MATLAB程序設(shè)計語言.ppt

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MATLAB 程序設(shè)計語言,,Email: nzhang532@,課程安排,Chapter1 Matlab 系統(tǒng)概述 Chapter2 Matlab 基本操作 Chapter3 Matlab 圖形系統(tǒng) Chapter4 Matlab 程序設(shè)計 Chapter5 Matlab 基本應(yīng)用領(lǐng)域 Chapter6 數(shù)據(jù)陣列類型與結(jié)構(gòu) Chapter7 字符串處理,上機安排,上機日期 時段 機房 2011-3-19 8:00 —12:00 E樓205 2011-4-02 8:00 —12:00 E樓203 2011-4-09 8:00 —12:00 E樓205 2011-4-16 14:00 —18:00 E樓208 2011-5-14 14:00 —18:00 E樓203,MATLAB發(fā)展,Matlab的首創(chuàng)者是在數(shù)值線性代數(shù)領(lǐng)域頗有影響的Cleve Moler博士 Moler博士等一批數(shù)學家和軟件家組成了Mathworks軟件公司，專門從事Matlab的擴展與改進 1982年推出了第一個版本 現(xiàn)在每半年出一新版本201xa,201xb ,MATLAB簡介,MATLAB名字是由MATrix和LABoratory兩個詞的前三個字母組合而成的。 集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。被譽為“巨人肩上的工具”。 使用Matlab編程運算與人進行科學計算的思路和表達方式完全一致，用Matlab編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題，所以又被稱為演算紙式科學算法語言。在這個環(huán)境下，對所要求解的問題，用戶只需簡單地列出數(shù)學表達式，其結(jié)果便以數(shù)值或圖形方式顯示出來。,MATLAB自問世以來,就是以數(shù)值計算稱雄。 MATLAB進行數(shù)值計算的基本單位是復(fù)數(shù)數(shù)組（或稱陣列），這使得MATLAB高度“向量化”。 它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使之在求解諸如信號處理、建模、系統(tǒng)識別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時，顯得大為簡捷、高效、方便，這是其它高級語言所不能比擬的。,MATLAB簡介,MATLAB特點,在Matlab中，以復(fù)數(shù)矩陣作為基本編程單元，使矩陣操作變得輕而易舉 Matlab語句書寫簡單 Matlab語句功能強大 Matlab系統(tǒng)具有豐富的圖形功能 Matlab提供許多面向應(yīng)用問題求解的工具箱函數(shù) Matlab易于擴展，移植,Chapter1 Matlab系統(tǒng)概述,Matlab系統(tǒng)組成 Matlab的重要部件 Matlab搜索路徑 Matlab集成環(huán)境 Matlab通用命令,Matlab系統(tǒng)組成,MATLAB系統(tǒng)由8個主要的部分構(gòu)成： MATLAB的開發(fā)環(huán)境 MATLAB的數(shù)學函數(shù)庫 編程與數(shù)據(jù)類型 文件I/O 圖形處理 三維可視化 創(chuàng)建圖形用戶界面 外部接口,Simulink,Simulink是一種強有力的仿真工具，它能讓使用者在圖形方式下以最小的代價來模擬真實動態(tài)系統(tǒng)的運行。Simulink準備有數(shù)百種預(yù)定義系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型，最先進有效的積分算法和直觀的圖示化工具。依托Simulink強健的仿真能力，用戶可在原型機制造之前就可建立系統(tǒng)的模型，評估設(shè)計并修補瑕疵。 