第1章
MATLAB简介


MATLAB=matrix+laboratory，即“矩阵实验室”，顾名思义，MATLAB与矩阵运算有着紧密的联系。实际上，MATLAB被设计的初衷就是专门解决矩阵运算的难题。随着时代的发展，现在的MATLAB已经成为一款性能强大的多功能集成软件，可同时执行数值运算、数据可视化、图形页面设计、程序设计、仿真等基本功能。经过三十余年的发展，MATLAB已经成为目前世界上最为热门的商业数学软件之一，广泛应用于数据分析、深度学习、图像处理、风险管理与量化金融、控制系统等领域。MATLAB使得许多金融从业人员进行算法研究、模型构造、组合管理等工作的效率得到大大提升。
本章主要介绍MATLAB的发展历史、MATLAB的版本进展、MATLAB R2020a的版本特性、MATLAB的特点、MATLAB相较Python的优势以及下载方式等方面内容。同时为了让读者简单明了地熟悉MATLAB的整个框架体系及编程逻辑，我们将在本章末尾通过GUI(图形用户界面)实例，为读者展示MATLAB的实际应用。学习思路导图如图11所示。


图11第1章学习思路导图


1.1概述
1.1.1发展历史
1. MATLAB的诞生

20世纪70年代中期，在美国国家科学基金的资助下，美国新墨西哥大学的计算机科学系主任Cleve Moler与其同事开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库代表了世界上矩阵运算的最高水平。
到了70年代后期，Cleve Moler在给学生讲授课程时，想教学生使用上述两个程序库，但他发现学生在编写接口程序上花费了大量的时间，为了减轻学生的负担，他编写了供学生使用的FORTRAN子程序库接口程序，这就是第一代的MATLAB。在之后的数年里，MATLAB一直在大学里作为辅助软件，免费面向学生使用，得到了学生的广泛好评。




2. MATLAB的商业化
工程师John Little对Cleve Moler编写的MATLAB程序十分着迷，并敏锐地察觉到了MATLAB在工程领域的广阔前景。于是1983年，他和Cleve Moler、Steve Bangert一起开发编译了第二代的MATLAB，并于1984年成立了MathWorks公司，正式向市场推出用C语言编写的MATLAB的第一个商业版本(即DOS版本3.0)。之后他们继续进行MATLAB的开发，为它添加了图形图像、符号运算等功能，使得MATLAB的功能更加强大。
在MATLAB推向市场后短短几年，由于MATLAB具有良好的开放性和优异的可靠性，当时世界上其他控制领域里的封闭式软件包(如英国的UMIST、德国的KEDDC等)纷纷被淘汰，转而以MATLAB为平台进行重建。
到了20世纪90年代初期，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。美国和欧洲的各大学将MATLAB正式列入本科生和研究生的教学计划。至此，MATLAB已经成为学生和工程师们常用的基本软件之一。
时至今日，MATLAB已经推出了最新的MATLAB R2021a版本。如今MATLAB的大多数功能来自专业化应用的工具箱，并且每个迭代的版本都在不断完善原来的功能及增加新的工具箱。
有兴趣的读者可以在浏览器中输入下面这个网址，进一步了解MATLAB的发展历程。
https://ww2mathworkscn/company/newsletters/articles/abriefhistoryofMATLAB.html
1.1.2MATLAB的版本进展
目前MATLAB正处于高速发展的进程中。按照惯例，MATLAB每年会发布两个版本，通常是在3月份发布a版，在9月份发布b版，后者只是在少许内容上有所更新，两者并没有本质上的区别。MATLAB各版本更新时间及相关内容见表11。


