1.2 MATLAB的基本操作

1.語言結(jié)構(gòu)

MATLAB命令窗口就是MATLAB語言的工作空間，因為MATLAB的各種功能的執(zhí)行必須在此窗口下才能實現(xiàn)。所謂窗口命令，就是在上述命令窗口中輸入的MATLAB語句，并直接執(zhí)行它們完成相應(yīng)的運算、繪圖等。

MATLAB語句的一般形式為

變量名=表達(dá)式

其中，等號右邊的表達(dá)式可由操作符或其他字符、函數(shù)和變量名組成，它可以是MATLAB允許的數(shù)學(xué)或矩陣運算，也可以包含MATLAB下的函數(shù)調(diào)用；等號左邊的變量名為MATLAB語句右邊表達(dá)式的返回值語句所賦值的變量的名字。在調(diào)用函數(shù)時，MATLAB允許一次返回多個結(jié)果，這時等號左邊的變量名需用[ ]括起來，且各個變量名之間用逗號分隔開；等號和左邊的變量名可以缺省，此時返回值自動賦給ans。

MATLAB中使用的算術(shù)運算符如表1-1所示。對于矩陣來說，這里左除和右除表示兩種不同的除數(shù)矩陣和被除數(shù)矩陣的關(guān)系。對于標(biāo)量，兩種除法運算的結(jié)果相同，如1/4和4\1有相同的值0.25。常用的十進(jìn)制數(shù)符號如小數(shù)點、負(fù)號等，在MATLAB中也可以同樣使用，表示10的冪次要用符號e或E，如3，-99，0.0001，1.6e-20，6.2e23。

在MATLAB中變量名必須以字母開頭，之后可以是任意字母、數(shù)字或者下劃線（不能超過19個字符），但變量中不能含有標(biāo)點符號。變量名區(qū)分字母的大小寫，同一名字的大寫與小寫被視為兩個不同的變量。一般來說，在MATLAB下變量名可以為任意字符串，但MATLAB保留了一些特殊的字符串如表1-2所示。

MATLAB命令語句能即時執(zhí)行，它不是輸入完全部MATLAB命令語句并經(jīng)過編譯、連接形成可執(zhí)行文件后才開始執(zhí)行，而是每輸入完一條命令，MATLAB就立即對其處理，并得出中間結(jié)果，完成了MATLAB所有命令語句的輸入，也就完成了它的執(zhí)行，直接便可得到最終結(jié)果。從這一點來說，MATLAB清晰地體現(xiàn)了類似“演算紙”的功能。例如，在MATLAB的命令窗口中直接輸入以下命令：

      ＞＞a=5；
      ＞＞b=6；
      ＞＞c=a*b，
      ＞＞d=c+2

其中第3、4條命令的執(zhí)行結(jié)果分別顯示如下

      c=
        30
      d=
        32

注意，以上各命令行中的“＞＞”標(biāo)志為MATLAB的命令提示符，其后的內(nèi)容才是用戶輸入的信息。每行命令輸入完后，只有當(dāng)用回車鍵進(jìn)行確定后，命令才會被執(zhí)行。以下命令同。

MATLAB語句既可由分號結(jié)束，也可由逗號或換行號結(jié)束，但它們的含義是不同的。如果用分號“；”結(jié)束，則說明除了這一條命令外還有下一條命令等待輸入，MATLAB這時將不立即顯示運行的中間結(jié)果，而等待下一條命令的輸入，如上面例子的前兩條命令；如果以逗號“，”或回車結(jié)束，則將把左邊返回的內(nèi)容全部顯示出來，如上面例子的后兩條命令。當(dāng)然在任何時候也可輸入相應(yīng)的變量名來查看其內(nèi)容。例如：

      ＞＞a

結(jié)果顯示：

      a=
        5

在MATLAB中，幾條語句也可出現(xiàn)在同一行中，只要用分號或逗號將它們分割開來。例如：

      ＞＞a=5；b=6；c=a*b，d=c+2

這時可得與上面相同的結(jié)果。

MATLAB工作空間中的變量在退出MATLAB時會丟失。如果在退出MATLAB前想將工作空間中的變量保存到文件中，則可以調(diào)用save命令來完成，該命令的調(diào)用格式為

save文件名變量列表其他選項

注意，這一命令中不能使用逗號，不同的元素之間只能用空格來分隔。例如，想把工作空間中的a，b，c變量存到mydat.mat文件中去，則可用下面的命令來實現(xiàn)：

