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第 1 章 初识 MATLAB

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欢迎来到 MATLAB 的世界！作为一名工程师和 MATLAB 编程的爱好者,我非常高兴能与大家分享我的知识和经验。无论你是编程新手还是有经验的开发者,MATLAB 都能为你打开一扇通往高效科学计算和工程设计的大门。 在这一章节中,我们将首先对 MATLAB 进行简单介绍,了解它的发展历史和主要应用领域。接下来,我会手把手教大家如何下载安装 MATLAB,并带领大家熟悉 MATLAB 的界面布局和各个组件的功能。 作为热身,我们将编写第一个 MATLAB 程序,感受 MATLAB 编程的乐趣。让我们开启 MATLAB 学习之旅吧！

1.1 MATLAB 简介

1.1.1 MATLAB 的历史和发展

MATLAB 是由 MathWorks 公司开发的商业数学软件,其名称源于 Matrix Laboratory(矩阵实验室)的缩写。自 1984 年首次发布以来,MATLAB 凭借其强大的矩阵运算能力和丰富的工具箱,在科学计算、工程设计等领域得到了广泛应用。 经过几十年的发展,MATLAB 已经从最初的矩阵运算工具发展成为一个涵盖数值计算、符号运算、图形可视化、算法开发等多方面功能的综合性数学软件。目前,MATLAB 已推出至 R2022b 版本,新版本不断加入新的功能和改进,以满足不同领域用户的需求。

### 1.1.2 MATLAB 的应用领域 MATLAB 在各个领域都有广泛应用,下面列举一些主要的应用领域:

  • 科学计算: MATLAB 强大的矩阵运算和数值分析能力,使其成为科学计算领域的常用工具。无论是数学建模、算法仿真,还是数据分析与可视化,MATLAB 都能提供高效的解决方案。
  • 控制系统: MATLAB 提供了专门用于控制系统设计的 Control System Toolbox,可以方便地进行系统建模、分析和仿真。很多控制工程师都喜欢用 MATLAB 来设计和优化控制算法。
  • 信号处理: MATLAB 在信号处理领域也有广泛应用。利用 MATLAB 及其 Signal Processing Toolbox,工程师们可以方便地进行滤波器设计、频谱分析、信号降噪等操作。
  • 图像处理: 图像工程师的必备工具非 MATLAB 莫属。Image Processing Toolbox 提供了丰富的图像处理函数,使得图像的读取、增强、分割、特征提取等操作变得非常简单。
  • 机器学习: 近年来,MATLAB 在机器学习领域的应用越来越广泛。Statistics and Machine Learning Toolbox 和 Deep Learning Toolbox 使得在 MATLAB 中进行传统机器学习乃至深度学习成为可能。

除此之外,MATLAB 在金融分析、生物信息、航空航天等领域也有广泛应用。可以说,只要涉及数学计算和算法的地方,就少不了 MATLAB 的身影。

1.1.3 MATLAB 的主要功能

MATLAB 提供了丰富的功能,主要包括:

  • 数值计算: MATLAB 拥有强大的矩阵运算和数值分析能力,并提供了大量数学函数,使得复杂的数值计算变得简单直观。
  • 符号运算: 利用 Symbolic Math Toolbox,MATLAB 可以进行符号运算,包括符号方程求解、微积分运算、符号简化等。
  • 2D/3D 绘图: MATLAB 有非常强大的绘图功能,无论是 2D 平面图形还是 3D 立体图形,都能轻松绘制。并且支持图形的编辑和导出。
  • 程序开发: 作为一种编程语言,MATLAB 支持程序开发的各个环节,包括编辑、调试、测试和发布等。MATLAB 的语法简洁易学,适合科学计算程序的快速开发。
  • 图形用户界面(GUI): MATLAB 提供了功能强大的 GUI 开发工具,允许用户通过拖放的方式快速生成图形界面,非常适合开发科学计算软件。
  • 外部程序接口: MATLAB 可以与其他编程语言(如 C、C++、Fortran、Python)进行交互,还可以与硬件设备通信。这使得 MATLAB 的应用范围大大扩展。
  • 工具箱扩展: MathWorks 为 MATLAB 提供了大量工具箱,每个工具箱针对特定领域提供了大量功能。用户也可以开发自己的工具箱在 MATLAB 中使用。

1.2 MATLAB 的安装与环境配置

1.2.1 下载与安装 MATLAB

MATLAB 是商业软件,需要从 MathWorks 官网购买许可并下载。安装步骤如下:

  1. 进入MathWorks 官网,点击右上角的"登录"按钮,登录你的 MathWorks 账号(没有账号的读者请先注册)。
  2. 登录后,进入个人账户页面,在左侧菜单栏找到"下载"选项,点击进入。
  3. 在下载页面,选择你需要安装的 MATLAB 版本(一般选择最新版),并选择适合你操作系统的安装文件(Windows/Linux/macOS),点击下载。
  4. 下载完成后,双击安装文件,按照提示一步步完成安装。安装过程中需要输入 MathWorks 账号的 License 信息。

1.2.2 MATLAB 的启动和退出

安装完成后,你就可以开始使用 MATLAB 了。在 Windows 系统中,可以通过以下两种方式启动 MATLAB:

  1. 在开始菜单中找到 MATLAB 文件夹,点击 MATLAB 应用图标启动。
  2. 在 MATLAB 安装目录下找到bin文件夹,双击matlab.exe启动。

启动后,你将看到 MATLAB 的主界面。当你使用完 MATLAB,可以通过以下两种方式退出:

  1. 在 MATLAB 主界面,点击右上角的 "X" 按钮关闭窗口。
  2. 在 MATLAB Command Window 中输入quit或exit命令并回车。

