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Matlab 软件与应用 太原理工大学 数学系 教师:刘晓峰

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  1. Matlab软件与应用 太原理工大学 数学系 教师:刘晓峰

  2. 课程安排 • 学时:32 • 考核方式:考试+上机+考勤 • 考试时间:16周后 • 教材:MATLAB基础及其应用教程

  3. 课程任务 通过本课程的教学,应使同学们熟练掌握常用的数学软件,培养学生运用数学软件分析和解决数学问题和实际问题的能力。通过对实际问题的数学处理与计算机求解,完成建模和求解的任务,使同学们真正体验到数学及计算机的实际应用。

  4. 本课程所学软件可以为数学建模和数学实验等解决实际问题提供有力的平台帮助本课程所学软件可以为数学建模和数学实验等解决实际问题提供有力的平台帮助 • 数学实验就是以计算机为仪器,以软件为载体,通过实验解决实际中的数学问题 • 而我们学习数学软件就是相当于学习如何使用仪器

  5. 数学软件与Matlab的关系 • 国际上最常用的三种数学类科技应用软件为:3M • Matlab • Mathematica • Maple • 还有MathCAD

  6. 4M之间的侧重 • 在国际上30几个数学类科技应用软件中: • MATLAB在数值计算方面独占鳌头 • Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名 • Mathcad因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎

  7. 第1章 MATLAB操作基础1.1 MATLAB概述1.2 MATLAB的运行环境与安装1.3 MATLAB集成环境1.4 MATLAB帮助系统

  8. 1.1 MATLAB概述 • 1.1.1 MATLAB的发展 MATLAB语言是由美国的Clever Moler博士于1980年开发的。 设计者的初衷是为解决“线性代数”课程的矩阵运算问题。 取名MATLAB即MatrixLaboratory矩阵实验室的意思。

  9. Matlab的详细发展历史 • 那是20世纪八十年代初期的事: • 时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler教授出于减轻学生编程负担的动机,为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口,此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。

  10. 经几年的校际流传,在Little的推动下,由Little、Moler、Steve Bangert合作,于1984年成立了MathWorks公司,并把MATLAB正式推向市场。从这时起,MATLAB的内核采用C语言编写,而且除原有的数值计算能力外,还新增了数据图视功能。

  11. MATLAB以商品形式出现后,仅短短几年,就以其良好的开放性和运行的可靠性,使原先控制领域里的封闭式软件包(如英国的UMIST,瑞典的LUND和SIMNON,德国的KEDDC)纷纷淘汰,而改以MATLAB为平台加以重建。在时间进入20世纪九十年代的时候,MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。MATLAB以商品形式出现后,仅短短几年,就以其良好的开放性和运行的可靠性,使原先控制领域里的封闭式软件包(如英国的UMIST,瑞典的LUND和SIMNON,德国的KEDDC)纷纷淘汰,而改以MATLAB为平台加以重建。在时间进入20世纪九十年代的时候,MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。

  12. 告别DOS版 1984年,MATLAB第1版(DOS版) 1992年,MATLAB 4.0版1994年,MATLAB 4.2版1997年,MATLAB 5.0版1999年,MATLAB 5.3版2000年,MATLAB 6.0版2001年,MATLAB 6.1版2002年,MATLAB 6.5版2004年,MATLAB 7.0版 • 1993年MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权,推出了符号计算工具包。 • 5.0的MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。

  13. Matlab的更新 • V1 矩阵语言/图形 • V2 数据分析与处理 • V3 应用工具 • V4 科学数据可视化(亮点) GUI开发工具 稀疏矩阵

  14. Matlab的更新 • V5 多维数组 结构与嵌套数组 面向目标编程 集成编辑/调试工具 实时仿真

  15. Matlab的影响 • 就影响而言,至今仍然没有一个别的计算软件可与MATLAB匹敌。 • 在欧美大学里,诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容。在那里,MATLAB是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。 • 在国际学术界,MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流学术刊物上,(尤其是信息科学刊物),都可以看到MATLAB的应用。