      ＞＞save mydat a b c

這里將自動地使用文件擴(kuò)展名“.mat”。如果想將整個工作空間中所有的變量全部存入該文件，則應(yīng)采用下面的命令：

      ＞＞save mydat

當(dāng)然這里的mydat也可省略，這時將工作空間中的所有變量自動地存入到文件mat-lab.mat中了。應(yīng)該指出的是，這樣存儲的文件均是按照二進(jìn)制數(shù)的形式進(jìn)行的，所以得出的文件往往是不可讀的。如果想按照ASCII碼的格式來存儲數(shù)據(jù)，則可以在命令后面加上一個控制參數(shù)：-ascii，該選項將變量以單精度的ASCII碼形式存入文件中去；如果想獲得高精度的數(shù)據(jù)，則可使用控制參數(shù)：-ascii -double。

MATLAB提供的load命令可以從文件中把變量調(diào)出并重新裝入到MATLAB的工作空間中去，該函數(shù)的調(diào)用格式與save命令相同。

當(dāng)然工作空間中變量的保存和調(diào)出也可利用菜單項中的File→Save Workspace As...和File→Open命令來完成。

如果想查看目前的工作空間中都有哪些變量名，則可以使用who命令來完成。例如，當(dāng)MATLAB的工作空間中有a，b，c，d四個變量名時，使用who命令將得出如下的結(jié)果：

      ＞＞who
        your variable are：
        a  b  c  d

想進(jìn)一步了解這些變量的具體細(xì)節(jié)，則可以使用whos命令來查看。

了解了當(dāng)前工作空間中的現(xiàn)有變量名之后，則可以使用clear命令來刪除其中一些不再使用的變量名，這樣可使得整個工作空間更簡潔，節(jié)省一部分內(nèi)存。例如，想刪除工作空間中的a，b兩個變量，則可以使用下面的命令：

      ＞＞clear a b

如果想刪除整個工作空間中所有的變量，則可以使用以下命令：

      ＞＞clear

在MATLAB命令窗口中，利用上下方向鍵可以回調(diào)已輸入的命令，向上和向下方向鍵“↑”和“↓”分別用于回調(diào)上一行和下一行命令?；卣{(diào)后的命令也可進(jìn)行編輯等操作。

但僅靠一條一條地輸入語句，MATLAB難以實現(xiàn)復(fù)雜功能，為了實現(xiàn)諸如循環(huán)、條件、分支等功能，MATLAB利用了M文件，M文件由一系列的MATLAB語句組成。

MATLAB實際上可以認(rèn)為是一種解釋性語言，用戶可以在MATLAB工作環(huán)境下一條一條地鍵入命令，也可以直接鍵入用MATLAB語言編寫的M文件名，或?qū)⑺鼈兘Y(jié)合起來使用。這樣MATLAB軟件對此命令或M文件中各條命令進(jìn)行翻譯，然后在MATLAB環(huán)境下對它進(jìn)行處理，最后返回運算結(jié)果。所以說MATLAB語言的結(jié)構(gòu)可用下式進(jìn)行描述：

MATLAB語言=窗口命令+M文件

2.磁盤文件

因為MATLAB本身可以被認(rèn)為是一種高效的語言，所以用它可編寫出具有特殊意義的磁盤文件來。這些磁盤文件由一系列的MATLAB語句組成，它既可能是由一系列窗口命令語句構(gòu)成的文本文件（簡稱為MATLAB的程序），又可以是由各種控制語句和說明語句構(gòu)成的函數(shù)文件（簡稱為MATLAB的函數(shù)）。由于它們都是由ASCII碼構(gòu)成的，其擴(kuò)展名均為“.m”，故統(tǒng)稱為M文件。

由于M文件具有普通的文本格式，因而可以用任何編輯器建立和編輯。但一般最常用、而且最為方便的是使用MATLAB自帶的編輯器，即利用MATLAB命令窗口中的菜單命令File→New→M-File或File→Open打開的M文件編輯窗口對M文件進(jìn)行建立和編輯。MATLAB為了進(jìn)一步方便用戶對M文件的建立和編輯，在窗口中也設(shè)置了快捷工具“”和“”。

（1）文本文件

文本文件由一系列的MATLAB語句組成，它類似于DOS下的批處理文件，在MATLAB的提示符下直接鍵入文本文件名，回車后便可自動執(zhí)行文件中的一系列命令，直至給出最終結(jié)果。文本文件在工作空間中運算的變量為全局變量。

【例1-1】 利用MATLAB的文本文件，求函數(shù)

在x1 =-2，x2 =3，x3 =1時的值。

解 ①首先在MATLAB的命令窗口中，利用菜單命令File→New→M-File，打開M文件編輯器，然后在編輯器中根據(jù)例題中所給函數(shù)編寫以下文本文件，并以ex1_1_1為文件名進(jìn)行保存（后綴.m自動追加）。

            %ex1_1_1.m
            x1=-2；x2=3；x3=1；
            y1=3*x1.^2+x2+x3
            y2=3*x1.^2-x2-x3

