书名：MATLAB完全自学教程
ISBN：978-7-115-59478-5
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著 梁彦冰 李银兵
责任编辑 张天怡
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MATLAB是一种用于数值计算和图形图像处理的工具软件，它的特点是语法结构简明、数值计算高效、图形功能完备、易学易用。它在矩阵运算、数值分析、图形图像处理、系统建模与仿真等领域都有广泛的应用。
本书从MATLAB的基础知识入手，循序渐进地介绍了MATLAB的知识体系结构和操作方法。其中主要介绍了如何使用MATLAB进行数据分析、图形图像处理、MATLAB编程、图形用户界面建立、MATLAB仿真、文件输入/输出以及应用程序接口等内容。本书侧重于利用大量的实例来引导读者快速学习和掌握MATLAB的各种功能，并尽量与实际问题相结合，以体现其工程应用的重要性。
本书系统全面、内容合理、实例丰富、层次清晰、使用方便，适用于初、中级MATLAB用户，也可作为高等学校理工科专业本科生、研究生的学习用书，教师的教学用书，以及广大科研人员和工程技术人员的参考用书。
编写目的
20世纪70年代后期，时任新墨西哥州立大学计算机系主任的克利夫·莫勒（Cleve Moler）利用业余时间编写了MATLAB（Matrix Laboratory），新版的MATLAB是由MathWorks公司用C语言编写的，自1984年推向市场以来，随着版本的不断升级，它具有越来越强大的数值计算能力、更为卓越的数据可视化能力及良好的符号计算功能，现已成为国际认可的最优化的科技应用软件之一。在它的发展过程中，许多优秀的人员为它的完善做出了卓越的贡献，使它从一个简单的矩阵分析软件逐渐发展成为一个具有极高通用性、带有众多实用工具的运算操作平台。与其他高级语言相比，MATLAB提供了人机交互的教学系统环境，并以矩阵作为基本的数据结构，可以大大节省编程时间。MATLAB语法规则简单、容易掌握、调试方便，调试过程中可以设置断点、存储中间结果，从而能很快查出程序中的错误。
正是由于MATLAB的强大功能，在美国的大学中，MATLAB受到了教授与学生的欢迎和重视。由于它能将使用者从繁重、重复的计算中解放出来，把更多的精力投入对数学的基本含义的理解上，因此，它已逐步成为许多本科生和研究生课程中的重要工具。在线性代数、高等数学、信号处理、自动控制等许多领域，不论在教学还是学生解题时，它都表现出高效、简单和直观的优势，是计算机辅助设计强有力的工具。因此在国外的高等院校里，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、概率论及数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等课程的基本教学工具，熟练运用MATLAB已成为本科生、研究生必须掌握的基本技能；在设计研究单位和工业部门，MATLAB已成为研究所用的必备软件和标准软件。国际上的许多新版科技书籍（特别是高校教材）在讲述其专业内容时都把MATLAB作为基本工具使用。
MATLAB在版本更新过程中，不断加入新的组件和功能。以往关于MATLAB的书籍均从软件组织的角度出发，向使用者介绍该软件，但从使用者的知识结构来看，由于书籍编写内容分散、无统一体系，因而往往使用者对MATLAB的具体功能有所了解了，但距将其与自己的数学知识相结合并从整体上把握、运用该软件还差得很远。编写本书的目的就是阐述MATLAB软件的整体知识结构，从最基本的知识和操作入手，深入讲解这一高效的应用软件，以大家十分熟悉的结构来组织全书，帮助使用者摆脱繁重而重复的数学计算，能有更多的时间和精力来理解严谨的数学概念和题目的含义。
内容特色
1．内容新颖，知识全面
