薛定宇教授大講堂（捲Ⅰ）：MATLAB程序設計（第2版）

目　錄

CONTENTS 

第1章電腦數學語言概述

1.1 數學問題電腦求解概述1 

1.1.1 為什麽要學習電腦數學語言· 1 

1.1.2 數學問題的解析解與數值解· 5 

1.1.3 數學運算問題軟件包發展概述· 6 

1.1.4 常規電腦語言的局限性 7 

1.2 電腦數學語言簡介 9 

1.2.1 電腦數學語言的出現 9 

1.2.2 有代表性的電腦數學語言· 10 

1.3 科學運算問題的三步求解方法 10 

本章習題 13

第2章MATLAB語言程序設計基礎 15

2.1 MATLAB命令窗口與操作· 17 

2.1.1 MATLAB的命令窗口· 17 

2.1.2 MATLAB的工作路徑設置 18 

2.1.3 註釋語句· 19 

2.1.4 MATLAB的工作空間與管理 20 

2.1.5 MATLAB的其他輔助工具 20 

2.1.6 聯機幫助系統 21 

2.2 MATLAB基本操作命令· 23 

2.2.1 變量名命名規則 23 

2.2.2 保留的常數· 23 

2.2.3 顯示格式的設置 25 

2.2.4 底層操作系統命令 25 

2.2.5 MATLAB的人機交互函數 26 

2.3 常用數據結構· 26 

2.3.1 數值型數據· 26 

2.3.2 符號型數據· 28 

2.3.3 符號型函數· 30 

2.3.4 任意符號型矩陣的生成 30 

2.3.5 任意矩陣函數生成 31 

2.3.6 整型變量與邏輯變量 32 

2.3.7 數據結構類型的識別 32 

2.3.8 矩陣的維數與長度 32 

2.3.9 屬性驗證函數 33 

2.4 字符串數據結構· 34 

2.4.1 一般字符串的表示 34 

2.4.2 字符串的處理方法 35 

2.4.3 字符串的轉換與讀寫方法 36 

2.4.4 字符串命令的執行 38 

2.4.5 MuPAD 接口函數的編寫· 38 

2.4.6 字符串的雙引號描述方法 39 

2.5 其他常用數據結構 39 

2.5.1 多維數組· 39 

2.5.2 單元數組· 40 

2.5.3 表格數據· 41 

2.5.4 結構體· 43 

2.5.5 其他數據結構 44 

2.6 MATLAB 的基本語句結構· 44 

2.6.1 直接賦值語句 45 

2.6.2 函數調用語句 45 

2.6.3 多樣的函數調用機制 46 

2.6.4 冒號表達式· 46 

2.6.5 子矩陣的提取 47 

2.6.6 等間距行向量的生成 47 

2.7 數據文件的讀取與存儲 48 

2.7.1 數據文件的讀取與存儲命令· 48 

2.7.2 文件讀寫的底層方法 49 

2.7.3 Excel文件的讀取與存儲· 50 

本章習題 52 

第3章基本數學運算· 54 

3.1 矩陣的算術運算· 55 

3.1.1 矩陣的轉置、翻轉與旋轉· 55 

3.1.2 矩陣的四則運算 56 

3.1.3 復數矩陣及其變換 57 

3.1.4 矩陣乘方與開方 58 

3.1.5 矩陣的點運算 59 

3.2 矩陣的邏輯運算與比較運算 60 

3.2.1 矩陣的邏輯運算 60 

3.2.2 矩陣的比較運算 61 

3.2.3 矩陣元素的查詢命令 61 

3.2.4 屬性判定語句 62 

3.2.5 非零元素個數統計 63 

3.3 超越函數的計算· 64 

3.3.1 指數函數與對數函數的計算· 64 

3.3.2 三角函數的計算 65 

3.3.3 反三角函數的計算 66 

3.3.4 矩陣的超越函數 67 

3.4 符號表達式的化簡與變換 69 

3.4.1 多項式的運算 69 

3.4.2 多項式矩陣的計算 70 

3.4.3 三角函數的變換與化簡 71 

3.4.4 符號表達式的化簡 72 

3.4.5 符號表達式的變量替換 73 

3.4.6 符號運算結果的轉換 74 

3.4.7 數學歸納法的實現 75 

3.5 基本數據運算· 76 

3.5.1 數據的取整與有理化運算 76 

3.5.2 向量的排序、最大值與最小值 77 

3.5.3 數據的均值、方差與標準差· 79 

3.5.4 質因數與質因式 80 

3.5.5 排列與組合· 81 

3.5.6 網格數據的生成 83 本章習題 84 

第4章MATLAB語言的流程結構 88 

4.1 循環結構· 89 

4.1.1 for 循環結構 89 

4.1.2 while 循環結構 91 

