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MATLAB R2022a完全自學一本通 讀者對象:本書既適合信號處理、通信工程、自動控制、機械電子、自動化、電力電氣等專業(yè)的本科生、研究生、教師和科研工作人員學習使用,又可以作為廣大MATLAB愛好者的自學用書。
本書面向MATLAB的初、中級讀者,在介紹MATLAB R2022a集成環(huán)境的基礎上,對MATLAB使用中常用的知識和工具進行了詳細的介紹。書中各章均提供了大量有針對性的示例,可供讀者進行實戰(zhàn)練習。 根據(jù)內(nèi)容的側重點不同,全書分為4部分,共20章:第1~5章為基礎部分,第6~11章為數(shù)學應用部分,第12~16章為工程應用部分,第17~20章為高級應用部分。為了使讀者能夠更好地操作MATLAB,本書中示例的命令已記錄在M文件及其他相關文件中,讀者可以將相關的目錄設置為工作目錄,直接使用M文件進行操作,以便快速掌握MATLAB的使用方法。
劉浩,博士,畢業(yè)于北京航空航天大學,博士后出站,現(xiàn)就職于重慶大學,從事教學、科學研究與實驗技術開發(fā)工作。承擔航空、航天、汽車等領域課題研究20余項。在國內(nèi)外著名期刊發(fā)表論文20余篇,多篇文章被SCI、EI收錄,其中國際A類期刊5篇;獲授權國家發(fā)明專利多項,使用MATLAB等工具從事科研工作近二十年,經(jīng)驗豐富。
第1部分
第1章 MATLAB概述 1 1.1 MATLAB簡介 2 1.1.1 MathWorks及其產(chǎn)品概述 2 1.1.2 MATLAB與其他數(shù)學軟件 2 1.1.3 MATLAB的主要特點 3 1.1.4 MATLAB系統(tǒng)的組成 3 1.1.5 MATLAB應用程序簡介 4 1.2 目錄結構 5 1.3 工作環(huán)境 6 1.3.1 選項卡/組 7 1.3.2 命令行窗口 8 1.3.3 工作區(qū)窗口 9 1.4 通用命令 9 1.5 文件管理 10 1.5.1 當前文件夾窗口 10 1.5.2 搜索路徑及其設置 11 1.6 幫助系統(tǒng) 12 1.6.1 純文本幫助 13 1.6.2 演示幫助 13 1.6.3 幫助導航瀏覽器 14 1.7 示例展示 14 1.8 本章小結 15 第2章 基礎知識 16 2.1 數(shù)據(jù)類型 17 2.1.1 數(shù)值類型 17 2.1.2 邏輯類型 21 2.1.3 字符類型 23 2.1.4 函數(shù)句柄 25 2.1.5 結構體類型 27 2.1.6 數(shù)組存儲形式 30 2.1.7 元胞數(shù)組類型 31 2.1.8 map容器類型 35 2.2 矩陣的基本操作 39 2.2.1 矩陣和數(shù)組的概念及其區(qū)別 39 2.2.2 矩陣的構造 40 2.2.3 矩陣大小及結構的改變 44 2.2.4 矩陣下標引用 46 2.2.5 矩陣信息的獲取 48 2.2.6 矩陣的保存和加載 53 2.3 運算符 59 2.3.1 算術運算符 59 2.3.2 關系運算符 60 2.3.3 邏輯運算符 61 2.3.4 運算優(yōu)先級 62 2.4 字符串處理函數(shù) 63 2.4.1 字符串或字符串數(shù)組的構造 63 2.4.2 字符串比較 64 2.4.3 字符串查找和替換 65 2.4.4 字符串和數(shù)值的轉換 66 2.5 本章小結 67 第3章 數(shù)組與矩陣 68 3.1 數(shù)組運算 69 3.1.1 數(shù)組的創(chuàng)建和操作 69 3.1.2 數(shù)組的常見運算 72 3.2 矩陣操作 77 3.2.1 創(chuàng)建矩陣 77 3.2.2 改變矩陣大小 81 3.2.3 重構矩陣 84 3.3 矩陣元素的運算 84 3.3.1 矩陣的加減法運算 84 3.3.2 矩陣的乘法運算 85 3.3.3 矩陣的除法運算 87 3.3.4 矩陣的冪運算 87 3.3.5 矩陣元素的查找 88 3.3.6 矩陣元素的排序 88 3.3.7 矩陣元素的求和 89 3.3.8 矩陣元素的求積 90 3.3.9 矩陣元素的差分 91 3.4 矩陣運算 92 3.4.1 矩陣分析 92 3.4.2 矩陣分解 97 3.4.3 特征值和特征向量 103 3.5 稀疏矩陣 104 3.5.1 稀疏矩陣的存儲方式 105 3.5.2 稀疏矩陣的生成 105 3.5.3 稀疏矩陣的運算 109 3.6 本章小結 110 第4章 程序設計 111 4.1 