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第一部分MATLAB基础知识3

第1章MATLAB概述3

1.1 MATLAB简介3

1.2 MATLAB的特点及应用领域4

1.3 MATLAB R2016a的工作环境5

1.3.1操作界面6

1.3.2命令行窗口6

1.3.3命令历史记录窗口10

1.3.4输入变量11

1.3.5当前文件夹窗口和路径管理13

1.3.6搜索路径14

1.3.7工作区窗口和数组编辑器16

1.3.8变量的编辑命令17

1.3.9存取数据文件18

1.4 MATLAB R2016a的帮助系统19

1.4.1纯文本帮助19

1.4.2演示帮助21

1.4.3帮助导航23

1.4.4帮助文件窗口23

1.4.5帮助文件索引窗23

本章小结24

第2章MATLAB基础25

2.1基本概念25

2.1.1 MATLAB数据类型概述25

2.1.2整数类型26

2.1.3浮点数类型28

2.1.4复数29

2.1.5无穷量（ Inf）和非数值量（NaN ）30

2.1.6数值类型的显示格式31

2.1.7确定数值类型的函数31

2.1.8常量与变量32

2.1.9标量、向量、矩阵与数组33

2.1.10字符串33

2.1.11运算符34

2.1.12命令、函数、表达式和语句36

2.2向量运算37

2.2.1向量的生成37

2.2.2向量的加减和数乘运算39

2.2.3向量的点、叉积运算39

2.3矩阵运算41

2.3.1矩阵元素的存储次序42

2.3.2矩阵元素的表示及相关操作42

2.3.3矩阵的创建45

2.3.4矩阵的代数运算51

2.4字符串运算57

2.4.1字符串变量与一维字符数组57

2.4.2对字符串的多项操作58

2.4.3二维字符数组60

本章小结61

第3章 数组62

3.1 MATLAB中的数组62

3.2数组的创建62

3.2.1创建空数组63

3.2.2创建一维数组63

3.2.3创建二维数组64

3.2.4创建三维数组65

3.2.5创建低维标准数组69

3.2.6创建高维标准数组70

3.3数组的属性71

3.3.1数组结构71

3.3.2数组大小71

3.3.3数组维度72

3.3.4数组数据类型73

3.3.5数组内存的占用74

3.4创建特殊数组74

3.4.1 0-1数组74

3.4.2对角数组75

3.4.3随机数组76

3.4.4魔方数组77

3.5数组操作77

3.5.1数组的保存和装载77

3.5.2数组索引和寻址78

3.5.3数组的扩展和裁剪80

3.5.4数组形状的改变85

3.5.5数组运算88

3.5.6数组的查找91

3.5.7数组的排序92

3.5.8高维数组的降维操作93

3.6多维数组及其操作94

3.6.1 多维数组的属性94

3.6.2多维数组的操作95

3.7关系运算和逻辑运算97

3.7.1关系运算97

3.7.2逻辑运算98

3.7.3常用函数101

本章小结102

第4章 矩阵103

4.1矩阵的基本特征参数103

4.1.1矩阵的基本参数103

4.1.2条件数、矩阵的稳定性104

4.1.3特征值和特征向量的基本概念106

4.2矩阵的生成106

4.2.1实数值矩阵输入107

4.2.2复数矩阵输入107

4.2.3符号矩阵的生成108

4.2.4大矩阵的生成109

4.3矩阵运算109

4.3.1矩阵分析109

4.3.2矩阵特征值和特征向量的计算113

4.4矩阵分解117

4.4.1 Cholesky分解118

4.4.2使用Cholesky分解求解方程组119

4.4.3不完全Cholesky分解119

4.4.4 LU分解120

4.4.5不完全RU分解122

4.4.6 QR分解122

4.4.7操作QR分解结果124

4.4.8奇异值分解124

4.5常用的数学函数125

4.5.1三角函数126

4.5.2指数和对数函数127

4.5.3复数函数129

4.6稀疏矩阵技术131

4.6.1基本稀疏矩阵131

4.6.2稀疏矩阵的函数134

本章小结137

第5章 符号运算138

5.1符号运算的基本概念138

5.1.1符号对象138

5.1.2创建符号对象与函数命令140

5.1.3符号常量142

5.1.4符号变量142

5.1.5符号表达式、符号函数与符号方程144

5.1.6函数命令findsym（）148

5.1.7数组、矩阵与符号矩阵150

5.2符号运算的基本内容151