考虑到采用MATLAB进行仿真和运算分析时所需的基础知识和实践操作，本书在内容的安排上从基础的变量、函数、数据类型等入手，涉及数学分析、图形可视化、Simulink仿真、文件读写等，详细、全面地帮助读者掌握MATLAB的分析方法。
2．版本更新与内容稳定并重
随着MathWorks公司持续发行MATLAB软件的新版本，新内容不断增加到新版本中。但新版本在基础编程、基础知识和基础操作方面保持了一贯的稳定性。因此，本书在编写时兼顾了版本的更新和内容的稳定。
3．内容深入，实例清楚
MATLAB的基础内容涉及比较多的方面，本书在介绍相关主题的同时，将函数或命令中比较常用的部分进行了重点的分析介绍，同时，通过实例对有关函数或命令的典型知识点进行讲解，从而帮助读者理解和深入学习。
4．精心编排，便于查阅
本书在讲解MATLAB命令时，精心选择了有代表性的实例。同时，将相关内容和函数、命令通过表格的形式归纳总结，方便读者在学习的同时翻阅查找。
读者群
本书的主要编写目的是向社会推广MATLAB软件的功能与使用方法，内容编排遵循循序渐进的原则，体现了人的认知规律，适合不同水平的读者。入门的读者可以很快地掌握一些常用的基本命令并积累编程经验，专业读者则可以从对某一工具箱的相关内容的学习中掌握相应的开发技术和技巧。本书既可以作为高等院校的教科书，又可供广大科技工作者阅读使用。
梁彦冰
2022年10月
MATLAB是一种功能十分强大、运算效率很高的专业计算机程序，用于工程科学的矩阵数学运算，全称是Matrix Laboratory。起初它是一种专门用于矩阵运算的软件，但经过多年的发展，MATLAB逐渐发展成为一种极其灵活的计算体系，可以解决科学计算中大多数的重要技术问题。MATLAB程序使用MATLAB语言，并提供了极其广泛的预定义函数库，拥有令人“难以置信”的各种丰富的函数，即使是基本版本的MATLAB语言拥有的函数也比其他的工程编程语言要丰富得多。基本的MATLAB语言已经拥有超过1000个函数，而它的工具箱含有更多的函数，由此扩展了它在许多专业领域的功能。
本章主要介绍MATLAB的一些基本情况，主要包括MATLAB的发展历史和MATLAB R2020a的新特点等。
MATLAB最初是由克利夫·莫勒（Cleve Moler）用Fortran语言设计的，有关矩阵的算法来自LINPACK和EISPACK课题的研究成果。现在的MATLAB是MathWorks公司用C语言开发的。本节主要介绍MATLAB的发展、优点及缺点。
起初，MATLAB是专门用于矩阵运算的一种数学软件，伴随着MATLAB的市场化，其功能也越来越强大，从MATLAB 4.1开始，MATLAB开始拥有自己的符号运算功能，从而可以代替其他一些专用的符号运算软件。
在MATLAB环境下，用户可以进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入/输出、文件管理等多项操作，MATLAB还提供了数据分析、算法实现与应用开发的交互式开发环境。
20世纪70年代中期，美国新墨西哥州立大学计算机系主任Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金会的资助下，开发了调用LINPACK和EISPACK的Fortran子程序。20世纪70年代后期，Cleve Moler博士编写了相应的接口程序，并将其命名为MATLAB。
1983年，杰克·利特尔（Jack Little）、Cleve Moler、史蒂夫·班格特（Steve Bangert）等一起合作开发了第2代专业版MATLAB。1984年，Cleve Moler博士和一批数学专家、软件专家成立了MathWorks公司，继续MATLAB软件的研制与开发，并着力将软件推向市场。
1987年，MathWorks公司推出了MATLAB 4.1，1996年推出了MATLAB 5.0，2001年推出了MATLAB 6.x，2004年推出了MATLAB 7.0。
