MATLAB数据处理入门.ppt
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第1章MATLAB数据处理入门 1 1数值矩阵的建立与基本操作 1 2基本数学运算与常用函数 1 3数据图形化的常用指令与图形的简单修饰 1 4运算流程的控制与指令集的函数化 1 0MATLAB工作环境简介 1 0MATLAB工作环境简介 运行MATLAB系统安装程序setup exe 按照安装提示 一 安装MATLAB 二 启动与退出MATLAB 三 MATLAB主界面简介 当MATLAB安装完毕并首次启动时 展现在屏幕上的 界面为MATLAB的默认主界面 如下图所示 双击桌面快捷方式图标即可启动MATLAB 依次操作 单击主窗口的 关闭 按钮即可退出MATLAB 命令窗口 CommandWindow 工作空间窗口 Workspace 命令历史窗口 CommandHistory 当前目录窗口 CurrentDirectory 启动平台窗口 LaunchPad 菜单栏 工具栏 Workspace工具栏 命令窗口 命令窗口是MATLAB 的主要交互窗口 用于 输入命令并显示除图形 以外的所有执行结果 MATLAB命令窗口中 的 为命令提示符 表示MATLAB正在处于准 备状态 在命令提示符后键入命令并按下回车键后 MATLAB 就会解释执行所输入的命令 并在命令后面给出计算结果 存和删除 将用户目录纳入MATLAB系统统一管理 工作空间窗口 亦称 内存变量浏览器 工作空间是MATLAB 用于存储各种变量和 结果的内存空间 在 该窗口中显示工作空 间中所有变量的名称 大小 字节数和变量 类型说明 可对变量 进行观察 编辑 保 当前目录窗口 用户可以将自己的工作目录列入MATLAB搜索路径 从而 四 Notebook的启动 在CommandWindow中运行指令notebook setup 按照 提示安装Notebook 首次使用Notebook 可在CommandWindow中运行指令 notebook 即可启动Notebook 在Word中添加了一个新的 文档模板M book M book模板为用户提供了在Word环境下使用MATLAB的 功能 该模板定义了Word与MATLAB进行通讯的宏指令 文档 样式和工具栏 当调用该模板时的Word界面和通常的Word 界面主要有两点区别 在菜单栏中多了一个Notebook菜单项 Notebook的许 多操作都可以通过该菜单项的命令来完成 在 文件 菜单项下多了一个NewM book命令项 如果 在M book模板下要建立新的M book文档 可以选择该命令 五 在Notebook中使用MATLAB命令 最简单的的方法是 在文档中输入MATLAB命令 用鼠标选中命令行 按组合键Ctrl Enter执行所选命令 命令行就变成了 绿色 称为 输入单元 命令的执行结果 蓝色 输出 称为 输出单元 执行的结果是 关于MATLAB的工作环境的更多介绍 关于Notebook使用方法的更多介绍 1 1数值矩阵的建立与基本操作 1 1 1数值矩阵的建立 一 直接输入法 赋值语句的基本结构是 变量 赋值表达式 矩阵 数据列表 矩阵定义符 赋值表达式 任何合法的MATLAB表达式 排列成m行n列的数据 行用分号 区分 行中元素用逗号 或一空格 区分 英文字母引导的 由字母 数字和下划线组成字符串命名 对字母的大小写敏感 特别的 建立二维数值矩阵的基本格式是 二 文件装载法 对于大规模的矩阵 通常预先编写数据文件存盘 然后 MATLAB系统的 内存变量编辑器 ArrayEditor 工具 方法 在指令窗口中向指定的新变量赋 空 矩阵 如byk 在 内存变量浏览器 Workspace 中双击该变量 启 在 内存变量编辑器 弹出的空白表格中 每一个单元 保存该变量为数据文件 如文件名为byk 保存到用 调用 loadbyk 在需要调用这个数据文件时 只需运行指令 使用 load 语句读入数据 动 内存变量编辑器 格对应矩阵的一个元素 填写具体数值 户指定的工作目录下 三 函数生成法 使用构造特殊矩阵的MATLAB函数向系统输入数据 使用MATLAB函数的方法称为函数的调用 MATLAB函数调用语句的基本结构是 返回变量列表 函数名 输入变量列表 常用的构造特殊矩阵的函数有 函数功能 函数及调用格式 Z zeros r c 生成元素全为0的r c矩阵Z O ones r c 生成元素全为1的r c矩阵O D diag x 生成以向量x的元素为对角元的对角矩阵D E eye r c 生成对角线为1其它元素为零的r c矩阵E 建立数值矩阵的MATLAB实例 1 1 2矩阵的基本操作 矩阵元素的寻访与修改 使用MATLAB进行数据处理所必须的基本技能 矩阵的裁剪 提取某些行 列 或删除某些行 列 矩阵的拼接 已知矩阵的扩展 或几个矩阵合并成一个 