  16. MATLAB语言的特点: • 语言简洁紧凑,语法限制不严,程序设计 • 自由度大,可移植性好 • 运算符、库函数丰富 • 图形功能强大 • 界面友好、编程效率高 • 扩展性强

  17. 它将一个优秀软件的易用性与可靠性、通用性与专业性 、一般目的的应用与高深的科学技术应用有机的相结合。 • MATLAB是一种直译式的高级语言,比其它程序设计语言容易。

  18. 管理、可视化 智能化 数值运算 解析运算 • MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和C语言与汇编语言的关系一样 计算机语言的发展 标志着计算机语言向“智能化”方向发展,被称为第四代编程语言。

  19. MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了,它集科学计算、图象处理;声音处理于一身,并提供了丰富的Windows图形界面设计方法。MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了,它集科学计算、图象处理;声音处理于一身,并提供了丰富的Windows图形界面设计方法。 • MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言, 它以超群的风格与性能风靡全世界,成功地应用于各工程学科的研究领域。

  20. Matlab能在各领域做什么 • 工业研究与开发 • 数学教学,特别是线性代数 • 数值分析和科学计算方面的教学与研究 • 电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科 方面的教学与研究 • 经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他 领域中的教学与研究

  21. 例:用简短命令计算并绘制在0x6范围内的sin(2x)、sinx2 、sin2x。 x=linspace(0,6) y1=sin(2*x),y2=sin(x.^2),y3=(sin(x)).^2; plot(x,y1,x, y2,x, y3)

  22. 阶梯图

  23. 用四种方法描述cos(x)*sin(y)图形

  24. 1.1.2 MATLAB的主要功能 • 1.数值计算功能MATLAB以矩阵作为数据操作的基本单位,还提供了十分丰富的数值计算函数。

  25. MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能,是基于矩阵运算的处理工具。MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能,是基于矩阵运算的处理工具。 • 变量矩阵,运算矩阵的运算。 • 例如: C = A + B ,A,B,C都是矩阵,是矩阵的加运算。 • 即使一个常数,Y=5,MATLAB也看做是一个11的矩阵。

  26. 2 .符号计算功能 • Matlab和著名的符号计算语言Maple相结合,使得Matlab具有符号计算功能。 • 符号运算即用字符串进行数学分析。 • 允许变量不赋值而参与运算。 • 用于解代数方程、微积分、复合导数、积分、二重积分、有理函数、微分方程、泰勒级数展开、寻优等等,可求得解析符号解。

  27. 3.绘图功能与计算结果的可视化 • 具有高层绘图功能——两维、三维绘图 • 具有底层绘图功能——句柄绘图 • 使用plot函数可随时将计算结果可视化

  28. 4.图形化程序编制功能 • 动态系统进行建模、仿真和分析的软件包 • 用结构图编程,而不用程序编程 • 只需拖几个方块、连几条线,即可实现编 程功能

  29. 5.MATLAB工具箱 MATLAB包含两部分内容:基本部分和各种可选的工具箱。MATLAB工具箱分为两大类:功能性工具箱和学科性工具箱。 许多学科,在MATLAB中都有专用工具箱,现已有30多个工具箱,但MATLAB语言的扩展开发还远远没有结束,各学科的相互促进,将使得MATLAB更加强大。

  30. MATLAB主工具箱 • 符号数学工具箱 • SIMULINK仿真工具箱 • 控制系统工具箱 • 信号处理工具箱 • 图象处理工具箱 • 通讯工具箱 • 系统辨识工具箱 • 神经元网络工具箱 • 金融工具箱

  31. 6.MATLAB的兼容功能 • 可与C语言、FORTURE语言跨平台兼容 • 用函数CMEX、FMEX实现 • 此功能不推荐使用

  32. 7.MATLAB的容错功能 • 非法操作时,给出提示,并不影响其操作 • 例如: • 1/0 • Warning: Divide by zero • ans = • Inf

  33. 8.MATLAB的开放式可扩充结构 • Matlab 所有函数都是开放的 • 用户可按自己意愿随意更改 • 正因为此功能,使得Matlab的应用越来越广泛 9.强大的联机检索帮助系统 • 可随时检索Matlab函数 • 可随时查询Matlab函数的使用方法

