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【MATLAB】（一）基本使用入门

心中带点小风骚 • • IT • 阅读 62

本文目录

  • 前言
  • 声明
  • 一、MATLAB简介（基本来自课程内容）
  • 二、入门操作
    • 2.1 命令窗口（Command Window）
      • 2.1.1 基本介绍
      • 2.1.2 基础指令
      • 2.1.3 常用操作
    • 2.2 编辑器窗口（Editor Window）
      • 2.2.1 脚本语言
  • 三、基本运算和函数
    • 3.1 预定义的变量
    • 3.2 符号
    • 3.3 符号变量的声明
    • 3.4 输入输出函数
    • 3.5 常用数学函数总结
    • 3.6 逻辑运算
  • 四、绘图
    • 4.1 二维函数图像
      • 4.1.1 已知点集——plot
      • 4.1.2 符号函数——ezplot, fplot
      • 4.1.3 图像处理
      • 4.1.4 图像导出
    • 4.2 极坐标图 —— polar
    • 4.3 三维图形
      • 4.3.1 空间曲线图 —— plot3
      • 4.3.2 空间曲面
    • 4.4 特殊图形
      • 4.4.1 填充类图形
  • 后续教程

前言

  MATALB作为工科生几乎都会用到的科学计算软件，大部分大学应该都会购买其版权，因此安装这个软件的人不在少数，即使它占用了15G+的存储空间。但是我发现其实很多人都不会用这个软件，因为安装的时候就是抱着  “我之后可能会用到，先装以备后用” 的心态安装MATLAB，而我当时就是这样的心态。
  这两年，前前后后也接触了不少MATLAB的教程，也遇到过很多需要使用的场景，但是发现一个很严重的问题，那就是一段时间不用，之前记住的命令又忘了，于是趁着这个学期学了数学实验课，加上之前学习的一些课程，想简单地以课程为主线总结一下MATLAB的使用，以作备忘。同时穿插一些课程的知识，就当作再次复习一遍了。
  之后如果接触了其他需要使用Matlab的课程，也会继续更新。
  其他资料可以参考MATLAB中文论坛

声明

  本博客大部分内容来自课程《数学实验》，（少部分来自其他教程）因此本博客不作任何商用，感兴趣的同学欢迎加入MOOC的学习，这是课程链接


一、MATLAB简介（基本来自课程内容）

  数学类科技应用软件包括数值计算（Number Crunching）型软件和数学分析（Math Analysis）型软件

  1. 数值计算型软件
      它们对大批数据具有较强的管理、计算和可视化能力，运行效率高。代表软件有Matlab，Xmath，Gauss，Mlab等。
  2. 数学分析型软件
      它们以符号计算见长，并可得到解析符号解和任意精度解，但处理大量数据时运行效率低。代表软件有Mathematica，Maple等。

  概括来说，Matlab有五大功能：

  对于非计算机专业学生来说，在很多时候，需要完成一个任务时，往往会优先选择Matlab，而不是用某一门编程语言来编程序解决，我认为一个重要的原因就在于Matlab的操作界面非常友善，编程的效率更高，易学易用。

  下面对Matlab的界面做一个简单的介绍。

界面简介
  如果需要完成比较复杂的任务，也可以在所在的工作文件夹下，右键，新建，脚本，建立.m文件，相当于C语言里面的.c和.cpp文件，然后双击.m文件就会在命令行上方弹出编辑器窗口，拉动边界可以调整命令行和编辑器的大小，如果按住窗口上方往外拖，还可以实现编辑器单独窗口。

  接下来对工具栏和菜单栏做一个简单的介绍。

工具栏

  1. 文件栏主要是对脚本文件的操作
  2. 变量栏主要是对工作区变量的操作，但一般用得很少，因为如果要查看变量可以直接在工作区双击即可查看
  3. 环境部分要注意预设和设置路径两个按钮，预设就相当于是设置，可以调节界面，字体，显示语言等；设置路径是在添加第三方工具包的时候需要用到，可以理解为添加插件