矩阵的基本操作MATLAB实例 新矩阵 1 2基本数学运算与常用函数 1 2 1基本数学运算 一 矩阵的代数运算 MATLAB语言提供了如下矩阵代数运算的运算符 转置 加法 减法 乘法 乘幂 左除 右除 上述运算遵循线性代数教程中的相关定义 转置 指矩阵的共轭转置 矩阵的左除 和右除 的含义是 说明 XA B的解是A右除B 即X B A 等价于X BA 1 AX B的解是A左除B 即X A B 等价于X A 1B 设A是可逆矩阵 则 二 矩阵的标量批处理运算 MATLAB在需要的时候可以将矩阵视为普通的行列排列整 矩阵与数组在形式上是一样的 但却是两个不同的概念 当对一个矩阵 数组 施行标量批处理运算时 这个矩 MATLAB语言提供了如下标量批处理运算的运算符 转置 乘法 乘幂 左除 右除 说明 俗称 点运算 规则是两个数组对应元素之间的运算 标量批处理运算要求数组的维数相同 这里的转置 是非共轭转置 齐的数据集合 通常称为数组 阵就是失去了线性代数中矩阵的意义而成为一个数组了 三 矩阵的关系运算 当关系运算作用于两个同型矩阵时 是两个矩阵的对应 MATLAB语言提供了如下关系运算符 关系运算是在两个数值之间进行比较 当给定的关系 当关系运算作用于一个标量与一个矩阵时 是标量与矩 系假 成立时返回数值1 表示关系真 否则返回数值0 表示关 的由0与1构成的矩阵 阵的每一个元素进行比较 返回一个与参与运算的矩阵同型 元素之间进行比较 返回一个由0与1构成的同型矩阵 符号 意义 小于 大于 不大于 不小于 等于 不等于 语法 A B A B A B A B A B A B 0 四 矩阵的逻辑运算 当逻辑运算作用于两个同型矩阵时 运算在两个矩阵的 MATLAB语言提供了如下逻辑运算符 逻辑运算也是在两个数值之间进行的 运算过程中将 当逻辑运算作用于一个标量与一个矩阵时 运算在标量 MATLAB关于运算优先级的规定与数学中的规定是一致的 0 A B 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 基本数学运算的MATLAB实例 符号 意义 与 或 非 语法 A B A B A 任何非零元素视为1 真 同型的由0与1构成的矩阵 与矩阵的每一个元素之间进行 返回一个与参与运算的矩阵 对应元素之间进行 返回一个由0与1构成的同型矩阵 标量函数主要包含基本的数学函数 如三角函数 双曲 1 2 2统计数据处理常用的函数 一 标量函数 MATLAB提供了大量的函数 种类繁多 按照函数的使用 标量函数的实质是矩阵元素的批处理运算 这些函数作 方法可以分为标量函数 向量函数和矩阵函数三种类型 实质上是矩阵的元素 用于矩阵时 是作用于矩阵的每一个元素 即函数的自变量 函数 指数函数 对数函数 取整函数等等 docsqrt 统计数据处理中常用的标量函数有 调用格式可通过doc指令查询MATLAB系统帮助 如 函数 功能描述 abs 求绝对值 sqrt 求平方根 exp pow2 求以e 2为底的指数 log10 log log2 求以10 e 2为底的对数 sign 符号函数 gamma 函数 round 4舍5入取整 ceil 向 取整 向0取整 fix floor 向 取整 设f是MATLAB的向量函数 仅当其作用于向量x时才有意义 向量函数也可以作用于矩阵 此时其作用对象是矩阵的列 二 向量函数 统计数据处理中常用的向量函数有 各种统计量的计算函数也都是向量函数 函数 功能描述 sum 求向量元素的和 cumsum 求向量元素的累积和 prod 求向量元素的积 cumprod 求向量元素的累积积 max 求向量元素的最大值 min 求向量元素的最小值 length 查询向量的维数 对向量元素的排序操作 sort 向量 运算的结果是一个行向量 三 矩阵函数 设f是MATLAB的矩阵函数 即当f作用于矩阵A时 遵循 MATLAB的矩阵函数按其作用可区分为 统计数据处理几个常用矩阵处理函数 函数 功能描述 reshape 改变矩阵的型 将矩阵拉直为向量 或相反 fliplr 左右翻转矩阵 flipud 上下翻转矩阵 rot90 90度旋转矩阵 tril 取矩阵的下三角部分 triu 取矩阵的上三角部分 矩阵生成与处理函数 矩阵计算与线性方程组解算函数 线性代数中有关矩阵运算的规则 统计数据处理常用的矩阵函数有 函数 功能描述 size 求矩阵的行与列的维数 det 求矩阵的行列式 rank 求矩阵的秩 norm 求矩阵的范数 inv 求矩阵的逆矩阵 pinv 求矩阵的广义逆矩阵 eig 求矩阵的特征值与特征向量 eigs 求矩阵某些特定的 如最大 特征值及相应的特征向量 常用函数功能的MATLAB例说 1 3数据图形化的常用指令与图形的简单修饰 1 3 1数据图形化的常用指令 一 数据图形化的几个常用指令简介 pie指令 pie y explode 绘制由数据向量y 