MATLAB的基本知识

matlab的基本知识

MATLAB入门教程1MATLAB的基本知识
1-1、基本运算与函数   
在MATLAB下进行基本数学运算，只需将运算式直接打入提示号（>>）之後，并按入Enter键即可。例如：  
>> (5*2+1.3-0.8)*10/25  
ans =4.2000  
MATLAB会将运算结果直接存入一变数ans，代表MATLAB运算後的答案（Answer）并显示其数值於萤幕上。
小提示： ">>"是MATLAB的提示符号（Prompt），但在PC中文视窗系统下，由於编码方式不同，此提示符号常会消失不见，但这并不会影响到MATLAB的运算结果。  
我们也可将上述运算式的结果设定给另一个变数x：  
x = (5*2+1.3-0.8)*10^2/25  
x = 42 
此时MATLAB会直接显示x的值。由上例可知，MATLAB认识所有一般常用到的加（+）、减（-）、乘（*）、除（/）的数学运算符号，以及幂次运算（^）。  
小提示： MATLAB将所有变数均存成double的形式，所以不需经过变数宣告（Variable declaration）。MATLAB同时也会自动进行记忆体的使用和回收，而不必像C语言,必须由使用者一一指定.这些功能使的MATLAB易学易用，使用者可专心致力於撰写程式，而不必被软体枝节问题所干扰。   
若不想让MATLAB每次都显示运算结果，只需在运算式最後加上分号（；）即可，如下例：
y = sin(10)*exp(-0.3*4^2);  
若要显示变数y的值，直接键入y即可：  
>>y  
y =-0.0045  
在上例中，sin是正弦函数，exp是指数函数，这些都是MATLAB常用到的数学函数。
下表即为MATLAB常用的基本数学函数及三角函数：  
小整理：MATLAB常用的基本数学函数
abs(x)：纯量的绝对值或向量的长度
angle(z)：复 数z的相角(Phase angle)
sqrt(x)：开平方
real(z)：复数z的实部
imag(z)：复数z的虚 部
conj(z)：复数z的共轭复数
round(x)：四舍五入至最近整数
fix(x)：无论正负，舍去小数至最近整数
floor(x)：地板函数，即舍去正小数至最近整数
ceil(x)：天花板函数，即加入正小数至最近整数
rat(x)：将实数x化为分数表示
rats(x)：将实数x化为多项分数展开
sign(x)：符号函数 (Signum function)。  
当x<0时，sign(x)=-1；  
当x=0时，sign(x)=0;  
当x>0时，sign(x)=1。  
> 小整理：MATLAB常用的三角函数
sin(x)：正弦函数
cos(x)：馀弦函数
tan(x)：正切函数
asin(x)：反正弦函数
acos(x)：反馀弦函数
atan(x)：反正切函数
atan2(x,y)：四象限的反正切函数
sinh(x)：超越正弦函数
cosh(x)：超越馀弦函数
tanh(x)：超越正切函数
asinh(x)：反超越正弦函数
acosh(x)：反超越馀弦函数
atanh(x)：反超越正切函数  
变数也可用来存放向量或矩阵，并进行各种运算，如下例的列向量（Row vector）运算：
x = [1 3 5 2];  
y = 2*x+1  
y = 3 7 11 5  
小提示：变数命名的规则  
1.第一个字母必须是英文字母 2.字母间不可留空格 3.最多只能有19个字母，MATLAB会忽略多馀字母  
我们可以随意更改、增加或删除向量的元素： 
y(3) = 2 % 更改第三个元素  
y =3 7 2 5  
y(6) = 10 % 加入第六个元素  
y = 3 7 2 5 0 10  
y(4) = [] % 删除第四个元素，  
y = 3 7 2 0 10  
在上例中，MATLAB会忽略所有在百分比符号（%）之後的文字，因此百分比之後的文字均可视为程式的注解（Comments）。MATLAB亦可取出向量的一个元素或一部份来做运算： 
x(2)*3+y(4) % 取出x的第二个元素和y的第四个元素来做运算  
ans = 9  
y(2:4)-1 % 取出y的第二至第四个元素来做运算  
ans = 6 1 -1  
在上例中，2:4代表一个由2、3、4组成的向量
 
若对MATLAB函数用法有疑问，可随时使用help来寻求线上支援（on-line help）：help linspace  
小整理：MATLAB的查询命令