M文件編輯器 112 4.2 變量 115 4.2.1 變量的命名 115 4.2.2 變量的類型 115 4.2.3 特殊變量 116 4.2.4 關鍵字 116 4.3 控制流 117 4.3.1 順序結構 117 4.3.2 if-else-end分支結構 118 4.3.3 switch-case結構 119 4.3.4 try-catch結構 121 4.3.5 for循環(huán)結構 122 4.3.6 while循環(huán)結構 124 4.4 常用指令 125 4.4.1 return指令 125 4.4.2 input指令和keyboard指令 125 4.4.3 yesinput指令 126 4.4.4 pause指令 126 4.4.5 continue指令 126 4.4.6 break指令 127 4.4.7 error指令和warning指令 127 4.5 腳本和函數(shù) 127 4.5.1 腳本 127 4.5.2 函數(shù) 129 4.5.3 M文件的一般結構 130 4.5.4 匿名函數(shù)、子函數(shù)、私有函數(shù)與私有目錄 132 4.5.5 重載函數(shù) 134 4.5.6 eval函數(shù)和feval函數(shù) 134 4.5.7 內(nèi)聯(lián)函數(shù) 136 4.5.8 向量化和預分配 139 4.5.9 函數(shù)的函數(shù) 139 4.5.10 P碼文件 140 4.6 變量的檢測與傳遞 142 4.6.1 輸入/輸出變量檢測指令 142 4.6.2 “可變數(shù)量”輸入/輸出變量 142 4.6.3 跨空間變量傳遞和賦值 144 4.7 程序調(diào)試 146 4.7.1 程序調(diào)試的基本概念 147 4.7.2 直接調(diào)試法 147 4.7.3 使用調(diào)試函數(shù)進行調(diào)試 148 4.7.4 工具調(diào)試法 151 4.7.5 程序的性能優(yōu)化技術 152 4.8 本章小結 153 第5章 數(shù)據(jù)可視化 154 5.1 圖形繪制 155 5.1.1 離散數(shù)據(jù)及離散函數(shù) 155 5.1.2 連續(xù)函數(shù) 155 5.1.3 圖形繪制示例 156 5.1.4 圖形繪制的基本步驟 158 5.2 二維圖形繪制 158 5.2.1 plot指令 158 5.2.2 柵格 163 5.2.3 文字說明 163 5.2.4 線型、標記和顏色 166 5.2.5 坐標軸設置 168 5.2.6 圖形疊繪 169 5.2.7 子圖繪制 170 5.2.8 交互式繪圖 171 5.2.9 雙坐標軸繪制 172 5.2.10 fplot繪圖指令 173 5.2.11 ezplot繪圖指令 174 5.2.12 特殊坐標軸繪圖 175 5.2.13 二維特殊圖形函數(shù) 176 5.3 三維圖形繪制 180 5.3.1 三維曲線圖繪制 180 5.3.2 三維網(wǎng)格圖繪制 181 5.3.3 三維曲面圖繪制 182 5.3.4 光照模型 183 5.3.5 繪制等值線圖 185 5.4 四維圖形可視化 186 5.4.1 用顏色描述第四維 186 5.4.2 其他函數(shù) 186 5.5 本章小結 187 第2部分 第6章 數(shù)值計算 188 6.1 多項式及其函數(shù) 189 6.1.1 多項式的表達式和創(chuàng)建 189 6.1.2 多項式求根 190 6.1.3 多項式的四則運算 191 6.1.4 多項式的導數(shù)、積分與估值 193 6.1.5 多項式運算函數(shù)及操作指令 194 6.1.6 有理多項式 195 6.2 數(shù)據(jù)插值 196 6.2.1 一維插值 197 6.2.2 二維插值 199 6.3 函數(shù)的極限 200 6.3.1 極限的概念 200 6.3.2 求極限的函數(shù) 201 6.4 函數(shù)數(shù)值積分 202 6.4.1 數(shù)值積分問題的數(shù)學表述 202 6.4.2 一元函數(shù)的數(shù)值積分 203 6.4.3 多重數(shù)值積分 204 6.5 本章小結 205 第7章 符號計算 206 7.1 符號計算概述 207 7.2 符號對象和符號表達式 207 7.2.1 對象創(chuàng)建命令 207 7.2.2 對象創(chuàng)建示例 208 7.2.3 運算符和基本函數(shù) 211 7.2.4 對象類別識別函數(shù) 