MATLAB基礎(chǔ)及應(yīng)用(第4版)課件

MATLAB基礎(chǔ)及應(yīng)用（第4版）主編：于潤(rùn)偉第1章認(rèn)識(shí)MATLAB本章要點(diǎn)操作桌面、幫助系統(tǒng)的使用方法數(shù)據(jù)操作的有關(guān)知識(shí)矩陣的基本運(yùn)算數(shù)據(jù)和文件操作1.1MATLAB概述

一、操作桌面操作桌面包括命令窗口（CommandWindow）、工作空間窗口（Workspace）、當(dāng)前目錄瀏覽器（CurrentDirectory）等三個(gè)窗口，其中工作空間窗口和當(dāng)前目錄瀏覽器共用一個(gè)窗口。1.命令窗口

命令窗口用于輸入MATLAB命令、函數(shù)、矩陣、表達(dá)式等信息，并顯示除圖形以外的所有計(jì)算結(jié)果，是MATLAB的主要交互窗口。當(dāng)命令窗口出現(xiàn)提示符>>時(shí)，表示MATLAB已準(zhǔn)備好，可以輸入命令、變量或函數(shù)，回車后就可執(zhí)行。

【例1-1】計(jì)算A=256/4－100×2＋128>>A=256/4-100*2+128%從鍵盤輸入，并單擊回車鍵

A=%屏幕顯示的結(jié)果

-8MATLAB語(yǔ)法規(guī)定，百分號(hào)“%”后面的語(yǔ)句為注釋語(yǔ)句。

2.工作空間窗口

工作空間是MATLAB用于存儲(chǔ)各種變量和運(yùn)算結(jié)果的內(nèi)存空間。在命令窗口中輸入的變量、運(yùn)行文件建立的變量、調(diào)用函數(shù)返回的計(jì)算結(jié)果等，都將被存儲(chǔ)在工作空間中，直到使用了clear命令清除工作空間或關(guān)閉了MATLAB系統(tǒng)為止。注意：函數(shù)在運(yùn)行中會(huì)調(diào)用的一些臨時(shí)變量，不會(huì)占用工作空間，這些變量在函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后將被釋放。3.當(dāng)前目錄瀏覽器

當(dāng)前目錄是指MATLAB運(yùn)行文件時(shí)的工作目錄，只有在當(dāng)前目錄或搜索路徑下的文件及函數(shù)可以被直接運(yùn)行或調(diào)用，如果沒有特殊指明，數(shù)據(jù)文件也將存儲(chǔ)在當(dāng)前目錄下。通常很多人都習(xí)慣于建立自己的工作目錄，以便于文件和數(shù)據(jù)的管理，因此在運(yùn)行文件前要將該文件所在的目錄設(shè)置為當(dāng)前目錄。

二、幫助系統(tǒng)1．幫助窗口

2．函數(shù)瀏覽器2．help命令（1）在線幫助總覽

>>help%在命令窗口直接輸入help，顯示在線幫助總覽（2）顯示基本函數(shù)信息

>>helpelfun（3）顯示具體函數(shù)的幫助信息

>>helpround%顯示具體函數(shù)的詳細(xì)信息，本例為round函數(shù)