2020年3月，MathWorks公司推出了MATLAB R2020a，简化了安装流程并新增了大量功能。MATLAB R2020a是针对专业的研究人员打造的一款实用数学运算软件，提供了丰富的数学符号和公式，并且与主流的编程软件兼容。
与其他的计算机高级语言相比，MATLAB有着许多非常明显的优点，介绍如下。
MATLAB允许用户以数学形式的语言编写程序，用户在命令行窗口中输入命令即可直接得到结果，这比C、Fortran和Basic等高级语言都要方便得多。由于它是用C语言开发的，它的流程控制语句与C语言中的相应语句几乎一致，所以，初学者只要有C语言的基础，就会很容易掌握MATLAB语言。
由于MATLAB已经将数学问题的具体算法编成了现成的函数，用户只要熟悉算法的特点、使用场合、函数的调用格式和参数意义等，通过调用函数很快就可以解决问题，而不必花大量的时间“纠缠”于具体算法的实现。
MATLAB具有强大的矩阵运算功能，利用一般的符号和函数不仅可以对矩阵进行加、减、乘、除运算，以及转置、求逆运算，而且可以处理稀疏矩阵等特殊的矩阵，非常适合有限元等大型数值算法的编程。此外，该软件现有的工具箱，可以用于解决实际应用中的大多数数学问题。
MATLAB不仅可以绘制一般的二维/三维图形，如线图、条形图、饼图、散点图、直方图等，还可以绘制工程特性较强的特殊图形，如玫瑰花图、极坐标图等。科学计算会涉及大量的数据处理，利用图形展示数据的特性，能显著提高数据处理的效率，提高对数据反馈信息的处理速度和能力。MATLAB提供了丰富的科学计算可视化功能，利用它，不仅可以绘制二维/三维矢量图、等值线图、三维表面图、假色彩图、曲面图、云图、二维/三维流线图、三维流锥图、流带图、流管图、切片图等，还可以生成快照图和进行动画制作。基于MATLAB句柄（handle）图形对象，结合绘图工具函数，可以根据需要用MATLAB绘制相应的图形。
MATLAB也具有符号运算功能，特别是MATLAB R2020a在这方面的功能丝毫不逊色于其他的相关软件，如Mathematic和Mathcad等。因此，用户只需掌握MATLAB R2020a，就几乎可以解决学习和科研中的所有符号运算问题，不必再专门学习一门符号运算语言。同时由于有了Maple和MATLAB之间的接口，符号运算问题得到了更好的解决。
可扩展性强是MATLAB的一大优点，用户可以自己编写脚本文件（M文件），构建自己的工具箱，方便地解决本领域内常见的计算问题。此外，利用MATLAB编译器和运行时服务器，可以生成独立的可执行程序，从而隐藏算法并避免依赖MATLAB。MATLAB支持动态数据交换（Dynamic Data Exchange，DDE）和ActiveX自动化等机制，可以与同样支持该技术的应用程序进行接口。
MATLAB的内部函数库提供了相当丰富的函数，这些函数可以解决许多基本问题，如矩阵的输入。在其他语言中（如C语言），要输入一个矩阵，先要编写一个矩阵的子函数，而MATLAB语言则提供了人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩阵对象的时候，不要求进行明确的维数说明。与利用C语言或Fortran语言编写数值计算的程序设计相比，利用MATLAB可以节省大量的编程时间。这会给用户节省很多的时间，使用户能够把自己的精力放在创造方面，而把烦琐的问题交给内部函数来解决。
除了这些丰富的基本内部函数外，MATLAB还有为数不少的工具箱。这些工具箱用于解决某些特定领域的复杂问题，如使用Wavelet Toolbox进行小波理论分析，或者使用Financial Toolbox进行金融方面问题的研究。同时，用户可以通过网络获取更多的MATLAB程序。
MATLAB支持多种计算机操作系统，如Windows操作系统或许多不同版本的UNIX操作系统，而且，在一种操作系统下编制的程序转移到其他的操作系统下时，程序不需要进行任何修改。同样，在一种平台上编写的数据文件转移到另外的平台时，也不需要进行任何修改。因此，用户编写的MATLAB程序可以自由地在不同的平台之间转移，这给用户带来了很大的方便。