213 7.2.5 表達式中的變量確定 215 7.2.6 符號計算的精度 216 7.3 符號表達式的基本操作 217 7.3.1 符號表達式的顯示 217 7.3.2 符號表達式的合并 218 7.3.3 符號表達式的展開 218 7.3.4 符號表達式的嵌套 219 7.3.5 符號表達式的分解 220 7.3.6 符號表達式的化簡 220 7.4 符號表達式的替換 221 7.4.1 subs替換函數(shù) 221 7.4.2 subexpr替換函數(shù) 222 7.5 符號函數(shù)的操作 223 7.5.1 復合函數(shù)操作 223 7.5.2 反函數(shù)操作 224 7.6 微積分 224 7.6.1 極限 225 7.6.2 微分 226 7.6.3 積分 227 7.6.4 級數(shù)求和 227 7.6.5 泰勒級數(shù) 228 7.7 積分變換 229 7.7.1 傅里葉變換 229 7.7.2 拉普拉斯變換 230 7.7.3 Z變換 230 7.8 方程求解 232 7.8.1 代數(shù)方程求解 232 7.8.2 微分方程求解 234 7.9 符號分析可視化 235 7.9.1 funtool分析界面 235 7.9.2 taylortool分析界面 238 7.10 本章小結 239 第8章 概率統(tǒng)計 240 8.1 產(chǎn)生隨機數(shù) 241 8.1.1 二項分布隨機數(shù)的產(chǎn)生 241 8.1.2 正態(tài)分布隨機數(shù)的產(chǎn)生 241 8.1.3 常見分布隨機數(shù)的產(chǎn)生 242 8.2 概率密度計算 243 8.2.1 通用函數(shù)概率密度值 243 8.2.2 專用函數(shù)概率密度值 244 8.3 累積概率分布 245 8.3.1 通用函數(shù)累積概率值 245 8.3.2 專用函數(shù)累積概率值 247 8.4 統(tǒng)計特征 247 8.4.1 平均值、中值 248 8.4.2 數(shù)據(jù)比較 248 8.4.3 期望 249 8.4.4 方差和標準差 249 8.4.5 協(xié)方差與相關系數(shù) 250 8.5 統(tǒng)計作圖 251 8.5.1 正整數(shù)頻率表 251 8.5.2 累積分布函數(shù)圖形 252 8.5.3 最小二乘擬合直線 252 8.5.4 繪制正態(tài)分布概率圖形 253 8.5.5 樣本數(shù)據(jù)的盒圖 254 8.5.6 參考線繪制 255 8.5.7 樣本概率圖形 256 8.5.8 正態(tài)擬合直方圖 257 8.6 本章小結 258 第9章 數(shù)學建模基礎 259 9.1 曲線擬合函數(shù) 260 9.1.1 多項式擬合 260 9.1.2 加權最小方差擬合原理及示例 261 9.1.3 非線性曲線擬合 263 9.2 參數(shù)估計函數(shù) 264 9.2.1 常見分布的參數(shù)估計 264 9.2.2 點估計 266 9.2.3 區(qū)間估計 268 9.3 參數(shù)傳遞 268 9.3.1 輸入和輸出參數(shù)的數(shù)目 269 9.3.2 可變數(shù)目的參數(shù)傳遞 270 9.3.3 返回被修改的輸入?yún)?shù) 271 9.3.4 全局變量 272 9.4 本章小結 273 第10章 智能算法 274 10.1 粒子群算法實現(xiàn) 275 10.1.1 基本原理 275 10.1.2 程序設計 276 10.1.3 經(jīng)典應用 283 10.2 遺傳算法實現(xiàn) 287 10.2.1 基本原理 287 10.2.2 程序設計 290 10.2.3 經(jīng)典應用 295 10.3 蟻群算法概述 300 10.3.1 基本原理 300 10.3.2 程序設計 301 10.3.3 經(jīng)典應用 304 10.4 本章小結 310 第11章 偏微分方程 311 11.1 偏微分方程工具箱 312 11.1.1 偏微分方程常見類型 312 11.1.2 偏微分方程的求解過程 317 11.2 求解偏微分方程 319 11.2.1 求解橢圓方程 319 11.2.2 求解拋物線方程 323 11.2.3 求解雙曲線方程 327 11.2.4 求解特征值方程 331 11.3 本章小結 335 第3部分 第12章 優(yōu)化工具 336 12.1 優(yōu)化常用函數(shù)及最優(yōu)化問題 337 