1.編寫背景
    MATLAB（MATrix LABoratory）自20世紀(jì)80年代初問世以來，歷經(jīng)30年的實(shí)踐檢驗(yàn)、市場(chǎng)篩選和時(shí)間凝煉，已成為科學(xué)研究、工程技術(shù)等眾多領(lǐng)域最可信賴的科學(xué)計(jì)算環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)仿真平臺(tái)，成為高等教學(xué)必須傳授的學(xué)習(xí)和計(jì)算軟件，成為學(xué)術(shù)演講、交流中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線圖形的來源。
    近年我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，“便攜式個(gè)人電腦 + MATLAB”的配置工具在高校、科研院所以驚人的速度迅速普及。這使得理工科高校的每位師生、科研院所的每位研發(fā)人員都擁有了前所未有的巨大“計(jì)算潛能”。原有的研究方法、設(shè)計(jì)程式、論文寫作方式以及教學(xué)內(nèi)容等都必將受到這種新的“計(jì)算潛能”的巨大的沖擊。
    為緩和巨大計(jì)算潛能和原有教材之間的矛盾，國(guó)內(nèi)外理工科高校教材幾乎都作出了把MATLAB引進(jìn)教材的努力。這種努力大致可分為兩個(gè)層面。第一層面，完全不改變?cè)�有教材�?nèi)容，而僅把MATLAB作為“手算的替身”用于相關(guān)內(nèi)容的算例習(xí)題解算。第二層面，對(duì)原有教材中“那些手算所不能處理”的內(nèi)容加以改變，而成為由MATLAB實(shí)施的新章節(jié)；或把原教學(xué)大綱中“那些采用硬件設(shè)備進(jìn)行”的實(shí)驗(yàn)改成MATLAB仿真。
    MATLAB對(duì)我國(guó)高等教學(xué)的影響，雖然比國(guó)外晚10年左右，但變化之迅速卻遠(yuǎn)非歐美所及。在幾乎“人手一機(jī)”和MATLAB普及使用的高校里，無論是教師或?qū)W生，也不管有意識(shí)思考還是無意識(shí)感受，都會(huì)時(shí)時(shí)面臨一個(gè)共同的問題：擁有嶄新電腦工具的我們還有必要循著計(jì)算尺時(shí)代形成的模式去學(xué)習(xí)分析和綜合設(shè)計(jì)嗎？
    硬件的低成本化、外界的需求又反過來推動(dòng)MATLAB自身的改變和發(fā)展。近30年的歷練，MATLAB已經(jīng)從純指令操作軟件發(fā)展為在各種界面進(jìn)行交互式操作的平臺(tái)，從單純的分析、計(jì)算軟件發(fā)展成為集計(jì)算、仿真、硬件開發(fā)于一體的綜合環(huán)境，從單一學(xué)科輔助工具擴(kuò)展為多門類多學(xué)科的計(jì)算資源庫。
    2.編寫宗旨及特點(diǎn)
    本書作者自2000年編寫《精通MATLAB 5.3版》和2003年編寫《精通MATLAB 6.5版 》以來，主要精力一直投入于以MATLAB為工具的控制、信號(hào)處理及智能計(jì)算等研究。與此同時(shí)，隨著MATLAB的不斷升級(jí)，每年也為《精通》一書寫些修訂和增補(bǔ)文檔，直接服務(wù)于面向本校學(xué)生的MATLAB課程。在此七、八年期間，本書作者曾多次嘗試《精通》一書的修訂，但終因時(shí)間不足，致半途而廢。
