MATLAB R2016a完全自学一本通

本书面向MATLAB的初中级读者，在介绍MATLAB R2016a集成环境的基础上，对MATLAB使用中常用的知识和工具进行了详细的介绍，书中各章均提供了大量有针对性的算例，供读者实战练习。根据内容的侧重点不同，全书分为4部分共24章：～5章为基础部分；第6～10章为数学应用部分；1～19章为工程应用部分；第20～24章为知识拓展部分，由于篇幅受限，此部分内容为电子书形式，请到http://www.fecit.com.cn/files/download/下载。

刘浩：男，毕业于天津工业大学。04年获得Adobe系列产品专家证书，ACCD平面设计师证书，CEAC国家信息产业平面设计师证书。上海碧海金沙设计总监，上海Nordri设计工作室（上海诺睿网络信息科技有限公司）创始人兼任设计总监，北京拓扑人咨询不错顾问，wps office签约讲师，复旦MBA港大项目组签约讲师。

篇 章MATLAB R2016a 概述...............1 1.1 MATLAB R2016a简介................2 1.1.1 MathWorks及其产品概述........ 2 1.1.2 MATLAB 与其他数学软件....... 2 1.1.3 MATLAB 的主要特点.............. 3 1.1.4 MATLAB 的系统组成.............. 3 1.1.5 MATLAB 应用程序简介........... 4 1.1.6 MATLAB R2016a新特性......... 5 1.2 MATLAB R2016a的目录结构.....6 1.3 MATLAB R2016a的工作环境.....7 1.3.1 菜单/工具栏............................... 8 1.3.2 命令行窗口................................ 9 1.3.3 工作区........................................ 9 1.4 MATLAB R2016a的通用命令... 10 1.5 MATLAB R2016a的文件管理... 11 1.5.1 当前文件夹浏览器和路径管 理器.......................................... 11 1.5.2 搜索路径及其设置.................. 12 1.6 MATLAB R2016a的帮助系统... 13 1.6.1 纯文本帮助.............................. 13 1.6.2 演示（Demos）帮助............... 14 1.6.3 帮助导航浏览器...................... 15 1.7 MATLAB使用初步.................... 15 1.8 本章小结..................................... 16 第2章MATLAB 基础知识...................17 2.1 数据类型..................................... 18 2.1.1 数值类型.................................. 18 2.1.2 逻辑类型.................................. 22 2.1.3 字符和字符串.......................... 24 2.1.4 函数句柄..................................26 2.1.5 结构体类型...............................28 2.1.6 数组类型..................................31 2.1.7 单元数组类型...........................32 2.1.8 map 容器类型...........................35 2.2 基本矩阵操作............................. 39 2.2.1 矩阵和数组的概念及其区别...39 2.2.2 矩阵的构造...............................40 2.2.3 矩阵大小及结构的改变...........44 2.2.4 矩阵下标引用...........................45 2.2.5 矩阵信息的获取.......................47 2.2.6 矩阵的保存和加载...................52 2.3 运算符......................................... 58 2.3.1 算术运算符...............................58 2.3.2 关系运算符...............................59 2.3.3 逻辑运算符...............................61 2.3.4 运算优先级...............................62 2.4 字符串处理函数......................... 62 2.4.1 字符串的构造...........................63 2.4.2 字符串比较函数.......................64 2.4.3 字符串查找和替换函数...........64 2.4.4 字符串――数值转换...............66 2.5 本章小结..................................... 66 第3章数组与矩阵...............................67 3.1 数组运算..................................... 68 3.1.1 数组的创建和操作...................68 3.1.2 数组的常见运算.......................71 3.2 矩阵操作..................................... 74 3.2.1 创建矩阵..................................74 3.2.2 改变矩阵大小...........................79 3.2.3 重构矩阵..................................81 3.3 矩阵元素的运算......................... 81 3.3.1 矩阵的加减运算...................... 82 3.3.2 矩阵的乘法运算...................... 83 3.3.3 矩阵的除法运算...................... 84 3.3.4 矩阵的幂运算.......................... 85 3.3.5 矩阵元素的查找...................... 85 3.3.6 矩阵元素的排序...................... 86 3.3.7 矩阵元素的求和...................... 87 3.3.8 矩阵元素的求积...................... 88 3.3.9 矩阵元素的差分...................... 88 3.4 矩阵运算..................................... 89 3.4.1 矩阵分析.................................. 89 3.4.2 矩阵分解.................................. 94 3.4.3 特征值和特征向量................ 100 3.5 稀疏矩阵................................... 102 3.5.1 稀疏矩阵的存储方式............ 103 3.5.2 稀疏矩阵的生成.................... 103 3.5.3 稀疏矩阵的运算.................... 107 3.6 本章小结................................... 108 第4章MATLAB 编程基础.................109 4.1 M文件编辑器........................... 110 4.2 变量....................................... 112 4.2.1 变量的命名............................ 112 4.2.2 变量的类型............................ 113 4.2.3 MATLAB 默认的特殊变量... 113 4.2.4 关键字.................................... 114 4.3 MATLAB的控制流.................. 