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MATLAB是美國MathWorks公司開發的商業數學軟件。它作為一款科學計算軟件逐漸被廣大科研人員所接受,其強大的數據計算功能、圖像可視化界面及代碼的可移值性受到廣大高校師生的認可。最初的MATLAB版本是1967年由Cleve Moler用FORTRAN語言編寫的,之后的MATLAB是由MathWorks公司用C語言完成的。它自1984年推入市場以來,隨著版本的不斷升級,具有越來越強大的數值計算能力、更為卓越的數據可視化能力及良好的符號計算功能,現已成為國際上認可的科技應用軟件之一。目前,MATLAB已經在很多領域取得了成功應用,這也表明,MATLAB所代表的數據分析處理手段在科學、工程等方面將發揮重要的作用。MATLAB版本在更新的過程中,不斷加入新的組件或功能。以往關于MATLAB的書均從軟件組織的角度出發,向讀者介紹MATLAB軟件,但從使用者的知識結構看,由于編寫組織分散,無統一體系,因而往往使用者對具體功能有所了解,但卻不懂得怎樣將其與自己的數學知識相結合并從整體上把握、運用該軟件。編者編寫本書的目的就在于全面闡述MATLAB軟件的整體知識結構,從最基本的知識入手,深入講解這一高效的應用軟件,讓讀者循序漸進地熟悉全書,幫助使用者擺脫繁重而重復的數學計算,空出更多的時間與精力來理解所需解決的問題。全書分為三大部分: 第一部分是MATLAB的軟件基礎(第1~7章),主要介紹MATLAB軟件及其相關基礎知識; 第二部分是MATLAB的應用(第8~13章),主要介紹MATLAB的相關工具箱在各領域中的應用; 第三部分是MATLAB的技術擴展(第14~16章),主要介紹MATLAB自帶的擴展編程工具。本書通過這三部分內容,全面、系統地向讀者介紹MATLAB軟件以及該軟件的使用,再進一步介紹它在各領域中的應用,讓讀者領略到MATLAB軟件功能的強大。本書特色1) 深入淺出,循序漸進本書以初、中級讀者為對象,首先從MATLAB的基礎知識開始介紹,輔以MATLAB在工程中的應用實例,幫助讀者快速掌握MATLAB進行科學計算及工程分析的技能。2) 內容全面,實例清晰MATLAB的基礎內容涉及比較多的方面,本書在對相關主題介紹的同時,將函數或命令中比較常用的部分進行重點分析介紹,并通過相應的實例進行講解,從而幫助讀者。3) 輕松易學,內容新穎全書結合編者多年使用MATLAB的經驗和MATLAB在實際工程中的應用案例,對MATLAB的使用方法與技巧進行講解,并在講解的過程中輔以相應的圖形進行說明,讓讀者一目了然,從而快速掌握MATLAB。4) 實例典型,學以致用本書讓讀者在典型的實例中學習解決實際領域中的問題,做到學以致用。本書內容全書共分為16章。第1章介紹MATLAB軟件,主要包括MATLAB發展史、MATLAB的特點及應用、MATLAB的工作環境、MATLAB的幫助系統等內容。第2章介紹MATLAB計算基礎,主要包括變量與常量、數據類型、數組運算、矩陣操作等內容。第3章介紹MATLAB數值計算,主要包括矩陣運算、矩陣的數理分析、高維數組、稀疏矩陣、矩陣的分解等內容。第4章介紹MATLAB程序控件,主要包括程序結構、控制命令、MATLAB函數、變量的檢測與傳遞等內容。第5章介紹MATLAB可視化,主要包括圖形繪制基礎、二維基本繪圖、函數繪圖、三維基本繪圖等內容。第6章介紹MATLAB數據分析,主要包括多項式及其函數、數據插值、函數的極限、數值積分、多元統計分析等內容。第7章介紹MATLAB符號計算,主要包括符號表達式、符號表達式的操作、符號函數、符號代數方程求解等內容。第8章介紹MATLAB概率與數理統計工具箱,主要包括概率密度函數、概率分布、參數估計、統計特征、統計圖等內容。第9章介紹MATLAB數字圖像處理工具箱,主要包括圖像處理的基礎、圖像的運算、圖像的鄰域操作和選取、圖像的變換、圖像的增強等內容。第10章介紹MATLAB信號處理工具箱,主要包括信號的產生、連續信號的時域運算、時域分析、頻域分析、譜估計等內容。第11章介紹MATLAB小波分析工具箱,主要包括小波分析概述、小波變換在信號中的應用、小波變換在圖像處理中的應用、小波包在信號處理中的應用、小波包在圖像處理中的應用等內容。