表示各个因素所占的百分比 所 参数explode是一个与y的维数相同的由数字0和1构成 指令pie3绘制三维立体圆饼图 调用格式与pie相同 参数explode可以缺省 扩展 说明 功能 格式 定义的圆饼图 形从圆饼图形中分离出来 的向量 其作用是当其某个元素为1时 将对应的扇 bar指令 格式 bar x y option 功能 绘制以向量x各个元素为横坐标 以向量y的各个 说明 向量x可以缺省 此时x 1 2 3 在x缺省时 参数option取值为stacked时绘制累加式条形图 以矩阵y 参数option取值为grouped时绘制分组式条形图 以矩阵y 参数option也可设置颜色 详见 图形的简单修饰 指定向量x时option只能引用颜色参数 扩展 指令barh绘制水平放置的条形图 指令bar3绘制三维立体的垂直放置的条形图 指令barh3绘制三维立体的水平放置的条形图 调用格式均与bar类似 对应元素为纵坐标所定义的条形图 的各列向量的累加值为各矩形条的纵坐标 的第k行数据为第k组中各矩形条的纵坐标 plot指令 格式 plot x y option 功能 在二维直角坐标平面上绘制由向量x和y的对应元素为 说明 向量x可以缺省 此时x 1 2 3 参数option的取值是表示线型 数据点标识 颜色的1 参数option可以缺省 扩展 指令plot3绘制3维点线图 调用格式与plot类似 经常与plot指令配合使用的还有指令line 其最简单的 坐标的数据点或连接各个数据点的折线 个或几个符号 具体取值详见后面的 图形的简单修饰 为plot图形中补充 添加辅助线 对应坐标标识出的数据点之间的折线 通常用line指令 调用格式是line x y 功能是绘制出由向量x和y的 二 多窗口绘图与点线图的单窗口多图方法 指令subplot m n p 的功能是将当前图形窗口分割 多窗口绘图方法 subplot指令能够将当前的图形窗口分割成若干个子 格式 功能 subplot m n p 撤销分割的方式是运行指令clf或subplot 1 1 1 子窗口的编号是从1至m n 先上后下 先左后右 m和n的最大取值是9 即最多允许9 9的分割 成m行n列 并且现在正准备在第p个子窗口绘图 窗口 实现在每个子窗口分别绘制不同的图形的目的 点线图的单窗口多图方法 由plot指令的如下两种调用格式实现的 plot x Y 这是一种简捷的调用格式 矩阵Y的行 列 维必须与 plot x1 y1 option 1 xn yn option n 这是一种细腻的调用格式 向量xk与yk等长 k 1 2 n 批命令方式 参数option k的取法同前 向量x的长度相等 不同的k 向量长度可以不相等 追加式方式 要求plot指令与holdon off指令配合使用 方法是 holdoff 指令plot执行时首先对当前图形窗口清屏 然后绘制图形 在图形窗口只保留最新的plot图形 在当前图形窗口中追加新plot图形 首先要由holdon holdoff指令的作用是是解除holdon指令 plot holdon plot 指令通知系统保留当前图形窗口中的图形 1 3 2图形的简单修饰 一 点线图中的线型与数据点的标记 图形中的颜色 绘制点线图时 可以根据需要对线型 数据点标记及其 在绘图过程中 为使图形更加美观 易读 对图形进行 线型与参数取值 线型 实线 默认 点线 点划线 虚线 Option值 颜色作出选择 一些简单的修饰是必要的 数据点形状与参数取值 颜色与参数取值 数据点形状 Option值 实心点 默认 加号形 雪花形 乘号形 x 空心圆形 o 数据点形状 Option值 空心正方形 s 空心菱形 d 空心三角形 v 空心五角星 p 空心六角星 h 颜色 Option值 蓝 默认 b 洋红 m 蓝绿 c 黄 y 红 r 绿 g 白 w 黑 k 二 图形的标记 图形的标记主要包括下列内容 设置图形标题 设置坐标轴名称 添加图例 添加注释文字 下面介绍相关指令 title指令 格式 title string 功能 设置图形标题 说明 在所画图形的最上端显示说明该图形标题的 字符串string xlabel ylabel指令 格式 xlabel string ylabel string 功能 设置坐标轴名称 说明 xlabel string 指令将字符串string水平放置 ylabel string 指令将字符串string垂直放置 于横轴下方 以说明横轴数据的意义 于纵轴左侧 以说明纵轴数据的意义 legend指令 格式 legend string1 string2 string3 option 功能 添加图例 说明 为图形按绘图的先后次序 用对应顺序的字符串 参数option可以省略 此时图例自动放置在图形视窗 string添加图例 之内 当option 1时 表示强行将图例放置到图形 视窗之外 text指令 格式 