【MATLAB】（一）基本使用入门
本文目录
- 前言
- 声明
- 一、MATLAB简介（基本来自课程内容）
- 二、入门操作
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- 2.1 命令窗口（Command Window）
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- 2.1.1 基本介绍
- 2.1.2 基础指令
- 2.1.3 常用操作
- 2.2 编辑器窗口（Editor Window）
- 三、基本运算和函数
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- 3.1 预定义的变量
- 3.2 符号
- 3.3 符号变量的声明
- 3.4 输入输出函数
- 3.5 常用数学函数总结
- 3.6 逻辑运算
- 四、绘图
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- 4.1 二维函数图像
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- 4.1.1 已知点集——[plot函数](https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/ref/plot.html?searchHighlight=plot&s_tid=srchtitle)
- 4.1.2 符号函数——[ezplot函数](https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/ref/ezplot.html?s_tid=doc_ta) 、 [fplot函数](https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/ref/fplot.html)
- 4.1.3 图像处理
- 4.1.4 图像导出
- 4.2 极坐标图 —— [polar函数](https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/ref/polar.html?s_tid=doc_ta)
- 4.3 三维图形
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- 4.3.1 空间曲线图 —— [plot3](https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/ref/plot3.html?s_tid=doc_ta)
- 4.3.2 空间曲面
- 4.4 特殊图形
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- 4.4.1 填充类图形
- 后续教程
前言
MATALB作为工科生几乎都会用到的科学计算软件，大部分大学应该都会购买其版权，因此安装这个软件的人不在少数，即使它占用了15G+的存储空间。但是我发现其实很多人都不会用这个软件，因为安装的时候就是抱着 “我之后可能会用到，先装以备后用” 的心态安装MATLAB，而我当时就是这样的心态。
这两年，前前后后也接触了不少MATLAB的教程，也遇到过很多需要使用的场景，但是发现一个很严重的问题，那就是一段时间不用，之前记住的命令又忘了，于是趁着这个学期学了数学实验课，加上之前学习的一些课程，想简单地以课程为主线总结一下MATLAB的使用，以作备忘。同时穿插一些课程的知识，就当作再次复习一遍了。
之后如果接触了其他需要使用Matlab的课程，也会继续更新。
其他资料可以参考MATLAB中文论坛
声明
本博客大部分内容来自课程《数学实验》，（少部分来自其他教程）因此本博客不作任何商用，感兴趣的同学欢迎加入MOOC的学习，这是课程链接
一、MATLAB简介（基本来自课程内容）
数学类科技应用软件包括数值计算（Number Crunching）型软件和数学分析（Math Analysis）型软件
- 数值计算型软件
它们对大批数据具有较强的管理、计算和可视化能力，运行效率高。代表软件有Matlab，Xmath，Gauss，Mlab等。 - 数学分析型软件
它们以符号计算见长，并可得到解析符号解和任意精度解，但处理大量数据时运行效率低。代表软件有Mathematica，Maple等。
概括来说，Matlab有五大功能：
对于非计算机专业学生来说，在很多时候，需要完成一个任务时，往往会优先选择Matlab，而不是用某一门编程语言来编程序解决，我认为一个重要的原因就在于Matlab的操作界面非常友善，编程的效率更高，易学易用。
下面对Matlab的界面做一个简单的介绍。
如果需要完成比较复杂的任务，也可以在所在的工作文件夹下，右键，新建，脚本，建立.m文件，相当于C语言里面的.c和.cpp文件，然后双击.m文件就会在命令行上方弹出编辑器窗口，拉动边界可以调整命令行和编辑器的大小，如果按住窗口上方往外拖，还可以实现编辑器单独窗口。
接下来对工具栏和菜单栏做一个简单的介绍。
- 文件栏主要是对脚本文件的操作
- 变量栏主要是对工作区变量的操作，但一般用得很少，因为如果要查看变量可以直接在工作区双击即可查看
- 环境部分要注意预设和设置路径两个按钮，预设就相当于是设置，可以调节界面，字体，显示语言等；设置路径是在添加第三方工具包的时候需要用到，可以理解为添加插件
这个工具栏是针对编辑器的，也就是打开编辑器就会自动弹出。这个界面主要是对代码的各种操作
- 注释：快捷键为CTRL+R
- 取消注释：快捷键为CTRL+T
- 运行节：相比于其他的IDE中需要选中某段代码才能实现运行部分代码，Matlab提供了一种高效的方式，即设置分节符 %%（后面记得加个空格），则用光标选中某个节即可运行某一节代码。
- 设置断点：Matlab设置和VSC一样非常方便，只需要在代码左边点击一下出现红点即可
- 清除断点：点击断点下的那个三角形，就可以选择清除所有断点。
二、入门操作
2.1 命令窗口（Command Window）
2.1.1 基本介绍
新手入门时最先接触的一定是命令窗口，它最大的特点就是所见即所得，也就是在命令行中随意输入一个命令，按下回车键，即可得到其运算结果，速度非常快，如下所示：
输入“1+1”，再按下回车，即可得到运算结果2，这里ans是answer是缩写，可以认为是系统自带的一个变量，会不断更新。
需要注意的是，随着命令行的输入，在右侧工作区（参考简介中的界面图）会自动添加运算过程中出现的变量，比如此时右边就出现了一个ans的变量，并显示值为2.
