本书基于MATLAB R2020a版本编写，书中讲述的内容是使用MATLAB进行科学研究、系统仿真、数据分析与处理的必备知识。全书分为5篇，共20章：基础知识部分包括MATLAB概述、MATLAB基础、数据输入输出基础、编程基础和可视化基础；数学基础部分包括数组与矩阵操作、数学函数运算和符号数学计算；数据分析部分包括多项式分析、数值运算、优化和概率统计；拓展知识部分包括句柄图形、GUI编程、Simulink基础、编译器和应用程序接口；MATLAB应用部分包括信号处理应用、图像处理应用、小波分析应用和偏微分方程应用等内容。通过全面学习本书，读者可以获得使用MATLAB进行数学计算、数据分析及处理的相关技能，并能快速掌握使用MATLAB进行工作的基本方法。

本书结构严谨、重点突出、条理清晰，既可以作为大中专院校相关专业以及社会有关培训机构的教材，也适合广大MATLAB读者自学使用。

前    言

MATLAB R2020a为数据分析与处理提供了强大的工具，MATLAB已经在很多领域取得了成功应用。

MATLAB具有的科学计算、仿真和基于模型的设计功能使其在嵌入式系统、控制系统、数字信号处理、通信系统、图像和视频处理、机电系统设计、测试与测量、计算生物学和计算金融学等领域取得了巨大的成功，并在航空和国防、汽车、生物技术和医药、通信、电子和半导体、能源生产、金融服务、工业自动化和机械等行业中得到广泛应用。

由于在各个行业中，MATLAB体现的技术优势越来越明显，而且在中国已有大量的工程师将MALTAB作为设计分析软件，因此学习MATLAB显得十分必要。

1. 本书特色

本书由从事多年MATLAB工作和实践的一线从业人员编写，不只注重应用技巧的介绍，还重点讲解MATLAB和工程实际的关系。本书主要有以下几个特色。

? 本书通过简明易懂的示例展示了MATLAB强大的数学功能和无与伦比的解释语言编程能力，全书基础和实例详解并重，重点讲解对使用MATLAB至关重要的编程及数学运算功能。

? 本书内容编排上注意难易结合，详细介绍MATLAB各功能的使用方法和技巧，不仅能使读者快速入门，还能使读者全面了解MATLAB软件，提高工作效率。通过对各章算例的学习，读者可以从各个方面了解MATLAB进行数学处理的方法论，有助于读者理顺思路，在解决实际问题时正确地建立模型。

? 本书详细介绍MATLAB的操作方法，读者可以很轻松地按照书中的指引逐步完成，同时在编写过程中用醒目的提示指出了读者容易遇到的困扰和错误操作。

? 本书通过线下线上结合的方式，既提供纸质版本的图书资料，也提供邮箱、公众号沟通渠道，使读者可以方便快捷地获得MATLAB使用指导，提高在使用过程中解决问题的效率。

2. 主要内容

本书包括基础知识、数学基础、数据分析、拓展知识、MATLAB应用5篇内容，共20章。章节内容安排如下：

第一篇  基础知识，主要介绍MATLAB使用和编程方面的基础知识，旨在为读者学习MATLAB提供入门引导，尽快熟悉MATLAB软件及编程使用规则。

第1章  MATLAB概述 第2章  MATLAB基础

第3章  数据输入输出基础 第4章  编程基础

第5章  可视化基础

第二篇  数学基础，介绍基本数学计算在MATLAB中的实现，旨在建立MATLAB进行数学计算的基本概念，使读者能够进行基本的工程、科研数学计算。

第6章  数组与矩阵操作 第7章  数学函数运算

第8章  符号计算

第三篇  数据分析，介绍使用MATLAB进行数据分析相关操作的实现方法，旨在为读者介绍使用MATLAB进行简单的数据分析操作入门知识，使读者能够将数学工具应用到常见的场景中。