help：用来查询已知命令的用法。例如已知inv是用来计算反矩阵，键入help inv即可得知有关inv命令的用法。（键入help help则显示help的用法，请试看看！） lookfor：用来寻找未知的命令。例如要寻找计算反矩阵的命令，可键入 lookfor inverse，MATLAB即会列出所有和关键字inverse相关的指令。找到所需的命令後 ，即可用help进一步找出其用法。（lookfor事实上是对所有在搜寻路径下的M档案进行关键字对第一注解行的比对，详见後叙。）  
将列向量转置（Transpose）後，即可得到行向量（Column vector）：  
z = x'  
z = 4.0000  
   5.2000  
   6.4000  
   7.6000  
   8.8000  
   10.0000   
不论是行向量或列向量，我们均可用相同的函数找出其元素个数、最大值、最小值等： 
length(z) % z的元素个数  
ans = 6  
max(z) % z的最大值  
ans = 10  
min(z) % z的最小值  
ans =   4  
小整理：适用於向量的常用函数有：
min(x): 向量x的元素的最小值
max(x): 向量x的元素的最大值
mean(x): 向量x的元素的平均值
median(x): 向量x的元素的中位数
std(x): 向量x的元素的标准差
diff(x): 向量x的相邻元素的差
sort(x): 对向量x的元素进行排序（Sorting）
length(x): 向量x的元素个数
norm(x): 向量x的欧氏（Euclidean）长度
sum(x): 向量x的元素总和
prod(x): 向量x的元素总乘积
cumsum(x): 向量x的累计元素总和
cumprod(x): 向量x的累计元素总乘积
dot(x, y): 向量x和y的内 积
cross(x, y): 向量x和y的外积 （大部份的向量函数也可适用於矩阵，详见下述。） 
 
 
若要输入矩阵，则必须在每一列结尾加上分号（；），如下例：  
A = [1 2 3 4; 5 6 7 8; 9 10 11 12];   
A =   
1  2  3  4   
5  6  7  8   
9  10 11  12  
同样地，我们可以对矩阵进行各种处理：  
A(2,3) = 5 % 改变位於第二列，第三行的元素值  
A =   
1  2  3  4  
5  6  5  8   
9  10 11  12   
B = A(2,1:3) % 取出部份矩阵B  
B = 5 6 5  
A = [A B'] % 将B转置後以行向量并入A  
A =   
1  2  3   4  5   
5  6  5   8  6   
9  10 11  12  5  
A(:, 2) = [] % 删除第二行（：代表所有列）  
A =   
1  3  4  5   
5  5  8  6   
9  11 12  5  
A = [A; 4 3 2 1] % 加入第四列   
A =   
1  3   4   5   
5  5   8   6   
9  11  12  5  
4  3   2   1  
A([1 4], :) = [] % 删除第一和第四列（：代表所有行）  
A =   
5  5   8   6   
9  11  12  5  
这几种矩阵处理的方式可以相互叠代运用，产生各种意想不到的效果，就看各位的巧思和创意。  
小提示：在MATLAB的内部资料结构中,每一个矩阵都是一个以行为主（Column-oriented ）的阵列（Array）因此对於矩阵元素的存取，我们可用一维或二维的索引（Index）来定址。举例来说，在上述矩阵A中，位於第二列、第三行的元素可写为A(2,3) （二维索引）或A(6)（一维索引，即将所有直行进行堆叠後的第六个元素）。  
此外，若要重新安排矩阵的形状，可用reshape命令：  
B = reshape(A, 4, 2) % 4是新矩阵的列数，2是新矩阵的行数  
B =  
5   8   
9   12   
5   6  
11  5  
小提示： A(:)就是将矩阵A每一列堆叠起来，成为一个行向量，而这也是MATLAB变数的内部储存方式。以前例而言，reshape(A, 8, 1)和A(:)同样都会产生一个8x1的矩阵。 
MATLAB可在同时执行数个命令，只要以逗号或分号将命令隔开：  
x = sin(pi/3); y = x^2; z = y*10,
z =   
7.5000  
若一个数学运算是太长，可用三个句点将其延伸到下一行： 
z = 10*sin(pi/3)* ...  