注意：这些变量如果不清理会一直存在，且其值也一直保持不变，除非在命令行中对变量进行重新赋值。另外，如果变量是一个矩阵，则不会显示具体的值，而是会显示矩阵的大小。
命令行回车即显示结果，那可不可以不显示呢？当然可以，只要在最后加上一个英文的分号即可。
2.1.2 基础指令
再介绍一些使用频率较高的基础指令：
- demo ：输入demo直接回车可以弹出安装在本地的帮助文档，当然，也可以用浏览器访问在线的帮助文档——Matlab在线帮助文档，善用搜索功能！
- help ：查找具体函数或算法的利器！等同于命令doc，使用方法就是help加上需要查找的内容。
类似命令：helpwin （简化版的help）和helpdesk（单独使用，定位到帮助文档首页） - clc ：清除命令窗口的内容（类似于串口终端的清屏功能）
- clear ：清理右边工作区的变量（慎用！注意与clc区分！）
- format ：设置数据的格式，如下图所示：
另外还有format rat表示运算结果用分数表示。 - ver ：单独使用，查看MatLab和Windows版本。
- who ：显示当前所有变量的名字
- whos ：显示当前所有变量的详细信息。
- pack ：整理工作间的内存
- load ：从文件中导入工作区（一般是mat后缀的文件）
- save ：把工作区的所有变量存入文件中，一般都保存为mat后缀的文件
- what ：显示指定的Matlab文件。
- lookfor ：在help中搜索关键字（排序原则是将包含搜索内容的按数字母排序）
- which ：定位函数或文件
- path ：获取或设置搜索路径
- echo ：命令回显
- cd ：改变当前的工作目录
- pwd ：显示当前的工作目录（这个普适性很强）
- dir ：显示目录内容
- unix ：执行unix命令
- dos ：执行dos命令
- ！：执行操作系统命令
- computer ：显示计算机类型。
2.1.3 常用操作
a. 手动更改变量
如果不想通过命令修改，也可以双击变量，会自动弹出一个类似于Excel的变量界面，可以查看或修改变量。
b. 前后指令复用
当你想在命令行中反复运算一个非常复杂的表达式时，如果不想每次都重新输入一遍怎么办？可以选择复制粘贴，但MatLab提供了一个更好用的方法，那就是通过上下键选择之前输入过的指令，这也是非常常用的功能。
c. 终止当前运算
当你不小心写了一个死循环或者运行了一个庞大的数据文件发现 左下角状态栏 一直显示正忙，想要终止运行又不想关掉软件，就可以使用进程终止操作，Ctrl + C ；另外，如果想关掉Matlab。可以在命令行中输入 Exit 或 Quit ，和点右上角的叉效果相同。
2.2 编辑器窗口（Editor Window）
编辑器窗口是用来创建.m脚本文件的，和命令行窗口的区别就像是VS Code的文本编辑和终端输入。调出的方法就是在菜单栏中点击新建即会自动弹出一个编辑器窗口：
如果选择保存，会默认保存在左侧的当前文件夹中，类似于一个工作区。
但是需要注意的是，MATLAB的脚本文件的命名也有讲究：
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文件名命名要用英文字符，首字符不能是数字或下划线；
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文件名不能与matlab的内部函数名相同。 m文件名的命名尽量不要是简单的英文单词，最好是由大小写英文/数字/下划线等组成。原因是简单的单词命名容易与matlab内部函数名同名，结果会出现一些莫名其妙的错误；
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文件存储路径最好为英文路径。如果用带有中文的路径，某些情况下会出问题。
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m文件名中不能有空格。若需要用两个或以上单词组合作为文件名，各单词必须直接连接组合（可以把每个单词首字母大写以作区分，或者使用下划线）。如random walk，应该写成RandomWalk或者Random_Walk。