第9章  多项式分析 第10章  数值运算

第11章  优  化 第12章  概率统计

第四篇  拓展知识，介绍使用MATLAB进行复杂的数据分析处理与编程所需的拓展知识，旨在为读者介绍使用MATLAB进行复杂编程的基础知识，将MATLAB的优势充分发挥。

第13章  句柄图形 第14章  GUI编程

第15章  Simulink基础 第16章  MATLAB编译器与接口

第五篇  MATLAB应用，主要介绍使用MATLAB实现特定领域应用的操作方法，旨在为读者演示如何通过使用MATLAB进行各专业计算，将MATLAB引入专业计算中进行示范。

第17章  信号处理应用 第18章  图像处理应用

第19章  小波分析应用 第20章  偏微分方程应用

3. 入门视频教学与源代码下载

本书提供了入门视频教学与源代码，读者可以扫描下述二维码下载，如果下载有问题，请发送电子邮件到booksaga@126.com，邮件主题为“MATLAB R2018a从入门到精通”。

            

4. 读者对象

本书适合MATLAB的初中级读者和从事相关科研工作的技术人员阅读，具体说明如下：

? 相关从业人员 ? 初学MATLAB的技术人员

? 大中专院校的教师和在校生 ? 相关培训机构的教师和学员

? 广大科研工作人员    ? MATLAB爱好者

MATLAB本身是一个庞大的资源库与知识库，虽然本书卷帙浩繁，但是仍难窥其全貌，加之编者水平有限，书中疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正，也欢迎广大同行来电、来信，共同交流探讨。

为了方便解决本书疑难问题，读者朋友在学习过程中遇到与本书有关的技术问题，可以发邮件到邮箱comshu@126.com，编者会尽快给予解答，我们将竭诚为您服务。读者也可以访问“算法仿真在线”公众号在相关栏目下留言获取帮助。

编  者

2021年2月

目    录

第一篇  基 础 知 识

 