Simulink 作為一種圖形化的仿真工具，可用于對動態(tài)系統(tǒng)建模和控制規(guī)律的研究制定。由于支持線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量和混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Simulink幾乎可分析任何一種類型的真實動態(tài)系統(tǒng)。,工具箱（Toolboxes）,工具箱是為了解答特別種類的問題擴展MATLAB環(huán)境的MATLAB函數(shù)的集合。在工具箱中，Matlab提供了許多實用的函數(shù)，它給各個領(lǐng)域應(yīng)用人員帶來了方便。 Control system Communications Financial Image Processing Neural Network Signal Processing Wavelet,Matlab集成環(huán)境,運行MATLAB的可執(zhí)行文件，自動創(chuàng)建MATLAB指令窗口（Command Window）。這種指令窗如圖所示：命令窗口的是輸入命令和輸出結(jié)果的窗口，在這里輸入的命令會立即得到執(zhí)行，并輸出。 Matlab功能選單共有File, Edit, Debug, Desktop, Window, Help六個主要功能，每個之下各又有下一層的功能。 初學者，可以在指令窗鍵入demo，這可是學習的好幫手。 一旦發(fā)現(xiàn)指令不知如何使用時，help, doc命令將告訴你使用。,Matlab的集成環(huán)境就是Matlab的編程環(huán)境，在這一環(huán)境中提供了許多編寫、調(diào)試和執(zhí)行Matlab程序的便利工具。,Matlab集成環(huán)境,在MATLAB下進行基本數(shù)學運算，只需將運算式直接打入提示號（）之后，并按入Enter鍵即可。 MATLAB可以將計算結(jié)果以不同精確度的數(shù)字格式顯示，我們可以在指令視窗上的功能選單上的Flie下選Preferences，更改 Numeric Format的屬性，或者直接在指令窗口中通過format命令加以控制。 MATLAB利用了↑↓二個游標鍵可以將所使用的指令調(diào)回來重復(fù)使用。按下↑則前一次指令重新出現(xiàn)，之后再 按Enter鍵，即再執(zhí)行前一次的指令。而↓鍵的功用則是往后執(zhí)行指令。 Ctrl-C（即同時按Ctrl及C二個鍵）可以用來中止執(zhí)行中的MATLAB的工作。,Matlab集成環(huán)境,編輯M文件 將Matlab語句按一定的順序結(jié)合在一起，就得到了Matlab程序，其文件名的后綴為m，故稱為M文件。 Matlab提供了M文件的專門編輯/調(diào)試器。 啟動編輯器方式（2種）,Matlab集成環(huán)境,Matlab的.m文件保存的命名規(guī)則： 1.文件名為字母、數(shù)字和下劃線組成的，第一個字符必須是字母 2.文件名不要取為matlab的一個固有函數(shù)名，m文件名的命名盡量不要是簡單的英文單詞。原因是簡單的單詞命名容易與matlab內(nèi)部函數(shù)名同名，結(jié)果出現(xiàn)一些莫名其妙的錯誤。 3.文件存儲路徑一定要為英文。 4.中間不能有空格和標點符號,工作目錄的建立和設(shè)置,為方便管理，每個用戶在使用Matlab前，盡量為自己建立一個專門的工作目錄，即“用戶目錄”，用來存放自己創(chuàng)建的應(yīng)用文件。 例如，首先打開資源管理器，在E驅(qū)動器下可以根據(jù)自己的喜好建立一個新文件夾，但應(yīng)注意：該文件夾必須以英文開頭，文件夾名字中可以包括字母、數(shù)字和下劃線，不要使用其他的字符，更不要單純使用數(shù)字或者中文命名，有時在運行matlab中一些莫名其妙的錯誤可能就是不規(guī)范的命名引起的，這與matlab中變量和文件名的命名原則是一致的。 