5.2.1符号变量代换及其函数subs（）151

5.2.2符号对象转换为数值对象的函数153

5.2.3符号表达式的化简154

5.2.4符号运算的其他函数159

5.2.5两种特定的符号运算函数161

5.3符号微积分运算及应用163

5.3.1 MATLAB符号极限运算163

5.3.2符号函数微分运算166

5.3.3符号函数积分运算167

5.3.4符号卷积169

5.3.5符号积分的变换170

5.4符号矩阵及其运算172

5.4.1符号矩阵的建立与访问173

5.4.2符号矩阵的基本运算177

5.4.3符号矩阵的化简182

5.4.4符号矩阵的微分与积分185

5.4.5符号矩阵的Laplace变化186

5.5 MATLAB符号方程求解187

5.5.1 符号代数方程求解187

5.5.2符号微分方程求解191

5.6符号函数图形计算器194

5.6.1符号函数图形计算器的界面194

5.6.2符号函数图形计算器的输入框操作195

5.6.3符号函数图形计算器的按钮操作195

本章小结197

第二部分MATLAB数据处理201

第6章MATLAB二维绘图201

6.1数据图像绘制简介201

6.1.1离散数据可视化201

6.1.2连续函数可视化204

6.2二维图形的基本绘图命令206

6.2.1二维图形绘制步骤206

6.2.2二维图形基本绘图命令plot208

6.2.3快速方程式画图（fplot,ezplot）211

6.3二维图形的修饰213

6.3.1色彩、线型和点型213

6.3.2坐标轴的调整215

6.3.3刻度和分格线217

6.3.4设置坐标框218

6.3.5图形标识219

6.3.6图案填充222

6.4子图绘制法225

6.5特殊图形的绘制227

6.5.1特殊坐标图形的绘制227

6.5.2特殊二维图形的绘制231

6.6二维绘图的实际应用239

本章小结244

第7章MATLAB三维绘图245

7.1三维绘图基础245

7.1.1三维绘图基本步骤245

7.1.2三维绘图基本命令246

7.1.3三维坐标标记及图形标记249

7.2三维网格曲面250

7.2.1绘制三维曲面250

7.2.2栅格数据的生成255

7.2.3网格曲面的绘制命令258

7.2.4隐藏线的显示和关闭260

7.3三维阴影曲面的绘制261

7.3.1带有等高线的阴影曲面绘制262

7.3.2具有光照效果的阴影曲面绘制262

7.4三维图形的控制263

7.4.1设置视角位置263

7.4.2设置坐标轴265

7.5三维图形特殊处理266

7.5.1透视、裁剪和镂空266

7.5.2色彩控制268

7.5.3照明和材质处理271

7.5.4简洁绘图指令273

7.6特殊三维图形275

7.6.1螺旋线275

7.6.2抛物面277

7.6.3柱状图278

7.6.4柱体279

7.6.5饼状图281

7.6.6双曲面281

7.6.7三维等高线282

7.6.8三维离散序列图284

7.6.9其他图形284

7.7三维绘图的实际应用285

本章小结293

第8章 数据分析294

8.1插值294

8.1.1一维插值命令及实例294

8.1.2二维插值命令及实例297

8.1.3样条插值298

8.2曲线拟合300

8.2.1多项式拟合300

8.2.2加权最小方差（WLS）拟合原理及实例301

8.3曲线拟合图形界面303

8.3.1曲线拟合303

8.3.2绘制拟合残差图形305

8.3.3进行数据预测305

8.4傅里叶分析306

8.4.1离散傅里叶变换306

8.4.2 FFT和DFT308

8.5图像数据分析处理310

本章小结317

第9章 微积分方程318

9.1微分方程的基础及其应用318

9.1.1微分方程的概念318

9.1.2常微分方程的解319

9.1.3微分方程的数值解法325

9.1.4偏微分方程的数值解326

9.2积分方程的基础及其应用331

9.2.1 积分的有关理论331

9.2.2数值积分的MATLAB应用335

9.2.3高斯积分的MATLAB应用341

9.2.4反常积分的MATLAB应用342

9.2.5重积分的MATLAB应用349

9.3多种求积算法的分析比较352

9.3.1牛顿-科茨求积公式及其MATLAB实现352

9.3.2复化求积公式及其MATLAB实现354

9.3.3龙贝格求积公式及其MATLAB实现357

9.3.4高斯-勒让德求积公式及其MATLAB实现358

9.3.5各种求积公式的分析比较360

9.4 MATLAB求方程极值解362

