MATLAB完全自學教程

MATLAB是一種用於數值計算和圖形圖像處理的工具軟件，它的特點是語法結構簡明、數值計算高效、圖形功能完備、易學易用。它在矩陣運算、數值分析、圖形圖像處理、系統建模與模擬等領域都有廣泛的應用。

本書從MATLAB的基礎知識入手，循序漸進地介紹了MATLAB的知識體系結構和操作方法。其中主要介紹瞭如何使用MATLAB進行數據分析、圖形圖像處理、MATLAB編程、圖形用戶界面建立、MATLAB模擬、文件輸入/輸出以及應用程序接口等內容。本書側重於利用大量的實例來引導讀者快速學習和掌握MATLAB的各種功能，並盡量與實際問題相結合，以體現其工程應用的重要性。

本書系統全面、內容合理、實例豐富、層次清晰、使用方便，適用於初、中級MATLAB用戶，也可作為高等學校理工科專業本科生、研究生的學慣用書，教師的教學用書，以及廣大科研人員和工程技術人員的參考用書。

梁彦冰 毕业于华北理工大学，主讲《高等数学》《线性代数》《离散数学》等课程，负责组建了院系的Matlab实验室，完成校级、市级相关的课题项目，多次参与美国大学生数学建模以及全国大学生数学建模等赛事的学生matlab培训与指导工作，主编教材1部，参编2部，完成论文十多篇。

