1.1 MATLAB概述

MATLAB是一種高效的語言，其發展速度之快、應用范圍之廣、功能之強大，已為業人所驚嘆。因此我們先對MATLAB的發展歷史、系統結構及特點、學科工具箱等內容進行整體介紹，使初學者快速了解MATLAB的概況。

1.1.1 MATLAB發展歷程

MATLAB是MATrix LABoratory（矩陣實驗室）的縮寫。20世紀70年代后期，時任美國新墨西哥大學計算機科學系主任的克里夫·莫勒爾（Cleve Moler）教授為了減輕學生編程的負擔，用FORTRAN語言編寫了線性代數軟件包（Linpack）和特征值計算軟件包（Eispack），這便是最初的MATLAB。

1984年，杰克·李特（Jack Little）、克里夫·莫勒爾和斯蒂夫·班格爾特（Steve Bangert）合作成立了Mathworks公司，正式把MATLAB推向市場，并在拉斯維加斯舉行的IEEE決策與控制會議上推出了利用C語言編寫的面向MS-DOS系統的MATLAB 1.0。MATLAB以商品形式出現后的短短幾年，就以其良好的開放性和運行的可靠性，使原先控制領域里的封閉式軟件包紛紛淘汰，而改在MATLAB平臺上重建。在20世紀90年代，MATLAB已經成為國際控制界公認的標準計算軟件。

1993年推出了基于PC的以Windows為操作系統平臺的MATLAB 4.0。1996年推出MATLAB 5.0，增加了更多的數據結構，使其成為更方便的編程語言。2000年10月推出全新的MATLAB 6.0正式版（R12），在核心數值算法、界面設計、外部接口、應用桌面等方面有了極大改進。2004年7月推出MATLAB 7.0（R14），在編程環境、代碼效率、數據可視化、文件I/O等方面進行了全面升級。2006年起，每年推出兩個版本，上半年推出的用a標識，下半年推出的用b標識，如2006年上半年推出的版本為MATLAB 7.2（R2006a），下半年版本為MATLAB 7.3（R2006b）。

2012年9月份開發的MATLAB 8.0（R2012b），采用了全新的視圖界面，具有MATLAB和Simulink的重大更新，可顯著提升用戶的使用與導航體驗，包括64位和32位兩個版本。2014年3月推出帶有中文界面的MATLAB 8.3（R2014a），2015年3月發布包含一系列MATLAB和Simulink新功能的MATLAB 8.5（R2015a）。

MATLAB具有功能強、學習容易、效率高等特點，已成為線性代數、數值分析計算、數學建模、最優化設計、統計數據處理、生物醫學工程、財務分析、金融計算、自動控制、數字信號處理、通信系統仿真等課程的基本教學工具，是目前世界上最流行的仿真計算軟件之一。掌握了這一重要工具，則為讀者今后的學習、科學研究、行業開發打下較好的基礎。

1.1.2 MATLAB系統結構

MATLAB系統由MATLAB開發環境、MATLAB數學函數庫、MATLAB語言、MATLAB圖形處理系統和MATLAB應用程序接口（API）5部分構成。

MATLAB開發環境是一套方便用戶使用的MATLAB函數和文件工具集，其中許多工具是圖形化用戶接口。它是一個集成的用戶工作空間，允許用戶輸入/輸出數據，并提供了M文件的集成編譯和調試環境，包括MATLAB桌面、命令行窗口、M文件編輯調試器、工作空間瀏覽器和在線幫助文檔。

MATLAB數學函數庫是數學算法的一個巨大集合，包括初等數學的基本算法，高等數學、線性代數等學科的復雜算法等。用戶直接調用其函數就可進行運算，它是MATLAB系統的基礎組成部分。

MATLAB語言是一種交互性的數學腳本語言，它支持邏輯、數值、文本、函數柄、細胞數組和結構數組等數據類型，是一種高級的基于矩陣/數組的語言，具有程序流控制、函數、數據結構、輸入/輸出和面向對象編程等特色。