在使用其他语言编写程序时，用户往往会在算法的选择上费一番周折，但在MATLAB里，这个问题则不复存在。MATLAB的许多功能函数都带有算法的自适应能力，它会根据情况自行选择最合适的算法，这样，当使用其他程序时，因算法选择不当而引起的如死循环等错误，在使用MATLAB时可以在很大程度上得以避免。
除了上面所提的MATLAB与Maple的连接外，MATLAB与Fortran、C和Basic之间都可以很方便地实现连接，用户只需将已有的EXE文件转换成MEX文件即可。可见，尽管MATLAB除自身已经具有十分强大的功能之外，它还可以与其他软件和语言实现很好的“交流”，这样可以最大限度地利用各种资源的优势，从而使得用MATLAB编写的程序能够达到最大程度的优化。
MATLAB的缺点主要体现在两个方面。
首先，由于MATLAB是一种合成语言，因此，与一般的高级语言相比，用MATLAB编写的程序运行起来所用的时间往往要多一些。当然，随着计算机运行速度的不断提高，这个缺点正在逐渐弱化。而且，由于用户使用MATLAB编写程序比较节省时间，因此从编写程序到运行完程序的总的时间来说，使用MATLAB仍然比使用其他语言节省时间。
其次，虽然MATLAB这套软件比较贵，一般的用户可能支付不起它的高昂费用，但是，由于MATLAB具有极高的编程效率，因此购买MATLAB的昂贵费用在很大程度上可以由使用它所编写的程序的价值抵消。所以，就性价比来说，MATLAB绝对是物有所值。但MATLAB对于一般的用户来说，仍然显得过于昂贵。幸运的是，MATLAB的开发公司还发行了一种比较便宜的MATLAB学生版，这对广大想学习和使用MATLAB的用户来说，无疑是一个极好的消息。MATLAB学生版与MATLAB的基本版几乎一样，可以解决很多科研和学习中遇到的问题。
总而言之，相对于MATLAB的优点来说，它的缺点是微不足道的，而且，随着MATLAB版本的不断升级，它的缺点已经变得越来越不明显。掌握MATLAB，必将给我们的学习、科研和工作带来极大的帮助。
用户到网站下载适用于Windows操作系统的MATLAB R2020a软件后，可以按照相关的说明进行安装，安装方法相对比较简单。安装MATLAB R2020a必须具有由MathWorks公司提供的合法个人使用许可，如果没有使用许可，用户将无法安装MATLAB。下面将一步一步指导读者安装MATLAB R2020a。
在一般情况下，当用户打开setup.exe应用程序时，如图1-1所示，MATLAB会启动安装向导，显示MATLAB R2020a安装开始，如图1-2所示。
图1-1 打开setup.exe应用程序
图1-2 开始安装
在安装过程中，选择“高级选项”下的“我有文件安装密钥”，然后单击“下一步”按钮，如图1-3所示。
选择图1-4所示的“是”单选按钮，并单击“下一步”按钮。
打开图1-1所示的安装文件夹中的readme.txt文件，复制其中的序列号。将复制的序列号粘贴在图1-5所示的界面的输入文件安装密钥文本框中。
当图 1-5所示的“下一步”按钮由灰色变成蓝色后，单击进入图1-6所示的选择许可证文件界面，选择许可证文件。
图1-3 选择选项
图1-4 选择“是”单选按钮
图1-5 复制序列号
图1-6 选择许可证文件
单击图1-6中的“下一步”按钮，进入选择目标文件夹界面，如图1-7所示。
图1-7 选择目标文件夹界面
用户根据自己的实际需要，在图1-7所示的界面中选择适当的安装路径，然后单击“下一步”按钮，进入图1-8所示的选择产品界面，用户根据自己的工作或学习需要选择安装适当的产品，不必全部安装。
单击图1-8中的“下一步”按钮，进入图1-9所示的选择选项界面，选择是否将快捷方式添加到桌面，勾选该复选框，接着单击“下一步”按钮。
进入确认选择界面，如图1-10所示，即可单击“开始安装”按钮。
安装完毕，出现图1-11所示的界面，提示可能需要执行其他配置步骤。
图1-8 选择产品界面