    2008年秋，MATLAB的默認(rèn)符號(hào)計(jì)算引擎由Maple更換為MuPAD。這一重大變化促使本書作者下定“重寫《精通》”的決心。此后，歷時(shí)2年多，完成此書初稿，共1150頁（A4版面）。這樣大的篇幅令人尷尬。一方面，恐因篇幅過大，而束縛對(duì)內(nèi)容深度與廣度應(yīng)有的舒展；另方面，這千余頁篇幅，無疑不便于讀者使用。經(jīng)與編輯多次商討后，決心對(duì)MATLAB與C、C++等外部程序關(guān)聯(lián)的內(nèi)容作“切除留后”處理，對(duì)MATLAB“自封閉”內(nèi)容則進(jìn)行了削枝強(qiáng)干的調(diào)整。
    現(xiàn)在本書具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。
    秉承《精通MATLAB 6.5版》的編寫宗旨：全面地多層次地描述MATLAB的通用功能�！叭�面及多層次”表現(xiàn)為：
    本書對(duì)MATLAB本身的入門引導(dǎo)寫得相當(dāng)細(xì)膩，即使是對(duì)MATLAB一無所知的讀者，也可以循著本書的第1章，順利跨入門檻。
    對(duì)于那些不大熟悉數(shù)值、符號(hào)、Simulink等計(jì)算、建模的讀者來說，只要找到相關(guān)章節(jié)，沿著若干初始算例樹立的“路標(biāo)”，循序漸進(jìn)，就能很快通過自我學(xué)習(xí)獲得熟練運(yùn)用的能力。
    涉及MATLAB較深應(yīng)用層面，如數(shù)值計(jì)算泛函指令的參數(shù)傳遞、符號(hào)變量的非負(fù)、整數(shù)域約束及跨空間計(jì)算、Simulink的信息流控制、圖形用戶界面回調(diào)函數(shù)編寫等內(nèi)容，本書的闡述也都可以為讀者解除困惑。
    本書276個(gè)算例中的絕大多數(shù)都是相對(duì)獨(dú)立的，都配有可實(shí)際運(yùn)行的完整解算指令。即使MATLAB新手，或?qū)λ憷�所涉及知識(shí)不甚了解的讀者，只要循序操作算例指令，并閱讀指令后的相關(guān)解釋，也能順利實(shí)踐，獲得啟發(fā)后，更可舉一反三。
    繼續(xù)保持《精通MATLAB 6.5版》的編寫傳統(tǒng)：在避免囫圇吞棗的限度內(nèi)，盡可能簡(jiǎn)明完整地透析MATLAB指令、Simulink模塊的數(shù)學(xué)本質(zhì)及其應(yīng)用。例如：
    依托有限差分、積分等章節(jié)的算例，揭示建立在“浮點(diǎn)數(shù)系”基礎(chǔ)上的數(shù)值計(jì)算，如何受“精度、空間、時(shí)間”等微觀、宏觀測(cè)度有限性的影響。
    借助奇異值分解闡述秩、范、子空間等矩陣結(jié)構(gòu)計(jì)算的數(shù)值本質(zhì)，借助特征值分解描述矩陣函數(shù)的計(jì)算本質(zhì)。
    鑒于MATLAB R2011a版關(guān)于隨機(jī)流概念的系統(tǒng)歸納和rng新指令的給出，本書用較多篇幅闡述了偽隨機(jī)流、隨機(jī)序列的創(chuàng)建、重現(xiàn)控制和獨(dú)立性控制的多種方法。此外，還簡(jiǎn)明描述了均值、偏差、斜度、峭度等統(tǒng)計(jì)量的幾何意義及計(jì)算指令。
    提出求取系統(tǒng)傳遞函數(shù)的代數(shù)方程符號(hào)法，此法不僅系統(tǒng)性強(qiáng)而不依賴“人工技巧”，而且還原了梅遜信流圖法的數(shù)學(xué)實(shí)質(zhì)。
    借助積分模塊的兩種不同數(shù)學(xué)表述，隱喻Simulink積分解算方式與數(shù)值積分指令的本質(zhì)差異——前者體現(xiàn)“時(shí)間流”，后者依賴“數(shù)據(jù)流”。
    保持并延伸《精通MATLAB 6.5版》所涉內(nèi)容的數(shù)學(xué)知識(shí)縱深度，多方位地適應(yīng)MATLAB用戶知識(shí)層面的深化和多樣化。例如：