第 1章 MATLAB概述　1

1.1 MATLAB簡介　1

1.1.1 MATLAB的發展　1

1.1.2 MATLAB的優點　2

1.1.3 MATLAB的缺點　3

1.2 MATLAB的安裝　3

1.3 MATLAB操作界面介紹　6

1.3.1 命令行窗口　6

1.3.2 命令歷史記錄窗口　8

1.3.3 工作區窗口　8

1.3.4 當前目錄窗口　8

1.4 MATLAB幫助系統　9

1.4.1 幫助窗口　9

1.4.2 幫助命令　10

1.5 本章小結　10

第 2章 MATLAB基礎知識　11

2.1 一般運算符和操作符　11

2.1.1 運算符　11

2.1.2 操作符　14

2.2 數據格式顯示　15

2.3 關系運算符　16

2.4 邏輯運算和邏輯函數　17

2.4.1 邏輯運算　17

2.4.2 邏輯函數　19

2.5 字符串操作　26

2.5.1 MATLAB中的字符串符號　26

2.5.2 一般通用字符串操作　27

2.5.3 字符串比較操作　29

2.5.4 字符串與數值間的相互轉換　33

2.5.5 進制間的轉換　34

2.6 數值數據類型　36

2.6.1 整數　36

2.6.2 浮點數　38

2.6.3 整數和浮點數之間的操作函數　38

2.6.4 復數　39

2.7 函數的簡明介紹　41

2.8 數組　41

2.8.1 一維數組的創建　42

2.8.2 多維數組的創建　43

2.8.3 數組的運算　45

2.8.4 常用的標準數組　46

2.8.5 低維數組的尋址和搜索　48

2.8.6 低維數組的處理函數　51

2.8.7 高維數組的處理和運算　53

2.9 單元數組和結構體　55

2.9.1 單元數組的創建和操作　55

2.9.2 單元數組處理函數　57

2.9.3 結構體創建　58

2.9.4 結構體處理函數　59

2.10 本章小結　60

第3章 矩陣及其運算　61

3.1 矩陣的表示　61

3.1.1 數值矩陣的生成　61

3.1.2 矩陣的標識　64

3.1.3 矩陣的修改　65

3.1.4 矩陣元素的數據變換　67

3.2 矩陣運算　68

3.2.1 矩陣與常數的四則運算　68

3.2.2 矩陣的轉置　69

3.2.3 方陣的行列式　69

3.2.4 矩陣的逆和偽逆　69

3.2.5 矩陣和向量的範數　71

3.2.6 矩陣的秩　71

3.2.7 矩陣的跡　72

3.2.8 矩陣的指數和對數運算　72

3.3 矩陣分解　73

3.3.1 Cholesky分解　73

3.3.2 LU分解　74

3.3.3 QR分解　75

3.3.4 Schur分解　76

3.3.5 奇異值分解　76

3.3.6 特徵值分解　77

3.3.7 黑森貝格（Hessenberg）分解　78

3.4 方程組求解　79

3.4.1 線性方程組的求解　79

3.4.2 非線性方程組的求解　83

3.4.3 非齊次線性方程組的通解　84

3.5 矩陣秩與線性相關性　85

3.5.1 矩陣和向量組的秩與線性相關性　85

3.5.2 求行階梯矩陣和向量組的基　85

3.6 稀疏矩陣　86

3.6.1 稀疏矩陣的生成　86

3.6.2 稀疏矩陣的應用　88

3.6.3 稀疏矩陣與滿矩陣的相互轉換　89

3.7 本章小結　91

第4章 符號及其運算　92

4.1 字符型、符號型數據變量　92

4.1.1 字符型數據變量的創建　92

4.1.2 符號型數據變量的創建　93

4.1.3 符號變量的基本操作　93

4.2 符號表達式與符號方程　96

4.2.1 符號表達式的創建　96

4.2.2 符號方程的創建　97

4.2.3 符號表達式的操作　97

4.3 符號矩陣的創建等　101

4.3.1 用sym()函數直接創建符號矩陣　101

4.3.2 由數值矩陣轉換為符號矩陣　102

4.3.3 利用矩陣元素的通式創建符號矩陣　102

4.3.4 符號矩陣和符號數組的運算　103

4.4 符號微積分　107

4.4.1 符號極限　107

4.4.2 符號微分和求導　108

4.4.3 符號積分　109

4.5 符號積分變換　110

4.5.1 傅里葉變換及其逆變換　110

4.5.2 拉普拉斯變換及其逆變換　111

4.5.3 Z變換及其逆變換　112

4.6 符號代數方程求解　113

4.7 符號微分方程求解　114

4.8 圖示化符號函數計算器　115

4.8.1 單變量符號函數計算器　115

4.8.2 泰勒級數逼近計算器　118

4.9 本章小結　118

第5章 微分和積分　119

5.1 極限與導數　119

5.1.1 極限　119

5.1.2 導數　119

5.2 積分　122

5.2.1 一元函數的積分　122

5.2.2 二元函數和三元函數的數值積分　125

5.3 化簡、提取與替換代入　127

5.3.1 化簡　127

5.3.2 提取和替換代入　131

5.4 級數求和　133

5.4.1 symsum(s)　133

5.4.2 symsum(s,v)　133

5.4.3 symsum(s,v,a,b)　134

5.5 泰勒、傅里葉級數展開　134

5.5.1 一元函數泰勒展開　134

5.5.2 多元函數的完全泰勒展開　136

5.5.3 傅里葉級數展開　137

5.6 多重積分　137

5.6.1 二重積分　137

5.6.2 三重積分　138

5.7 本章小結　139

第6章 多元函數和常微分方程　140