盡管MATLAB\work允許用戶存放用戶文件，但最好把它僅作為臨時工作目錄來使用 為了運行方便，在開始工作前把用戶定義的目錄設(shè)置為當前目錄，方法是可直接在MATLAB命令窗口上方通過目錄設(shè)置來實現(xiàn),Matlab搜索路徑,當用戶輸入一個標識符（例如value）時，Matlab按下列步驟進行處理： （1）檢查value是否為變量 （2）檢查value是否為內(nèi)部函數(shù) （3）在當前工作目錄下是否存在value.m 文件 （4）在Matlab搜索路徑上是否存在value.m文件 如果在搜索路徑上存在多個value.m文件，則只執(zhí)行所找到的第一個value.m文件，如果找不到，則給出出錯信息,Matlab通用命令,管理命令和函數(shù) 管理變量和工作空間 控制命令窗口 使用文件和工作環(huán)境 啟動和推出Matlab,管理命令和函數(shù),help Matlab函數(shù)和M文件在線幫助 version 版本號 ver 顯示Mathworks產(chǎn)品的版本信息 path 控制Matlab的目錄搜索路徑 addpath 將目錄添加到Matlab的搜索路徑上 rmpath 從Matlab的搜索路徑上刪除目錄 whatsnew 顯示出Matlab＆工具箱的Readme文件 what 直接列出當前目錄下的M文件、MAT文件和MEX 文件 which 函數(shù)和文件定位 type 列出文件 doc 在help瀏覽器窗口中打開幫助信息 lookfor 從所有幫助目錄中查找關(guān)鍵字 lasterr 顯示上一個出錯信息 error 顯示出錯信息 profile 測量并顯示出M文件執(zhí)行的效率,管理變量和工作空間,who, whos 列出內(nèi)存中的變量 disp 顯示文本或陣列 clear 清除工作空間中的變量 mlock 防止M文件被刪除 munlock 允許刪除M文件 size 求陣列中維大小 length 求陣列或向量長度，等效于max(size(X)), save 將工作空間變量保存到磁盤 load 從磁盤中恢復(fù)變量 pack 釋放工作空間內(nèi)存,控制命令窗口,echo 執(zhí)行過程中顯示M文件 format 控制輸出顯示格式 more 控制命令窗口的分頁顯示,使用文件和工作環(huán)境,diary 在磁盤文件中保存任務(wù) dir 列出目錄下的文件 cd 改變工作目錄 mkdir 建立目錄 copyfile 復(fù)制文件 delete 刪除文件和圖形對象 edit 編輯M文件 inmem 獲得內(nèi)存中的函數(shù) matlabroot 獲得Matlab安裝目錄 fullfile 從部分中構(gòu)造文件全名 fileparts 獲得文件的組成部分 tempdir 返回系統(tǒng)臨時工作目錄名 tempname 產(chǎn)生臨時文件的唯一文件名,啟動和退出Matlab命令,matlabrc 啟動Matlab的M文件 startup 啟動Matlab的M文件 quit 終止（結(jié)束）Matlab,Chapter2 Matlab 基本操作,表達式 矩陣基礎(chǔ) 操作符和特殊字符 基本數(shù)學函數(shù) 邏輯函數(shù),,表達式,變量 數(shù)值 函數(shù) 操作符,變量,變量名可以包含下劃線、字母、數(shù)字，但中間不能有空格、標點 變量名最好是描述性的，有意義的 例如，day, month, year, change_rate Matlab區(qū)分大小寫，例如 NAME, name 變量的第一個字符必須為英文字母，而且不能超過31個字符。 變量不需要預(yù)先定義,固定變量和常數(shù),ans 預(yù)設(shè)的計算結(jié)果的變量名 eps MATLAB定義的正的極小值=2.2204e-16 pi 內(nèi)建的π值 Inf 正無窮大 NaN 表示不定值 i 或 j 虛數(shù)單位 nargin 函數(shù)輸入?yún)?shù)個數(shù) nargout 函數(shù)輸出參數(shù)個數(shù) realmax 最大的正浮點數(shù) realmin 最小的正浮點數(shù),數(shù)值,十進制：3，8，-39 科學計數(shù)法：1.6e-21，-3.24e20 復(fù)數(shù)：-4+3.6j，780＋3.2e2i 浮點數(shù)：范圍在10-308 ~10308 二進制數(shù)、十六進制數(shù)均當作字符串輸入，通過字符串函數(shù)bin2dec,hex2dec將其轉(zhuǎn)換為十進制數(shù),函數(shù),函數(shù)分類：內(nèi)部函數(shù)、Toolboxes中實用函數(shù)、用戶自定義函數(shù)。 