9.4.1一元函数的极限362

9.4.2多元函数的极值364

本章小结366

第10章MATLAB优化367

10.1常见优化问题367

10.1.1无约束非线性优化367

10.1.2有约束规划376

10.1.3目标规划379

10.1.4最大最小化问题385

10.1.5线性规划388

10.1.6二次规划391

10.1.7多目标规划393

10.1.8非线性方程的优化解397

10.2最小二乘最优问题400

10.2.1约束线性最小二乘400

10.2.2非线性数据（曲线）拟合402

10.2.3非负线性最小二乘403

10.3代数方程的求解403

本章小结405

第11章 概率和数理统计406

11.1随机数的产生406

11.1.1二项分布随机数406

11.1.2泊松分布随机数407

11.1.3均匀分布随机数408

11.1.4正态分布随机数409

11.1.5其他常见分布随机数409

11.2概率密度函数411

11.2.1常见分布的密度函数作图411

11.2.2通用函数计算概率密度函数值415

11.2.3专用函数计算概率密度函数值416

11.3随机变量的数字特征417

11.3.1平均值、中值417

11.3.2数学期望419

11.3.3协方差及相关系数420

11.3.4矩和协方差矩阵421

11.3.5数据比较421

11.3.6方差423

11.3.7常见分布的期望和方差425

11.4参数估计425

11.4.1常见分布的参数估计426

11.4.2点估计428

11.4.3区间估计429

11.5假设检验430

11.5.1方差已知时的均值假设检验430

11.5.2正态总体均值假设检验431

11.5.3分布拟合假设检验433

11.6方差分析435

11.6.1单因子方差分析435

11.6.2双因子方差分析437

11.7统计图表的绘制437

本章小结443

第12章 函数444

12.1 M文件444

12.1.1 M文件概述444

12.1.2变量445

12.1.3脚本文件447

12.1.4函数文件447

12.1.5函数调用449

12.2函数类型452

12.2.1匿名函数452

12.2.2 M文件主函数453

12.2.3嵌套函数453

12.2.4子函数454

12.2.5私有函数455

12.2.6重载函数455

12.3参数传递455

12.3.1 MATLAB参数传递概述455

12.3.2输入和输出参数的数目456

12.3.3可变数目的参数传递457

12.3.4返回被修改的输入参数458

12.3.5全局变量459

本章小结460

第三部分MATLAB程序和GUI设计463

第13章MATLAB程序设计463

13.1 MATLAB的程序结构463

13.1.1 if分支结构463

13.1.2 switch分支结构464

13.1.3 while循环结构465

13.1.4 for循环结构466

13.2 MATLAB的控制语句468

13.2.1 continue命令468

13.2.2 break命令469

13.2.3 return命令470

13.2.4 input命令470

13.2.5 keyboard命令471

13.3 MATLAB文件操作471

13.4程序调试473

13.4.1程序调试命令473

13.4.2程序常见的错误类型474

13.5 MATLAB程序优化478

13.5.1效率优化（时间优化479

13.5.2内存优化（空间优化）479

13.5.3几个常用的算法程序485

本章小结492

第14章 经典智能算法的MATLAB实现493

14.1免疫算法的MATLAB实现493

14.1.1基本原理493

14.1.2程序设计494

14.1.3经典应用501

14.2小波分析算法的MATLAB实现508

14.2.1基本原理508

14.2.2程序设计509

14.2.3经典应用516

14.3 PID控制器的实现520

14.3.1 基本原理520

14.3.2经典应用522

本章小结536

第15章 图形用户界面537

15.1创建GUI对象537

15.1.1用M文件创建GUI对象537

15.1.2使用GUIDE创建GUI对象541

15.2定制标准菜单552

15.3编写回调函数554

15.4创建现场菜单555

15.4.1编写GUI的程序代码555

15.4.2演示GUI对象557

15.5 GUI对象的应用558

15.5.1控件区域框558