  34. Matlab的功能产品 1.Matlab compiler 将m文件转化为c文件,加快运行速度。 2. Matlab c/c++ Graphics Library 由m文件产生GUI独立运行的c程序代码。 3. Matlab c/c++ Math Library 由m文件产生独立运行的c程序代码。 4.Databast Toolbox 在Matlab中进行对数据库的读写。

  35. 5.Databast Acquisitition Toolbox 在Matlab中直接读取数据库卡的数据。 6.Excel Link 可让Excel世界直接调用Matlab的数据。 7.Matlab Report Generator Matlab的报告产生器。 8.Matlab Runtime Sever 将个人应用程序包成一个软件,并在没有Matlab的环境下执行。 9.Matlab Web Sever 与NT的Web Sever合用在Sever端执行Matlab的运算或绘图。

  36. 1.1.3 初识MATLAB • 例1-1 绘制正弦曲线和余弦曲线。x=[0:0.5:360]*pi/180; plot(x,sin(x),x,cos(x)); • 例1-2 求方程 3x4+7x3 +9x2-23=0的全部根。p=[3,7,9,0,-23]; %建立多项式系数向量x=roots(p); %求根

  37. 例1-3 求积分quad('x.*log(1+x)',0,1) • 例1-4 求解线性方程组a=[2,-3,1;8,3,2;45,1,-9]; b=[4;2;17]; x=inv(a)*b

  38. 1.2 MATLAB的运行环境与安装 • 1.2.1 MATLAB的运行环境硬件环境:(1) CPU (2) 内存 (3) 硬盘(4) CD-ROM驱动器和鼠标。软件环境:(1) Windows 98/NT/2000 或Windows XP、Vista、windows7、linux等 (2) 其他软件根据需要选用

  39. 1.2.2 MATLAB的安装 • 安装Matlab 7.2系统,需运行系统自带的安装程序setup.exe,可以按照安装提示依次操作。 • 安装Matlab 7.2系统,有时侯需要安装虚拟光驱软件,然后依次顺序安装一个或多个不同的镜象文件。 • 一般安装过程都比较漫长,请耐心等待。

  40. 1.3 MATLAB集成环境 • 1.3.1 启动与退出MATLAB集成环境1.MATLAB系统的启动与一般的Windows程序一样,启动Matlab系统有3种常见方法:(1)使用Windows“开始”菜单 (2)运行Matlab系统启动程序 c:\matlab\bin\matlab.bat 或者 c:\matlab\bin\matlab.exe

  41. (3) 利用桌面的快捷方式 • 注意:在work目录下建立startup.m 就可以产生欢迎效果。在m文件里输入: disp('嗨!!!怎么样?今天心情愉快么?打起精神来!Do It !!! ..........');

  42. 启动Matlab后,将进入Matlab 7.2集成环境。Matlab 7.2集成环境包括Matlab主窗口、命令窗口(Command Window)、工作空间窗口(Workspace)、命令历史窗口(Command History)、当前目录窗口(Current Directory)和启动平台窗口(Launch Pad)。 • 如图所示——————————————

  43. 2.MATLAB系统的退出 • 要退出Matlab系统,也有3种常见方法:(1) 在Matlab主窗口File菜单中选择Exit Matlab命令。(2) 在Matlab命令窗口输入Exit或Quit命 令。(3) 单击Matlab主窗口的“关闭”按钮。

  44. 1.3.2 MATLAB主窗口 • Matlab主窗口是Matlab的主要工作界面。主窗口除了嵌入一些子窗口外,还主要包括菜单栏和工具栏。1.菜单栏在Matlab 7.2主窗口的菜单栏,共包含File、Edit、Debug、Desktop、Window和Help 6个菜单项。

  45. (1) File菜单项:File菜单项实现有关文件的 操作。(2) Edit菜单项:Edit菜单项用于命令窗口 的编辑操作。(3) Debug菜单项:Debug菜单项用于调试 Matlab的程序。

  46. (4) Desktop菜单项: Desktop菜单项用于设置 Matlab 的窗口布局。(5) Window菜单项:主窗口菜单栏上的Window菜 单,包含一个子菜单Close all,用于关闭所有 打开的编辑器窗口,包括M-file、Figure、Model 和GUI窗口。(6) Help菜单项:Help菜单项用于提供帮助信息。