sin(pi/3);  
若要检视现存於工作空间（Workspace）的变数，可键入who：  
who  
Your variables are:  
testfile x  
这些是由使用者定义的变数。若要知道这些变数的详细资料，可键入：  
whos  
Name Size Bytes Class 
A 2x4 64 double array  
B 4x2 64 double array  
ans 1x1 8 double array  
x 1x1 8 double array  
y 1x1 8 double array  
z 1x1 8 double array  
Grand total is 20 elements using 160 bytes  
使用clear可以删除工作空间的变数：  
clear A  
A  
??? Undefined function or variable 'A'.  
另外MATLAB有些永久常数（Permanent constants），虽然在工作空间中看不 到，但使用者可直接取用，例如：  
pi  
ans = 3.1416  
下表即为MATLAB常用到的永久常数。  
小整理：MATLAB的永久常数 i或j：基本虚数单位
eps：系统的浮点（Floating-point）精确度
inf：无限大， 例如1/0 nan或NaN：非数值（Not a number） ，例如0/0
pi：圆周率 p（= 3.1415926...）
realmax：系统所能表示的最大数值 
realmin：系统所能表示的最小数值
nargin: 函数的输入引数个数
nargin: 函数的输出引数个数  
 1-2、重复命令  
最简单的重复命令是for?圈（for-loop），其基本形式为：    
for 变数 = 矩阵；   
运算式；   
end  
其中变数的值会被依次设定为矩阵的每一行，来执行介於for和end之间的运算式。因此,若无意外情况，运算式执行的次数会等於矩阵的行数。  
举例来说，下列命令会产生一个长度为6的调和数列（Harmonic sequence）： 
x = zeros(1,6); % x是一个16的零矩阵  
for i = 1:6,  
x(i) = 1/i;  
end   
在上例中，矩阵x最初是一个16的零矩阵，在for?圈中，变数i的值依次是1到6，因此矩阵x的第i个元素的值依次被设为1/i。我们可用分数来显示此数列：   
format rat % 使用分数来表示数值  
disp(x)  
1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6  
for圈可以是多层的，下例产生一个16的Hilbert矩阵h，其中为於第i列、第j行的元素为   
h = zeros(6);  
for i = 1:6,  
for j = 1:6,  
h(i,j) = 1/(i+j-1);   
end   
end   
disp(h)   
1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6  
1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7  
1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8  
1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 1/9   
1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10   
1/6 1/7 1/8 1/9 1/10 1/11  
小提示：预先配置矩阵 在上面的例子，我们使用zeros来预先配置（Allocate）了一个适当大小的矩阵。若不预先配置矩阵，程式仍可执行，但此时MATLAB需要动态地增加（或减小）矩阵的大小，因而降低程式的执行效率。所以在使用一个矩阵时，若能在事前知道其大小，则最好先使用zeros或ones等命令来预先配置所需的记忆体（即矩阵）大小。  
 
在下例中，for?圈列出先前产生的Hilbert矩阵的每一行的平方和：   
for i = h,  
disp(norm(i)^2); % 印出每一行的平方和  
end  
 
1299/871  
282/551   
650/2343  
524/2933  
559/4431  
831/8801  
在上例中，每一次i的值就是矩阵h的一行，所以写出来的命令特别简洁。  
令一个常用到的重复命令是while?圈，其基本形式为：  
while 条件式；  
运算式；  
end 
也就是说，只要条件示成立，运算式就会一再被执行。例如先前产生调和数列的例子，我们可用while?圈改写如下：   
x = zeros(1,6); % x是一个16的零矩阵  
i = 1;  
while i <= 6,   
x(i) = 1/i;   
i = i+1;   
end  
format short
  
1-3、逻辑命令  
最简单的逻辑命令是if, ..., end，其基本形式为： 
if 条件式；   
运算式；   
end   
if rand(1,1) > 0.5,   
disp('Given random number is greater than 0.5.');  
end   
Given random number is greater than 0.5.
