　　　　7.6.8 三维离散序列图 247

　　　　7.6.9 其他图形 247

　　7.7 三维绘图应用 248

　　7.8 小结 256

第8章 程序设计 257

　　20分钟

　　8.1 程序结构 257

　　　　8.1.1 if分支结构 257

　　　　8.1.2 switch分支结构 258

　　　　8.1.3 while循环结构 259

　　　　8.1.4 for循环结构 260

　　8.2 控制语句 261

　　　　8.2.1 continue命令 261

　　　　8.2.2 break命令 262

　　　　8.2.3 return命令 263

　　　　8.2.4 input命令 263

　　　　8.2.5 keyboard命令 264

　　8.3 文件操作 264

　　　　8.3.1 fopen语句 265

　　　　8.3.2 fclose语句 266

　　8.4 程序调试 266

　　　　8.4.1 程序调试命令 266

　　　　8.4.2 程序常见的错误类型 267

　　8.5 程序优化 271

　　　　8.5.1 效率优化（时间优化） 271

　　　　8.5.2 内存优化（空间优化） 271

　　　　8.5.3 几个常用的算法程序 277

　　8.6 小结 285

第9章 函数 286

　　22分钟

　　9.1 M文件 286

　　　　9.1.1 M文件概述 286

　　　　9.1.2 变量 287

　　　　9.1.3 脚本文件 288

　　　　9.1.4 函数文件 289

　　　　9.1.5 函数调用 290

　　9.2 函数类型 294

　　　　9.2.1 匿名函数 294

　　　　9.2.2 主函数 295

　　　　9.2.3 嵌套函数 295

　　　　9.2.4 子函数 296

　　　　9.2.5 私有函数 296

　　　　9.2.6 重载函数 296

　　9.3 参数传递 297

　　　　9.3.1 参数传递概述 297

　　　　9.3.2 输入和输出参数的数目 297

　　　　9.3.3 可变数目的参数传递 298

　　　　9.3.4 返回被修改的输入参数 299

　　　　9.3.5 全局变量 300

　　9.4 小结 301

第三部分 MATLAB高级应用

第10章 数据分析与处理 305

　　23分钟

　　10.1 插值 305

10.1.1 一维插值 305

10.1.2 二维插值 307

10.1.3 三维插值 309

10.1.4 多维插值 310

10.1.5 样条插值 312

　　10.2 曲线拟合 313

10.2.1 多项式拟合 314

10.2.2 加权最小方差拟合 315

　　10.3 曲线拟合工具 317

10.3.1 曲线拟合图形用户接口 317

10.3.2 绘制拟合残差图形 318

10.3.3 数据预测 319

　　10.4 傅里叶分析 320

10.4.1 离散傅里叶变换 320

10.4.2 FFT和DFT对比 322

　　10.5 图像数据分析 324

　　10.6 小结 329