12.1.1 優(yōu)化常用函數(shù) 337 12.1.2 最優(yōu)化問題 339 12.2 線性規(guī)劃 341 12.2.1 線性規(guī)劃函數(shù) 342 12.2.2 線性規(guī)劃問題的應用 343 12.3 無約束非線性規(guī)劃 352 12.3.1 基本數(shù)學原理介紹 353 12.3.2 無約束非線性規(guī)劃函數(shù) 354 12.3.3 無約束非線性規(guī)劃問題的應用 357 12.4 二次規(guī)劃 357 12.4.1 二次規(guī)劃函數(shù)quadprog 358 12.4.2 二次規(guī)劃問題的應用 359 12.5 有約束最小化 361 12.5.1 有約束最小化函數(shù)fmincon 361 12.5.2 有約束最小化的應用 364 12.6 目標規(guī)劃 365 12.6.1 目標規(guī)劃函數(shù)fgoalattain 365 12.6.2 目標規(guī)劃的應用 367 12.7 最大最小化 372 12.7.1 最大最小化函數(shù)fminimax 372 12.7.2 最大最小化的應用 373 12.8 本章小結 375 第13章 句柄圖形對象 376 13.1 句柄圖形對象體系 377 13.1.1 句柄圖形組織 377 13.1.2 句柄圖形對象類型簡介 378 13.2 句柄圖形對象操作 378 13.2.1 創(chuàng)建對象 378 13.2.2 訪問對象句柄 380 13.2.3 復制和刪除對象 382 13.2.4 控制圖形輸出 383 13.2.5 保存句柄 387 13.3 句柄圖形對象屬性設置 388 13.3.1 設置屬性 388 13.3.2 設置默認屬性 389 13.3.3 通用屬性 392 13.4 Figure對象 392 13.4.1 Figure對象介紹 392 13.4.2 Figure對象操作 394 13.5 Axes對象 394 13.5.1 標簽與外觀 394 13.5.2 位置 395 13.5.3 一圖多軸 396 13.5.4 坐標軸控制 399 13.5.5 線條顏色控制 401 13.5.6 繪圖操作 401 13.6 Core對象 402 13.6.1 Core對象介紹 402 13.6.2 Core對象創(chuàng)建示例 403 13.7 Plot對象 404 13.7.1 Plot對象介紹 404 13.7.2 Plot對象創(chuàng)建示例 404 13.7.3 連接變量 405 13.8 Group對象 406 13.8.1 Group對象介紹 406 13.8.2 創(chuàng)建Group對象 406 13.8.3 對象變換 406 13.9 Annotation對象 407 13.9.1 Annotation對象介紹 407 13.9.2 Annotation對象使用示例 408 13.10 本章小結 409 第14章 Simulink仿真基礎 410 14.1 Simulink概述 411 14.1.1 基本概念 411 14.1.2 工作環(huán)境與啟動 413 14.1.3 模型特點 415 14.1.4 模塊組成 416 14.1.5 數(shù)據(jù)類型 417 14.1.6 模塊和模塊庫 422 14.1.7 常用工具 427 14.1.8 示例演示 429 14.2 模型創(chuàng)建 431 14.2.1 模塊的基本操作 431 14.2.2 模型和模型文件 434 14.2.3 模型創(chuàng)建流程 436 14.2.4 模塊的基本操作 440 14.2.5 模塊連接與處理 442 14.3 過零檢測和代數(shù)環(huán) 443 14.3.1 過零檢測 443 14.3.2 代數(shù)環(huán) 445 14.4 本章小結 446 第15章 Simulink仿真的應用 447 15.1 子系統(tǒng)的創(chuàng)建和封裝 448 15.1.1 子系統(tǒng)介紹 448 15.1.2 創(chuàng)建子系統(tǒng) 449 15.1.3 封裝子系統(tǒng) 450 15.2 仿真模型分析 454 15.2.1 模型狀態(tài)的確定 455 15.2.2 線性化的數(shù)學描述 457 15.2.3 平衡點分析 458 15.2.4 微分方程的求解算法 459 15.3 運行仿真 460 15.3.1 啟動仿真 460 15.3.2 仿真配置 463 15.3.3 優(yōu)化仿真過程 468 15.4 