注意：MATLAB對(duì)字母的大小寫是敏感的，變量A與變量a表示兩個(gè)不同的變量。MATLAB所有的命令和函數(shù)都必須用小寫。3．lookfor命令4．模糊查詢5．在線幫助頁(yè)三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1．矩陣和數(shù)組矩陣是指含有M行、N列（M、N為正整數(shù)）數(shù)據(jù)的矩形結(jié)構(gòu)。數(shù)組運(yùn)算是元素對(duì)元素的運(yùn)算，也就是說(shuō)無(wú)論什么運(yùn)算，對(duì)數(shù)組中的元素都是平等進(jìn)行的；矩陣運(yùn)算是強(qiáng)調(diào)整體的運(yùn)算，采用線性代數(shù)的運(yùn)算方法。2．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型名稱函數(shù)舉例說(shuō)明字符型char'A'、'happy'字符型數(shù)組每個(gè)字符占2個(gè)字節(jié)，即16位整型（有符號(hào)）int8、int16、int32int8(156)8位、16位、32位的整數(shù)數(shù)組，常用于表示信號(hào)整型（無(wú)符號(hào)）uint8、uint16、uint32uint8(2)單精度singlesingle(32.3)單精度數(shù)值數(shù)組所需的存儲(chǔ)空間較小，占4個(gè)字節(jié)，可以表示小數(shù)，但精度差，數(shù)值范圍小，能用于數(shù)學(xué)運(yùn)算雙精度double32double(44.5)雙精度數(shù)值數(shù)組，占8個(gè)字節(jié)，精度高，數(shù)值范圍大，能用于數(shù)學(xué)運(yùn)算，是默認(rèn)的MATLAB變量類型稀疏矩陣sparsesparse(6)稀疏雙精度矩陣，稀疏矩陣只存儲(chǔ)少數(shù)的非零元素，較常規(guī)矩陣的存儲(chǔ)節(jié)約了大量的存儲(chǔ)空間單元數(shù)組cell{10,'h',3.4}單元數(shù)組，單元數(shù)組元素的尺寸、性質(zhì)可以不同結(jié)構(gòu)數(shù)組structg=struct('name','LiXin','number','441')結(jié)構(gòu)數(shù)組，結(jié)構(gòu)數(shù)組包括域名，域中可以包括其他數(shù)組，與單元數(shù)組類似工作空間瀏覽器中顯示的數(shù)據(jù)類型四、MATLAB的特點(diǎn)1．高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算2．語(yǔ)句簡(jiǎn)單3．編程效率高4．方便的繪圖功能5．用戶使用方便6．?dāng)U充能力強(qiáng)7．開放的源程序1.2數(shù)據(jù)運(yùn)算一、變量1．變量的命名在MATLAB中，變量名可以是由字母、數(shù)字或下劃線組成的字符序列，最多可包含63個(gè)字符，但第一個(gè)字符必須是字母。例如：myfile13、ab-_1cd、EXAMPE等均為合法變量名，而3dat、_mydat、123.4等都不是合法變量名。2．賦值語(yǔ)句賦值語(yǔ)句的格式：變量名＝表達(dá)式3．預(yù)定義變量預(yù)定義變量名含義預(yù)定義變量名含義ans計(jì)算結(jié)果的缺省賦值變量i,j虛數(shù)單位eps容差變量，定義為1.0到最近浮點(diǎn)數(shù)的距離在pc機(jī)上，等于2-52inf,Inf正無(wú)窮大，定義為（1/0）pi圓周率π的近似值NaN,nan非數(shù)。在IEEE運(yùn)算規(guī)則中，它產(chǎn)生于0/0、0×∞等的結(jié)果realmax最大正實(shí)數(shù)nargin函數(shù)輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)realmin最小正實(shí)數(shù)nargout函數(shù)輸出參數(shù)個(gè)數(shù)lasterr存放最新的錯(cuò)誤信息lastwarn存放最新的警告信息二、常用數(shù)學(xué)函數(shù)

函數(shù)類別函數(shù)名稱功能函數(shù)類別函數(shù)名稱功能三角函數(shù)sin正弦反三角函數(shù)asin反正弦cos余弦acos反余弦tan正切atan反正切cot余切acot反余切sec正割（余弦倒數(shù)）asec反正割csc余割（正弦倒數(shù)）acsc反余割對(duì)數(shù)函數(shù)log2以2為底的對(duì)數(shù)冪函數(shù)pow22的冪次log自然對(duì)數(shù)（以e為底的對(duì)數(shù)）sqrt開平方log10常用對(duì)數(shù)（以10為底的對(duì)數(shù)）指數(shù)函數(shù)exp以e為底的指數(shù)復(fù)數(shù)函數(shù)abs復(fù)數(shù)的模復(fù)數(shù)函數(shù)real復(fù)數(shù)的實(shí)部angle相位角unwrap相位展開complex由實(shí)部和虛部構(gòu)造復(fù)數(shù)isreal是否為實(shí)數(shù)組conj復(fù)數(shù)的共軛cplxpair整理為共軛對(duì)imag復(fù)數(shù)的虛部取整函數(shù)fix朝零方向取整其他函數(shù)mod模數(shù)floor朝負(fù)無(wú)窮方向取整rem除后取余數(shù)ceil朝正無(wú)窮方向取整sign符號(hào)函數(shù)round四舍五入到最近的整數(shù)gcd最大公約數(shù)abs絕對(duì)值lcm最小公倍數(shù)三、數(shù)據(jù)操作