图1-9 选择选项
图1-10 确认选择界面
图1-11 安装完毕界面
安装完MATLAB R2020a之后，需要在安装目录中找到bin文件夹，双击MATLAB应用程序，启动MATLAB R2020a，如图1-12所示。
图1-12 MATLAB R2020a界面
命令行窗口是用于输入数据、运行MATLAB函数和脚本并显示结果的主要工具之一。命令行窗口没有打开时，从“主页”选项卡中选择“环境”栏中的“布局”选项可以打开它。命令行窗口如图1-13所示。
如果更喜欢简单的、没有其他工具窗口的命令行窗口，依次选择“主页”→“环境”→“布局”→“仅命令行窗口”。“>>”是输入函数的提示符，表示MATLAB处于准备状态。MATLAB具有良好的交互性，当在提示符后输入一段正确的运算式时，只需按Enter键，命令行窗口就会直接显示运算结果。
图1-13 命令行窗口
例1.1 计算一个圆的面积，假设圆的半径为3。
在命令行窗口中输入如下内容。
>>area=pi*3^2按Enter键确认输入，如图1-14所示，可以得到如下结果。
area =
28.2743图1-14 得到结果
同时MATLAB的提示符“>>”不会消失，这表明MATLAB继续处于准备状态。
pi是MATLAB预先定义好的变量，所以不需要预先声明。结果被计算出来之后存储到一个叫area的变量中（其实是一个1×1的数组），而且这个变量能进行进一步的计算。
一般来说，一个命令行输入一条命令，命令行以回车符结束。但一个命令行也可以输入若干条命令，各命令之间以逗号分隔，若前一个命令后带有分号，则逗号可以省略。
例1.2 在MATLAB命令行窗口中输入下面的命令。
>> x=123,y=456
x =
123
y =
456
>> x=123;y=456
y =
456以上两个命令行都是合法的，第1个命令行执行后显示x和y的值，第2个命令行因命令x=123后面带有分号，x的值不显示，而只显示y的值。
如果一个命令行很长，在一行内书写不下，可能要另起一行接着写，在这种情况下我们需要在第1行末输入“…”并按Enter键，然后接着下一行继续写其他部分。其中的“…”称为续行符，即把下面的命令行看作该行的逻辑继续。
例1.3 下面的两条语句是等价的。
x1=1+2+3+4+5+6+7+8+9;和
x1=1+2+3+4+5+6…
+7+8+9;后者是一个命令行，但是占用了两个物理行，第1个物理行以续行符“…”结束，第2个物理行是上一行的逻辑继续。
将一系列命令写入一个文件，在命令行窗口输入此文件的文件名，然后MATLAB就开始执行这个文件，而不是用直接在命令行窗口输入的方法，这样的文件叫作脚本文件，由于脚本文件的扩展名为“.m”，所以它也叫作M文件。
用户可以选择“主页”→“环境”→“布局”→“命令历史记录”调出或隐藏命令历史记录窗口，该窗口也可以浮动在主窗口上。命令历史记录窗口如图1-15所示。
图1-15 命令历史记录窗口
命令历史记录窗口显示用户在命令行窗口中所输入的每条命令的历史记录，并标明使用时间，这样可以方便用户查询，如果用户想再次执行某条已经执行过的命令，只需在命令历史记录窗口中双击该命令；如果用户需要从命令历史记录窗口中删除一条或多条命令，只需选中这些命令，并单击鼠标右键（又称右击），在弹出的快捷菜单中选择“删除”命令即可。
工作区是MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。工作区窗口是MATLAB集成环境的重要组成部分，它与MATLAB命令行窗口一样，不仅可以内嵌在MATLAB的工作界面，还可以以独立窗口的形式浮动在界面上，用户也可以选择“主页”→“环境”→“布局”→“工作区”调出或隐藏该窗口，工作区窗口如图1-16所示。在该窗口中显示工作区中所有变量的名称和值，可对变量进行观察、编辑、保存及删除。
图1-16 工作区窗口
在MATLAB命令行窗口中运行的所有命令都共享一个相同的工作区，所以它们共享所有的变量，初学者应当重视。