其中，帶%的語句為說明語句，不被MATLAB所執(zhí)行，它可以在命令窗口中利用help ex1_1_1命令來顯示%后的內(nèi)容。

②當(dāng)以上文本文件ex1_1_1.m建立后，在MATLAB命令窗口中輸入

      ＞＞ex1_1_1

回車后顯示：

      y1=
          16
      y2=
          8

由于文本文件中的變量為全局變量，故以上變量x1，x2，x3的值，也可在文本文件外先給定，此時的文本文件為

            %ex1_1_2.m
            y1=3*x1.^2+x2+x3
            y2=3*x1.^2-x2-x3

當(dāng)以上文本文件ex1_1_2.m建立后，利用以下命令，同樣可以得到以上結(jié)果。

      ＞＞x1=-2；x2=3；x3=1；ex1_1_2

以上兩種方式下，文本文件中變量的值都被保存下來，這與下面的函數(shù)文件是不同的。

（2）函數(shù)文件

函數(shù)文件的功能是建立一個函數(shù)，且這個函數(shù)可以同MATLAB的庫函數(shù)一樣使用，它與文本文件不同，在一般情況下不能單獨鍵入函數(shù)文件的文件名來運行一個函數(shù)文件，它必須由其他語句來調(diào)用，函數(shù)文件允許有多個輸入?yún)?shù)和多個輸出參數(shù)值。其基本格式如下：

                          function [f1，f2，f3，…] =fun（x，y，z，…）
                          注釋說明語句
                          函數(shù)體語句

其中，x，y，z，…是形式輸入?yún)?shù)；而f1，f2，f3，…是返回的形式輸出參數(shù)值；fun是函數(shù)名。

實際上，函數(shù)名一般就是這個函數(shù)文件的磁盤文件名，注釋語句段的內(nèi)容同樣可用help命令顯示出來。

調(diào)用一個函數(shù)文件只需直接使用與這個函數(shù)一致的格式

[y1，y2，y3，…] =fun（a，b，c，…）

其中，a，b，c，…是相應(yīng)的實際輸入?yún)?shù)的值；而y1，y2，y3，…是相應(yīng)的實際輸出參數(shù)的值。

【例1-2】 利用MATLAB的函數(shù)文件，求函數(shù)

在x1 =-2，x2 =3，x3 =1時的值。

解 ①由于函數(shù)文件的建立與文本文件完全一樣，故與例1-1一樣首先根據(jù)例題中所給函數(shù)在MATLAB的M文件編輯器下，建立以下函數(shù)文件ex1_2.m。

            %ex1_2.m
            function [b1，b2] =ex1_2（a1，a2，a3）
            b1=3*a1.^2+a2+a3；
            b2=3*a1.^2-a2-a3；

②當(dāng)以上函數(shù)文件ex1_2.m建立后，在MATLAB命令窗口中輸入命令：

      ＞＞x1=-2；x2=3；x3=1；[y1，y2] =ex1_2（x1，x2，x3）

結(jié)果顯示：

      y1=
          16
      y2=
          8

函數(shù)文件中定義的變量為局部變量，也就是說它只在函數(shù)內(nèi)有效。即在該函數(shù)返回后，這些變量會自動在MATLAB工作空間中清除掉，這與文本文件是不同的，但可通過命令

global＜變量＞

來定義一個全局變量。

函數(shù)文件與文本文件另一個區(qū)別在于其第一行是由function開頭的，且有函數(shù)名和輸入形式參數(shù)與輸出形式參數(shù)，沒有這一行的磁盤文件就是文本文件。

3.庫函數(shù)和數(shù)值顯示格式

（1）庫函數(shù)

為了方便用戶，MATLAB提供了豐富的庫函數(shù)，庫函數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)編制好了的，提供用戶直接使用的函數(shù)，MATLAB中常用的基本數(shù)學(xué)函數(shù)，如表1-3所示。

除了基本函數(shù)外，不同版本的MATLAB還增加了具有不同功能的庫函數(shù)，也稱工具箱。例如控制系統(tǒng)工具箱、模糊邏輯工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱和模型預(yù)測控制工具箱等。

對于各種函數(shù)的功能和調(diào)用方法可使用MATLAB的聯(lián)機幫肋h(yuǎn)elp來查詢，例如：

      ＞＞help sin   %得到正弦函數(shù)的使用信息；
      ＞＞help [     %顯示如何使用方括號。

（2）數(shù)值顯示格式

盡管MATLAB計算中所有的量為雙字長浮點數(shù)，但為了方便顯示應(yīng)遵循下面的規(guī)則。

在默認(rèn)情況下，當(dāng)結(jié)果為整數(shù)時，MATLAB將它作為整數(shù)顯示；當(dāng)結(jié)果為實數(shù)時，MATLAB以小數(shù)點后4位的精度近似顯示；如果結(jié)果中的有效數(shù)字超出了這一范圍，MATLAB以科學(xué)計數(shù)法顯示結(jié)果。MATLAB可以使用format命令來改變顯示格式，其調(diào)用格式為

format控制參數(shù)