    在數(shù)值積分方面，不僅介紹了MATLAB“求面積、求體積”的quad類指令，而且介紹了樣條積分、Monte Carlo積分、Simulink積分的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。
    在隨機(jī)變量和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方面，較大篇幅增添的內(nèi)容有：全局隨機(jī)流、隨機(jī)序列的創(chuàng)建、重現(xiàn)控制和獨(dú)立性控制，三階斜度、四階峭度計(jì)算等。
    在模型擬合和參數(shù)估計(jì)方面，新增內(nèi)容——以多項(xiàng)式擬合為算例，描述了擬合參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差及置信區(qū)間、新觀察預(yù)測(cè)區(qū)間等。
    在優(yōu)化計(jì)算方面，不僅介紹了無約束優(yōu)化計(jì)算，還新增了帶約束優(yōu)化計(jì)算及全域?qū)��?yōu)算法和思想。
    推介MATLAB現(xiàn)代計(jì)算能力在方法學(xué)層面的新表現(xiàn)，描述這種現(xiàn)代計(jì)算能力對(duì)“計(jì)算尺時(shí)代”遺留下來的傳統(tǒng)概念、方法和技巧的審視和沖擊。例如：
    第5.7.1節(jié)利用代數(shù)方程求根的現(xiàn)代計(jì)算能力和MATLAB的圖形表現(xiàn)力，直接根據(jù)不同放大倍數(shù)下求得的閉環(huán)根序列，繪制“精良根軌跡”，并進(jìn)而借助MATLAB提供的數(shù)據(jù)探索工具形象、互動(dòng)地表現(xiàn)放大倍數(shù)與閉環(huán)根之間的依賴關(guān)系。這種新方法概念清晰、操作簡(jiǎn)單、圖形精準(zhǔn)。值得指出的是：現(xiàn)今高校教材所教授的傳統(tǒng)根軌跡繪制法，乃是建立在“計(jì)算尺能力”之上的。
    第5.7.2節(jié)利用求解符號(hào)代數(shù)方程的現(xiàn)代能力，直接求取“方框圖”或“信流圖”的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。該方法系統(tǒng)性、規(guī)范性及計(jì)算的簡(jiǎn)單性遠(yuǎn)勝于“計(jì)算尺時(shí)代”的梅遜法。值得指出的是：梅遜法至今仍廣泛地存在于我國(guó)高校的“信號(hào)與系統(tǒng)”“自動(dòng)控制原理”等教材中。
    第5.8.3節(jié)，借助MATLAB的圖形表現(xiàn)力，繪制誤差曲面，形象地展示了泰勒近似的“鄰域適用性”。
    第8.7.51小節(jié)利用微分方程單步仿真法繪制“狀態(tài)軌跡”，其對(duì)系統(tǒng)性狀的描述能力遠(yuǎn)強(qiáng)于“傳統(tǒng)相軌跡”。這種單步狀態(tài)軌線，不僅能精確地表現(xiàn)穩(wěn)定平衡點(diǎn)周圍的速度場(chǎng)，而且能同樣精確地表現(xiàn)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)周圍的速度場(chǎng)。
    第8.7.52小節(jié)利用數(shù)值優(yōu)化指令求得的ITAE標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)的性能顯然優(yōu)于“模擬機(jī)時(shí)代”給出的那些傳統(tǒng)ITAE標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)。