1．input函數(shù)如果用戶想從鍵盤輸入數(shù)據(jù)，則可以使用input函數(shù)來(lái)進(jìn)行，該函數(shù)的調(diào)用格式為：變量名=input（‘提示信息’，‘s’）；

說(shuō)明：提示信息是一個(gè)字符串，用于提示用戶輸入什么樣的數(shù)據(jù)，字符串中若有“\n”則表示換行輸入。參數(shù)s表示允許用戶通過鍵盤輸入字符串；缺省s，只允許用戶輸入一個(gè)字符或數(shù)字。

2．disp函數(shù)

MATLAB提供的命令窗口輸出函數(shù)主要是disp函數(shù)，其調(diào)用格式為：

disp（輸出項(xiàng)）

說(shuō)明：其中輸出項(xiàng)既可以是數(shù)字、字符、字符串，也可以是矩陣、變量。3．pause函數(shù)

當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，為了查看程序的中間結(jié)果或觀看輸出的圖形，有時(shí)需要暫停程序的執(zhí)行。這時(shí)可以使用pause函數(shù)，其調(diào)用格式為：

pause（n）

說(shuō)明：n是一個(gè)常數(shù)，表示延遲多少秒。如果省略延遲時(shí)間，直接使用pause，則將暫停程序，直到用戶按任意鍵后程序繼續(xù)執(zhí)行。若要強(qiáng)行中止程序的運(yùn)行可使用〈Ctrl〉+〈C〉命令。4．save命令

save命令是將MATLAB工作空間中的變量存入磁盤。具體格式如下：（1）save

（2）save

dfile

（3）save

dfile

ab

（4）save

dfile.dat

a

–ascii

（5）save

dfile.data

–ascii

–double

（6）save（fname，‘a(chǎn)’，‘-ascii’）5．load命令

與save命令相對(duì)應(yīng)，load函數(shù)是將磁盤上的數(shù)據(jù)讀入到工作空間。具體格式如下：（1）load（2）loaddfile（3）x=loadfname1.3矩陣一、矩陣的建立在MATLAB中，不需要對(duì)矩陣的維數(shù)和類型進(jìn)行說(shuō)明，MATLAB會(huì)根據(jù)用戶所輸入的內(nèi)容進(jìn)行配置，創(chuàng)建矩陣有以下三種方法：1．直接輸入創(chuàng)建矩陣通過輸入矩陣中每個(gè)元素的值來(lái)建立一個(gè)矩陣，只須以左方括號(hào)開始，以逗號(hào)或空格為間隔輸入元素值，行與行之間用分號(hào)隔開，最后以右方括號(hào)結(jié)尾即可。2．向量法創(chuàng)建矩陣向量可以由冒號(hào)和數(shù)字產(chǎn)生。其格式為：向量名=初值：增量：終值

說(shuō)明：向量是從初值開始，以增量為步長(zhǎng)，直到不超過終值的所有元素所構(gòu)成的序列。步長(zhǎng)可缺省，默認(rèn)為“1”。當(dāng)矩陣中的元素很多且有規(guī)律時(shí)，可通過向量來(lái)建立一個(gè)矩陣。其基本格式為：矩陣名=向量3．函數(shù)法創(chuàng)建矩陣函數(shù)說(shuō)明函數(shù)說(shuō)明[]空矩陣zeros全部元素都為0的矩陣eye單位矩陣magic魔方矩陣ones全部元素都為1的常數(shù)矩陣randperm隨機(jī)排列整數(shù)矩陣rand元素服從0和1之間均勻分布的隨機(jī)矩陣randn元素服從零均值單位方差正態(tài)分布的隨機(jī)矩陣