函數(shù)用法：1）嵌套：x=sqrt(log(z)) 2）多輸入: theta=atah2(y,x) 3）多輸出:[y,i]=max(x),操作符,算術(shù)運算：+, -, /, \…… (見P29，P46) 關(guān)系運算 邏輯運算,表達式,將變量、數(shù)值、函數(shù)用操作符連接起來，就構(gòu)成了表達式。 MATLAB書寫表達式的規(guī)則與“手寫算式”差不多相同。 如果一個指令過長可以在結(jié)尾加上.（代表此行指令與下一行連續(xù)），例如 3*. 6 ans = 18,表達式示例,a=(1+sqrt(10))/2; b=abs(3+5i); c=sqrt(bessell(4/3), a-i); d=sin(exp(-2.3)); e=pi*d,矩陣基礎(chǔ),矩陣的輸入 矩陣的存儲 矩陣的操作,矩陣輸入,輸入元素列表 從外部數(shù)據(jù)文件中讀取矩陣 利用Matlab內(nèi)部函數(shù)與工具箱函數(shù)產(chǎn)生矩陣 用戶自己編寫m文件產(chǎn)生矩陣,直接輸入矩陣,輸入元素列表 a=[1 2 3;4 5 6;7 8 9]; b=[1:3,4:6,7:9]; 矩陣整個元素列表用方括號擴起來 矩陣行與行之間用分號或回車間隔 矩陣行中的每個元素之間以空格或逗號間隔,外部數(shù)據(jù)文件輸入矩陣,load 讀取ASCII碼的DAT文檔 wavread 讀取Microsoft的WAV格式的音頻文件 imread 從圖像文件中讀取圖像數(shù)據(jù) fopen,fread,fclose構(gòu)成的任意文件的讀取,利用Matlab內(nèi)部函數(shù)與工具箱函數(shù)產(chǎn)生矩陣(P32),eye 建立單位矩陣 eye(m), eye(m,n) ones 建立全1矩陣 ones(m), ones(m,n), ones(m,n,p…) zeros 建立全0矩陣 zeros(m), zeros(m,n)，zeros(m,n,p…),利用Matlab內(nèi)部函數(shù)與工具箱函數(shù)產(chǎn)生矩陣,rand 產(chǎn)生[0，1]均勻分布的隨機數(shù)和陣列 rand, rand(m),rand(m,n) 產(chǎn)生一個2*3的[-5，5]之間均勻分布的隨機矩陣 x = 5-10*rand(2,3); 產(chǎn)生一個[a,b]之間均勻分 布的隨機矩陣 x = b + (a-b)*rand(m,n),利用Matlab內(nèi)部函數(shù)與工具箱函數(shù)產(chǎn)生矩陣,randn 產(chǎn)生均值為0，方差為1的正態(tài)分布的隨機數(shù)和陣列 randn,randn(m),randn(m,n) 產(chǎn)生一個2*3的均值為3，方差為4的正態(tài)分布的隨機矩陣 x = 3+sqrt(4)*randn(2,3); 產(chǎn)生一個均值為 mean，方差為variance的m*n的隨機矩陣 x = mean + sqrt(variance)*randn(m,n);,利用Matlab內(nèi)部函數(shù)與工具箱函數(shù)產(chǎn)生矩陣,linspace 產(chǎn)生線性空間向量 y=linspace(a,b) y=linspace(a,b,n) y=linspace(1,5,5) y = 1 2 3 4 5,利用Matlab內(nèi)部函數(shù)與工具箱函數(shù)產(chǎn)生矩陣,diag 產(chǎn)生對角陣 a = diag(d,k); d為向量 表示向量d位于矩陣a的第k條對角線上，其他元素為0 當k=0或缺省時，表示d位于主對角上， 當k0時，表示d位于主對角線之上的第k條對角線上 當k0時，表示d位于主對角線之下的第k條對角線上 d=[2 -10 8]; a= diag(d); a = 2 0 0 0 -10 0 0 0 8,矩陣元素的存儲和讀取,矩陣存儲： 矩陣元素是按列存儲的 