  
1-4、集合多个命令於一个M档案    
若要一次执行大量的MATLAB命令，可将这些命令存放於一个副档名为m的档案，并在 MATLAB提示号下键入此档案的主档名即可。此种包含MATLAB命令的档案都以m为副档名，因此通称M档案（M-files）。例如一个名为test.m的M档案，包含一连串的MATLAB命令，那麽只要直接键入test，即可执行其所包含的命令：  
pwd % 显示现在的目录  
ans =   
D:MATLAB5bin  
cd c:datamlbook % 进入test.m所在的目录  
type test.m % 显示test.m的内容  
% This is my first test M-file.  
% Roger Jang, March 3, 1997  
fprintf('Start of test.m!n');  
for i = 1:3,  
fprintf('i = %d ---> i^3 = %dn', i, i^3);   
end  
fprintf('End of test.m!n');  
test % 执行test.m  
Start of test.m!  
i = 1 ---> i^3 = 1  
i = 2 ---> i^3 = 8  
i = 3 ---> i^3 = 27  
End of test.m!  
小提示：第一注解行（H1 help line） test.m的前两行是注解，可以使程式易於了解与管理。特别要说明的是，第一注解行通常用来简短说明此M档案的功能，以便lookfor能以关键字比对的方式来找出此M档案。举例来说，test.m的第一注解行包含test这个字，因此如果键入lookfor test，MATLAB即可列出所有在第一注解行包含test的M档案，因而test.m也会被列名在内。  
严格来说，M档案可再细分为命令集（Scripts）及函数（Functions）。前述的test.m即为命令集，其效用和将命令逐一输入完全一样，因此若在命令集可以直接使用工作空间的变数，而且在命令集中设定的变数，也都在工作空间中看得到。函数则需要用到输入引数（Input arguments）和输出引数（Output arguments）来传递资讯，这就像是C语言的函数,或是FORTRAN语言的副程序（Subroutines）。举例来说，若要计算一个正整数的阶乘 （Factorial），我们可以写一个如下的MATLAB函数并将之存档於fact.m：  
function output = fact(n)  
% FACT Calculate factorial of a given positive integer.  
output = 1;   
for i = 1:n,   
output = output*i;   
end   
其中fact是函数名，n是输入引数，output是输出引数，而i则是此函数用到的暂时变数。要使用此函数，直接键入函数名及适当输入引数值即可：  
y = fact(5)  
y = 120  
（当然，在执行fact之前，你必须先进入fact.m所在的目录。）在执行fact(5)时，
MATLAB会跳入一个下层的暂时工作空间（Temperary workspace），将变数n的值设定为5，然後进行各项函数的内部运算，所有内部运算所产生的变数（包含输入引数n、暂时变数i，以及输出引数output）都存在此暂时工作空间中。运算完毕後，MATLAB会将最後输出引数output的值设定给上层的变数y，并将清除此暂时工作空间及其所含的所有变数。换句话说，在呼叫函数时，你只能经由输入引数来控制函数的输入，经由输出引数来得到函数的输出，但所有的暂时变数都会随着函数的结束而消失，你并无法得到它们的值。 
小提示：有关阶乘函数 前面（及後面）用到的阶乘函数只是纯粹用来说明MATLAB的函数观念。若实际要计算一个正整数n的阶乘（即n!）时，可直接写成prod(1:n)，或是直接呼叫gamma函数：gamma(n-1)。  
MATLAB的函数也可以是递?式的（Recursive），也就是说，一个函数可以呼叫它本身。
举例来说，n! = n*(n-1)!，因此前面的阶乘函数可以改成递式的写法：  
function output = fact(n)  
% FACT Calculate factorial of a given positive integer recursively.  