    本書特別在第6.8節(jié)新增3小節(jié)用于表述MATLAB的交互式數(shù)據(jù)探索工具：數(shù)據(jù)探針、數(shù)據(jù)刷和數(shù)據(jù)鏈。而算例5.7.1則綜合地表現(xiàn)了數(shù)據(jù)探索工具的具體應(yīng)用。
    算例4.53、4.121、4.123分別表現(xiàn)了MATLAB圖形能力在非線性方程求解、單變量尋優(yōu)、帶約束二元函數(shù)尋優(yōu)等方面的應(yīng)用價(jià)值。
    本書
    第9章詳細(xì)敘述了對(duì)研究方法有重大影響的圖形用戶界面（GUI）的制作方法。該章算例9.21展示了GUI表現(xiàn)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)各種特征時(shí)所特有的能力。
    此外，也對(duì)原《精通MATLAB 6.5版》少部分內(nèi)容進(jìn)行了刪減。
    完全刪去原書中的“MATLAB編譯器”、“應(yīng)用程序接口API”兩章。原因是：一，避免因篇幅限制，使其內(nèi)容顯得膚淺；二，避免因外部程序變化，使其內(nèi)容不穩(wěn)定。
    刪除原書中“句柄圖形”一章。原因是：一，各種圖形對(duì)象的屬性，現(xiàn)已可在MATLAB圖形窗中便捷地讀取和設(shè)置；二，部分常用的圖形對(duì)象屬性的指令設(shè)置內(nèi)容已被融入新書的其他章節(jié)。
    原書中“Notebook”一章，精簡(jiǎn)后以附錄形式出現(xiàn)。
    3. 內(nèi)容簡(jiǎn)介
    全書由目錄、正文、附錄和隨書光盤組成。正文共9章。
    第1章基礎(chǔ)準(zhǔn)備及入門
    詳細(xì)講述MATLAB的工作平臺(tái)、基本特征和使用方法，講授如何借助MATLAB的幫助系統(tǒng)解決所遇到的困難。任何MATLAB新手借助本章都可以比較順利地跨入MATLAB門檻。
    第2章數(shù)值數(shù)組及向量化運(yùn)算
    介紹MATLAB的兩個(gè)數(shù)據(jù)類型（數(shù)值數(shù)組、邏輯數(shù)組），兩個(gè)特有變量（“非數(shù)”及“空”），兩個(gè)MATLAB指令及編程特征（數(shù)組運(yùn)算和向量化編程）。其中數(shù)值數(shù)組創(chuàng)建、編址、援引尋訪、擴(kuò)展收縮等所涉的概念和技法也適用于其他數(shù)據(jù)類型數(shù)組。
    第3章字符串、胞元和構(gòu)架數(shù)組
    集中介紹字符串、胞元、構(gòu)架三種數(shù)據(jù)類型的創(chuàng)建、特點(diǎn)及相互轉(zhuǎn)換。掌握這些數(shù)據(jù)類型有助于理解MATLAB（方程求解、優(yōu)化）泛函指令、圖形對(duì)象、Simulink模型模塊等的參數(shù)設(shè)置和使用。
    第4章數(shù)值計(jì)算
    集中描述MATLAB的數(shù)值計(jì)算能力，其節(jié)次按數(shù)學(xué)類別劃分。所涉數(shù)學(xué)理論知識(shí)大致涵蓋理工科本科及研究生知識(shí)層面。每個(gè)算例都會(huì)簡(jiǎn)明地勾勒問題的來龍去脈，幫助讀者克服由于理論數(shù)學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、MATLAB指令間的知識(shí)跳躍和交叉引起的困惑。
    第5章符號(hào)計(jì)算
    MATLAB由數(shù)值計(jì)算引擎驅(qū)動(dòng)，其隨帶的符號(hào)計(jì)算引擎是MuPAD。本章內(nèi)容完全適配MuPAD引擎。該章的解題理念、建模計(jì)算、結(jié)果表述等都不同于數(shù)值計(jì)算，而與傳統(tǒng)教科書的理論內(nèi)容相似，因此學(xué)生更容易接受并使用。因?yàn)樵撜聝?nèi)容相對(duì)獨(dú)立，所以在內(nèi)容設(shè)計(jì)上，安排了從簡(jiǎn)單入門到跨空間進(jìn)入MuPAD環(huán)境的多層次節(jié)次。
