MATLAB从入门到实战（第2版）

"《MATLAB从入门到实战》（第2版）以MATLAB R2024a为平台，介绍MATLAB的基础知识、工具箱的应用领域及技术的扩展，让读者全面细致地掌握MATLAB软件。其中，第1~7章介绍MATLAB本身及该软件的使用功能，第8~13章介绍MATLAB的常用工具箱的应用，第14章介绍MATLAB的技术扩展。全书语言通俗易懂，内容丰富翔实，突出以实例为中心的特点，做到理论与实践相结合，让读者轻松、快捷地掌握MATLAB。
全书实用性强，应用范围广，可作为MATLAB初学者的学习用书，也可作为广大在校本科生和研究生的学习用书，还可作为广大科研人员、学者、工程技术人员的参考用书。

"

第一部分 MATLAB的软件基础
第1章 MATLABR2024a简述 …………………………………………………………………………… 3
1.1 MATLAB的发展史 ………………………………………………………………………………… 3
1.2 MATLAB的特点及应用 …………………………………………………………………………… 4
1.3 MATLABR2024a的新功能 ……………………………………………………………………… 5
1.4 MATLABR2024a的工作环境 …………………………………………………………………… 6
1.4.1 菜单/工具栏 ……………………………………………………………………………… 7
1.4.2 命令行窗口 ……………………………………………………………………………… 9
1.4.3 工作区 …………………………………………………………………………………… 10
1.5 MATLAB的通用命令 …………………………………………………………………………… 10
1.6 MATLAB的文件管理 …………………………………………………………………………… 11
1.6.1 工作文件夹窗口 ………………………………………………………………………… 11
1.6.2 搜索路径及其设置 ……………………………………………………………………… 12
1.7 MATLAB的帮助系统 …………………………………………………………………………… 13
1.7.1 纯文本帮助 ……………………………………………………………………………… 13
1.7.2 Demos帮助 ……………………………………………………………………………… 15
1.7.3 帮助导航浏览器 ………………………………………………………………………… 15
第2章 MATLAB计算基础 ……………………………………………………………………………… 16
2.1 变量与常量 ……………………………………………………………………………………… 16
2.1.1 变量命名规则 …………………………………………………………………………… 16
2.1.2 MATLAB变量的存取 …………………………………………………………………… 17
2.2 数据类型 ………………………………………………………………………………………… 17
2.2.1 整数数据类型 …………………………………………………………………………… 17
2.2.2 浮点数数据类型 ………………………………………………………………………… 19
2.2.3 字符串 …………………………………………………………………………………… 19
2.2.4 单元数组 ………………………………………………………………………………… 20
2.2.5 结构体 …………………………………………………………………………………… 22
2.3 数组运算 ………………………………………………………………………………………… 25
2.3.1 数组的创建与操作 ……………………………………………………………………… 25
2.3.2 常见的数组运算 ………………………………………………………………………… 27
2.4 矩阵操作 ………………………………………………………………………………………… 31
2.4.1 矩阵的生成 ……………………………………………………………………………… 31
2.4.2 矩阵的操作 ……………………………………………………………………………… 35








2.4.3 矩阵元素的数据变换 …………………………………………………………………… 38
2.5 数组索引 ………………………………………………………………………………………… 39
2.5.1 按位置索引 ……………………………………………………………………………… 40
2.5.2 线性索引 ………………………………………………………………………………… 41
2.5.3 逻辑索引 ………………………………………………………………………………… 42
第3章 MATLAB数值计算 ……………………………………………………………………………… 43
3.1 矩阵运算 ………………………………………………………………………………………… 43
3.1.1 矩阵的算术运算 ………………………………………………………………………… 43
3.1.2 矩阵的转置 ……………………………………………………………………………… 44
3.1.3 方阵的行列式 …………………………………………………………………………… 45
3.1.4 矩阵的逆与伪逆 ………………………………………………………………………… 45
3.1.5 矩阵或向量的范数 ……………………………………………………………………… 47
3.1.6 矩阵的条件数 …………………………………………………………………………… 49
3.1.7 矩阵的秩 ………………………………………………………………………………… 51
3.1.8 矩阵的迹 ………………………………………………………………………………… 51
3.2 矩阵的数理分析 ………………………………………………………………………………… 52
3.2.1 最大值与最小值 ………………………………………………………………………… 52
3.2.2 元素的查找 ……………………………………………………………………………… 53
3.2.3 元素的排序 ……………………………………………………………………………… 53
3.2.4 求和与求积运算 ………………………………………………………………………… 54
3.2.5 求累和与求累积运算 …………………………………………………………………… 55
3.2.6 标准差 …………………………………………………………………………………… 56
3.2.7 相关系数 ………………………………………………………………………………… 56
3.2.8 元素的差分 ……………………………………………………………………………… 57
3.3 矩阵的分解 ……………………………………………………………………………………… 58
3.3.1 Cholesky分解 …………………………………………………………………………… 58
3.3.2 LU分解 ………………………………………………………………………………… 60
3.3.3 QR分解 ………………………………………………………………………………… 62
3.3.4 Schur分解 ……………………………………………………………………………… 65
3.3.5 Hessenberg分解 ………………………………………………………………………… 66
3.3.6 SVD分解 ………………………………………………………………………………… 67
3.3.7 特征分解 ………………………………………………………………………………… 68
第4章 MATLAB程序控件 ……………………………………………………………………………… 70
4.1 程序结构 ………………………………………………………………………………………… 70
4.1.1 顺序结构 ………………………………………………………………………………… 70
Ⅷ