6.1 多元函數的極限、微分及極值　140

6.1.1 多元函數的極限　140

6.1.2 多元函數求導　141

6.1.3 多元函數局部極值　142

6.1.4 條件極值　143

6.1.5 顯式復合函數微分求導　145

6.2 重積分　146

6.3 曲線積分與曲面積分　147

6.3.1 定義域無向的積分　147

6.3.2 對坐標的曲面積分　148

6.4 常微分方程和偏微分方程的求解　149

6.4.1 常微分方程的數值求解　149

6.4.2 偏微分方程的數值求解　152

6.5 本章小結　155

第7章 概率與統計　156

7.1 概率密度函數　156

7.1.1 連續分佈密度函數　156

7.1.2 離散分佈密度函數　158

7.1.3 抽樣分佈密度函數　161

7.2 概率分佈　162

7.2.1 隨機變量的累加分佈函數　162

7.2.2 隨機變量的逆累加分佈函數　164

7.2.3 隨機數的產生　165

7.2.4 參數估計　166

7.3 樣本描述　169

7.3.1 描述集中程度的統計量　170

7.3.2 描述離散程度的統計量　172

7.3.3 自助統計量　174

7.3.4 中心矩　175

7.3.5 相關系數　175

7.3.6 協方差矩陣　176

7.4 假設檢驗　176

7.4.1 單個樣本的t檢驗　176

7.4.2 兩個樣本的t檢驗　177

7.4.3 Z檢驗　178

7.5 多元統計分析　179

7.5.1 判別分析　179

7.5.2 聚類分析　180

7.5.3 因素分析　184

7.5.4 多元方差分析　185

7.6 回歸分析　186

7.6.1 一元回歸分析　186

7.6.2 多元回歸分析　188

7.7 本章小結　192

第8章 擬合和插值　193

8.1 數據預處理　193

8.1.1 輸入數據集合　193

8.1.2 數據的查看　195

8.1.3 數據的預處理　196

8.2 曲線擬合　197

8.2.1 有關函數介紹　198

8.2.2 曲線的參數擬合　199

8.2.3 非參數擬合　200

8.2.4 基本擬合界面　201

8.2.5 多項式曲線擬合　204

8.3 數值插值　205

8.3.1 一維數值插值　205

8.3.2 二維數值插值　207

8.3.3 三維數值插值　208

8.3.4 樣條插值　209

8.4 本章小結　210

第9章 優化問題　211

9.1 優化工具箱　211

9.1.1 優化工具箱的簡介　211

9.1.2 優化工具箱中的函數　211

9.1.3 options()函數　212

9.2 無約束最優化問題　213

9.2.1 單變量最優化　213

9.2.2 無約束非線性規劃問題　215

9.3 有約束最優化問題　221

9.3.1 線性規劃問題　221

9.3.2 有約束非線性最優化問題　222

9.4 二次規劃　223

9.5 多目標規劃　224

9.6 最小二乘最優化問題　226

9.6.1 非線性數據（曲線）擬合　227

9.6.2 非負線性最小二乘問題　228

9.6.3 有約束線性最小二乘問題　228

9.6.4 非線性最小二乘問題　230

9.7 非線性方程（組）求解　231

9.7.1 非線性方程的解　231

9.7.2 非線性方程組的解　231

9.8 本章小結　233

第 10章 圖形繪制　234

10.1 基本繪圖命令　234

10.1.1 圖形窗口簡介　234

10.1.2 基本繪圖操作　237

10.1.3 圖形註釋　238

10.1.4 特殊函數　240

10.2 二維繪圖　242

10.2.1 二維繪圖命令　242

10.2.2 交互式繪圖操作　243

10.3 三維繪圖　245

10.3.1 三維繪圖函數　245

10.3.2 三維繪圖改進函數　246

10.3.3 三維圖形的可視效果控制　247

10.3.4 三維圖形的光照控制　248

10.3.5 柱面和球面的表達　249

10.4 本章小結　250

第 11章 高級圖形處理　251

11.1 圖形對象　251

11.1.1 通用函數　251

11.1.2 根對象　253

11.1.3 軸對象　253

11.1.4 用戶控制對象　254

11.1.5 用戶菜單對象　256

11.2 圖形的高級控制　258

11.2.1 視點控制和圖形的旋轉　258

11.2.2 顏色的使用　260

11.2.3 光照控制　264

11.3 本章小結　266

第 12章 MATLAB編程基礎　267

12.1 M文件和P文件　267

12.1.1 M函數文件　267

12.1.2 M腳本文件　268

12.1.3 M文件的規則和屬性　269

12.1.4 P文件及其操作　270

12.2 M文件編輯器　270

12.2.1 運行M文件編輯器　270

12.2.2 設置M文件編輯器的屬性　271

12.3 MATLAB編程的構件　271

12.3.1 變量　271

12.3.2 變量的檢測和傳遞　273

12.3.3 運算關系和運算符號　274

12.3.4 常見函數　277

12.3.5 其他構件　278

12.4 數據流結構　278

12.4.1 順序結構　279

12.4.2 if和switch選擇結構　279

12.4.3 for和while循環結構　281

12.4.4 try…catch容錯結構　283

12.4.5 其他數據流結構　284