    第6章數(shù)據(jù)可視及探索
    系統(tǒng)闡述離散數(shù)據(jù)繪制成圖的基本機(jī)理、基本技法、繪圖指令的調(diào)用和搭配。介紹MATLAB圖形窗所具備的“數(shù)據(jù)——圖形雙向交互能力”，推介MATLAB最新體現(xiàn)的“交互式數(shù)據(jù)探索”研究方法。
    第7章M文件和函數(shù)句柄
    系統(tǒng)介紹MATLAB編程的基本構(gòu)件、數(shù)據(jù)流控制、各類子函數(shù)、兩種函數(shù)句柄、泛函計(jì)算指令、跨空間調(diào)用和賦值等內(nèi)容，為編寫較復(fù)雜程序讀者所必讀。
    第8章Simulink交互仿真環(huán)境
    Simulink的建模、解算、結(jié)果表述既不同于數(shù)值計(jì)算，也不同于符號(hào)計(jì)算，相對(duì)獨(dú)立，由淺入深層次分明。第一個(gè)算例，非常詳盡地描寫Simulink的交互式建模步驟、操作要領(lǐng)、注意事項(xiàng)，以使新手可循此例而入門。其他節(jié)次則涉及構(gòu)造并運(yùn)作復(fù)雜Simulink模型所必需的各種連續(xù)和離散模塊，各種條件控制子系統(tǒng)，各種操作指令。
    第9章圖形用戶界面（GUI）
    重點(diǎn)介紹GUI的GUIDE輔助設(shè)計(jì)法。算例9.21的細(xì)膩敘述，足以幫助對(duì)GUI完全陌生的讀者，初步掌握創(chuàng)建圖形用戶界面的全部操作要領(lǐng)。該章內(nèi)容的重要性在于：GUI不僅使研發(fā)過程友善、結(jié)果表現(xiàn)形象生動(dòng)，而且有孕育新研發(fā)技術(shù)和思維方式的潛能。
    附錄共3個(gè)。
    附錄A Notebook
    簡(jiǎn)扼介紹Notebook工作環(huán)境的創(chuàng)建、組織及應(yīng)用。該附錄將有助于讀者創(chuàng)建集文字表述、數(shù)學(xué)公式、解算指令、計(jì)算結(jié)果、圖形表現(xiàn)于一體的學(xué)術(shù)演講稿、教學(xué)課件、科研報(bào)告、學(xué)位論文等。
    附錄 B 光盤使用說明
    專為隨書光盤編寫，主要用于：說明光盤mbook目錄上所載DOC文件的開啟環(huán)境和使用方法；說明光盤mfile目錄上M、MDL文件的使用。
    附錄 C 索引
    根據(jù)英文字母排列次序，列出了本書敘述文字或算例中所涉及的所有符號(hào)、指令、模塊和圖形對(duì)象屬性的“英文關(guān)鍵詞（或符）”。讀者借助該“索引”，可以由“英文關(guān)鍵詞（或符）”找到相關(guān)的中文說明或使用算例。
    4. 讀者對(duì)象
    MATLAB自身性質(zhì)決定了本書的主要讀者對(duì)象是：需要數(shù)學(xué)建模、研究分析、理論驗(yàn)證、計(jì)算機(jī)仿真的各類大學(xué)生、研究生、教師和科研人員。
    本書的章節(jié)安排、各章內(nèi)容、276個(gè)算例是作者根據(jù)MATLAB所跨數(shù)學(xué)及程序語言兩大范疇的內(nèi)涵融合而成的。與一般程序語言類書籍相比，本書的特點(diǎn)在于：包含了較大篇幅的理論數(shù)學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)及其他專業(yè)基礎(chǔ)方面的理論描述。而與一般的數(shù)學(xué)教材、計(jì)算方法書籍相比，不同之處又在于：本書并不停留于純推理性闡述，而特別注重于表述完成計(jì)算任務(wù)的MATLAB指令的使用要旨及注意事項(xiàng)。因此，本書可以用作為MATLAB編程、數(shù)學(xué)建模、科學(xué)計(jì)算、數(shù)字仿真的綜合教學(xué)用書和科研參考書。