114 4.3.1 顺序结构................................ 114 4.3.2 if-else-end 分支结构.............. 115 4.3.3 switch-case ............................. 117 4.3.4 try-catch 结构......................... 119 4.3.5 for 循环结构.......................... 120 4.3.6 while 循环结构...................... 121 4.4 控制程序流的其他常用指令... 122 4.4.1 return 指令.............................. 122 4.4.2 input 和keyboard 指令.......... 123 4.4.3 yesinput指令.......................... 123 4.4.4 pause指令.............................. 123 4.4.5 continue指令......................... 124 4.4.6 break指令.............................. 124 4.4.7 error 和warning指令.............125 4.5 脚本和函数............................... 125 4.5.1 脚本........................................125 4.5.2 函数........................................126 4.5.3 M 文件的一般结构................127 4.5.4 匿名函数、子函数、私有函数 与私有目录.............................129 4.5.5 重载函数................................131 4.5.6 eval和feval函数...................131 4.5.7 内联函数................................134 4.5.8 向量化和预分配.....................136 4.5.9 函数的函数.............................137 4.5.10 P码文件...............................138 4.6 M文件中变量的检测与传递... 139 4.6.1 输入/输出变量检测指令........139 4.6.2 “可变数量”输入/输出变量..140 4.6.3 跨空间变量传递和赋值.........142 4.7 MATLAB程序的调试.............. 144 4.7.1 程序调试的基本概念.............144 4.7.2 直接调试法.............................145 4.7.3 使用调试函数进行调试.........146 4.7.4 工具调试法.............................149 4.7.5 程序的性能优化技术.............150 4.8 本章小结................................... 151 第5章数据可视化.............................153 5.1 图形绘制................................... 154 5.1.1 离散数据及离散函数.............154 5.1.2 连续函数................................154 5.1.3 图形绘制示例.........................155 5.1.4 图形绘制的基本步骤.............157 5.2 二维图形绘制........................... 157 5.2.1 plot 指令.................................157 5.2.2 格栅........................................162 5.2.3 文字说明................................162 5.2.4 线型、标记和颜色.................165 5.2.5 坐标轴设置.............................168 5.2.6 图形叠绘................................169 5.2.7 子图绘制................................170 5.2.8 交互式绘图.............................171 5.2.9 双坐标轴绘制........................ 172 5.2.10 fplot绘图指令...................... 173 5.2.11 ezplot绘图指令................... 174 5.2.12 特殊坐标轴绘图.................. 175 5.2.13 二维特殊图形函数.............. 177 5.3 三维图形绘制........................... 182 5.3.1 曲线图绘制............................ 182 5.3.2 网格图绘制............................ 183 5.3.3 曲面图绘制............................ 184 5.3.4 光照模型................................ 185 5.3.5 绘制等值线图........................ 186 5.4 四维图形可视化....................... 187 5.4.1 用颜色描述第四维................ 187 5.4.2 其他函数................................ 188 5.5 本章小结................................... 189 第二篇 第6章数据分析................................191 6.1 多项式及其函数....................... 192 6.1.1 多项式的表达式和创建........ 192 6.1.2 多项式求根............................ 193 6.1.3 多项式的四则运算................ 194 6.1.4 多项式的导数、积分与估值196 6.1.5 多项式运算函数及操作指令197 6.1.6 有理多项式............................ 198 6.2 数据插值................................... 199 6.2.1 一维插值................................ 199 6.2.2 二维插值................................ 203 6.3 函数的极限............................... 204 6.3.1 极限的概念............................ 204 6.3.2 求极限的函数........................ 204 6.4 函数数值积分........................... 206 6.4.1 数值积分问题的数学表述.... 206 6.4.2 一元函数的数值积分............ 206 6.4.3 多重数值积分........................ 208 6.5 本章小结................................... 209 第7章符号数学计算......................... 211 7.1 MATLAB符号计算概述.......... 212 7.2 符号对象和符号表达式........... 212 7.2.1 符号对象的创建命令.............212 7.2.2 符号对象的创建示例.............213 7.2.3 符号计算中的运算符和函数.216 7.2.4 符号对象的类别识别函数.....220 7.2.5 符号表达式中的变量确定.....222 7.2.6 符号精度计算.........................223 7.3 符号表达式操作....................... 