第1章  MATLAB概述 2

1.1  工作环境 2

1.1.1  系统组成 2

1.1.2  工作窗口 3

1.1.3  应用简介 7

1.2  文件管理 7

1.2.1  结构 7

1.2.2  当前文件夹浏览器 8

1.2.3  路径搜索 8

1.3  帮助系统 10

1.3.1  文本帮助 10

1.3.2  演示帮助 11

1.3.3  帮助导航窗口 12

1.4  MATLAB使用初步 13

1.5  本章小结 14

第2章  MATLAB基础 15

2.1  数据类型 15

2.1.1  数值类型 15

2.1.2  字符与字符串 21

2.1.3  结构 21

2.1.4  单元数组 24

2.1.5  函数句柄 26

2.1.6  映射容器 28

2.1.7  数据类型识别与转换 32

2.2  运算符与运算 33

2.2.1  算术运算符 33

2.2.2  关系运算符 34

2.2.3  逻辑运算符 35

2.2.4  运算优先级 36

2.3  字符串处理 36

2.3.1  字符串构造 37

2.3.2  字符串比较 38

2.3.3  查找与替换 39

2.3.4  字符串类型转换 39

2.4  矩阵基础 40

2.4.1  有关概念 40

2.4.2  创建矩阵 40

2.4.3  改变矩阵结构 43

2.4.4  矩阵下标 44

2.4.5  矩阵信息 46

2.5  本章小结 49

第3章  数据输入输出基础 50

3.1  打开与关闭文件 50

3.1.1  打开文件 50

3.1.2  关闭文件 52

3.2  读写二进制文件 53

3.2.1  写二进制文件 53

3.2.2  读二进制文件 54

3.3  读写文本文件 55

3.3.1  写文本文件 55

3.3.2  读文本文件 56

3.4  读写位置控制 57

3.5  导入数据 59

3.5.1  使用向导导入数据 59

3.5.2  使用命令导入数据 59

3.6  本章小结 60

第4章  编程基础 61

4.1  变量与语句 61

4.1.1  变量命名 61

4.1.2  变量类型 62

4.1.3  特殊变量 62

4.1.4  关键字 63

4.1.5  语句构成 63

4.2  程序控制 64

4.2.1  顺序结构 64

4.2.2  分支结构 64

4.2.3  循环结构 68

4.2.4  其他常用控制命令 70

4.3  M文件与脚本 72

4.3.1  M文件 72

4.3.2  脚本 73

4.4  函数 74

4.4.1  M文件函数 74

4.4.2  匿名函数 76

4.4.3  子函数 77

4.4.4  私有函数 78

4.4.5  重载函数 78

4.4.6  内联函数 78

4.4.7  eval、feval函数 79

4.4.8  函数的函数 80

4.4.9  内嵌函数 80

4.4.10  函数编写建议 80

4.5  M文件变量检测 81

4.5.1  输入输出变量检测 81

4.5.2  可变数量输入输出 81

4.6  程序调试 82

4.6.1  直接调试 83

4.6.2  工具调试 83

4.7  本章小结 83

第5章  可视化基础 84

5.1  图形绘制对象 84

5.2  二维图形 84

5.2.1  plot命令 84

5.2.2  图形叠绘 88

5.2.3  子图绘制 89

5.2.4  交互绘图 91

5.2.5  双纵坐标图 92

5.2.6  特殊坐标绘图 93

5.2.7  函数绘图 95

5.3  三维图形 97

5.3.1  曲线图 97

5.3.2  网格图 98

5.3.3  曲面图 99

5.4  四维图形 100

5.4.1  第四维表达 100

5.4.2  四维图绘制 101

5.5  特殊图形 102

5.5.1  饼状图 102

5.5.2  直方图 103

5.5.3  柱形图 104

5.5.4  离散数据点图 106

5.5.5  散点图 107

5.5.6  向量图 108

5.5.7  等值线图 109

5.6  图形处理 110

5.6.1  图形输出 110

5.6.2  图形细化 111

5.6.3  坐标轴控制 116

5.6.4  视角与透视 117

5.7  绘图窗口 118

5.7.1  创建绘图窗口 118

5.7.2  绘图窗口工具栏 119

5.8  本章小结 120

 

第二篇  数 学 基 础

 