表11MATLAB各版本更新时间及相关内容



更新时间更新版本号主要更新内容

1984MATLAB 1.0MATLAB的第一个版本。

1993MATLAB 4.0具有划时代意义的MATLAB Windows版本，从此告别DOS版本，开启崭新的时代。

1994MATLAB 4.2扩充了4.0版本的功能，在图形界面设计方面提供了新的方法。

1997MATLAB 5.0允许了更多的数据结构，如单元数据、多维矩阵、对象与类等，使其成为一种更加方便编程的语言。

1999MATLAB 5.3在许多方面进一步地改进了MATLAB语言的功能。

2000MATLAB 6.0在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等诸多方面进行了极大的改进。此时的MATLAB再也不是一个简单的矩阵实验室了，它已经演变成为一种具有广泛应用前景的计算机高级编程语言，为科研需求提供更加强大的功能。

2004MATLAB 7.0随着MATLAB 7.0的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB 7.0的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB 7.0提供了完整的联机查询、帮助系统，极大地方便了用户的使用。
2006MATLAB R2006b
从这时开始，MathWorks公司每年将发布两次新的产品，每一次发布都会包含所有的产品模块。在R2006中，MATLAB主要更新了10个产品模块，增加了多达350个新特性，增加了对64位Windows系统的支持，并新推出了.NET工具箱。

2010MATLAB R2010a增加更多多线程数学函数，增强文件共享、路径管理功能，改进MATLAB桌面； 

新增用于MATLAB进行流处理的系统对象，并在Video and Image Processing Block和Signal Processing Blockset中提供超过140种支持算法； 

针对50多个函数提供多核支持并增强性能，并对图像处理工具箱中的大型图像提供更多支持。

2015MATLAB R2015a新版MATLAB和Simulink，包括Simulink多项新增图形控制与显示功能； 

四个新产品： Antenna Toolbox, Robotics System Toolbox, Simulink Test, and Vision HDL Toolbox； 

79种其他产品更新。

2018MATLAB R2018a多种产品更新，例如深度学习： 使用Deep Network Designer应用程序编辑网络，使用网络分析器实现可视化，自动进行视频标注，将模型导出到ONNX，并部署到NVIDIA、Intel和ARM处理器。

注意事项： 
(1) MATLAB的版本是不向下兼容的！这意味着旧版本的MATLAB很可能打不开新版本的MATLAB文件。举个例子，使用MATLAB R2020a中的App Designer所保存的文件在2010年的MATLAB版本中就无法打开，因为2010年的MATLAB版本没有App Designer功能。因此，出于兼容性考虑，本书建议读者安装最新版的MATLAB进行学习并使用。
(2) 理论上MATLAB的版本越高，其对电脑配置的要求也越高。
(3) 本书是基于MATLAB R2020a版本编写的。因此在后面的章节叙述中，如无特别提醒，本书将自动省略实例中所使用的MATLAB的版本号。
1.1.3MATLAB R2020a版本特性
如前文所述，MATLAB每推出一个新版本，功能都会越来越强大。
在MATLAB R2020a中，其不仅更新了许多产品模块，还增强了实时编辑器、表格、日期时间和其他功能。同时，自动化的上下文提示可以大大提升编程的效率，并且将结果与可视化内容和您的代码一起显示。在运行性能方面，MATLAB运行代码的速度几乎是两年前的两倍。不仅如此，App Designer、数据导入导出、软件开发及数据分析等功能都愈加完善。具体更新参见表12。


表12MATLAB R2020a具体更新



文件编码将MATLAB代码文件和其他纯文本文件默认保存为UTF8编码的文件。

图形boxchart： 创建箱线图以可视化分组的数值数据。tiledlayout函数： 定位、嵌套和更改布局的网格大小。ChartContainer类： 制作图表以平铺显示笛卡尔、极坐标或地理图。

实时编辑器任务交互式重新设定时间轴同步时间表，以及堆栈或非堆栈表变量。

Financial Instruments Toolbox定价和估值： 使用新的面向对象框架，对不同类型的金融工具分别或作为投资组合进行定价。

Optimization Toolbox代码生成： 生成C/C++代码以使用quadprog求解二次规划问题(需要MATLABCoder)。

OPC ToolboxOPC UA安全： 通过安全连接来连接到OPC UA服务器并配置安全设置。

Predictive Maintenance ToolboxDiagnostic Feature Designer应用程序： 从应用程序到自动执行信号处理、特征提取和特征排序任务整个过程生成MATLAB代码。