模型調(diào)試 470 15.4.1 Simulink調(diào)試器 471 15.4.2 命令行調(diào)試及設置斷點 471 15.5 實例應用 472 15.6 本章小結 478 第16章 Stateflow應用初步 479 16.1 Stateflow基礎 480 16.1.1 Stateflow的定義 480 16.1.2 狀態(tài)圖編輯器 480 16.1.3 狀態(tài)操作 482 16.1.4 轉移操作 483 16.1.5 流程圖 484 16.2 并行機制 487 16.2.1 設置狀態(tài)關系 487 16.2.2 并行狀態(tài)活動順序配置 488 16.2.3 本地事件廣播 488 16.2.4 直接事件廣播 489 16.3 Stateflow的對象 490 16.3.1 真值表 490 16.3.2 圖形函數(shù) 492 16.4 本章小結 493 第4部分 第17章 圖形用戶界面 494 17.1 圖形用戶界面介紹 495 17.2 控件 495 17.2.1 控件的創(chuàng)建 496 17.2.2 鼠標動作執(zhí)行 498 17.2.3 事件隊列的執(zhí)行順序 499 17.2.4 回調(diào)函數(shù)的編寫 500 17.3 對話框?qū)ο?503 17.3.1 公共對話框 503 17.3.2 一般對話框 507 17.4 界面菜單 513 17.4.1 菜單建立 513 17.4.2 菜單屬性 514 17.5 編寫M文件 515 17.6 GUIDE工具 516 17.6.1 利用GUIDE進行圖形用戶界面設計 517 17.6.2 GUIDE創(chuàng)建的工具 523 17.6.3 創(chuàng)建帶有Uicontrol控件的圖形用戶界面 525 17.7 本章小結 526 第18章 文件I/O操作 527 18.1 文件夾的管理 528 18.1.1 當前文件夾管理 528 18.1.2 創(chuàng)建文件夾 531 18.1.3 刪除文件夾 532 18.1.4 復制或移動文件或文件夾 533 18.2 打開和關閉文件 535 18.2.1 打開文件 535 18.2.2 關閉文件 537 18.3 工作區(qū)數(shù)據(jù)文件 538 18.3.1 輸出數(shù)據(jù)到MAT文件中 538 18.3.2 讀取MAT文件——load函數(shù) 538 18.3.3 查看MAT文件的變量 539 18.4 讀/寫二進制文件 539 18.4.1 寫二進制文件 539 18.4.2 讀二進制文件 541 18.5 讀/寫文本文件 544 18.5.1 寫文本文件 544 18.5.2 讀文本文件 545 18.5.3 其他讀/寫文本文件的函數(shù) 548 18.6 文件內(nèi)的位置控制 553 18.7 導入數(shù)據(jù) 555 18.8 本章小結 556 第19章 編譯器 557 19.1 編譯器概述 558 19.2 編譯器的安裝和配置 558 19.2.1 編譯器的安裝 558 19.2.2 編譯器的配置 558 19.3 編譯過程 559 19.4 編譯命令mcc 559 19.5 編譯生成獨立可執(zhí)行的應用程序 560 19.5.1 編譯M文件 560 19.5.2 編譯圖形繪制M文件 562 19.5.3 由含feval指令的M文件生成EXE文件 563 19.5.4 編譯GUI文件 565 19.6 本章小結 566 第20章 外部接口 567 20.1 接口概述 568 20.1.1 MEX文件介紹 568 20.1.2 MAT文件介紹 568 20.1.3 MATLAB計算引擎介紹 568 20.2 MEX文件應用 569 20.2.1 MEX文件的結構 569 20.2.2 創(chuàng)建C/C++語言MEX文件 570 20.2.3 調(diào)試C/C++語言MEX程序文件 574 20.3 MAT文件應用 575 20.3.1 使用C/C++語言創(chuàng)建MAT文件的過程 576 20.3.2 使用C/C++語言創(chuàng)建MAT文件示例 576 20.3.3 使用C/C++語言讀取MAT文件示例 578 20.4 計算引擎應用 581 20.5 調(diào)用Java語言 581 20.5.1 Java接口使用 582 20.5.2 Java接口編程應用示例 586 20.6 本章小結 586
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