第6章  数组与矩阵操作 122

6.1  数组运算 122

6.1.1  创建与访问数组 122

6.1.2  数组运算 125

6.2  矩阵操作 131

6.2.1  创建矩阵 131

6.2.2  改变矩阵结构 136

6.3  矩阵元素运算 138

6.3.1  矩阵四则运算 139

6.3.2  矩阵元素幂运算 141

6.3.3  矩阵元素查找与排序 141

6.3.4  矩阵元素求和、求积与

求差分 143

6.4  矩阵运算 146

6.4.1  矩阵分析 146

6.4.2  矩阵分解 150

6.4.3  特征值与特征向量 154

6.4.4  矩阵函数运算 154

6.5  稀疏矩阵 157

6.5.1  稀疏矩阵存储方式 157

6.5.2  创建稀疏矩阵 158

6.5.3  稀疏矩阵运算 159

6.6  本章小结 159

第7章  数学函数运算 160

7.1  初等函数运算 160

7.1.1  三角函数 160

7.1.2  指数与对数函数 162

7.1.3  复数函数 164

7.1.4  截断和求余函数 165

7.1.5  离散数学函数 166

7.1.6  基本数据分析函数 167

7.1.7  多项式函数 169

7.2  特殊函数运算 170

7.2.1  特殊函数 170

7.2.2  坐标变换函数 171

7.3  本章小结 172

第8章  符号计算 173

8.1  符号计算概述 173

8.2  符号变量与表达式 175

8.2.1  符号对象 175

8.2.2  符号计算运算符与函数 178

8.2.3  符号对象识别 182

8.2.4  符号变量 183

8.2.5  符号表达式显示 185

8.2.6  表达式项操作 185

8.2.7  符号数值和精度 190

8.3  符号函数 191

8.3.1  复合函数操作 191

8.3.2  反函数运算 192

8.4  符号微积分 193

8.4.1  符号表达式的极限 193

8.4.2  符号表达式的导数 193

8.4.3  符号表达式的积分 195

8.4.4  符号表达式的级数

求和/积 195

8.4.5  符号表达式的泰勒级数 196

8.5  符号积分变换 198

8.5.1  Fourier变换 198

8.5.2  Laplace变换 199

8.5.3  Z变换 200

8.6  符号矩阵计算 201

8.6.1  算术运算 201

8.6.2  线性代数运算 201

8.6.3  特征值分解 202

8.7  符号方程求解 203

8.7.1  代数方程求解 203

8.7.2  微分方程求解 206

8.8  符号计算界面 207

8.8.1  funtool分析界面 207

8.8.2  taylortool分析界面 209

8.9  本章小结 210

 

第三篇  数 据 分 析 

 

第9章  多项式分析 212

9.1  多项式及函数 212

9.1.1  多项式及其函数 212

9.1.2  多项式计算 212

9.1.3  多项式方程求根 213

9.1.4  多项式四则运算 213

9.1.5  多项式微积分 215

9.1.6  有理多项式展开 216

9.2  极    限 217

9.3  本章小结 218

第10章  数 值 运 算 219

10.1  解线性方程组 219

10.1.1  线性法 219

10.1.2  迭代法 221

10.2  插值与拟合 223

10.2.1  插值 223

10.2.2  曲线拟合 229

10.3  数值微积分 230

10.3.1  一元数值积分 230

10.3.2  多重数值积分 231

10.3.3  数值微分 233

10.4  常微分方程 234

10.5  本章小结 235

第11章  优化 236

11.1  优化问题求解过程 236

11.1.1  选择求解器 236

11.1.2  设置变量 237

11.1.3  写目标函数 237

11.1.4  写约束条件 239

11.1.5  设置求解器参数 239

11.1.6  求解并检查结果 241

11.1.7  改善优化结果 241

11.2  线性规划 241

11.2.1  线性规划linprog函数 241

11.2.2  整数线性规划intlinprog

函数 245

11.3  二次规划 246

11.4  非线性规划 247

11.4.1  无约束优化 247

11.4.2  约束优化 250

11.5  多目标规划 253

11.5.1  多目标规划函数 254

11.5.2  最大最小化问题 255

11.6  最小二乘问题 256

11.6.1  线性最小二乘问题 256

11.6.2  非线性最小二乘问题 259

11.7  Optimization Tool图窗 260

11.8  本章小结 261

第12章  概率统计 262

12.1  统计量操作 262

12.1.1  产生随机数 262

12.1.2  抽样 266

12.2  数据统计分析 268

12.2.1  特征统计量 268

12.2.2  统计图表 271

12.3  概率分布与计算 277

12.3.1  概率密度计算 277

12.3.2  概率分布计算 280

12.4  本章小结 282

 

第四篇  拓 展 知 识

 