15.5.2静态文本框、滑动键、检录框示例559

15.5.3可编辑框、弹出框、列表框、按键示例561

本章小结563

第16章 神经网络GUI设计564

16.1人工神经网络基本原理564

16.2常规神经网络GUI565

16.3专业神经网络GUI569

16.3.1 神经网络拟合GUI570

16.3.2神经网络模式识别GUI576

16.3.3神经网络聚类GUI582

本章小结588

第四部分Simulink应用和MATLAB工具箱591

第17章Simulink基础591

17.1基本介绍591

17.1.1 Simulink工作环境591

17.1.2模块库介绍594

17.1.3 Simulink仿真基本步骤600

17.2模块操作600

17.2.1 Simulink模块类型600

17.2.2自动连接模块601

17.2.3手动连接模块602

17.2.4设置模块特定参数603

17.2.5设置输出提示604

17.3模型的创建605

17.3.1信号线操作605

17.3.2对模型的注释607

17.3.3常用的Source信源607

17.3.4常用的Sink信宿612

17.3.5仿真的配置615

17.3.6启动仿真616

17.4 Simulink系统仿真618

17.4.1仿真基础618

17.4.2输出信号的显示620

17.4.3简单系统的仿真分析620

本章小结622

第18章Simulink子系统623

18.1子系统介绍623

18.2条件执行子系统624

18.2.1使能子系统625

18.2.2触发子系统630

18.2.3触发使能子系统633

18.3自定义库操作634

本章小结635

第19章Simulink仿真与调试636

19.1仿真配置636

19.1.1求解器的概念636

19.1.2仿真的设置638

19.1.3诊断设置641

19.2优化仿真性能643

19.2.1提高仿真速度643

19.2.2提高仿真精度644

19.3模型调试645

19.3.1启动调试器645

19.3.2调试器的图形用户接口646

19.3.3调试器的命令行接口647

19.3.4调试器命令648

19.4显示模型信息649

19.4.1显示模型中模块的执行顺序649

19.4.2显示模块650

本章小结652

第20章 神经网络工具箱653

20.1神经网络MATLAB工具箱653

20.1.1感知器工具箱的函数653

20.1.2线性神经网络工具箱函数660

20.1.3 BP神经网络工具箱函数667

20.1.4 RBF网络工具箱函数672

20.1.5 Hopfield网络工具箱函数676

20.1.6竞争型神经网络工具箱函数681

20.2神经网络Simulink工具箱695

20.3经典应用698

20.3.1遗传算法优化神经网络698

20.3.2基于Simulink的神经网络控制系统704

本章小结713

第21章 信号处理工具箱714

21.1信号处理工具箱建模714

21.2信号的产生716

21.2.1锯齿波、三角波和矩形波发生器717

21.2.2周期sinc波718

21.2.3高斯调幅正弦波719

21.2.4调频信号720

21.2.5高斯分布随机序列721

21.3随机信号处理722

21.3.1随机信号的互相关函数722

21.3.2随机信号的互协方差函数724

21.3.3谱分析——psd函数724

21.3.4谱分析——pwelch函数726

21.4模拟滤波器设计727

21.4.1巴特沃斯滤波器727

21.4.2切比雪夫Ⅰ型滤波器728

21.4.3切比雪夫Ⅱ型滤波器729

21.5 IIR数字滤波器设计730

21.5.1巴特沃斯数字滤波器设计731

21.5.2切比雪夫Ⅰ型数字滤波器设计731

21.5.3切比雪夫Ⅱ型数字滤波器设计733

本章小结735

第22章 图像处理工具箱736

22.1查看图像文件信息736

22.2显示图像737

22.2.1默认显示方式738

22.2.2添加颜色条738

22.2.3显示多帧图像739

22.2.4显示动画739

22.2.5三维材质图像740

22.3图像的灰度变换741

22.3.1图像的直方图741

22.3.2灰度变换741

22.3.3均衡直方图743

22.4图像处理工具箱的应用744

22.4.1道路图像阈值分割问题744

22.4.2基于遗传神经网络的图像分割753

本章小结757

附录A MATLAB基本命令758

附录B Simulink基本模块762

参考文献764