4.1.2 选择结构 ………………………………………………………………………………… 71
4.1.3 循环结构 ………………………………………………………………………………… 74
4.2 控制命令 ………………………………………………………………………………………… 77
4.2.1 continue命令 …………………………………………………………………………… 77
4.2.2 break命令 ……………………………………………………………………………… 78
4.3 MATLAB函数 …………………………………………………………………………………… 78
4.3.1 MATLAB函数的结构 …………………………………………………………………… 79
4.3.2 匿名函数 ………………………………………………………………………………… 81
4.3.3 内联函数 ………………………………………………………………………………… 82
4.4 变量的检测与传递 ……………………………………………………………………………… 84
4.4.1 输入/输出变量 ………………………………………………………………………… 84
4.4.2 可变数目的参数传递 …………………………………………………………………… 85
第5章 MATLAB可视化 ………………………………………………………………………………… 88
5.1 图形绘制基础 …………………………………………………………………………………… 88
5.1.1 离散函数 ………………………………………………………………………………… 88
5.1.2 连续函数 ………………………………………………………………………………… 89
5.2 二维基本绘图 …………………………………………………………………………………… 90
5.2.1 基本绘图函数 …………………………………………………………………………… 90
5.2.2 图形注释 ………………………………………………………………………………… 95
5.2.3 特殊二维图形 …………………………………………………………………………… 98
5.3 函数绘图 ………………………………………………………………………………………… 99
5.4 三维基本绘图 …………………………………………………………………………………… 101
5.4.1 三维曲线图 …………………………………………………………………………… 101
5.4.2 三维网格图 …………………………………………………………………………… 102
5.4.3 三维曲面图 …………………………………………………………………………… 103
5.4.4 特殊三维图形 ………………………………………………………………………… 104
5.5 四维绘图 ………………………………………………………………………………………… 106
5.5.1 用色彩表现函数特征 ………………………………………………………………… 106
5.5.2 切片图与切片等位线图 ……………………………………………………………… 108
第6章 MATLAB数据分析 …………………………………………………………………………… 110
6.1 多项式及其函数 ………………………………………………………………………………… 110
6.1.1 多项式的表达与创建 ………………………………………………………………… 110
6.1.2 多项式的四则运算 …………………………………………………………………… 111
6.1.3 多项式求导 …………………………………………………………………………… 112
6.1.4 多项式求值 …………………………………………………………………………… 113
Ⅸ








6.1.5 多项式求根 …………………………………………………………………………… 114
6.2 数据插值 ………………………………………………………………………………………… 115
6.2.1 一维插值 ……………………………………………………………………………… 115
6.2.2 二维插值 ……………………………………………………………………………… 120
6.2.3 三维插值 ……………………………………………………………………………… 124
6.3 数值积分 ………………………………………………………………………………………… 125
6.3.1 单变量的数值积分 …………………………………………………………………… 126
6.3.2 多重数值积分 ………………………………………………………………………… 128
6.4 多元统计分析 …………………………………………………………………………………… 130
6.4.1 判别分析 ……………………………………………………………………………… 130
6.4.2 因素分析 ……………………………………………………………………………… 134
6.4.3 方差分析 ……………………………………………………………………………… 138
6.5 假设检验 ………………………………………………………………………………………… 145
6.5.1 单个正态总体均值的假设检验 ……………………………………………………… 145
6.5.2 两个正态总体均值差的假设检验 …………………………………………………… 147
第7章 MATLAB符号运算 …………………………………………………………………………… 149
7.1 符号表达式 ……………………………………………………………………………………… 149
7.2 符号表达式的操作 ……………………………………………………………………………… 150
7.2.1 合并同类项 …………………………………………………………………………… 151
7.2.2 因式分解 ……………………………………………………………………………… 151
7.2.3 嵌套型分解 …………………………………………………………………………… 152
7.2.4 化简 …………………………………………………………………………………… 152
7.2.5 表达式的转换 ………………………………………………………………………… 152
7.2.6 提取分子分母 ………………………………………………………………………… 153
7.3 符号函数 ………………………………………………………………………………………… 154
7.3.1 反函数 ………………………………………………………………………………… 154
7.3.2 复合函数 ……………………………………………………………………………… 154
7.3.3 置换函数 ……………………………………………………………………………… 155
7.4 符号代数方程求解 ……………………………………………………………………………… 156
7.4.1 线性方程组的符号解 ………………………………………………………………… 156
7.4.2 符号代数方程求解 …………………………………………………………………… 157
7.4.3 符号微分方程求解 …………………………………………………………………… 159
7.5 符号积分变换 …………………………………………………………………………………… 160
7.5.1 傅里叶变换及其逆变换 ……………………………………………………………… 161
7.5.2 拉普拉斯变换及其逆变换 …………………………………………………………… 162
Ⅹ