224 7.3.1 符号表达式显示.....................224 7.3.2 符号表达式合并.....................225 7.3.3 符号表达式展开.....................225 7.3.4 符号表达式嵌套.....................226 7.3.5 符号表达式分解.....................227 7.3.6 符号表达式化简.....................228 7.4 符号表达式替换....................... 229 7.4.1 subs 替换函数........................230 7.4.2 subexpr替换函数...................231 7.5 符号函数的操作....................... 232 7.5.1 复合函数操作.........................232 7.5.2 反函数操作.............................233 7.6 符号微积分............................... 233 7.6.1 符号表达式的极限.................234 7.6.2 符号表达式的微分.................235 7.6.3 符号表达式的积分.................236 7.6.4 符号表达式的级数求和.........237 7.6.5 符号表达式的泰勒级数.........238 7.7 符号积分变换........................... 239 7.7.1 傅里叶变换及其反变换.........239 7.7.2 拉普拉斯变换及其反变换.....240 7.7.3 Z 变换及其反变换.................241 7.8 符号代数方程求解................... 242 7.9 符号微分方程求解................... 245 7.10 符号分析可视化..................... 246 7.10.1 funtool分析界面..................247 7.10.2 taylortool分析界面..............250 7.11 本章小结................................. 251 第8章概率统计................................253 8.1 产生随机变量........................... 254 8.1.1 二项分布的随机数据的产生.254 8.1.2 正态分布的随机数据的产生254 8.1.3 常见分布的随机数产生........ 255 8.2 概率密度计算........................... 256 8.2.1 通用函数概率密度值............ 256 8.2.2 专用函数概率密度值............ 258 8.3 累积概率分布........................... 259 8.3.1 通用函数累积概率值............ 259 8.3.2 专用函数累积概率值............ 260 8.4 统计特征................................... 261 8.4.1 平均值、中值........................ 261 8.4.2 数据比较................................ 262 8.4.3 期望........................................ 263 8.4.4 方差和标准差........................ 263 8.4.5 协方差与相关系数................ 264 8.5 统计作图................................... 265 8.5.1 正整数频率表........................ 265 8.5.2 累积分布函数图形................ 265 8.5.3 最小二乘拟合直线................ 266 8.5.4 绘制正态分布概率图形........ 267 8.5.5 样本数据的盒图.................... 268 8.5.6 参考线绘制............................ 268 8.5.7 样本概率图形........................ 270 8.5.8 正态拟合直方图.................... 271 8.6 本章小结................................... 272 章数学建模函数.........................273 9.1 曲线拟合函数........................... 274 9.1.1 多项式拟合............................ 274 9.1.2 加权最小方差（WLS）拟合原 理及实例................................ 275 9.1.3 非线性曲线拟合.................... 277 9.2 参数估计函数........................... 278 9.2.1 常见分布的参数估计............ 279 9.2.2 点估计.................................... 281 9.2.3 区间估计................................ 282 9.3 参数传递................................... 283 9.3.1 输入和输出参数的数目........ 283 9.3.2 可变数目的参数传递............ 284 9.3.3 返回被修改的输入参数........ 285 9.3.4 全局变量................................ 286 9.4 本章小结................................... 287 0章经典智能算法.......................289 10.1 粒子群算法的MATLAB 实现......................................... 290 10.1.1 基本原理..............................290 10.1.2 程序设计..............................291 10.1.3 经典应用..............................298 10.2 遗传算法的MATLAB 实现... 302 10.2.1 基本原理..............................302 10.2.2 程序设计..............................305 10.2.3 经典应用..............................310 10.3 蚁群算法概述......................... 315 10.3.1 基本原理..............................316 10.3.2 程序设计..............................317 10.3.3 经典应用..............................319 10.4 本章小结................................. 326 第三篇 1 章偏微分方程工具箱................327 11.1 偏微分方程（PDE）工具箱 介绍......................................... 328 11.1.1 偏微分方程常见类型介绍...328 11.1.2 偏微分方程工具箱简介.......334 11.2 求解偏微分方程示例............. 336 11.2.1 求解椭圆方程.......................336 11.2.2 求解抛物线方程...................340 11.2.3 求解双曲线方程...................343 11.2.4 求解特征值方程...................348 11.3 本章小结................................. 351 2章优化工具箱...........................353 12.1 优化工具箱及最优化问题 介绍......................................... 354 12.1.1 优化工具箱常用函数...........354 12.1.2 最优化问题...........................357 12.2 线性规划................................. 360 12.2.1 线性规划函数.......................360 12.2.2 线性规划问题的应用...........362 12.3 无约束非线性规划................. 