MATLAB圖形處理系統是指MATLAB系統提供的強大的數據可視化功能，包括二維、三維圖形函數，圖像處理和動畫效果等。它還提供了包括線型、色彩、標記、坐標等修飾方法，使繪制的圖形更加美觀、精確。

MATLAB應用程序接口（API）是MATLAB語言與C、Fortran等其他高級編程語言進行交互的函數庫。該庫的函數通過調用動態鏈接庫（DLL）實現與MATLAB文件的數據交換，其主要功能是在MATLAB中調用C和Fortran程序，在MATLAB與其他應用程序間建立客戶/服務器關系。

1.1.3 MATLAB工具箱類型

MATLAB通過附加的工具箱（Toolbox）進行功能擴展，每一工具箱都是實現特定功能的函數集合。MATLAB工具箱主要分以下幾大類：

●數學、統計與優化。

●控制系統設計和分析。

●信號處理和通信。

●圖像處理與計算機視覺。

●計算金融。

●計算生物。

●并行計算。

●測試與測量。

●數據庫訪問與報告。

●代碼生成和驗證。

MATLAB R2015a的工具箱類型如表1-1所示。

MATLAB具有開放性，其內部函數、主包文件和各種工具包文件，都是可讀、可修改的函數，因此用戶可通過對源程序進行修改，或加入自己編寫的程序來構造新的專用工具包。

1.1.4 MATLAB主要功能

MATLAB的功能非常強大，其主要功能如下：

●數值計算、符號計算、工程計算等各種計算功能。

●繪制二維和三維圖形等數據可視化功能。

●創建函數文件、數據管理等編程的開發環境。

●使用線性代數、統計、傅里葉分析、篩選、優化、插值、擬合等方法的數據處理能力。

●利用工具箱處理各應用領域內特定類型問題的擴展功能。

●基于Simulink工具的系統建模、仿真和分析功能。

●構建自定義的圖形用戶界面應用軟件開發功能。

●將MATLAB的算法與外部應用程序和語言（如C、Java、.NET以及Microsoft Excel）的集成功能。

1.1.5 MATLAB的特點

1．直譯式的編程語言

MATLAB語言是以矩陣計算為基礎的程序設計語言，簡單易學，用戶不用花太多時間即可掌握其編程技巧。其指令格式與常用的數學表達式非常相近，語法規則也與一般的結構化高級編程語言類似，包含控制語句、函數、數據結構、輸入/輸出等內容和面向對象編程等特點。對于要解決的問題，用戶可以在命令行窗口中將輸入語句與執行命令同步，也可以先編寫好一個較大的應用程序（M文件），然后一起運行。

2．短小高效的代碼

由于MATLAB已將數學問題的具體算法編成了函數，因此用戶只要熟悉算法的特點、使用場合、函數的調用格式和參數意義等，通過調用函數很快就可以解決問題。

3．強大的科學計算與數據處理能力

MATLAB是一個包含大量計算算法的集合，其擁有上千個數學函數和工程計算函數，可以直接調用而不需另行編程，非常方便地實現用戶所需的各種計算功能。該軟件具有強大的矩陣計算功能，擁有眾多的工具箱，幾乎能解決大部分學科中的數學問題。

4．先進的繪圖和數據可視化功能

MATLAB能夠按照數據產生高質量的二維、三維數據圖形，并可繪制各類函數的多維圖形。還可以對圖形設置顏色、光照、紋理、透明性等，以增強圖形的表現效果。

5．可擴展性能

MATLAB包含基本部分和各種可選的工具箱。基本部分構成了MATLAB的核心內容，也是使用和構造工具箱的基礎，工具箱擴展了MATLAB功能。除內部函數外，所有MATLAB基本文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件進行修改或加入自己編寫的文件，構造自己的專用工具箱，以方便解決自己領域內常見的計算問題。

6．友好的工作平臺和編程環境

MATLAB中的工具包大多采用圖形用戶界面，其界面越來越精致，更加接近Windows的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。簡單的編程環境提供了比較完備的調試系統，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現的錯誤及進行出錯原因分析。