第13章  句柄图形 284

13.1  句柄图形对象系统 284

13.1.1  句柄图形对象组织 284

13.1.2  句柄图形对象简介 285

13.2  句柄图形对象操作 286

13.2.1  创建与保存 286

13.2.2  访问、复制和删除 287

13.2.3  图形输出控制 289

13.3  属性设置 294

13.3.1  通用对象属性 294

13.3.2  属性设置函数 295

13.3.3  默认属性设置 296

13.4  Figure对象 298

13.4.1  Figure对象简介 298

13.4.2  Figure对象操作 299

13.5  Axes对象 300

13.5.1  Axes对象简介 300

13.5.2  Axes对象操作 300

13.6  Core对象 307

13.7  Plot对象 309

13.7.1  创建Plot对象 309

13.7.2  连接变量 309

13.8  Group对象 310

13.8.1  创建Group对象 310

13.8.2  对象变换 311

13.9  Annotation对象 312

13.10  本章小结 313

第14章  GUI编程 314

14.1  GUI基础 314

14.1.1  GUI介绍 314

14.1.2  创建GUI 315

14.1.3  回调函数 317

14.2  GUI控件 318

14.2.1  GUI控件类型 318

14.2.2  创建GUI控件 319

14.3  GUI菜单和工具栏 321

14.3.1  GUI菜单 322

14.3.2  GUI工具栏 324

14.4  对话框 325

14.4.1  创建函数 325

14.4.2  创建方法 326

14.5  布局 329

14.5.1  布局函数 329

14.5.2  布局方式 329

14.6  GUI行为控制编程 333

14.6.1  回调与中断 334

14.6.2  数据管理 335

14.7  GUI实例 335

14.8  GUI设计 341

14.9  本章小结 344

第15章  Simulink基础 345

15.1  概述 345

15.1.1  基本概念 345

15.1.2  工作环境 346

15.1.3  Simulink数据类型 348

15.1.4  模块和模块库 349

15.1.5  Simulink常用工具 354

15.2  Simulink模型 354

15.2.1  模块基本操作 355

15.2.2  信号线操作 357

15.2.3  对模型的注释 359

15.2.4  设置模块特定参数 359

15.2.5  模型和模型文件 361

15.2.6  保存系统模型 364

15.2.7  打印模型框图及生成

报告 365

15.3  子系统 367

15.3.1  子系统介绍 367

15.3.2  高级子系统技术 369

15.4  运行仿真 380

15.4.1  启动仿真过程 380

15.4.2  仿真过程诊断 381

15.4.3  仿真配置 381

15.4.4  仿真的设置 383

15.5  调试 386

15.5.1  模型调试 386

15.5.2  调试器控制 389

15.5.3  设置断点 392

15.6  S函数 395

15.6.1  S函数概述 396

15.6.2  M文件S函数 399

15.7  PID控制的Simulink系统仿真

实例 402

15.8  本章小结 405

第16章  MATLAB编译器与接口 406

16.1  编译器安装与配置 406

16.1.1  编译器介绍与安装 406

16.1.2  编译器配置 407

16.2  编译过程 407

16.2.1  MCR安装 407

16.2.2  MCR编译过程 408

16.3  编译生成独立程序 408

16.3.1  编译命令mcc 408

16.3.2  编译独立程序 409

16.4  接口概述 412

16.4.1  MEX文件 412

16.4.2  MAT文件 413

16.4.3  计算引擎 413

16.5  基于C/C++的MEX文件 413

16.5.1  MEX文件结构 413

16.5.2  创建C/C++MEX文件 414

16.5.3  调试C/C++MEX文件 419

16.6   本章小结 419

 

第五篇  MATLAB应用

 