1.2.3 工作环境的配置

为了更高效地使用 MATLAB,建议对工作环境进行一些配置:

  1. 设置工作目录: 在 MATLAB 中,当前工作目录非常重要,它决定了 MATLAB 的文件读写位置。你可以通过以下方式设置工作目录:

    • 在 MATLAB 主界面,点击"Home"选项卡,在"Environment"部分找到 "Current Folder",点击选择你的工作目录。
    • 在 MATLAB Command Window 中使用cd命令改变当前目录,如cd C:\Users\YourName\Documents\MATLAB。

  2. 管理搜索路径: MATLAB 的搜索路径决定了 MATLAB 在哪些位置搜索文件。将常用的文件夹添加到搜索路径可以方便地访问其中的文件。设置方法如下:

    • 在 MATLAB 主界面,点击"Home"选项卡,在"Environment"部分点击 "Set Path"。
    • 在弹出的窗口中,点击 "Add Folder..." 按钮,选择要添加的文件夹。
    • 点击 "Save" 按钮保存设置。

  3. 个性化设置: MATLAB 允许用户对界面、字体、配色等进行个性化设置,以满足个人偏好。设置方法如下:

    • 在 MATLAB 主界面,点击"Home"选项卡,在"Environment"部分点击 "Preferences"。
    • 在弹出的窗口中,可以对 MATLAB 的各个方面进行设置。
    • 设置完成后点击 "OK" 按钮保存。

1.3 MATLAB 界面介绍

MATLAB 的界面由多个部分组成,了解每个部分的功能对我们熟悉 MATLAB 很有帮助。下面我将介绍主界面中几个重要的组件。

1.3.1 MATLAB 桌面组件

打开 MATLAB,你首先看到的就是 MATLAB Desktop(MATLAB 桌面)。它由菜单栏、工具栏和多个面板组成,是 MATLAB 的控制中心。我们可以在这里访问各种工具和资源。

1.3.2 命令窗口

命令窗口(Command Window)是 MATLAB 最重要的组件之一。在这里,你可以输入 MATLAB 命令并立即执行。MATLAB 会在命令窗口显示命令的输出结果。学会在命令窗口中与 MATLAB 进行交互,是掌握 MATLAB 的第一步。 在命令窗口中,你会看到一个 >> 符号,这是 MATLAB 的命令提示符。你可以在提示符后输入命令,按回车键执行。例如,试试输入以下命令:

>> disp('Hello, MATLAB!')

按下回车键,你会在命令窗口看到输出结果:

Hello, MATLAB!

就是这么简单!命令窗口让 MATLAB 编程变得直观而有趣。

1.3.3 工作区

工作区(Workspace)是存储 MATLAB 变量的地方。在 MATLAB 中,每当你创建一个变量,它就会出现在工作区中。在 MATLAB 主界面,你可以看到"Workspace"面板,它显示了当前工作区中的所有变量及其值。 让我们在命令窗口中创建几个变量:

>> x = 1
>> y = 2
>> z = x + y

现在,查看"Workspace"面板,你会看到 x, y, z 三个变量及其值。通过工作区,你可以方便地查看和管理 MATLAB 变量。

1.3.4 文件浏览器

MATLAB 的"Current Folder"面板实际上是一个文件浏览器,它显示了当前工作目录下的文件和子文件夹。你可以使用它来浏览和管理 MATLAB 文件。 双击文件浏览器中的 .m 文件,可以在编辑器中打开该文件。右键点击文件或文件夹,可以进行新建、删除、重命名等操作。

1.3.5 编辑器

MATLAB 提供了一个强大的编辑器,用于创建和编辑 MATLAB 程序文件(.m 文件)。在编辑器中,你可以编写、调试和运行 MATLAB 代码。 在 MATLAB 主界面,点击"New Script"按钮,可以打开一个新的编辑器窗口。在编辑器中,你可以输入 MATLAB 命令,并通过点击"Run"按钮或按 F5 键运行代码。 编辑器提供了语法高亮、代码补全、断点调试等功能,大大提高了代码编写的效率。学会使用编辑器,是 MATLAB 编程的必备技能。

1.4 第一个 MATLAB 程序

学习任何一门编程语言,第一个程序往往是输出 "Hello, World!"。对 MATLAB 来说也不例外。让我们在 MATLAB 中输出 "Hello, MATLAB!"。

1.4.1 创建脚本文件

在 MATLAB 主界面,点击"New Script"按钮,打开一个新的编辑器窗口。你也可以使用快捷键 Ctrl+N 打开新的编辑器窗口。

1.4.2 编写简单的 MATLAB 代码

在编辑器中,输入以下代码:

disp('Hello, MATLAB!');

这行代码使用 disp 函数显示字符串 'Hello, MATLAB!'。

1.4.3 运行 MATLAB 程序

要运行这个程序,你有以下几种方式:

  1. 点击编辑器上方的"Run"按钮。
  2. 按下F5键。
  3. 在编辑器窗口中右键,选择"Run"。

运行后,你会在命令窗口看到输出结果:

Hello, MATLAB!

恭喜你,你已经成功编写并运行了第一个 MATLAB 程序!

1.4.4 保存和加载工作空间

在 MATLAB 中,你可以将当前工作空间中的所有变量保存到一个 .mat 文件中,下次使用时可以直接加载这个文件,恢复之前的工作状态。 要保存当前工作空间,可以使用以下命令:

save('myWorkspace.mat');

这会将当前工作空间保存到当前文件夹下的 myWorkspace.mat 文件中。 要加载之前保存的工作空间,可以使用以下命令:

load('myWorkspace.mat');

这会将 myWorkspace.mat 文件中的变量加载到当前工作空间中。 学会保存和加载工作空间,可以大大提高 MATLAB 的工作效率。