if n == 1, % Terminating condition  
output = 1;  
return;  
end  
output = n*fact(n-1);   
在写一个递函数时，一定要包含结束条件（Terminating condition），否则此函数将会一再呼叫自己，永远不会停止，直到电脑的记忆体被耗尽为止。以上例而言，n==1即满足结束条件，此时我们直接将output设为1，而不再呼叫此函数本身。  
 
1-5、搜寻路径  
在前一节中，test.m所在的目录是d:mlbook。如果不先进入这个目录，MATLAB就找不到你要执行的M档案。如果希望MATLAB不论在何处都能执行test.m，那麽就必须将d:mlbook加入MATLAB的搜寻路径（Search path）上。要检视MATLAB的搜寻路径，键入path即可： 
path   
MATLABPATH  
d:matlab5toolboxmatlabgeneral  
d:matlab5toolboxmatlabops  
d:matlab5toolboxmatlablang  
d:matlab5toolboxmatlabelmat   
d:matlab5toolboxmatlabelfun   
d:matlab5toolboxmatlabspecfun   
d:matlab5toolboxmatlabmatfun   
d:matlab5toolboxmatlabdatafun  
d:matlab5toolboxmatlabpolyfun  
d:matlab5toolboxmatlabfunfun  
d:matlab5toolboxmatlabsparfun  
d:matlab5toolboxmatlabgraph2d  
d:matlab5toolboxmatlabgraph3d  
d:matlab5toolboxmatlabspecgraph   
d:matlab5toolboxmatlabgraphics  
d:matlab5toolboxmatlabuitools  
d:matlab5toolboxmatlabstrfun  
d:matlab5toolboxmatlabiofun  
d:matlab5toolboxmatlabtimefun  
d:matlab5toolboxmatlabdatatypes  
d:matlab5toolboxmatlabdde  
d:matlab5toolboxmatlabdemos  
d:matlab5toolboxtour   
d:matlab5toolboxsimulinksimulink  
d:matlab5toolboxsimulinkblocks  
d:matlab5toolboxsimulinksimdemos   
d:matlab5toolboxsimulinkdee  
d:matlab5toolboxlocal  
此搜寻路径会依已安装的工具箱（Toolboxes）不同而有所不同。要查询某一命令是在搜寻路径的何处，可用which命令：   
which expo  
d:matlab5toolboxmatlabdemosexpo.m  
很显然c:datamlbook并不在MATLAB的搜寻路径中，因此MATLAB找不到test.m这个M档案：  
which test  
c:datamlbooktest.m  
要将d:mlbook加入MATLAB的搜寻路径，还是使用path命令：  
path(path, 'c:datamlbook');   
此时d:mlbook已加入MATLAB搜寻路径（键入path试看看），因此MATLAB已经"看"得到
test.m:  
which test  
c:datamlbooktest.m  
现在我们就可以直接键入test，而不必先进入test.m所在的目录。  
小提示：如何在其启动MATLAB时，自动设定所需的搜寻路径？ 如果在每一次启动MATLAB後都要设定所需的搜寻路径，将是一件很麻烦的事。有两种方法，可以使MATLAB启动後 ，即可载入使用者定义的搜寻路径：  
1.MATLAB的预设搜寻路径是定义在matlabrc.m（在c:matlab之下，或是其他安装MATLAB 的主目录下），MATLAB每次启动後，即自动执行此档案。因此你可以直接修改matlabrc.m ，以加入新的目录於搜寻路径之中。  