第12章介紹MATLAB偏微分方程工具箱,主要包括偏微分方程的定解問題、偏微分方程的數值解、偏微分方程工具箱簡介等內容。第13章介紹MATLAB最優化工具箱,主要包括最優化概述、無約束最優化問題、有約束最優化問題、二次規劃問題、多目標規劃問題等內容。第14章介紹Simulink仿真與應用,主要包括Simulink的基本介紹、封裝子系統、動態系統的Simulink仿真、S拟函數等內容。第15章介紹MATLAB圖形用戶界面,主要包括圖形句柄、用GUID創建GUI、M文件創建GUI、對話框等內容。第16章介紹MATLAB文件I/O,主要包括文件夾管理、打開和關閉文件、導入數據等內容。本書主要由李曉東編寫,參加編寫的還有趙書蘭、周品、梁志成、梁仲軒、盧偉彬、羅嘉甫、彭偉星、施潔、許興杰、楊平、葉利輝、詹錦超、陳添威、鄧耀隆、高泳崇和李錦濤。本書實用性強,應用范圍廣,可作為MATLAB初學者的學習用書,也可作為廣大在校本科生和研究生的學習用書,還可作為廣大科研人員、學者、工程技術人員的參考用書。由于時間倉促,加之作者水平有限,所以書中難免存在錯誤和疏漏之處。在此,誠懇地期望得到各領域的專家和廣大讀者的批評指正。作者2019年7月
本書系統地介紹MATLAB的基礎知識、工具箱的應用領域及技術的擴展。全書分為三大部分: 第1~7章介紹MATLAB本身及該軟件的使用功能; 第8~13章介紹MATLAB常用工具箱的應用; 第14~16章介紹MATLAB的技術擴展。全書語言通俗易懂,內容豐富翔實,突出以實例為中心的特點,全書共提供近400個實例,做到理論與實踐相結合,讓讀者輕松、快捷地掌握MATLAB。本書實用性強,應用范圍廣,可作為MATLAB初學者的學習用書,也可作為廣大在校本科生和研究生的學習用書,還可作為廣大科研人員、學者、工程技術人員的參考用書。
第一部分MATLAB的軟件基礎第1章MATLAB簡述1.1MATLAB發展史1.2MATLAB的特點及應用1.3MATLAB的功能1.4MATLAB的工作環境1.4.1菜單/工具欄1.4.2命令行窗口1.4.3工作區窗口1.5MATLAB的通用命令1.6MATLAB的文件管理1.6.1工作文件夾窗口1.6.2搜索路徑及其設置1.7MATLAB的幫助系統1.7.1純文本幫助1.7.2Demos幫助1.7.3幫助導航瀏覽器1.8MATLAB的初步使用第2章MATLAB計算基礎2.1變量與常量2.1.1變量命名規則2.1.2MATLAB變量的顯示2.1.3MATLAB變量的存取2.2數據類型2.2.1整數數據類型2.2.2浮點數數據類型2.2.3字符串2.2.4關系運算符2.2.5邏輯運算符2.2.6快速邏輯運算2.2.7單元數組2.2.8結構體2.2.9函數句柄2.3數組運算2.3.1數組的創建與操作2.3.2常見數組運算2.4矩陣操作2.4.1矩陣的生成2.4.2矩陣的操作2.4.3矩陣元素的數據變換第3章MATLAB數值計算3.1矩陣運算3.1.1矩陣的算術運算3.1.2矩陣的轉置3.1.3方陣的行列式3.1.4矩陣的逆與偽逆3.1.5矩陣或向量的范數3.1.6矩陣的條件數3.1.7矩陣的秩3.1.8矩陣的跡3.1.9矩陣的正交基3.1.10矩陣化零3.1.11矩陣的特征向量3.1.12矩陣的指數和對數3.1.13Jordan標準型3.2矩陣的數理分析3.2.1最大值與最小值3.2.2元素的查找3.2.3元素的排序3.2.4求和與求積運算3.2.5求累和與求累積運算3.2.6平均值與中值3.2.7標準差3.2.8相關系數3.2.9元素的差分3.3高維數組3.4稀疏矩陣3.4.1稀疏矩陣與全矩陣3.4.2稀疏矩陣的存儲方式3.4.3稀疏矩陣的生成3.4.4稀疏矩陣的操作3.4.5稀疏矩陣的運算3.5矩陣的分解3.5.1Cholesky分解3.5.2LU分解3.5.3QR分解3.5.4Schur分解3.5.5Hessenberg分解3.5.6SVD分解3.5.7特征分解第4章MATLAB程序控件4.1程序結構4.1.1順序結構4.1.2選擇結構4.1.3循環結構4.1.4容錯結構4.1.5其他數據流4.2控制命令4.2.1continue命令4.2.2break命令4.2.