第17章  信号处理应用 421

17.1  信号处理基础 421

17.1.1  连续信号 421

17.1.2  离散信号 422

17.1.3  波形发生函数 424

17.1.4  信号基本运算 430

17.2  统计信号处理 433

17.2.1  相关性与协方差 433

17.2.2  频谱分析 434

17.2.3  窗函数 435

17.2.4  经典谱估计 439

17.2.5  现代谱估计 441

17.2.6  时频分析 442

17.2.7  特殊变换 443

17.2.8  重采样 447

17.3  IIR滤波器 448

17.3.1  经典法IIR滤波器设计 448

17.3.2  直接法IIR滤波器设计 454

17.4  FIR滤波器 455

17.4.1  窗函数法 455

17.4.2  约束最小二乘法 456

17.4.3  其他FIR滤波器设计

方法 457

17.5  参数建模 458

17.5.1  时域建模 458

17.5.2  频域建模 460

17.6  信号处理可视化工具 461

17.6.1  信号综合处理工具 462

17.6.2  信号浏览器 462

17.6.3  频谱查看器 462

17.6.4  滤波器可视化工具 463

17.6.5  滤波器设计与分析工具 464

17.6.6  滤波处理工具 464

17.7  本章小结 465

第18章  图像处理应用 466

18.1  图像处理基础 466

18.1.1  图像表达 466

18.1.2  图像类型与文件 467

18.1.3  图像数据读写 474

18.2  图像显示 475

18.2.1  标准图像显示技术 475

18.2.2  特殊图像显示技术 476

18.3  图像运算 479

18.3.1  代数运算 479

18.3.2  空间变换 481

18.4  图像变换 484

18.4.1  二维傅里叶变换 484

18.4.2  离散余弦变换 485

18.4.3  其他变换 486

18.5  图像分析与增强 487

18.5.1  像素分析 487

18.5.2  图像分析 491

18.5.3  图像调整 495

18.5.4  图像平滑 498

18.6  图像区域处理 500

18.6.1  区域设置 500

18.6.2  区域滤波 501

18.6.3  区域填充 502

18.7  图像颜色处理 503

18.7.1  显示颜色位数 503

18.7.2  减少颜色 503

18.7.3  转换颜色 504

18.8  图像的数学形态学运算 505

18.8.1  膨胀处理 505

18.8.2  腐蚀处理 506

18.8.3  图像的开运算 507

18.8.4  图像的闭运算 507

18.9  本章小结 508

第19章  小波分析应用 509

19.1  小波分析基础 509

19.1.1  小波变换 509

19.1.2  常用小波基函数 510

19.2  连续小波分析 513

19.2.1  连续小波变换 513

19.2.2  GUI连续小波变换 514

19.3  一维离散小波分析 516

19.3.1  一维离散小波变换与

重构 516

19.3.2  GUI一维离散小波

分析 520

19.4  二维离散小波分析 520

19.4.1  二维离散小波变换与

重构 520

19.4.2  GUI二维离散小波

分析 523

19.5  去噪与压缩 524

19.5.1  小波去噪与压缩 524

19.5.2  GUI小波去噪与压缩 527

19.6  本章小结 529

第20章  偏微分方程应用 530

20.1  PDE应用 530

20.2  PDE求解设置 531

20.2.1  PDE求解过程 531

20.2.2  2D几何构型 532

20.2.3  划分网格 533

20.3  PDE求解 534

20.3.1  方程类型介绍 534

20.3.2  PDE求解示例 536

20.4  本章小结 540

 

本书由资深MATLAB工程师精心编撰，详细介绍了MATLAB R2020a版本的各项功能、基本使用、编程技巧与工程应用，是一本内容全面、突出实例教学的技术图书，全书内容共分五篇，主要内容概述如下：

第一篇  基础知识，主要介绍MATLAB使用和编程方面的基础知识，旨在为读者学习MATLAB提供入门引导，尽快熟悉MATLAB软件及编程使用规则。

第二篇  数学基础，介绍基本数学计算在MATLAB中的实现，旨在建立MATLAB进行数学计算的基本概念，使读者能够进行基本的工程、科研数学计算。

第三篇  数据分析，介绍使用MATLAB进行数据分析相关操作的实现方法，旨在为读者介绍使用MATLAB进行简单的数据分析操作入门知识，使读者能够将数学工具应用到常见的场景中。

第四篇  拓展知识，介绍使用MATLAB进行复杂的数据分析处理与编程所需的拓展知识，旨在为读者介绍使用MATLAB进行复杂编程的基础知识，将MATLAB的优势充分发挥。

第五篇  MATLAB应用，主要介绍使用MATLAB实现特定领域应用的操作方法，旨在为读者演示如何通过使用MATLAB进行各专业计算，将MATLAB引入专业计算中进行示范。

通过学习本书读者可以获得使用MATLAB进行科学研究、数学计算、数据分析及处理等相关技能，掌握使用MATLAB进行工作的基本方法。