2.MATLAB在执行matlabrc.m时，同时也会在预设搜寻路径中寻找startup.m，若此档案存在，则执行其所含的命令。因此我们可将所有在MATLAB启动时必须执行的命令（包含更改搜寻路径的命令），放在此档案中。  
每次MATLAB遇到一个命令（例如test）时，其处置程序为：  
1.将test视为使用者定义的变数。
2.若test不是使用者定义的变数，将其视为永久常数 。
3.若test不是永久常数，检查其是否为目前工作目录下的M档案。
4.若不是，则由搜寻路径寻找是否有test.m的档案。
5.若在搜寻路径中找不到，则MATLAB会发出哔哔声并印出错误讯息。  
以下介绍与MATLAB搜寻路径相关的各项命令。  
 
 
1-6、资料的储存与载入  
有些计算旷日废时，那麽我们通常希望能将计算所得的储存在档案中，以便将来可进行其他处理。MATLAB储存变数的基本命令是save，在不加任何选项（Options）时，save会将变数以二进制（Binary）的方式储存至副档名为mat的档案，如下述：  
save：将工作空间的所有变数储存到名为matlab.mat的二进制档案。
save filename：将工作空间的所有变数储存到名为filename.mat的二进制档案。 save filename x y z ：将变数x、y、z储存到名为filename.mat的二进制档案。  
以下为使用save命令的一个简例：  
who % 列出工作空间的变数  
Your variables are: 
B h j y  
ans i x z  
save test B y % 将变数B与y储存至test.mat  
dir % 列出现在目录中的档案  
. 2plotxy.doc fact.m simulink.doc test.m ~$1basic.doc  
.. 3plotxyz.doc first.doc temp.doc test.mat  
1basic.doc book.dot go.m template.doc testfile.dat  
delete test.mat % 删除test.mat  
以二进制的方式储存变数，通常档案会比较小，而且在载入时速度较快，但是就无法用普通的文书软体（例如pe2或记事本）看到档案内容。若想看到档案内容，则必须加上-ascii选项，详见下述：  
save filename x -ascii：将变数x以八位数存到名为filename的ASCII档案。
Save filename x -ascii -double：将变数x以十六位数存到名为filename的ASCII档案。  
另一个选项是-tab，可将同一列相邻的数目以定位键（Tab）隔开。  
小提示：二进制和ASCII档案的比较 在save命令使用-ascii选项後，会有下列现象:save命令就不会在档案名称後加上mat的副档名。
因此以副档名mat结尾的档案通常是MATLAB的二进位资料档。
若非有特殊需要，我们应该尽量以二进制方式储存资料。   
load命令可将档案载入以取得储存之变数：  
load filename：load会寻找名称为filename.mat的档案，并以二进制格式载入。若找不到filename.mat，则寻找名称为filename的档案，并以ASCII格式载入。load filename -ascii：load会寻找名称为filename的档案，并以ASCII格式载入。  
若以ASCII格式载入，则变数名称即为档案名称（但不包含副档名）。若以二进制载入，则可保留原有的变数名称，如下例：  
clear all; % 清除工作空间中的变数  
x = 1:10;  
save testfile.dat x -ascii % 将x以ASCII格式存至名为testfile.dat的档案  
load testfile.dat % 载入testfile.dat  
who % 列出工作空间中的变数  
Your variables are: 
testfile x  
注意在上述过程中，由於是以ASCII格式储存与载入，所以产生了一个与档案名称相同的变数testfile，此变数的值和原变数x完全相同。  
1-7、结束MATLAB  
有三种方法可以结束MATLAB：  
1.键入exit
2.键入quit
3.直接关闭MATLAB的命令视窗（Command window）