二、矩陣的基本計(jì)算

1．矩陣與標(biāo)量的運(yùn)算運(yùn)算包括加、減、乘、除和乘方運(yùn)算。矩陣與標(biāo)量運(yùn)算是矩陣的每個(gè)元素對(duì)該標(biāo)量的運(yùn)算。MATLAB用符號(hào)“^”計(jì)算乘方時(shí)，按照矩陣運(yùn)算規(guī)則計(jì)算，要求矩陣為方矩陣；用符號(hào)“.^”計(jì)算乘方時(shí)，按照數(shù)組運(yùn)算規(guī)則計(jì)算，對(duì)矩陣沒有限制。2．矩陣與矩陣的運(yùn)算（1）加減運(yùn)算兩個(gè)矩陣的維數(shù)完全相同時(shí)，可以進(jìn)行矩陣加減法運(yùn)算。如果兩個(gè)矩陣的維數(shù)不相等，則MATLAB將給出錯(cuò)誤信息，提示兩個(gè)矩陣的維數(shù)不相等。（2）乘法運(yùn)算兩個(gè)矩陣的維數(shù)相容時(shí)（A的列數(shù)等于B的行數(shù)），可以進(jìn)行A乘B的乘法運(yùn)算。（3）除法運(yùn)算矩陣的除法運(yùn)算包括左除和右除兩種運(yùn)算。其中左除：A\B=A-1B，A為方矩陣右除：A/B=AB-1，B為方矩陣可見，左除和右除的運(yùn)算過程以及對(duì)矩陣的要求是不一樣的，其數(shù)學(xué)意義也不同。（4）點(diǎn)運(yùn)算兩個(gè)矩陣之間的點(diǎn)運(yùn)算是按照數(shù)組運(yùn)算規(guī)則計(jì)算，矩陣的對(duì)應(yīng)元素直接運(yùn)算。要求參加運(yùn)算的矩陣大小必須相同。有“.*”、“./”和“.\”三種運(yùn)算符。三、矩陣的操作

1．元素操作2．提取子塊3．矩陣合并4．矩陣的轉(zhuǎn)置5．矩陣的展開6．矩陣的線性變換：如下表所示。函數(shù)說(shuō)明函數(shù)功能diag(A)提取矩陣A的對(duì)角元素triu(A)提取矩陣A的上三角矩陣diag(A，K)提取矩陣A的第K條對(duì)角元素tril(A)提取矩陣A下三角矩陣fliplr(A)矩陣A左右翻轉(zhuǎn)flipud(A)矩陣A上下翻轉(zhuǎn)四、復(fù)數(shù)和復(fù)數(shù)矩陣

MATLAB允許在運(yùn)算和函數(shù)中使用復(fù)數(shù)或復(fù)數(shù)矩陣。復(fù)數(shù)的表示借助于特殊的字符i或j，其值在工作空間中都顯示為0+1.0000i。1．復(fù)數(shù)復(fù)數(shù)可由以下兩種方式輸入：>>z=1+2iz=1.0000+2.0000i>>z=3*exp(i*3.14)z=-3.0000+0.0048i2．復(fù)數(shù)矩陣復(fù)數(shù)矩陣有下列兩種方法：>>a=[1+2i3+4i;5+6i7+8i]或>>a=[13;57]+i*[24;68]a=1.0000+2.0000i3.0000+4.0000i5.0000+6.0000i7.0000+8.0000i五、稀疏矩陣

函數(shù)格式說(shuō)明函數(shù)格式說(shuō)明sparse(A)A為完全矩陣。將完全矩陣轉(zhuǎn)化為稀疏矩陣speye(m,n)生成m×n階的稀疏矩陣，只有對(duì)角線元素為1sparse(m,n)生成m×n階所有系數(shù)為零的稀疏矩陣full(A)A為稀疏矩陣。將稀疏矩陣轉(zhuǎn)化為完全矩陣sparse(U,V,S)U，V，S為等長(zhǎng)的向量，U、V是S中元素行和列的下標(biāo)。建立一個(gè)U行、V列和以S為元素的稀疏矩陣[m.n,s]=find(A)A為稀疏矩陣。查看稀疏矩陣，m，n為非零元素的下標(biāo)，s為非零元素1.4關(guān)系運(yùn)算與邏輯運(yùn)算一、關(guān)系運(yùn)算符

注意：==是關(guān)系運(yùn)算符，比較兩個(gè)變量的關(guān)系，相等時(shí)返回1，不相等時(shí)返回0；=是賦值運(yùn)算符，將右側(cè)表達(dá)式的結(jié)果賦給左側(cè)的變量。