  这个工具栏是针对编辑器的，也就是打开编辑器就会自动弹出。这个界面主要是对代码的各种操作

  1. 注释：快捷键为CTRL+R
  2. 取消注释：快捷键为CTRL+T
  3. 运行节：相比于其他的IDE中需要选中某段代码才能实现运行部分代码，Matlab提供了一种高效的方式，即设置分节符 %%（后面记得加个空格），则用光标选中某个节即可运行某一节代码。
  4. 设置断点：Matlab设置和VSC一样非常方便，只需要在代码左边点击一下出现红点即可
  5. 清除断点：点击断点下的那个三角形，就可以选择清除所有断点。

二、入门操作

2.1 命令窗口（Command Window）

2.1.1 基本介绍

  新手入门时最先接触的一定是命令窗口，它最大的特点就是所见即所得，也就是在命令行中随意输入一个命令，按下回车键，即可得到其运算结果，速度非常快，如下所示：

  输入“1+1”，再按下回车，即可得到运算结果2，这里ans是answer是缩写，可以认为是系统自带的一个变量，会不断更新。
  需要注意的是，随着命令行的输入，在右侧工作区（参考简介中的界面图）会自动添加运算过程中出现的变量，比如此时右边就出现了一个ans的变量，并显示值为2.

  注意：这些变量如果不清理会一直存在，且其值也一直保持不变，除非在命令行中对变量进行重新赋值。另外，如果变量是一个矩阵，则不会显示具体的值，而是会显示矩阵的大小。



  命令行回车即显示结果，那可不可以不显示呢？当然可以，只要在最后加上一个英文的分号即可。


2.1.2 基础指令

  再介绍一些使用频率较高的基础指令：

  • demo ：输入demo直接回车可以弹出安装在本地的帮助文档，当然，也可以用浏览器访问在线的帮助文档——Matlab在线帮助文档，善用搜索功能！
  • help ：查找具体函数或算法的利器！等同于命令doc，使用方法就是help加上需要查找的内容。类似命令：helpwin （简化版的help）和helpdesk（单独使用，定位到帮助文档首页）
  • clc ：清除命令窗口的内容（类似于串口终端的清屏功能）
  • clear ：清理右边工作区的变量（慎用！注意与clc区分！）
  • format ：设置数据的格式，如下图所示：
    另外还有format rat表示运算结果用分数表示。
  • ver ：单独使用，查看MatLab和Windows版本。
  • who ：显示当前所有变量的名字
  • whos ：显示当前所有变量的详细信息。
  • pack ：整理工作间的内存
  • load ：从文件中导入工作区（一般是mat后缀的文件）
  • save ：把工作区的所有变量存入文件中，一般都保存为mat后缀的文件
  • what ：显示指定的Matlab文件。
  • lookfor ：在help中搜索关键字（排序原则是将包含搜索内容的按数字母排序）
  • which ：定位函数或文件
  • path ：获取或设置搜索路径
  • echo ：命令回显
  • cd ：改变当前的工作目录
  • pwd ：显示当前的工作目录（这个普适性很强）
  • dir ：显示目录内容
  • unix ：执行unix命令
  • dos ：执行dos命令
  • ！：执行操作系统命令
  • computer ：显示计算机类型。

2.1.3 常用操作

a. 手动更改变量
  如果不想通过命令修改，也可以双击变量，会自动弹出一个类似于Excel的变量界面，可以查看或修改变量。

b. 前后指令复用
  当你想在命令行中反复运算一个非常复杂的表达式时，如果不想每次都重新输入一遍怎么办？可以选择复制粘贴，但MatLab提供了一个更好用的方法，那就是通过上下键选择之前输入过的指令，这也是非常常用的功能。

c. 终止当前运算
  当你不小心写了一个死循环或者运行了一个庞大的数据文件发现 左下角状态栏 一直显示正忙，想要终止运行又不想关掉软件，就可以使用进程终止操作，Ctrl + C ；另外，如果想关掉Matlab。可以在命令行中输入 Exit 或 Quit ，和点右上角的叉效果相同。