    本書在講述數(shù)值建模、符號(hào)建模、Simulink建模、及GUI制作等內(nèi)容時(shí)，都專門設(shè)計(jì)了操作步驟及引導(dǎo)性算例（所涉工具介紹得特別詳細(xì)），用以幫助初學(xué)者順利地入門，并使他們?cè)陂喿x指令的注解說明后，可以舉一反三。因此，本書也可以供各類研發(fā)人員自學(xué)使用。
    除顯而易見的簡(jiǎn)單算例外，本書作者在設(shè)計(jì)和編寫算例時(shí)，盡力在理論和編程兩方面保持各算例的獨(dú)立性和完整性，以供各類讀者根據(jù)需要隨時(shí)片段地翻閱，掌握具體的算法和指令配合。換句話說，像字典一樣，本書可用作查閱算法或MATLAB具體指令調(diào)用方法的“手冊(cè)”。
    5. 使用建議
    本書用于教學(xué)時(shí)，教師可參考本書章節(jié)次序安排教學(xué)進(jìn)程。講授時(shí)，不建議使用PowerPoint形式的課件，而建議采用Notebook制作的課件。這是因?yàn)椋�后者可以讓聽課的學(xué)生在Word文字環(huán)境中看到MATLAB指令的實(shí)時(shí)操作和現(xiàn)場(chǎng)顯示出的數(shù)值或圖形結(jié)果。本書為教師制作課件方便，在隨書光盤里，提供了保持全書章節(jié)結(jié)構(gòu)、算例可運(yùn)行M碼的電子文檔。
    本書用于系統(tǒng)自學(xué)時(shí)，讀者可不必循序閱讀，也不建議通讀。建議先認(rèn)真閱讀并實(shí)踐入門性算例，而不必強(qiáng)求自己去操練那些數(shù)學(xué)知識(shí)過深或編程過于復(fù)雜的算例。此外，再次誠(chéng)懇地建議：不要采用“復(fù)制隨書光盤中現(xiàn)成M碼”的方法，去實(shí)踐本書算例，而應(yīng)采用“自己鍵入”的方式去實(shí)踐，以體會(huì)編寫程序的思路和過程。
    本書用作“手冊(cè)”查閱參考時(shí)，讀者應(yīng)注意目錄、索引、英文關(guān)鍵詞的不同檢索功用。目錄用于“可能模糊的內(nèi)容”檢索；索引用于“已知指令名稱”的交叉檢索；（本書中出現(xiàn)的）英文關(guān)鍵詞專供MATLAB幫助瀏覽器信息的檢索使用。
    本書所有算例的M碼都是可靠且可運(yùn)行的，所有算例結(jié)果也都是可重現(xiàn)的。至于那些無法通過紙質(zhì)書籍表現(xiàn)的Simulink模型代碼和彩色圖形，讀者都可以在隨書光盤中找到相應(yīng)的MDL文件或電子文檔。
    隨書光盤中，還存放有與《精通MATLAB 6.5版》相配的電子文檔，以供讀者不時(shí)之需。
    6. 致謝
    本書是作者長(zhǎng)年科研和教學(xué)積累的結(jié)果。本書的成稿得到張昀、阮秀凱、靳種寶、李娟娟、胡麗珍、謝逢博、馮子豪、王貴銀、張傳飛、朱捷、錢建平、江潔、蔣嘯、王擔(dān)擔(dān)、張蓉等博士和碩士研究生的幫助和支持，得到我始終一貫的合作者楊祖櫻教授的全力支持。借本書出版之際，向他們表示真誠(chéng)的感謝。
    最后還要感謝北京航空航天大學(xué)出版社長(zhǎng)期一貫的支持和合作。
    本書雖幾經(jīng)反復(fù)篩選提煉，但限于作者知識(shí)，贅病、錯(cuò)誤和偏見仍難避免。在此，懇切各方面專家和廣大讀者的不吝指教。
    作者
    2011年6月初于南京江寧