以上参考链接：https://blog.csdn.net/soya_soya/article/details/8778273
那么接下来就是编程的环节了，MATLAB脚本语言非常容易上手，但凡有一点C语言或Python的基础差不多就可以了。为方便有编程基础的快速入门，这里只介绍一些和C语言中不一样的地方吧
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变量的命名 ：只能以字母开头（C语言还可以以下划线开头），且最多不超过19个字符。
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全局变量
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循环结构：在MatLab中，循环不使用 { } ，而是用end表示循环的结束（不要求缩进），而且if 或while的条件不需要加 ( ) 。参考下面的例程：
/****for循环****/
for n = 1:10 //表示i从1到10逐次+1，循环十次
x(n) = sin(n*10);
end //终止for循环
/****while循环****/
x = 0;
sum = 0;
while x < 101
sum = sum + x;
x = x + 2;
end
/****if-else语句*****/
if x > 1
f = x^2 + 1;
else if x <= 0
f = x^3;
else
f = 2 * x
end
/*****switch语句******/
num = input('请输入一个数');
switch num
case -1 //注意case后面没有冒号
disp('I am a teacher.');
case 0
disp('I am a student.');
case 1
disp('You are a teacher.');
otherwise //等同于C语言中的 default
disp('You are a student.');
end
- 定义函数 ：在MatLab中，写脚本时，不能像C语言一样在该脚本中随便定义一个函数，应该在另一个文件（最好同一目录）中定义。操作方法就是点击新建按钮旁边的三角，选择新建函数。
- 由此可知，定义函数的格式为 function 因变量 = 函数名 (自变量)，且需要在最后加上end，（也可以不加）表示函数结束；
- 保存为.m文件时，文件名和定义的函数名fun1必须要一样；
- 如果需要另外定义一个函数，可以直接在该文件中直接定义，但这个函数不能被其他文件调用，只能被该文件名对应的函数调用。
- 调用该函数时，需要严格按照 定义的函数格式来调用，即输入参数和输出参数应该一一对应。
- nargin 和 nargout 的用法：nargin可以理解为n_arg_in，即输入参数的个数，同理，nargout表示输出参数的个数，有了这两个永久变量，可以实现Matlab调用函数时的参数可调性，参考下面这个例子：
- 定义类： 点击新建，选择新建类，得到一个模板：
在本节的最后，补充一个小问题，那就是MATLAB界面美化的问题，不知道有没有尝试过给MATLAB更换字体，反正我是试过的，但是，虽然可以更换为自己想看的编程字体，但是往往会导致中文乱码，这是因为一般的编程字体都不支持中文字符，自然中文就会变成乱码了。因此，混合字体应运而生，这种字体可以实现英文字符和中文字符显示不一样的字体，就很nice，但目前混合字体流传最为广泛的就是 微软雅黑 + Consolas，下载可以参见这篇博客，如果安装字体之后发现MATLAB中找不到这个字体，可以参考这篇博客，另外再附上一篇教程链接： 如何制作混合字体 ，以及混合字体制作中可能遇到的问题。
三、基本运算和函数
3.1 预定义的变量
3.2 符号
a. 运算符号：
这里尤其需要注意带“.”的运算符！！！
一般来说，带“.”的运算符功能和不带“.”的运算符是一样的，但是在矩阵与矩阵之间的运算时有差别，即带“.”的运算符表示矩阵的每一个元素进行运算，而不是一般的矩阵运算（乘法），参考如下例程：