3return命令4.2.4pause命令4.2.5input命令4.2.6keyboard命令4.2.7error命令4.2.8warning命令4.3MATLAB函數4.3.1MATLAB函數的結構4.3.2匿名函數4.3.3子函數4.3.4重載函數4.3.5內聯函數4.3.6eval函數4.3.7feval函數4.4變量的檢測與傳遞4.4.1輸入/輸出變量4.4.2可變數目的參數傳遞4.4.3跨空間變量傳遞4.4.4跨空間變量賦值第5章MATLAB可視化5.1圖形繪制基礎5.1.1離散函數5.1.2連續函數5.1.3圖形繪制實例5.1.4圖形繪制的步驟5.2二維基本繪圖5.2.1基本繪圖函數5.2.2圖形注釋5.2.3特殊二維圖形5.3函數繪圖5.4三維基本繪圖5.4.1三維曲線圖5.4.2三維網格圖5.4.3三維曲面圖5.4.4特殊三維圖形5.5四維繪圖5.5.1用色彩表現函數特征5.5.2切片圖與切片等位線圖第6章MATLAB數據分析6.1多項式及其函數6.1.1多項式的表達與創建6.1.2多項式的四則運算6.1.3多項式求導6.1.4多項式求值6.1.5多項式求根6.1.6部分分式展開6.1.7最小二乘擬合6.2數據插值6.2.1一維插值6.2.2二維插值6.2.3三維插值6.2.4n維插值6.2.5柵格數據插值6.2.6樣條插值6.2.7樣條函數用于數值積分和微分6.3函數的極限6.3.1極限的概念6.3.2極限函數6.4數值積分6.4.1數值積分的數學表述6.4.2單變量數值積分6.4.3多重數值積分6.4.4梯形法求積分6.5多元統計分析6.5.1判別分析6.5.2聚類分析6.5.3因素分析6.5.4方差分析6.6假設檢驗6.6.1單個正態總體均值的檢驗6.6.2兩個正態總體均值差的檢驗6.7回歸分析6.7.1一元線性回歸分析6.7.2多元線性回歸分析第7章MATLAB符號計算7.1符號表達式7.2符號表達式的操作7.2.1合并同類項7.2.2因式分解7.2.3嵌套型分解7.2.4化簡7.2.5表達式的轉化7.2.6提取分子分母7.2.7極限7.2.8求導數7.2.9求積分7.2.10級數求和7.2.11泰勒級數展開7.2.12Jacobian矩陣7.3符號函數7.3.1反函數7.3.2復合函數7.3.3置換函數7.4符號代數方程求解7.4.1線性方程組的符號解7.4.2符號代數方程求解7.4.3符號微分方程求解7.5符號積分變換7.5.1傅里葉變換及其逆變換7.5.2拉普拉斯變換及其逆變換7.5.3Z變換及其逆變換7.6符號函數圖示化7.6.1單變量符號函數計算器7.6.2泰勒級數逼近計算器第二部分MATLAB的應用第8章MATLAB概率與數理統計工具箱8.1概率密度函數8.1.1連續分布密度函數8.1.2離散分布密度函數8.1.3抽樣分布密度函數8.2概率分布8.3參數估計8.3.1點估計8.3.2區間估計8.3.3區間估計的相關函數8.4統計特征8.4.1集中趨勢的統計量8.4.2離中趨勢的統計量8.4.3自助統計量8.4.4中心矩8.4.5相關系數8.4.6協方差矩陣8.4.7偏斜度8.5統計圖8.5.1頻數表8.5.2累積分布圖8.5.3盒狀圖8.5.4QQ圖8.5.5正態概率分布圖8.5.6樣本概率圖8.5.7正態擬合直方圖8.5.8最小二乘擬合直線8.5.9參考線第9章MATLAB數字圖像處理工具箱9.1圖像處理的基礎9.1.1圖像的表達方式9.1.2圖像類型及存儲方式9.1.3圖像類型的轉換9.1.4圖像的顯示9.2圖像的運算9.2.1圖像的代數運算9.2.2圖像的邏輯運算9.2.3圖像的幾何運算9.3圖像的鄰域操作和選取9.3.1鄰域操作9.3.2區域選取9.4圖像的變換9.4.1傅里葉變換9.4.2離散余弦變換9.4.3Radon變換9.5圖像的增強9.5.1灰度變換增強9.5.2線性濾波增強9.5.3空間域濾波9.6圖像的邊界9.6.1邊緣檢測9.6.2邊界跟蹤9.6.3Hough變換檢測直線9.7形態學9.7.1膨脹9.7.2腐蝕第10章MATLAB信號處理工具箱10.1信號、系統和信號處理的基本概念10.2信號的產生10.2.1正余弦波的產生10.2.2周期方波和周期三角波的產生10.2.3任意確定