Symbolic Math Toolbox实时编辑器任务： 交互式求解方程式，简化符号表达式，并在实时脚本中生成MATLAB代码。

MATLAB Web App Server新产品，可将MATLAB应用程序和Simulink仿真作为基于浏览器的Web应用程序共享。

Statistics and Machine Learning自动机器学习(AutoML)： 自动选择最佳模型和相关超参数(fitcauto)以进行分类。

Text Analytics Toolbox文档摘要： 从文本中提取摘要。

1.1.4MATLAB的特点
1. 写代码易，编写脚本快

用户可以在MATLAB中使用M语言编写脚本文件或者自定义函数，满足用户的需要。此外，与C语言等高级语言相比，M语言的语法十分简单，方便初学者学习和使用。
2. 工具箱多，应用学科广
MATLAB的工具箱主要有两类： 功能性工具箱和学科性工具箱。顾名思义，功能性工具箱主要用来扩充MATLAB的计算、建模等功能，使其更加强大。而学科性工具箱则经常用于学科专业计算，专业性很强，如控制、统计、计量、金融衍生产品、信号处理、金融、管理科学等各类常用的工具箱等。用户可以直接使用工具箱而不需要自己编写代码。这些工具箱可直接用于各学科领域的学习，也可直接用于解决应用领域内特定类型的问题。
3. 命令窗简，编程效率高
MATLAB可在输入一条命令后马上运行得到结果，无须像其他高级语言如C语言等，写完源程序的代码后还要进行编译等操作才能出结果。此外，MATLAB的用户界面越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性大大增强，操作也越来越容易。
4. 可视化强，绘图功能全
MATLAB软件具有十分强大的数据可视化以及图形化功能，通过使用MATLAB自带的绘图函数，初学者也可以很轻松地绘制出各种复杂的二维图形、三维图形等，并给图形添加标注、标题、坐标轴等。数学建模等比赛都对数据可视化有一定要求，相信读者阅读此书后可以轻松掌握使用MATLAB绘图技巧，取得好成绩！
5.交互性好，图形界面美
用户可以利用图形化的工具创建图形用户界面开发环境(GUIde)，简称GUI，通过加入多种界面元素，如按钮(Push Button)、单选按钮(Radio Button)、文本编辑框(Edit Box)等组件，辅以界面外观、属性、行为响应等设置方式，用户可以很方便地和计算机进行交互。
1.1.5MATLAB和Python的比较
MATLAB是科学工程领域必不可少的工具，Python是当下最流行的编程语言之一，两者性能不分伯仲、特性各有千秋。二者的区别主要体现在以下三点。
1. 服务
在MATLAB中，如果遇到使用问题，您可以选择通过发送请求帮助，获取专门技术团队的优质服务，而使用Python仍需要开发者自行debug，无法享受到如此贴心的服务。
2. 定位
MATLAB一开始就是专门为数值计算开发的，计算功能强大，在数值计算领域拥有丰富的工具箱，并且有大量参考书以及官方社区介绍这方面的应用信息。Python作为一门可读性较高的高级编程语言，目前在这方面尚未达到同等层次。
3. 工具
MATLAB安装的时候自带了许多实用的工具包，操作简单且安装便捷，因此MATLAB十分适合研究人员用于建立模型开发工程，可以有效缩短研究时间。Python则不具备这样的条件，需额外安装第三方库获取函数进行代码编写，操作较为麻烦。
1.1.6下载方式
随着MATLAB的发展，MATLAB的安装包的体积也越来越大。许多读者都对如何下载MATLAB有所困惑，在此我们推荐读者进入下方的官方网站进行下载： 
https://ww2.mathworks.cn/campaigns/products/trials.html
网站页面如图12所示。