矩陣讀?。?1）只用一個下標來尋址：a(i)表示存儲器中的第i個元素 2）用兩個下標來尋址：a(i,j)表示矩陣中的第i行第j列的元素 例如： a=[1 2 3;10 20 30] a = 1 2 3 10 20 30 a(2) ans = 10 a(2,1) ans = 10,矩陣操作,矩陣的對角化 X=diag(V,k) 當V為向量，則X為矩陣，V構(gòu)成X的第k條對角線，其他元素為0 當V為矩陣，則X為矩陣V中的第k條對角線上的數(shù)據(jù) 矩陣重新排列 (1)利用冒號： 給定矩陣A，B=A(:)，表示將A中所有元素排列成一維列向量 (2) reshape B=reshape(A,m,n) 矩陣旋轉(zhuǎn) rot90 B=rot90(A，k) 矩陣左右翻轉(zhuǎn) fliplr 矩陣上下翻轉(zhuǎn) flipud 矩陣的下三角陣 tril tril(X,k) 矩陣的上三角陣 triu triu(X,k),矩陣操作,陣列的連接 cat C= cat(dim,A,B); 將矩陣A和B沿著第dim維連接起來，1維表示沿列方向，2表示沿行的方向 矩陣的復(fù)制并平鋪陣列 repmat B=repmat(A,m,n);,矩陣求和,sum 對矩陣元素按列求和 a = 1 2 3 10 20 30 4 5 6 sum(a) ans =15 27 39,矩陣刪除,利用空矩陣[]刪除指定的行或者列 a(2,:)=[] %%% 表示刪除a的第2行 a = 1 2 3 4 5 6 利用單下標刪除單個元素或多個元素，剩余部分變成行向量 % 刪除單個元素只有這種方式 a(3)=[] a = 1 4 5 3 6,操作符和特殊字符（一）,算術(shù)操作符：+ - * / \ ^ ’ A+B,A-B: 相同尺寸簡單加、減運算； A*B: 線性代數(shù)積 A.*B:對應(yīng)元素相乘 A/B，A\B: 矩陣右（左）除 右除A/B相當于A*inv(B) 左除A\B 相當于inv(A)*B A./B，A.\B:矩陣對應(yīng)元素右 （左）除 A^B:矩陣冪,指數(shù)為標量或底數(shù)為標量，不可同時為標量 A’: 矩陣轉(zhuǎn)置，若A為復(fù)數(shù)矩陣，則求出共軛轉(zhuǎn)置。 A.’：矩陣轉(zhuǎn)置，若A為復(fù)數(shù)矩陣，也不求共軛。,,操作符和特殊字符（二）,Kron: Kronecker 張量積： K=kron(X,Y) 冒號: 建立向量、陣列的下標或用于迭代。（P48） j:i:k 初始值為j，步長為i，終值為k A(:,j) 取A的第j列 A(i,:) 取A的第i行 A(:,:) 等效于二維陣列，對矩陣而言，它等同于A A(j:k) 取出A的第j,j+1,j+2,…,k個元素 A(:,j:k) 取出A的第j列到第k列的數(shù)據(jù) A(:,:,k) 取出三維陣列A的第k列 A(:) 將A中的所有元素排列成列向量,操作符和特殊字符（三）,邏輯操作符：&,|,~ 有相應(yīng)的m文件and，or，not A&B 等效為and(A,B) A|B 等效為or(A,B) ~A 等效為not(A) XOR:異或操作 C=XOR(A,B)完成陣列A和B對應(yīng)元素的異或操作 關(guān)系操作符：,=,1 語句1 elseif a==1 語句2 else 語句3 end,陣列與矩陣,MATLAB的運算事實上是以陣列 (array) 及矩陣 (matrix) 方式在做運算，而這二者在MATLAB的基本運算性質(zhì)不同。 矩陣是二維的，它采用線性代數(shù)的運算方式，在MATLAB的內(nèi)部資料結(jié)構(gòu)中，每一個矩陣都是一個以列為主（Column-oriented）的陣列（Array） 矩陣的基本算術(shù)操作 + - * / \ ’ ^ 基本格式 A+B A-B A*B A/B A\B A’ A^（A必須是方陣）,陣列與矩陣,陣列的運算強調(diào)元素對元素的運算 陣列的基本算術(shù)操作 + - .* ./ .\ .’ .^ 基本格式 A+B A-B A.*B A./B A.\B A.’ A.^,陣列運算的特色,如果a,b各代表二個不同的陣列，a與b 之間的運算是元素對元素的方式，例如 a=[a1, a2… an] b=[b1, b2…bn] a.