1.1 MATLAB概述

MATLAB是以線性代數軟件包LINPACK和特征值計算軟件包EISPACK中的子程序為基礎發展起來的一種開放式程序設計語言，是一種高性能的工程計算語言，其基本的數據單位是沒有維數限制的矩陣。

1.1.1 MATLAB的發展歷程

20世紀70年代中期，Cleve Moler博士及其同事在美國國家科學基金的資助下開發了調用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫。EISPACK是求解特征值的FOTRAN程序庫，LINPACK是求解線性方程的程序庫。在當時，這兩個程序庫代表了矩陣運算的最高水平。70年代后期，時任美國新墨西哥大學計算機科學系主任的Cleve Moler教授在給學生講授線性代數課程時，想教給學生使用EISPACK和LINPACK程序庫，但他發現學生用FORTRAN編寫接口程序很費時。出于減輕學生編程負擔的目的，他為學生設計了一組調用LINPACK和EISPACK庫程序的“通俗易用”的接口，這便是處于萌芽狀態的MATLAB。在此后的數年里，MATLAB在多所大學里作為教學輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。

1983年春天，Cleve Moler教授到斯坦福大學講學，他所講授的關于MATLAB的內容深深地吸引了工程師John Little。John Little敏銳地覺察到MATLAB在工程領域的廣闊前景，同年，他和Cleve Moler、Steve Bangert一起用C語言開發了第二代專業版MATLAB。這一代MATLAB語言同時具備了數值計算和數據圖示化的功能。

1984年，Cleve Moler和John Little成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市場，并繼續進行MATLAB的研究和開發。從這時起，MATLAB的內核采用C語言編寫。

MATLAB以商品形式出現后，僅短短幾年，就以其良好的開放性和可靠性將原先控制領域里的封閉式軟件包（如UMIST、LUND、SIMNON、KEDDC等）紛紛淘汰，而改以MATLAB為平臺加以重建。20世紀90年代初期，MathWorks公司順應多功能需求的潮流，在其卓越數值計算和圖示能力的基礎上又率先拓展了符號計算、文字處理、可視化建模和實時控制能力，開發了滿足多學科要求的新一代產品。經過多年的發展，在國際上30多個數學類科技應用軟件中，MATLAB已經占據了數值軟件市場的主導地位。

MathWorks公司于1993年推出MATLAB 4.0版本，從此告別DOS版。

1997年春，MATLAB 5.0版問世，緊接著是5.1、5.2，以及1999年春的5.3版。2003年，MATLAB 7.0版問世。

2006年開始，MATLAB分別在每年的3月和9月進行兩次產品發布，每次發布都涵蓋產品家族中的所有模塊，包含已有產品的新特性和Bug修訂，以及新產品的發布。其中，3月發布的版本被稱為“a”，9月發布的版本被稱為“b”，2006年的兩個版本分別是R2006a和R2006b。

2012年，MathWorks推出了MATLAB 7.14版，即MATLAB R2012a版。

2018年3月，MathWorks正式發布了R2018a版MATLAB和Simulink產品系列的Release2018（R2018）版本。

2020年3月，MathWorks正式發布了R2020a版MATLAB（以下簡稱MATLAB 2020）和Simulink產品系列的Release 2020（R2020）版本。

1.1.2 MATLAB系統

MATLAB系統主要包括以下五個部分。

1）桌面工具和開發環境：MATLAB由一系列工具組成，這些工具大部分是圖形用戶界面，方便用戶使用MATLAB的函數和文件，包括MATLAB桌面和命令窗口、編輯器和調試器、代碼分析器和用于瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。

2）數學函數庫：MATLAB數學函數庫包括了大量的計算算法，從初等函數（如加法、正弦、余弦等）到復雜的高等函數（如矩陣求逆、矩陣特征值、貝塞爾函數和快速傅里葉變換等）。

3）語言：MATLAB語言是一種高級的基于矩陣/數組的語言，具有程序流控制、函數、數據結構、輸入/輸出和面向對象編程等特色。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執行命令同步，以迅速創立快速拋棄型程序，也可以先編寫一個較大的復雜的M文件后再一起運行，以創立完整的大型應用程序。

4）圖形處理：MATLAB具有方便的數據可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現出來，并且可以對圖形進行標注和打印。它的高層次作圖包括二維和三維的可視化、圖像處理、動畫和表達式作圖。低層次作圖包括完全定制圖形的外觀，以及建立基于用戶的MATLAB應用程序的完整圖形用戶界面。

5）外部接口：外部接口是一個使MATLAB語言能與C、FORTRAN等其他高級編程語言進行交互的函數庫，它包括從MATLAB中調用程序（動態鏈接）、調用MATLAB為計算引擎和讀寫mat文件的設備。

1.1.3 MATLAB語言的特點

MATLAB提供了一種交互式的高級編程語言——M語言，用戶可以利用M語言編寫腳本或用函數文件來實現自己的算法。

一種語言之所以能夠如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點，正如同FORTRAN和C等高級語言使人們擺脫了需要直接對計算機硬件資源進行操作一樣，被稱為第四代計算機語言的MATLAB，利用其豐富的函數資源，把編程人員從煩瑣的程序代碼中解放了出來。MATLAB最突出的特點就是簡潔，它用更直觀的、符合人們思維習慣的代碼，代替了C語言和FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀、最簡潔的程序開發環境。下面簡要介紹一下MATLAB的主要特點。

1）語言簡潔緊湊，庫函數極其豐富，使用方便靈活。MATLAB程序書寫形式自由，利用豐富的庫函數避開了繁雜的子程序編程任務，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數都由本領域的專家編寫，用戶不必擔心函數的可靠性問題。可以說，用MATLAB進行科技開發就是站在專家的肩膀上搞科研。

利用FORTRAN或C語言去編寫程序，尤其是當涉及矩陣運算和畫圖時，編程會很麻煩。例如，用FORTRAN和C這樣的高級語言編寫求解一個線性代數方程的程序，至少需要400多行代碼，調試這種代碼達幾百行的計算程序很困難，而使用MATLAB編寫這樣一個程序則很直觀簡潔。

MATLAB的程序極其簡短，更難能可貴的是，MATLAB甚至具有一定的智能效能，比如解一些方程時，MATLAB會根據矩陣的特性選擇方程的求解方法。

2）運算符豐富。MATLAB是用C語言編寫的，它提供了和C語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用MATLAB的運算符將使程序變得極為簡短。

3）MATLAB既具有結構化的控制語句（如for循環、while循環、break語句和if語句），又有面向對象編程的特性。

4）程序設計自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無需對矩陣預定義就可使用。

5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統上運行。

6）圖形功能強大。在FORTRAN和C語言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數據的可視化非常簡單。MATLAB還具有較強的編輯圖形界面的能力。

7）與其他高級程序相比，程序的執行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預處理，也不生成可執行文件，程序為解釋執行，所以程序的執行速度較慢。

8）擁有功能強大的工具箱。MATLAB包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數百個核心內部函數；工具箱又分為功能性工具箱和學科性工具箱兩類。這些工具箱都是由該領域內學術水平很高的專家編寫的，所以用戶可以無須編寫自己學科范圍內的基礎程序，而直接進行高、精、尖的研究。

9）源程序具有開放性。