2.2 编辑器窗口（Editor Window）

  编辑器窗口是用来创建.m脚本文件的，和命令行窗口的区别就像是VS Code的文本编辑和终端输入。调出的方法就是在菜单栏中点击新建即会自动弹出一个编辑器窗口：

  如果选择保存，会默认保存在左侧的当前文件夹中，类似于一个工作区。
  但是需要注意的是，MATLAB的脚本文件的命名也有讲究：

  1. 文件名命名要用英文字符，首字符不能是数字或下划线；

  2. 文件名不能与matlab的内部函数名相同。 m文件名的命名尽量不要是简单的英文单词，最好是由大小写英文/数字/下划线等组成。原因是简单的单词命名容易与matlab内部函数名同名，结果会出现一些莫名其妙的错误；

  3. 文件存储路径最好为英文路径。如果用带有中文的路径，某些情况下会出问题。

  4. m文件名中不能有空格。若需要用两个或以上单词组合作为文件名，各单词必须直接连接组合（可以把每个单词首字母大写以作区分，或者使用下划线）。如random walk，应该写成RandomWalk或者Random_Walk。

以上参考链接：https://blog.csdn.net/soya_soya/article/details/8778273

2.2.1 脚本语言

  那么接下来就是编程的环节了，MATLAB脚本语言非常容易上手，但凡有一点C语言或Python的基础差不多就可以了。为方便有编程基础的快速入门，这里只介绍一些和C语言中不一样的地方吧

  • 变量的命名 ：只能以字母开头（C语言还可以以下划线开头），且最多不超过19个字符。

  • 全局变量

  • 循环结构：在MatLab中，循环不使用 { } ，而是用end表示循环的结束（不要求缩进），而且if 或while的条件不需要加 ( ) 。参考下面的例程：

/****for循环****/
for n = 1:10    //表示i从1到10逐次+1，循环十次
	x(n) = sin(n*10);
end  //终止for循环


/****while循环****/
x = 0;
sum = 0;
while x < 101
	sum = sum + x;
	x = x + 2;
end


/****if-else语句*****/
if x > 1
	f = x^2 + 1;
else if x <= 0
	f = x^3;
else
	f = 2 * x
end


/*****switch语句******/
num = input('请输入一个数');
switch num
case -1  //注意case后面没有冒号
	disp('I am a teacher.');
case 0
	disp('I am a student.');
case 1
	disp('You are a teacher.');
otherwise     //等同于C语言中的 default
	disp('You are a student.');
end
  • 定义函数 ：在MatLab中，写脚本时，不能像C语言一样在该脚本中随便定义一个函数，应该在另一个文件（最好同一目录）中定义。操作方法就是点击新建按钮旁边的三角，选择新建函数。

  1. 由此可知，定义函数的格式为 function 因变量 = 函数名 (自变量)，且需要在最后加上end，（也可以不加）表示函数结束；
  2. 保存为.m文件时，文件名和定义的函数名fun1必须要一样；
  3. 如果需要另外定义一个函数，可以直接在该文件中直接定义，但这个函数不能被其他文件调用，只能被该文件名对应的函数调用。
  4. 调用该函数时，需要严格按照 定义的函数格式来调用，即输入参数和输出参数应该一一对应。
  5. nargin 和 nargout 的用法：nargin可以理解为n_arg_in，即输入参数的个数，同理，nargout表示输出参数的个数，有了这两个永久变量，可以实现Matlab调用函数时的参数可调性，参考下面这个例子：
  • 定义类： 点击新建，选择新建类，得到一个模板：

三、基本运算和函数

3.1 预定义的变量

3.2 符号

a. 运算符号：


  这里尤其需要注意带“.”的运算符！！！
  一般来说，带“.”的运算符功能和不带“.”的运算符是一样的，但是在矩阵与矩阵之间的运算时有差别，即带“.”的运算符表示矩阵的每一个元素进行运算，而不是一般的矩阵运算（乘法），参考如下例程：

  一般来说，但凡涉及到向量或者矩阵的运算，都得要考虑是不是得加点号，因为不加可能会报错或者运算结果完全不对，慎重！

b. 其他符号：

  • % ：行注释符，其后这一行的内容为注释，相当于C语言中的 //，如果在脚本中写 %% 并单独成行 ，则表示对代码进行分节，（记得%%后要加空格！）可以使用运行命令中的运行节。