12.5 控制函數　285

12.5.1 continue()和break()函數　285

12.5.2 return()和pause()函數　286

12.5.3 input()和keyboard()函數　287

12.5.4 error()和warning()函數　288

12.6 本章小結　288

第 13章 MATLAB高級編程　289

13.1 MATLAB函數　289

13.1.1 主函數　289

13.1.2 子函數　290

13.1.3 嵌套函數　290

13.2 字符串操作　291

13.2.1 eval()函數　291

13.2.2 feval()函數　292

13.2.3 inline()函數　293

13.3 變量傳遞和交換　294

13.3.1 輸入和輸出變量檢測函數　295

13.3.2 “可變長度”輸入和輸出變量　296

13.3.3 全局變量、局部變量及永久 變量　297

13.3.4 跨空間計算和賦值　298

13.4 M文件的調試和剖析　299

13.4.1 直接調試法　300

13.4.2 工具調試法　300

13.4.3 應用實例　304

13.5 本章小結　306

第 14章 MATLAB句柄圖形系統　307

14.1 句柄圖形基礎　307

14.1.1 圖形對象概述　307

14.1.2 圖形對象句柄　309

14.1.3 圖形對象屬性　310

14.2 圖形對象的創建　312

14.2.1 創建圖形窗口對象　313

14.2.2 創建坐標軸對象　314

14.2.3 創建曲線對象　315

14.2.4 創建文字對象　316

14.2.5 創建曲面對象　317

14.2.6 核心圖形對象　318

14.3 句柄圖形對象的基本操作　320

14.3.1 設置、查詢圖形對象屬性　320

14.3.2 設置對象的默認屬性操作　321

14.3.3 高級繪圖對象操作　323

14.4 本章小結　324

第 15章 GUI設計　325

15.1 GUI設計過程　325

15.1.1 設計的一般步驟和原則　325

15.1.2 GUI設計的基本方式　326

15.2 使用GUIDE創建GUI　326

15.2.1 GUIDE概述　327

15.2.2 啟動GUIDE　327

15.2.3 GUI設計窗口簡介　328

15.2.4 使用GUIDE創建GUI的步驟　331

15.2.5 使用GUIDE創建GUI的實例　331

15.3 用M文件創建GUI　333

15.4 本章小結　336

第 16章 GUI高級圖形設計　337

16.1 GUIDE常用工具　337

16.1.1 排列工具　337

16.1.2 對象屬性查看器　337

16.1.3 圖形窗口的屬性　339

16.1.4 圖形對象的屬性　340

16.2 菜單和對話框　341

16.2.1 圖形對象句柄函數　341

16.2.2 菜單　341

16.2.3 對話框　343

16.2.4 GUI組態　345

16.2.5 GUI設計　346

16.3 編程設計GUI　347

16.3.1 M文件和GUI數據管理　347

16.3.2 回調函數的使用方法　349

16.3.3 圖形窗口的行為控制　351

16.4 GUI設計實例　352

16.4.1 圖形界面的實現　352

16.4.2 行為控制的實現　352

16.5 本章小結　358

第 17章 GUI用戶控件操作　359

17.1 用戶控件的概述　359

17.1.1 用戶控件種類　359

17.1.2 用戶控件屬性　363

17.1.3 回調函數　366

17.2 綜合應用實例等　367

17.2.1 雙位按鈕、“無線電”選擇按鈕、 控件區域框實例　367

17.2.2 靜態文本框、滑標、檢查框 實例　368

17.2.3 可編輯文本框、彈出框、列表框、 按鈕實例　369

17.2.4 M基礎文件　370

17.2.5 編寫界面開啟程序　374

17.2.6 GUI程序設計　377

17.2.7 回調函數　377

17.2.8 設計實例　379

17.3 本章小結　382

第 18章 Simulink基礎概述　383

18.1 Simulink的基礎操作　383

18.1.1 Simulink概述　383

18.1.2 Simulink啟動方式　384

18.2 Simulink模擬系統步驟　384

18.2.1 啟動添加Simulink模塊　384

18.2.2 建立模型設置模塊屬性　385

18.2.3 模塊連接　385

18.2.4 運行系統輸出結果　386

18.3 Simulink的模塊庫　386

18.3.1 Simulink的公共模塊庫　386

18.3.2 Simulink的專業模塊庫　393

18.4 Simulink模塊的基本操作　398

18.4.1 Simulink模型的工作原理　398

18.4.2 模塊的選定和復制　399

18.4.3 模塊大小的改變與旋轉　399

18.4.4 模塊顏色的改變與名稱的改變　400

18.4.5 模塊參數設置　401

18.4.6 連線分支與連線改變　401

18.4.7 信號的組合與分解　402

18.5 模型註釋　402

18.6 設置Simulink模擬系統界面　403

18.6.1 模塊框圖屬性編輯　403

18.6.2 信號標簽與標簽傳遞　404

18.7 模擬運行過程　405

18.7.1 運行模擬　405

18.7.2 模擬參數設置　406