運(yùn)算符說(shuō)明運(yùn)算符說(shuō)明<小于<=小于或等于>大于>=大于或等于==等于~=不等于二、邏輯運(yùn)算符

名稱運(yùn)算符說(shuō)明與運(yùn)算&兩個(gè)元素同為非零時(shí)，結(jié)果為1；否則為0?；蜻\(yùn)算|兩個(gè)元素同為零時(shí)，結(jié)果為0；否則為1。非運(yùn)算~單目運(yùn)算符。元素為零，結(jié)果為1；元素為非零，結(jié)果為0。三、其他關(guān)系與邏輯函數(shù)

函數(shù)格式說(shuō)明xor(x，y)異或運(yùn)算。x和y相同，即都是零（假）或都是非零（真）結(jié)果為0；x或y不同則結(jié)果為1any(x)如果x是一個(gè)向量，含有一個(gè)或一個(gè)以上的非零元素，結(jié)果為1，否則為零；如果x是一個(gè)矩陣，結(jié)果是一個(gè)行向量，向量中的1對(duì)應(yīng)矩陣中含有非零元素的列all(x)如果x是一個(gè)向量，所有元素均為非零時(shí)，結(jié)果為1；如果x是一個(gè)矩陣，結(jié)果是一個(gè)行向量，向量中的1對(duì)應(yīng)矩陣中所有元素均非零的列1.5文件操作一、文件的打開與關(guān)閉1．打開文件

在讀寫文件之前，必須先用fopen函數(shù)打開或創(chuàng)建文件，并指定對(duì)該文件進(jìn)行的操作方式。fopen函數(shù)的調(diào)用格式為：

fid=fopen（文件名，‘打開方式’）

說(shuō)明：其中fid用于存儲(chǔ)文件句柄，如果返回的句柄值大于0，則說(shuō)明文件打開成功。文件名用字符串形式，表示待打開的數(shù)據(jù)文件。

2．關(guān)閉文件當(dāng)文件進(jìn)行完讀、寫等操作后，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉文件，以免數(shù)據(jù)丟失。關(guān)閉文件用fclose函數(shù)，調(diào)用格式為：

sta＝fclose(fid)

說(shuō)明：該函數(shù)關(guān)閉fid所表示的文件句柄。sta表示關(guān)閉文件操作的返回值，若關(guān)閉成功，返回0，否則返回-1，通常缺省sta。如果要關(guān)閉所有已打開的文件用fclose(‘a(chǎn)ll’)。二、二進(jìn)制文件的讀寫操作

1．寫二進(jìn)制文件

fwrite函數(shù)按照指定的數(shù)據(jù)精度將矩陣中的元素寫入到文件中。其調(diào)用格式為：

COUNT＝fwrite（fid，A，precision）說(shuō)明：其中COUNT返回所寫的數(shù)據(jù)元素個(gè)數(shù)（可缺省），fid為文件句柄，A用來(lái)存放寫入文件的數(shù)據(jù)，precision代表數(shù)據(jù)精度，常用的數(shù)據(jù)精度有：char、uchar、int、long、float、double等。缺省數(shù)據(jù)精度為uchar，即無(wú)符號(hào)字符格式。2．讀二進(jìn)制文件

fread函數(shù)可以讀取二進(jìn)制文件的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入矩陣。其調(diào)用格式為：

[A，COUNT]=fread(fid，size，precision)

說(shuō)明：其中A是用于存放讀取數(shù)據(jù)的矩陣、COUNT是返回所讀取的數(shù)據(jù)元素個(gè)數(shù)、fid為文件句柄、size為可選項(xiàng)，若不選用則讀取整個(gè)文件內(nèi)容；若選用size，則可以是下列值：N（讀取N個(gè)元素到一個(gè)列向量）、inf（讀取整個(gè)文件）、[M，N]（讀M行N列的數(shù)據(jù)到M×N的矩陣中，數(shù)據(jù)按列存放）。precision用于控制所寫數(shù)據(jù)的精度，其形式與fwrite函數(shù)相同。三、聲音文件的讀寫操作

1．讀聲音文件audioread函數(shù)可以讀取擴(kuò)展名為.wav、.wma、.mp3等格式的聲音文件，并按指定格式存入矩陣。其調(diào)用格式為：