369 12.3.1 基本数学原理介绍.............. 370 12.3.2 无约束非线性规划函数...... 371 12.3.3 无约束非线性规划问题的 应用...................................... 374 12.4 二次规划................................. 374 12.4.1 二次规划函数quadprog ...... 374 12.4.2 二次规划问题的应用.......... 376 12.5 有约束最小化......................... 377 12.5.1 有约束最小化函数 fmincon ................................ 377 12.5.2 有约束最小化应用.............. 380 12.6 目标规划................................. 381 12.6.1 目标规划函数fgoalattain .... 381 12.6.2 目标规划应用...................... 384 12.7 最大最小化..............................................................................................................387 12.7.1 最大最小化函数fminimax.. 388 12.7.2 最大最小化应用.................. 389 12.8 本章小结................................. 391 3章图像处理工具箱....................393 13.1 MATLAB 图像处理基础知识394 13.1.1 MATLAB 图像表达方式..... 394 13.1.2 MATLAB支持的图像文件格 式.......................................... 395 13.1.3 MATLAB 图像类型............ 396 13.1.4 MATLAB 图像类型转换..... 399 13.1.5 MATLAB 图像数据读/写... 401 13.2 图像显示................................. 402 13.2.1 标准图像显示技术.............. 402 13.2.2 特殊图像显示技术.............. 404 13.3 图像运算................................. 407 13.3.1 代数运算.............................. 407 13.3.2 空间变换.............................. 409 13.3.3 图像配准.............................. 412 13.4 图像数据变换......................... 413 13.4.1 二维傅里叶变换.................. 413 13.4.2 离散余弦变换...................... 418 13.4.3 其他变换.............................. 420 13.5 图像分析与增强..................... 421 13.5.1 像素值及统计.......................422 13.5.2 图像分析..............................425 13.5.3 图像调整..............................428 13.5.4 图像平滑..............................432 13.6 图像区域处理......................... 434 13.6.1 区域设置..............................434 13.6.2 区域滤波..............................436 13.6.3 区域填充..............................436 13.7 形态学操作............................. 437 13.7.1 图像膨胀..............................437 13.7.2 图像腐蚀..............................438 11.7.3 形态学重建...........................439 13.8 颜色处理................................. 439 13.8.1 显示颜色..............................439 13.8.2 减少颜色..............................440 13.8.3 转换颜色..............................441 13.9 本章小结................................. 441 4章信号处理工具箱...................443 14.1 MATLAB 信号处理基础 知识......................................... 444 14.1.1 连续信号及其实现...............444 14.1.2 离散信号及其实现...............444 14.1.3 离散信号基本运算...............448 14.1.4 离散系统概念.......................451 14.1.5 Z 变换定义与性质...............452 14.1.6 离散傅里叶变换...................452 14.2 统计信号处理......................... 453 14.2.1 相关性与协方差...................453 14.2.2 频谱分析..............................455 14.2.3 窗函数..................................456 14.2.4 功率谱估计...........................458 14.2.5 现代谱估计...........................460 14.2.6 时频分析..............................461 14.2.7 特殊变换方法.......................462 14.2.8 重新采样..............................465 14.3 IIR 滤波器............................... 466 14.3.1 IIR 滤波器优势....................466 14.3.2 经典滤波器设计过程...........466 14.3.3 经典法IIR 滤波器设计.......466 14.3.4 直接法IIR 滤波器设计....... 472 14.4 FIR 滤波器.............................. 474 14.4.1 窗函数法FIR 滤波器设计.. 474 14.4.2 约束最小二乘法FIR 滤波器 设计...................................... 476 14.4.3 其他设计方法...................... 477 14.5 参数建模................................. 477 14.5.1 时域建模.............................. 478 14.5.2 频域建模.............................. 479 14.6 特殊波形发生函数................. 480 14.6.1 频率扫描余弦函数.............. 480 14.6.2 Sinc函数.............................. 481 14.6.3 高斯震荡正弦脉冲.............. 