7.5.3 Z变换及其逆变换 …………………………………………………………………… 163
第二部分 MATLAB的应用
第8章 MATLAB概率与数理统计工具箱 …………………………………………………………… 167
8.1 概率密度函数 …………………………………………………………………………………… 167
8.1.1 连续分布密度函数 …………………………………………………………………… 167
8.1.2 离散分布密度函数 …………………………………………………………………… 170
8.1.3 抽样分布密度函数 …………………………………………………………………… 173
8.2 概率分布 ………………………………………………………………………………………… 176
8.3 统计特征 ………………………………………………………………………………………… 178
8.3.1 集中趋势的统计量 …………………………………………………………………… 178
8.3.2 离中趋势的统计量 …………………………………………………………………… 180
8.3.3 自助统计量 …………………………………………………………………………… 183
8.3.4 中心矩 ………………………………………………………………………………… 184
8.3.5 相关系数 ……………………………………………………………………………… 185
8.3.6 协方差矩阵 …………………………………………………………………………… 186
8.3.7 偏斜度 ………………………………………………………………………………… 186
第9章 MATLAB数字图像处理工具箱 ……………………………………………………………… 188
9.1 图像处理的基础 ………………………………………………………………………………… 188
9.1.1 图像的表达方式 ……………………………………………………………………… 188
9.1.2 图像类型及存储方式 ………………………………………………………………… 189
9.1.3 图像的显示 …………………………………………………………………………… 191
9.2 图像的运算 ……………………………………………………………………………………… 194
9.2.1 图像的代数运算 ……………………………………………………………………… 194
9.2.2 图像的逻辑运算 ……………………………………………………………………… 196
9.2.3 图像的几何运算 ……………………………………………………………………… 197
9.3 图像的变换 ……………………………………………………………………………………… 202
9.3.1 傅里叶变换 …………………………………………………………………………… 202
9.3.2 离散余弦变换 ………………………………………………………………………… 206
9.3.3 Radon变换 …………………………………………………………………………… 208
9.4 图像的增强 ……………………………………………………………………………………… 209
9.4.1 灰度变换增强 ………………………………………………………………………… 209
9.4.2 线性滤波增强 ………………………………………………………………………… 211
9.4.3 空间域滤波 …………………………………………………………………………… 214
9.5 图像的边界 ……………………………………………………………………………………… 216

Ⅺ








9.5.1 边缘检测 ……………………………………………………………………………… 217
9.5.2 边界跟踪 ……………………………………………………………………………… 219
9.5.3 Hough变换检测直线 ………………………………………………………………… 220
9.6 形态学 …………………………………………………………………………………………… 222
9.6.1 膨胀 …………………………………………………………………………………… 223
9.6.2 腐蚀 …………………………………………………………………………………… 224
第10章 MATLAB信号处理工具箱 ………………………………………………………………… 225
10.1 信号、系统和信号处理的基本概念 ………………………………………………………… 225
10.2 连续信号的时域运算 ………………………………………………………………………… 226
10.2.1 信号的加(减)、乘运算 …………………………………………………………… 226
10.2.2 信号的反褶、移位、尺度变换 ……………………………………………………… 227
10.2.3 信号卷积 …………………………………………………………………………… 228
10.3 时域分析 ……………………………………………………………………………………… 230
10.3.1 脉冲响应 …………………………………………………………………………… 230
10.3.2 单位阶跃响应 ……………………………………………………………………… 231
10.4 频域分析 ……………………………………………………………………………………… 232
10.4.1 系统函数的定义 …………………………………………………………………… 232
10.4.2 系统的稳定性 ……………………………………………………………………… 234
10.5 频谱分析 ……………………………………………………………………………………… 234
10.6 谱估计 ………………………………………………………………………………………… 238
10.6.1 直接法 ……………………………………………………………………………… 239
10.6.2 间接法 ……………………………………………………………………………… 240
10.6.3 周期图法功率谱估计 ……………………………………………………………… 240
10.6.4 AR模型功率谱估计 ……………………………………………………………… 242
10.6.5 现代谱估计的非参数法 …………………………………………………………… 247
10.7 IIR滤波器 …………………………………………………………………………………… 252
10.7.1 经典IIR滤波器 …………………………………………………………………… 252
10.7.2 直接法IIR滤波器设计 …………………………………………………………… 259
10.8 FIR滤波器 …………………………………………………………………………………… 260
10.8.1 窗函数法设计FIR滤波器 ………………………………………………………… 260
10.8.2 约束最小二乘法设计FIR滤波器 ………………………………………………… 261
第11章 MATLAB小波分析工具箱 ………………………………………………………………… 263
11.1 小波分析概述 ………………………………………………………………………………… 263
11.1.1 小波变换 …………………………………………………………………………… 263
11.1.2 几种常用的小波 …………………………………………………………………… 264
Ⅻ