MATLAB系统本身包含了数目繁多的文件，再加上用户自己开发的文件，则更是数不胜数。如何管理和使用这些文件是十分重要的问题。为了对文件进行有效的组织和管理，MATLAB有严谨的目录结构，不同类型的文件放在不同的目录下面，而且通过路径来搜索文件。
当前目录（也称当前文件夹）是指MATLAB运行时的工作目录，只有在当前目录或搜索路径下的文件、函数才可以被运行或调用。如果没有特殊说明，数据文件也将存放在当前目录下。为了便于管理文件和数据，用户可以将自己的工作目录设置成当前目录，从而使得用户的操作都在当前目录中进行。
当前目录窗口也称为路径浏览器，它可以内嵌在MATLAB的主窗口中，也可以浮动在主窗口上。在当前目录窗口中可以显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件和相关信息，通过目录下拉列表框可以选择已经访问过的目录。单击当前路径列表框右侧的浏览按钮，可以打开路径选择对话框，用户可以设置或添加路径。
将用户目录设置成当前目录也可以使用cd命令。如将用户目录e:\matlab\work设置为当前目录，可以在命令行窗口输入以下命令。
cd e:\matlab\workMATLAB是功能强大的应用软件，具有许多内置函数和功能完备的工具箱，各种命令和函数数以百计，而每个命令都有自己独特的参数，每个函数也都有不同的参数和返回结果。面对这么多的命令和函数，每个人都不可能精通所有命令和函数，即使对那些常用的命令和函数亦是如此。那么当需要某个函数而又不了解它的具体用法时，一种方法就是查手头的资料，这通常是不太现实的，即使有合适的资料供查找，也很费时间；另一种方法就是利用MATLAB的在线查找功能。MATLAB提供了非常完备的在线查找功能，在使用过程中可以发现，理解、掌握和精通这种方法是非常必要和有效的。对于查询系统的调用方式而言，有以下3种方式：
● 在MATLAB的帮助窗口中获得帮助信息；
● 在MATLAB的命令行中直接输入帮助命令，这种方式直截了当，获得信息便捷且迅速，非常常用；
● 利用MATLAB提供的强大的在线帮助桌面（这里面提供了按字母排序的指令索引表和按内容排序的指令索引表，还提供了功能强大的搜索引擎），在线查找各类信息，并可以运用逻辑关系运算，功能非常强大。
这3种方式各有特色，灵活运用一般都能查到所需要的信息，下面将主要介绍前两种方式。
MATLAB帮助窗口相当于一个帮助信息浏览器，使用帮助窗口可以搜索和查看所有MATLAB的帮助文档，还能运行相关演示程序。单击“主页”→“资源”→“帮助”选项，即可启动帮助窗口，如图1-17所示。该窗口包括左边的帮助向导页面和右边的帮助显示页面两部分。在左边的帮助向导页面选择帮助项目名称，将在右边的帮助显示页面中显示对应的帮助信息。
图1-17 帮助窗口
单击帮助窗口上的
按钮，在出现的文本框内可以输入要查找的主题，然后按Enter键即可显示相关主题的查找结果。可以单击某个条目来显示这个主题的内容，以便充分了解某个命令或函数。单击“Back”按钮可以回到上一次显示的内容，单击“Forward”按钮可以跳转到下一个显示内容。
在命令行中可以配合使用doc、help、lookfor、exit、which、who、whos、what等命令来对函数、文件、变量和目录等信息进行查找。
在命令行窗口中输入doc function可以直接启动帮助窗口并显示与function有关的HTML格式的帮助信息。如输入doc which，即可得到与which命令有关的信息，如图1-18所示。
图1-18 which命令相关信息
本章主要介绍了MATLAB的发展过程及其主要特点，在此基础上，对MATLAB的安装过程、工作环境以及帮助系统进行了比较详细的介绍。其中，对命令行窗口、命令历史记录窗口、目录和文件管理、搜索路径管理及工作区等内容进行了全面的介绍。通过这些内容的介绍，读者可以更快地熟悉MATLAB的工作和运行环境，为深入学习后面章节的内容打下更好的基础。