482 14.6.4 三角脉冲.............................. 482 14.6.5 三角波.................................. 483 14.6.6 方形脉冲.............................. 484 14.6.7 方波...................................... 484 14.6.8 脉冲序列.............................. 485 14.6.9 压控振荡波.......................... 486 14.7 GUI工具................................. 486 14.7.1 信号处理综合工具.............. 487 14.7.2 波形查看器.......................... 488 14.7.3 谱分析查看器...................... 488 14.7.4 滤波器可视化工具.............. 489 14.7.5 滤波器设计与分析工具...... 490 14.7.6 滤波处理工具...................... 491 14.8 本章小结................................. 492 5章小波分析工具箱....................493 15.1 小波分析................................. 494 15.1.1 小波分析概述...................... 494 15.1.2 傅里叶变换和小波变换...... 495 15.1.3 多分辨分析.......................... 498 15.1.4 小波包分析.......................... 501 15.1.5 几种常用的小波.................. 505 15.1.6 小波应用演示示例.............. 507 15.2 小波工具箱介绍..................... 508 15.2.1 小波工具箱的启动.............. 508 15.2.2 一维连续小波分析工具...... 510 15.2.3 一维离散小波分析工具...... 514 15.3 小波分析在图像处理中的 应用......................................... 520 15.3.1 基于小波变换的图像局部 压缩......................................520 15.3.2 二维小波变换的图像压缩...522 15.3.3 图像压缩中阈值的确定与作 用命令..................................525 15.3.4 基于小波包变换的图像 压缩......................................526 15.3.5 小波变换用于图像去噪.......527 15.3.6 小波分析用于图像增强.......531 15.3.7 图像钝化与锐化...................533 15.3.8 小波分析用于图像融合.......535 15.3.9 小波分析用于图像分解.......536 15.4 本章小结................................. 539 6章Simulink 仿真基础................541 16.1 Simulink 概述.......................... 542 16.1.1 Simulink 的基本概念...........542 16.1.2 Simulink 的工作环境与 启动......................................544 16.1.3 Simulink 模型的特点...........545 16.1.4 Simulink 模块的组成...........547 16.1.5 Simulink 中的数据类型.......549 16.1.6 Simulink 中的模块和 模块库..................................551 16.1.7 Simulink 常用工具...............557 16.1.8 Simulink 的实例演示...........558 16.2 Simulink 模型创建.................. 560 16.2.1 Simulink 模块的基本操作...561 16.2.2 模型和模型文件...................564 16.2.3 创建模型的基本步骤和 技巧......................................565 16.3 过零检测和代数环................. 569 16.3.1 过零检测..............................569 16.3.2 代数环..................................571 16.4 本章小结................................. 572 7章Simulink 仿真应用................573 17.1 子系统的创建和封装............. 574 17.1.1 子系统介绍.......................... 574 17.1.2 创建子系统.......................... 576 17.1.3 封装子系统.......................... 577 17.2 仿真模型的分析..................... 580 17.2.1 模型状态的确定.................. 580 17.2.2 线性化的数学描述.............. 582 17.2.3 平衡点分析.......................... 584 17.2.4 微分方程的求解算法.......... 585 17.3 运行仿真................................. 586 17.3.1 启动仿真.............................. 586 17.3.2 仿真的配置.......................... 589 17.3.3 优化仿真过程...................... 594 17.4 模型调试................................. 597 17.4.1 Simulink 调试器................... 597 17.4.2 命令行调试及设置断点...... 598 17.5 Simulink 实例应用.................. 599 17.6 本章小结................................. 603 8章Stateflow建模与应用...........605 18.1 Stateflow基础......................... 606 18.1.1 Stateflow的定义.................. 606 18.1.2 状态图编辑器...................... 606 18.1.3 Stateflow流程图.................. 608 18.2 并行机制................................. 611 18.2.1 设置状态关系...................... 611 18.2.2 并行状态活动顺序配置...... 612 18.3 Stateflow的对象..................... 613 18.3.1 真值表.................................. 613 18.3.2 图形函数.............................. 613 18.4 本章小结................................. 616 9章神经网络工具箱...................617 19.1 神经网络MATLAB工具箱... 618 19.1.1 通用神经网络工具箱函数...619 19.1.2 感知器MATLAB 函数........622 19.1.3 线性神经网络函数...............624 19.1.4 BP 神经网络函数.................627 19.1.5 径向基神经网络函数...........628 19.1.6 自组织神经网络函数...........634 19.2 神经网络Simulink 工具箱..... 639 19.3 经典应用................................. 644 19.3.1 函数逼近..............................644 19.3.2 数据拟合..............................655 19.4 本章小结................................. 660