11.2 小波变换在信号中的应用 …………………………………………………………………… 267
11.2.1 小波分解在信号中的应用 ………………………………………………………… 267
11.2.2 小波变换在信号降噪中的应用 …………………………………………………… 270
11.2.3 小波变换在信号压缩中的应用 …………………………………………………… 272
11.3 小波变换在图像处理中的应用 ……………………………………………………………… 273
11.3.1 小波变换在图像压缩中的应用 …………………………………………………… 273
11.3.2 小波变换在图像降噪中的应用 …………………………………………………… 276
11.3.3 小波变换在图像平滑中的应用 …………………………………………………… 281
11.3.4 小波变换在图像增强中的应用 …………………………………………………… 282
11.3.5 小波变换在图像融合中的应用 …………………………………………………… 283
第12章 MATLAB偏微分方程工具箱 ……………………………………………………………… 287
12.1 偏微分方程的定解问题 ……………………………………………………………………… 287
12.2 偏微分方程的数值解 ………………………………………………………………………… 288
12.3 偏微分方程应用 ……………………………………………………………………………… 296
第13章 MATLAB最优化工具箱 ……………………………………………………………………… 298
13.1 最优化概述 …………………………………………………………………………………… 298
13.2 无约束最优化问题 …………………………………………………………………………… 299
13.2.1 单变量最优化问题 ………………………………………………………………… 299
13.2.2 无约束非线性规划问题 …………………………………………………………… 301
13.3 有约束最优化问题 …………………………………………………………………………… 305
13.3.1 线性规划问题 ……………………………………………………………………… 305
13.3.2 有约束非线性最优化问题 ………………………………………………………… 309
13.4 二次规划问题 ………………………………………………………………………………… 312
13.5 多目标规划问题 ……………………………………………………………………………… 313
13.6 最小化和最大化问题 ………………………………………………………………………… 317
第三部分 MATLAB的技术扩展
第14章 Simulink仿真与应用 ………………………………………………………………………… 323
14.1 Simulink的基本介绍 ………………………………………………………………………… 323
14.1.1 Simulink的特点 …………………………………………………………………… 323
14.1.2 Simulink的工作原理 ……………………………………………………………… 324
14.1.3 Simulink的启动 …………………………………………………………………… 325
14.1.4 Simulink模块的基本操作 ………………………………………………………… 326
14.1.5 子系统建立 ………………………………………………………………………… 329
14.1.6 配置仿真 …………………………………………………………………………… 330










14.2 动态系统的 Simulink仿真 …………………………………………………………………… 332
14.2.1 简单系统仿真 ……………………………………………………………………… 332
14.2.2 离散系统仿真 ……………………………………………………………………… 335
14.2.3 连续系统仿真 ……………………………………………………………………… 337
14.2.4 混合系统仿真 ……………………………………………………………………… 340
14.3 S-函数 ………………………………………………………………………………………… 343
14.3.1 S-函数的概述 ……………………………………………………………………… 343
14.3.2 S-函数的控制流程 ………………………………………………………………… 345
14.3.3 S-函数的回调方法 ………………………………………………………………… 346
14.3.4 编写 M 文件的 S-函数 …………………………………………………………… 347
14.3.5 M 文件 S-函数的实例 ……………………………………………………………… 349
14.4 Simulink的经典应用 ………………………………………………………………………… 354
14.4.1 Simulink在汽车领域中的应用 …………………………………………………… 354
14.4.2 Simulink在航空领域中的应用 …………………………………………………… 357
参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 366