周期信號的產生10.2.4脈沖信號的產生10.2.5掃頻信號的產生10.2.6隨機信號的產生10.3連續信號的時域運算10.3.1信號的加(減)、乘運算10.3.2信號的反褶、移位、尺度變換10.3.3信號卷積10.4時域分析10.4.1脈沖響應10.4.2單位階躍響應10.4.3任意輸入的響應10.5頻域分析10.5.1傅里葉變換的定義10.5.2系統的復頻域分析10.6頻譜分析10.7譜估計10.7.1直接法10.7.2間接法10.7.3周期圖法功率譜估計10.7.4AR模型功率譜估計10.7.5現代譜估計的非參數法10.8IIR濾波器10.8.1IIR濾波器的優勢10.8.2經典濾波器的設計過程10.8.3經典IIR濾波器10.8.4直接法IIR濾波器設計10.9FIR濾波器10.9.1窗函數法設計FIR濾波器10.9.2約束最小二乘法設計FIR濾波器第11章MATLAB小波分析工具箱11.1小波分析概述11.1.1小波分析的由來11.1.2傅里葉變換概述11.1.3小波變換概述11.1.4多分辨分析11.1.5小波包11.1.6幾種常用的小波11.2小波變換在信號中的應用11.2.1小波分解在信號中的應用11.2.2小波變換在信號降噪中的應用11.2.3小波變換在信號壓縮中的應用11.3小波變換在圖像處理中的應用11.3.1基本原理11.3.2小波變換在圖像壓縮中的應用11.3.3小波變換在圖像降噪中的應用11.3.4小波變換在圖像平滑中的應用11.3.5小波變換在圖像增強中的應用11.3.6小波變換在圖像融合中的應用11.4小波包在信號處理中的應用11.4.1小波包在信號降噪中的應用11.4.2小波包在信號壓縮中的應用11.5小波包在圖像處理中的應用11.5.1小波包在圖像降噪中的應用11.5.2小波包在圖像壓縮中的應用11.5.3小波包在圖像邊緣檢測中的應用第12章MATLAB偏微分方程工具箱12.1偏微分方程的定解問題12.2偏微分方程的數值解12.3偏微分方程工具箱簡介12.4用戶界面求解偏微分方程12.4.1用戶界面求解橢圓型偏微分方程12.4.2用戶界面求解雙曲型偏微分方程12.4.3用戶界面求解拋物線型偏微分方程12.4.4用戶界面求解特征值偏微分方程第13章MATLAB最優化工具箱13.1最優化概述13.1.1最優化問題13.1.2工具箱概述13.1.3優化工具箱常用函數13.2無約束最優化問題13.2.1單變量最優化問題13.2.2無約束非線性規劃問題13.3有約束最優化問題13.3.1線性規劃問題13.3.2有約束非線性最優化問題13.4二次規劃問題13.5多目標規劃問題13.6最小化和最大化問題13.7“半無限”多元問題第三部分MATLAB的技術擴展第14章Simulink仿真與應用14.1Simulink的基本介紹14.1.1Simulink的功能14.1.2Simulink的特點14.1.3Simulink的工作原理14.1.4Simulink的啟動14.1.5Simulink的模塊庫14.1.6Simulink模塊的基本操作14.1.7子系統建立14.1.8仿真參數設置14.2封裝子系統14.3動態系統的Simulink仿真14.3.1簡單系統仿真14.3.2離散系統仿真14.3.3連續系統仿真14.3.4混合系統仿真14.4S拟函數14.4.1S拟函數概述14.4.2S拟函數的控制流程14.4.3S拟函數的回調方法14.4.4編寫M語言S拟函數14.4.5M文件S拟函數的實例第15章MATLAB圖形用戶界面15.1圖形句柄15.1.1圖形對象15.1.2圖形對象的句柄15.1.3圖形對象的創建15.1.4圖形對象的屬性15.2用GUIDE創建GUI15.2.1GUI的啟動15.2.2工具欄15.2.3設計菜單15.2.4回調函數15.2.5GUI的應用實例15.3M文件創建GUI15.4對話框15.4.1公共對話框15.4.2一般對話框第16章MATLAB文件I/O16.1文件夾管理16.1.1當前文件夾管理16.1.2創建文件夾16.1.3刪除文件夾16.1.4復制或移動文件夾16.2打開和關閉文件16.2.1打開文件16.2.2關閉文件16.3導入數據16.4讀取文本數據16.5文件的定位與狀態參考文獻