一般来说，但凡涉及到向量或者矩阵的运算，都得要考虑是不是得加点号，因为不加可能会报错或者运算结果完全不对，慎重！
b. 其他符号：
- % ：行注释符，其后这一行的内容为注释，相当于C语言中的 //，如果在脚本中写 %% 并单独成行 ，则表示对代码进行分节，（记得%%后要加空格！）可以使用运行命令中的运行节。
- ······ ：表示续行
- 注意Matlab中单引号和双引号等价！但不能混用
3.3 符号变量的声明
在命令行中随便输入一个a = 10，表明a是一个常数变量，而一般在求导和积分时，几乎都是用符号进行运算，因此，一般都需要在程序运行前声明必要的符号变量，语法如下所示：
x=sym(‘x’) —— 表明x是符号变量
syms x y z —— 定义多个符号变量
二者之间的区别可以参考这篇链接
syms f(x) —— 定义两个符号变量，f和x，且二者之间还有函数关系
在声明符号函数时，还可以使用inline函数：
f = inline(“x^3+5*x”) 或者 ff = inline(‘-x*sin(x^2-x-1)’, ‘x’) 如果不带引号，则其内部的变量都应已知。
有时候需要多个函数共用一个变量，就可以将变量定义为全局变量，使用指令
global，具体用法建议使用help查看。
使用方法是在每个函数中都要声明global val，表示这个变量去全局变量中找，如果任何函数改动这个数值，如val = 0;那么所有函数引用该变量得到的值都会发生改变。
3.4 输入输出函数
说明：如果不加参数 ‘s’，则输入的内容可以参与运算，比如一个矩阵A，rand(3)等，而加上参数 ‘s’之后，输入的内容都会作为字符串返回。
这部分更详细的内容可以参考后续教程：【MATLAB】（二）使用拾遗
3.5 常用数学函数总结
对于这些函数，我认为最重要的是知道MATLAB有这个函数，如果确实需要使用，可以利用help命令来查看详细文档。
3.6 逻辑运算
“等于”和“不等于”
- == ：表示等于，一个 = 表示赋值
- ~= ：表示不等于，记住，不是感叹号哦！
逻辑运算符：
逻辑关系函数总结
四、绘图
4.1 二维函数图像
4.1.1 已知点集——plot函数
4.1.2 符号函数——ezplot函数 、 fplot函数
此外，还有fplot函数：
以这个为例，需要学会看Matlab的应用手册，比如第四行之后，函数括号里面都是用 “____” ，其实是代替前面的那些参数，不能省略。
4.1.3 图像处理
需要了解的是，在运行Matlab时跳出的fig窗口其实自带了很多编辑图像属性的功能。只需要点开图像属性
即可对图像标题，坐标轴标签等进行设置。
4.1.4 图像导出
在用MATLAB生成一张图像之后，很多时候的选择都是直接截图，但是，这样存在一个问题，那就是图像周围灰色的边框无法消除，严重影响了图像的美感：
所以，如果图像需要放到论文或者正式的文档中，建议可以按照如下操作：
这样得到的图像就是矢量图，然后直接到Word中粘贴，看到的图像的背景就是纯白的：
其他资料：
- 如何对Matlab的.fig格式图片进行局部放大和修正。
- 如何用MATLAB编辑修改fig文件
4.2 极坐标图 —— polar函数
但是现在官网更推荐的函数是 polarplot函数：
4.3 三维图形
4.3.1 空间曲线图 —— plot3
举个例子：
4.3.2 空间曲面
其他绘图可以参考https://ww2.mathworks.cn/products/matlab/plot-gallery.html，以及这个：https://matplotlib.org/stable/gallery/index.html。
4.4 特殊图形
4.4.1 填充类图形
有时候需要画带有填充的柱状图，如下图所示
这个时候就需要用到MATLAB中的fill指令。在MATLAB中使用help指令可以得到其简要介绍：
详细内容建议看帮助文档。
后续教程
- 【MATLAB】（二）基本使用拾遗
- 【MATLAB】（三）MATLAB在高等数学中的应用
- 【MATLAB】（四）MATLAB在线性代数中的应用