18.7.3 示波器的使用　409

18.8 本章小結　410

第 19章 Simulink建模與模擬　411

19.1 Simulink連續系統建模　411

19.1.1 線性系統建模　411

19.1.2 非線性系統建模　415

19.2 子系統　416

19.2.1 通用子系統創建的常見方法　416

19.2.2 子系統的基本操作　417

19.3 子系統的封裝技術　418

19.3.1 子系統封裝的方法　418

19.3.2 設置封裝編輯器的圖標編輯 選項卡　421

19.3.3 設置封裝編輯器的參數初始化 選項卡　422

19.3.4 設置封裝編輯器的文檔編輯 選項卡　424

19.4 條件執行子系統　424

19.4.1 條件執行子系統概述　425

19.4.2 條件執行子系統的建立　425

19.5 使能子系統　426

19.5.1 使能子系統的參數設置　426

19.5.2 使能子系統的應用實例　427

19.6 觸發子系統　427

19.6.1 觸發子系統的種類　427

19.6.2 觸發子系統的應用實例　428

19.7 原子子系統　430

19.7.1 原子子系統介紹　430

19.7.2 原子子系統的建立　430

19.8 其他子系統　431

19.9 本章小結　433

第 20章 S函數和模擬系統建模　434

20.1 S函數概述　434

20.1.1 S函數的基礎概念　434

20.1.2 S函數的使用步驟　435

20.1.3 S函數相關概念　435

20.2 編寫S函數　436

20.2.1 S函數工作流程　436

20.2.2 S函數模板的使用　437

20.2.3 S函數程序代碼　438

20.3 編寫C MEX S函數　445

20.3.1 MEX文件　445

20.3.2 Simstruct數據結構　445

20.3.3 工作向量　446

20.3.4 S函數流程　446

20.3.5 S函數模板　447

20.3.6 S函數包裝　453

20.4 本章小結　453

第 21章 文件I/O　454

21.1 低級文件I/O介紹　454

21.2 文件打開和關閉　455

21.2.1 打開文件　455

21.2.2 關閉文件　456

21.3 數據的讀寫　457

21.3.1 讀取TXT文件　457

21.3.2 寫入二進制文件　465

21.4 文件的定位和文件的狀態　466

21.5 高級文件I/O介紹　470

21.5.1 MAT文件操作　470

21.5.2 圖像、聲音、影片格式文件的 操作　473

21.6 本章小結　474

第 22章 應用程序接口　475

22.1 C語言MEX文件　475

22.1.1 MEX文件的結構　477

22.1.2 創建C語言的MEX文件　478

22.2 MAT文件　479

22.2.1 創建C語言的MAT文件　480

22.2.2 創建Fortran語言的MAT文件　482

22.3 Java接口　483

22.3.1 MATLAB中的Java接口　484

22.3.2 Java接口程序應用　488

22.4 本章小結　492

第 23章 MATLAB工具箱　493

23.1 MATLAB工具箱概述　493

23.1.1 工具箱類型　493

23.1.2 MATLAB常用工具箱介紹　494

23.1.3 工具箱和工具箱函數的查詢 辦法　503

23.1.4 工具箱的擴充　509

23.1.5 工具箱的添加　510

23.2 MATLAB主工具箱　512

23.3 本章小結　513

第 24章 信號處理工具箱　514

24.1 信號、系統及信號處理的基本概念　514

24.1.1 信號　514

24.1.2 系統　514

24.1.3 信號處理　515

24.2 基本信號的表示和可視化　515

24.2.1 正弦波　515

24.2.2 方波　515

24.2.3 鋸齒波和三角波　515

24.2.4 指數信號　516

24.2.5 階躍信號　517

24.2.6 單位脈沖信號　517

24.3 連續信號的時域運算與時域變換　518

24.3.1 相加、相乘運算　518

24.3.2 信號的翻褶、移位、尺度變換　519

24.3.3 捲積運算　520

24.4 線性系統的時域分析　520

24.4.1 脈沖響應　521

24.4.2 階躍響應　522

24.4.3 對任意輸入的響應　523

24.5 連續時間信號的頻域分析　523

24.6 連續系統的復頻域分析　524

24.6.1 系統函數H (s)定義　524

24.6.2 系統零極點分佈與系統穩定性 關系　526

24.7 信號採樣與重構　526

24.7.1 信號的採樣　526

24.7.2 信號的重構　527

24.8 本章小結　528

第 25章 圖像處理工具箱　529

25.1 圖像處理工具箱概述　529

25.1.1 圖像處理工具函數　530

25.1.2 MATLAB可操作的圖像文件　534

25.1.3 圖像和圖像數據　534

25.1.4 圖像處理工具箱所支持的圖像 類型　535

25.1.5 圖像文件的讀寫和查詢　535

25.1.6 MATLAB圖像類型轉換　536

25.2 圖像處理　538

25.2.1 圖像的灰度變換與直方圖　538

25.2.2 圖像的增強濾波　541

25.2.3 圖像的空間變換　542

25.2.4 圖像邊緣檢測與分割　545

25.3 本章小結　548