4.1.3 迭代方法的循環實現 92 

4.1.4 遞推方法與實現 93 

4.1.5 循環結構的輔助語句 95 

4.1.6 冗長符號表達式的完全顯示· 97 

4.2 條件轉移結構· 98 

4.2.1 簡單的條件轉移結構 98 

4.2.2 條件轉移結構的一般形式 98 

4.2.3 流程控制的應用——方程的整數解· 100 

4.3 向量化編程· 101 

4.3.1 向量化編程實現 101 

4.3.2 方程整數解的向量化方法 103 

4.3.3 分段函數的向量化表示 104 

4.4 開關結構· 107 

4.5 試探結構· 109 本章習題 111 

第5章函數編寫與調試 114 

5.1 MATLAB 的腳本程序· 115 

5.2 MATLAB 語言函數的基本結構 116 

5.2.1 函數的基本結構 116 

5.2.2 函數名的命令規則 118 

5.2.3 函數編寫舉例 118 

5.2.4 變元的檢測段落 122 

5.3 函數編寫的技巧· 124 

5.3.1 遞歸調用· 124 

5.3.2 可變輸入輸出個數的處理 126 

5.3.3 輸入變元的容錯處理 128 

5.3.4 全局變量· 129 

5.3.5 存取MATLAB工作空間中的變量 130 

5.3.6匿名函數與inline函數· 131 

5.3.7 子函數與私有函數 133 

5.3.8 駐留變量與鎖定函數 134 

5.4 MATLAB 程序的調試· 134 

5.4.1 MATLAB 程序的跟蹤調試 134 

5.4.2 偽代碼與代碼保密處理 137 

5.4.3 MATLAB 函數的排錯· 138 

5.5 MATLAB 實時編輯器· 138 

5.5.1 實時文檔編輯界面 139 

5.5.2 建立一個簡單的文檔 139 

5.5.3 嵌入代碼的運行 140 

5.5.4 在實時編輯器中嵌入對象 141 

5.5.5 由LATEX描述數學公式· 143 

5.5.6 實時編輯文檔的輸出 146 本章習題 146 

第6章二維圖形繪制· 149 

6.1 二維曲線的繪制· 150 

6.1.1 二元數據的曲線繪制 150 

6.1.2 數學函數的曲線繪制 153 

6.1.3 分段函數的曲線繪制 155 

6.1.4 參數方程的曲線繪制 156 

6.1.5 二維圖形的標題處理 158 

6.1.6 多縱軸曲線的繪制 159 

6.2 圖形修飾· 161 

6.2.1 基於命令的修飾方法 161 

6.2.2 利用界面的修飾方法 164 

6.2.3LATEX支持的修飾命令· 165 

6.2.4 數學公式疊印與宏包設計 165 

6.3 其他二維圖形繪制語句 166 

6.3.1 極坐標曲線的繪制 166 

6.3.2 離散信號的圖形表示 169 

6.3.3 直方圖與餅圖 170 

6.3.4 填充圖· 172 

6.3.5 箱線圖· 173 

6.3.6 對數坐標圖· 174 

6.3.7 誤差限圖· 175 

6.3.8 動態軌跡顯示 175 

6.3.9 二維動畫的顯示 176 

6.4 圖形窗口的操作與分割 177 

6.4.1 圖形窗口的操作 177 

6.4.2 圖形窗口的規範分割 178 

6.4.3 圖形窗口的任意分割 179 

6.5 隱函數繪制及應用 180 

6.5.1 二元隱函數的曲線繪制 181 

6.5.2 曲線的光滑處理 183 

6.5.3 二元聯立方程的圖解法 183 

6.6 圖像的顯示與簡單處理 185 

6.6.1 圖像的輸入· 185 

6.6.2 圖像的編輯與顯示 186 

6.6.3 顏色空間轉換 187 

6.6.4 邊緣檢測· 187 

6.6.5 直方圖均衡化 187 

6.7 MATLAB 圖形的輸出方法· 189 

6.7.1 圖形輸出菜單與應用 189 

6.7.2 打印預覽對話框 190 

6.7.3 圖形輸出命令 190 

本章習題 191

第7章三維圖形表示· 194 

7.1 三維曲線繪制· 195 

7.1.1 三維曲線繪制命令 195 

7.1.2 已知數學函數的三維曲線繪制· 196 

7.1.3 三維填充圖· 197 

7.1.4 三維直方圖與餅圖 198 

7.1.5 條帶圖· 200 

7.2 三維曲面繪制· 202 

7.2.1 網格圖與錶面圖 202 

7.2.2 錶面圖的陰影與光照 206 

7.2.3 其他錶面圖繪制 207 

7.2.4 圖像文件的三維錶面圖 209 