  • %{ 和%}：块注释，相当于C语言中的/**/，注意，这里的大括号和百分号是错位的和C语言块注释符不太一样。

  • ······ ：表示续行

3.3 符号变量的声明

  在命令行中随便输入一个a = 10，表明a是一个常数变量，而一般在求导和积分时，几乎都是用符号进行运算，因此，一般都需要在程序运行前声明必要的符号变量，语法如下所示：

x=sym(‘x’) —— 表明x是符号变量

syms x y z —— 定义多个符号变量

  二者之间的区别可以参考这篇链接

syms f(x) —— 定义两个符号变量，f和x，且二者之间还有函数关系
在声明符号函数时，还可以使用inline函数：
f = inline(“x^3+5*x”) 或者 ff = inline(‘-x*sin(x^2-x-1)’, ‘x’) 如果不带引号，则其内部的变量都应已知。

  有时候需要多个函数共用一个变量，就可以将变量定义为全局变量，使用指令global，具体用法建议使用help查看。
  使用方法是在每个函数中都要声明global val，表示这个变量去全局变量中找，如果任何函数改动这个数值，如val = 0;那么所有函数引用该变量得到的值都会发生改变。

3.4 输入输出函数


  说明：如果不加参数 ‘s’，则输入的内容可以参与运算，比如一个矩阵A，rand(3)等，而加上参数 ‘s’之后，输入的内容都会作为字符串返回。


这部分更详细的内容可以参考后续教程：【MATLAB】（二）使用拾遗

3.5 常用数学函数总结




  对于这些函数，我认为最重要的是知道MATLAB有这个函数，如果确实需要使用，可以利用help命令来查看详细文档。

3.6 逻辑运算

“等于”和“不等于”

  • == ：表示等于，一个 = 表示赋值
  • ~= ：表示不等于，记住，不是感叹号哦！

逻辑运算符：

逻辑关系函数总结

四、绘图

4.1 二维函数图像

4.1.1 已知点集——plot

plot




4.1.2 符号函数——ezplot, fplot

ezplot
fplot


此外，还有fplot函数：

  以这个为例，需要学会看Matlab的应用手册，比如第四行之后，函数括号里面都是用 “____” ，其实是代替前面的那些参数，不能省略。

4.1.3 图像处理








  需要了解的是，在运行Matlab时跳出的fig窗口其实自带了很多编辑图像属性的功能。只需要点开图像属性


  即可对图像标题，坐标轴标签等进行设置。

4.1.4 图像导出

  在用MATLAB生成一张图像之后，很多时候的选择都是直接截图，但是，这样存在一个问题，那就是图像周围灰色的边框无法消除，严重影响了图像的美感：

  所以，如果图像需要放到论文或者正式的文档中，建议可以按照如下操作：

  这样得到的图像就是矢量图，然后直接到Word中粘贴，看到的图像的背景就是纯白的：

  其他资料：

  • 如何对Matlab的.fig格式图片进行局部放大和修正。
  • 如何用MATLAB编辑修改fig文件

4.2 极坐标图 —— polar

polar


   但是现在官网更推荐的函数是 polarplot函数：

4.3 三维图形

4.3.1 空间曲线图 —— plot3

plot3


举个例子：

4.3.2 空间曲面

  其他绘图可以参考https://ww2.mathworks.cn/products/matlab/plot-gallery.html，以及这个：https://matplotlib.org/stable/gallery/index.html。

4.4 特殊图形

4.4.1 填充类图形

  有时候需要画带有填充的柱状图，如下图所示

这个时候就需要用到MATLAB中的fill指令。在MATLAB中使用help指令可以得到其简要介绍：

详细内容建议看帮助文档。

后续教程

  • 【MATLAB】（二）基本使用拾遗
  • 【MATLAB】（三）MATLAB在高等数学中的应用
  • 【MATLAB】（四）MATLAB在线性代数中的应用

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