text x y string cs 功能 添加注释文字 说明 在图形的指定坐标位置 x y 处 添加由字符串 如不给出该选项 则 x y 坐标的度量单位与图形中数据单位一致 如果给出该选项 则 x y 坐标表示规范化图形窗口的相对坐标 cs是可选的引用参数 在使用上述标记指令时 可以对字符串string所给出的文字 string所给出的注释文字 其变化范围是0 1的实数 图形窗口的左下角坐标为 0 0 右上角坐标为 1 1 在字符串string所给出的注释文字前 单引号内 添加控制参数 number的取值为整数 缺省值为10 fontsize number 字号的大小进行控制 其设置方法是 数据的图形化MATLAB实例 1 4 1运算流程的控制 1 4运算流程的控制与指令集的函数化 for end循环结构 语法 fori a k b end 说明 for循环结构的执行与C VB语言相似 i为循环变量 a为循环初值 k为步长 b为循环终值 commands为循环体 if end分支结构 语法 if end 语法 if else end 语法 if elseif else end 说明 分支结构的执行与C VB语言相似 expression是关系或逻辑判断语句 其它控制程序流程的指令 while end循环结构 switch case end开关结构 try catch end探试结构 1 4 2指令集的函数化 无论是计算还是绘图 都是根据问题的需要按照一定的顺 保存指令集为MATLAB语言的可执行文件 称为m 脚本文件 文件名是一条可执行的 用户自定义指令 以后若再次执 M 脚本文件运行中所处理的数据及返回数据均在MATLAB的 适宜小规模计算或编写大规模计算程序的主程序 序使用有关指令 这些指令构成了解决某一特定问题的指令集 件名并运行即可 行这一指令集 只需在指令窗口或Notebook环境中键入这个文 工作内存 Workspace 中 一 m 脚本文件 二 m 函数文件 如果问题的规模较大 结构化程度高 相关算法在同类问 用户自定义的m 函数同MATLAB系统函数一样可以在需要 除预先定义的全局 输入 输出 变量在MATLAB的工作内存 文件称为m 函数文件 通常用于子程序的编写 指令进行函数化处理 规划和确定输入 输出参数 此类可执行 题中可重复使用时 则应当对相应的MATLAB指令集由function 时重复调用 与m 脚本不同 m 函数运行中所处理的数据及返回数据 临时的局部变量空间 时的局部变量空间中 该函数运行结束时系统自动删除这一 Workspace 中 其余均在调用该函数时系统自动开辟的临 m 文件的编写通常在MATLAB程序编辑器 Editor 中 m 脚本文件与m 函数文件是MATLAB语言程序设计的两 若是在Notebook环境中已经编写出m 文件 则可将文 m 脚本文件和m 函数文件的编写 除m 函数文件必须 三 m 文件的编写环境 要有由 function 引导的函数申明行外 其它要求一样 保存 件中的全部指令复制 粘贴到程序编辑器 调试无错误即可 序编辑器 进行 单击 NewM File 图标 或菜单选项 即可开启程 种源程序文件格式 统称m 文件 文件的扩展名均为m 遵循m 函数文件的编写要求 可以将用户程序文件纳入 四 m 函数文件编写规范 函数申明行 function 返回变量列表 funname 输入变量列表 H1 关键词 行 FUNNAME 大写体函数名 关键词描述的函数功能 在线帮助文本区 输入 输出变量的意义 调用格式说明 算法说明等 隔离行 无任何标记的空行 编写与修改记录 编写者姓名 编写日期 修改日期等 隔离行 无任何标记的空行 函数体 Matlab命令集 为增强程序的可读性 在函数体中可 m 文件编写实例 配置适当的空行和 引导的注释 MATLAB系统进行管理 1 4 3m 文件的保护 m 脚本文件和m 函数文件均由ASC 码构成 可以由任何 为防止有人擅自修改这个文件 可进行伪编译转化为二进 伪编译生成的文件称为P代码文件 即文件的扩展名为p 生成P代码文件的指令是pcode 其使用方法是 pcodeFunName inplace 在m 函数文件FunName m所在的目录上生成FunName p 内存中P代码文件列表与清除 inmem clearFunName clearfunctions m 文件伪编译实例 列出内存中所有P代码文件 清除内存中FunName p文件 清除内存中所有P代码文件 一种纯文本文件编辑器查看或修改文件的源代码 制代码 不仅将文件保护起来 还可以提高程序的运行速度- 配套讲稿:
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- MATLAB 数据处理 入门
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