7.2.5 已知函數的錶面圖 210 

7.2.6 散點數據的錶面圖繪制 211 

7.3 三維圖形視角設置 212 

7.3.1 視角的定義· 213 

7.3.2 三視圖的設置 214 

7.3.3 任意視角的設置 214 

7.4 其他三維繪圖· 215 

7.4.1 等高線· 215 

7.4.2 曲面的交線· 216 

7.4.3 矢量圖· 219 

7.4.4 三元隱函數的繪圖 220 

7.4.5 隱函數曲面的交線 221 

7.4.6 參數方程的錶面圖 223 

7.4.7 復變函數的三維錶面圖 224 

7.4.8 球面與柱面· 225 

7.4.9 Voronoi圖與Delaunay剖分· 228 

7.5 三維圖形的特殊處理 230 

7.5.1 三維曲面的旋轉 230 

7.5.2 坐標軸變換的三維曲面 232 

7.5.3 三維圖形的剪切 232 

7.5.4 三維錶面圖貼面處理 233 

7.6 四維圖形繪制· 234 

7.6.1 三維動畫的製作與播放 234 

7.6.2 切片圖· 235 

7.6.3 體視化界面· 236 本章習題 238 

第8章MATLAB語言與其他語言的接口· 240 

8.1 C語言環境下提供的MATLAB變量格式及函數概述· 241 

8.1.1 編譯程序的環境設置 241 

8.1.2 Mex下的數據結構 242 

8.1.3 Mex文件的結構 243 

8.1.4 Mex文件的編寫方法與步驟· 246 

8.2 不同數據結構的Mex處理 248 

8.2.1 不同類型輸入輸出變元的處理· 248 

8.2.2 字符串變量的讀寫 249 

8.2.3 多維數組的處理 250 

8.2.4 單元數組的處理 251 

8.2.5 MAT 文件的讀寫方法· 252 

8.3 C程序中直接調用MATLAB函數 255 

8.4 MATLAB 函數的獨立程序轉換 259 

8.5 並行計算簡介· 260 本章習題 263 

第9章面向對象程序設計基礎 264 

9.1 面向對象編程的基本概念 265 

9.1.1 類與對象的概念 265 

9.1.2 類與對象數據結構 266 

9.2 類的設計· 267 

9.2.1 類的設計方法 268 

9.2.2 類的定義與輸入 268 

9.2.3 類的顯示· 270 

9.3 重載函數的編寫· 271 

9.3.1 加法的重載函數編寫 272 

9.3.2 合並同類項的化簡函數 273 

9.3.3 減法重載函數 274 

9.3.4 乘法重載函數 274 

9.3.5 乘方運算重載函數 277 

9.3.6 其他響應函數 278 

9.3.7 域的賦值與提取 279 

9.4 類的繼承與擴展· 279 

9.4.1 擴展類的定義與顯示 280 

9.4.2 ftf對象的連接重載函數 282 

9.4.3 分數階傳遞函數的頻域分析· 285 

本章習題 287 

第10章圖形用戶界面設計技術· 289 

10.1 MATLAB 語言圖形界面編程基礎· 290 

10.1.1 MATLAB 圖形界面中各對象的關系· 290 

10.1.2 窗口對象及屬性設置· 291 

10.1.3 窗口的常用屬性· 291 

10.1.4 對象屬性的讀取與修改· 291 

10.1.5 簡易對話框 294 

10.1.6 標準對話框及其調用· 296 

10.2 MATLAB 圖形界面設計基本組件

10.2.1  MATLAB 支持的基本組件· 300  

10.2.2  組件的常用屬性               · 301  

10.2.3  組件句柄的獲取               · 302  

10.2.4  組件的另一種描述方法 303 

10.3 App設計工具——AppDesigner303

10.3.1 App Designer 簡介 303

10.3.2 界面設計方法簡介· 305 

10.3.3App的輸入變元· 309 

10.3.4多窗口App設計· 312 

10.4 圖形用戶界面的高級技術· 314 

10.4.1 選項卡組的使用· 314 

10.4.2 菜單與工具欄的設計· 316 

10.4.3 ActiveX 組件的嵌入與編程 317 

10.5 程序打包與發布· 319 

10.5.1 App轉換為可執行文件· 319 

10.5.2 工具箱的打包處理· 321 

本章習題 322 

參考文獻· 324 

MATLAB 函數名索引· 326 

術語索引· 333