其中，控制參數(shù)決定顯示格式，控制參數(shù)如表1-4表示。

4.基本輸入輸出函數(shù)

MATLAB的輸入與輸出函數(shù)包括命令窗口輸入與輸出及圖形界面的輸入與輸出。除上面提到的用于機器間交換數(shù)據(jù)的函數(shù)語句save和load外，MATLAB還允許計算機和用戶之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，允許對文件進(jìn)行讀寫操作。如果用戶想在計算的過程中給計算機輸入一個參數(shù)，則可以使用input（）函數(shù)來進(jìn)行，該函數(shù)的調(diào)用格式為

變量名=input（提示信息，選項）

這里提示信息可以為一個字符串顯示，它用來提示用戶輸入什么樣的數(shù)據(jù)，input（）函數(shù)的返

回值賦給等號左邊的變量名。

例如，用戶想輸入x的值，則可以采用下面的命令來完成：

      ＞＞x=input（′Enter matrix x=＞′）

執(zhí)行該命令時首先給出Enter matrix x=＞提示信息，然后等待用戶從鍵盤按MATLAB格式輸入值，并把此值賦給x。

如果在input（）函數(shù)調(diào)用時采用了′s′選項，則允許用戶輸入一個字符串，此時需用單引號將所輸字符串括起來。

MATLAB提供的命令窗口輸出函數(shù)主要有disp（）函數(shù)，其調(diào)用格式為

disp（變量名）

其中，變量名既可以是字符串，也可以是變量矩陣。例如

      ＞＞s=′Hello World′

結(jié)果顯示：

            s=
              Hello World
            ＞＞disp（s）

結(jié)果顯示：

            Hello World

可見用disp（）函數(shù)顯示的方式，和前面有所不同，它將不顯示變量名字而其格式更緊密，且不留任何沒有意義的空行。

MATLAB提供了較實用的字符串處理及轉(zhuǎn)換的函數(shù)，例如int2str（）函數(shù)就可以方便地將一個整形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串形式，該函數(shù)的調(diào)用格式為

cstr=int2str（n）

其中，n為一個整數(shù)，而該函數(shù)將返回一個相關(guān)的字符串cstr。

例如num的數(shù)值為num=15，而在輸出中還想給出其他說明性附加信息，則可利用語句：

      ＞＞num=15；disp（[′The value of num is′，int2str（num），′！ ok′]）

結(jié)果顯示：

            The value of num is 15 ！ ok

與int2str（）函數(shù)的功能及調(diào)用方式相似，MATLAB還提供了num2str（）函數(shù)，可以將給出的實型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串的表達(dá)式，最終也可以將該字符串輸出。例如給繪制的圖形賦以數(shù)字的標(biāo)題時可采用命令：

      ＞＞c=（70-32）/1.8；title（[′Room temperature is′，num2str（c），′degrees C′]）

則會在當(dāng)前圖形上加上題頭標(biāo)注：

            Room temperature is 21.1111 degrees C

5.外部程序調(diào)用

MATLAB允許在其命令窗口中調(diào)用可執(zhí)行文件，其調(diào)用方法是在MATLAB提示符下鍵入驚嘆號“！”，后面直接跟該可執(zhí)行文件即可。MATLAB也允許采用這樣的方式來直接使用DOS命令，如磁盤復(fù)制命令copy可以由！copy來直接使用，而文件列表命令dir可以由！dir來調(diào)用。事實上，為了給用戶提供更大的方便，MATLAB已經(jīng)把一些常用的DOS命令做成了相應(yīng)的MATLAB命令，表1-5列出了MATLAB中提供的一些文件管理命令。

當(dāng)然由C或FORTRAN編譯產(chǎn)生的可執(zhí)行文件可采用上述方法直接調(diào)用，但此時MATLAB和該程序之間的數(shù)據(jù)傳遞是由讀寫文件的方式來完成的，這種調(diào)用格式雖然直觀，但其缺點是速度相當(dāng)慢；此外由于調(diào)用方式的原因，使用起來不是特別規(guī)范。故MAT-LAB還提供了對C或FORTRAN語言編寫的程序的另一種調(diào)試方式，它是通過MATLAB提供的MEX功能來實現(xiàn)的。它由所調(diào)用的C或FORTRAN源碼編譯、連接而成MEX文件或EXE文件，這種可執(zhí)行文件的速度較快，因為它和MATLAB之間的數(shù)據(jù)傳遞是通過指針來完成的，而不涉及對文件的讀寫，且其調(diào)用格式和MATLAB本身的函數(shù)調(diào)用格式完全一致，就如同這些子程序是MATLAB本身的程序一樣。