*b=[a1*b1, a2*b2…an*bn] a./b=[a1/b1, a2/b2…an/bn],陣列運算的特色, x = 1:0.1:2; % x 是陣列 x = Columns 1 through 9 1.0000 1.1000 1.2000 1.3000 1.4000 1.5000 1.6000 1.7000 1.8000 Columns 10 through 11 1.9000 2.0000 y = exp(x.^2); % exp(x.^2) 是陣列運算 y = Columns 1 through 9 2.7183 3.3535 4.2207 5.4195 7.0993 9.4877 12.9358 17.9933 25.5337 Columns 10 through 11 36.9661 54.5982,陣列運算的特色,標量與陣列運算的差別 x=2.0 % x 是一標量 nume = x^3 - 2*x^2 + x - 6.3; deno = x^2 + 0.05*x - 3.14; f = nume/deno =-4.4792 x=1:5; % 注意 x 是一陣列 nume = x.^3 - 2*x.^2 + x - 6.3; deno = x.^2 + 0.05*x - 3.14; f = nume./deno=[3.0144 -4.4792 0.9484 2.2741 3.3333],時間和日期(P58),tic,toc：測定程序運行時間(tictest.m) Date,now,clock 可以得到當前的日期信息 Etime,cputime 計算使用時間，CPU時間 Datestr,dateevc Datenum Weekday,eomday calendar,基本數(shù)學函數(shù),三角函數(shù) 指數(shù)和對數(shù)函數(shù) 復(fù)數(shù)函數(shù) 取整和求余函數(shù)（rem、mod） fix 朝零方向取整 floor 朝負無窮大方向取整 ceil 朝正無窮大方向取整 round 朝最近的整數(shù)取整（四舍五入） mod 模數(shù)（即有符號的除后余數(shù)) M=mod(X,Y)=X- Y.*floor(X./Y) rem 除后余數(shù) R=rem(X,Y)=X-Y.*fix(X./Y) sign 符號函數(shù),矩陣中的邏輯函數(shù),all: 測試矩陣或者向量所有元素是否都為非0 all(A) 將A的列當做向量，得到由0,1構(gòu)成的行向量 all(A,dim) any：測試任意非0 any(A)將A當做列向量，得到由0,1構(gòu)成的行向量 any(A,dim) find：查找非0元素的值和下標 k=find(x),[i,j]=find(x),[i,j,v]=find(x) exist：查找給定變量或文件是否存在 is*： 檢測某種狀態(tài)，*通配符（見81頁） isa： 檢測給定類的對象 logical： 將數(shù)值轉(zhuǎn)換成邏輯值,如何撰寫MATLAB程序,我們前面各節(jié)所介紹在MATLAB所做的運算，是適合于所要計算的算式不太長或是想以交談式方式做運算，如 果要計算的算式很長有數(shù)十行或是須要一再執(zhí)行的算式，則那樣的方式就行不通了。MATLAB提供了所謂的 M文件的方式，可讓使用者自行將指令及算式寫成程式然后儲存成一個文件，其后綴是m，譬如 test.m，其中的test就是文件名稱。要執(zhí)行 M-file 可以在指令視窗下直接鍵入該檔名如test。,以下的tutest.m檔是一個簡易繪圖程式做為示范使用M-file % M-file, tutest.m % Simple plot for illustration of using M-file. % 簡易繪圖以做為示范使用M-file x=linspace(0,2*pi,20); y=sin(x); plot(x,y,r+) xlabel(x-value) ylabel(y-value) title(2D plot) 寫好上述程式后，以tutest.m保存該文件 可在指令視窗下鍵入tutest，即可執(zhí)行已建立的tutest.m 程式，或者直接點擊m文件編輯器上的運行按鈕,圖形結(jié)果,圖形結(jié)果,