图12MATLAB官方下载网站


1.2认识MATLAB
下面以WIN10操作系统、MATLAB R2020a为例进行介绍。
1.2.1打开方法
(1) 打开MATLAB所在文件夹，双击MATLAB.exe。
(2) 双击MATLAB.exe后，则会弹出如图13所示的界面。若MATLAB在图13这个界面“卡”住一段时间，请不要慌张，因为MATLAB占用内存较多，初次加载耗时比较长属于正常情况。但是如果加载时间过长(超过5分钟以上),则建议提升电脑配置以获取更好的使用体验。


图13MATLAB打开界面


(3) 图14即为正常页面。


图14MATLAB打开界面


1.2.2MATLAB的主窗口及功能
在本节中，对主窗口的每一个选项都进行了简单的说明。
在图15中，框住了一些按钮，它们是开发者使用MATLAB时的常用工具，建议初学者尝试单击一下它们，感受一下使用操作，我们将会在后面的章节中对它们的具体功能进行详细说明。


图15MATLAB的选项卡


按照从左往右的顺序，依次对它们进行说明。
1. 文件区
MATLAB的文件区如图16所示。


图16MATLAB的文件区


(1) 新建脚本： 脚本是最简单的程序文件类型，它们可用于自动执行一系列MATLAB命令，例如必须从命令行重复执行的计算或必须引用的一系列命令。
(2) 新建实时脚本： 在实时脚本中，可以编写代码，并使用生成代码的代码查看生成的输出和图形。添加格式化的文本、图像、超链接和方程式，以创建可以与他人共享的交互式叙述。

(3) 新建： 可以新建各种类型的程序文件，开始编辑。
(4) 打开： 可以打开想要的程序文件，开始编辑。
(5) 查找文件： 基于名称或内容搜索文件。
(6) 比较： 比较任意两个文件的内容，找出差异。
2. 变量区
(1) 导入数据： 可以将数据文件里面的数据导入MATLAB中。
(2) 保存工作区： 保存当前工作区的变量。
(3) 新建变量： 创建并打开工作变量进行编辑。
(4) 打开变量： 打开工作区变量进行编辑。
(5) 清空工作区： 清空当前工作区的变量。
3. 代码区
(1) 收藏夹： 可以利用收藏夹功能将这某些命令作为一个小脚本程序，直接放在工具栏，方便以后的调用。
(2) 分析代码： 分析当前文件夹中的MATLAB代码文件，查找效率低下的编码和潜在的错误。
(3) 运行并计时： 运行代码和配置文件以提高性能。
(4) 清除命令： 等同于clc命令，清除命令行窗口所有显示内容。
4. 环境区
(1) 布局： 调整桌面布局。
(2) 预设： 指定预设项，可以修改MATLAB页面文字大小、字体等。
(3) 设置路径： 更改MATLAB搜索路径。
(4) Parallel： MATLAB并行运算选项。
(5) 附加功能： 获取包括硬件支持在内的附加功能。
5. 资源区
(1) 帮助： 获取帮助。
(2) 社区： 访问MathWorks在线社区。
(3) 请求支持： 提交技术支持请求。
(4) 了解MATLAB： 按需访问学习资源。
1.2.3MATLAB的工作窗口
“工欲善其事，必先利其器。”对于初学者来说，首先必须十分了解自己的工具，才可以用得顺手。下面，我们将从最基本的工作窗口开始介绍。
1. 命令行窗口
如图17所示，命令行窗口主要用于输入命令并显示除了图形以外的所有显示结果。其中，“〉〉”为运算提示符，表明MATLAB处于准备状态，可以输入语句了。


图17命令行窗口


注： 输入语句时，一定要在英文输入法的状态下输入，尤其是标点符号。
Tips： 输完代码后按“Enter”键即可执行命令，按“Shift”+“Enter”键即可换行继续输入代码。

2. 工作区窗口
如图18所示，工作区窗口可以显示目前MATLAB内存中所有变量的变量名、数据结构、字节数以及类型等相关信息。
3. 当前文件夹窗口
如图19所示，该窗口可以显示当前工作目录下的文件，并进行新建、复制、粘贴、重命名等操作。
注： 可以通过cd命令改变当前目录，例如可以输入： cd D:＼MATLAB2020a。



图18工作区窗口





图19当前文件夹窗口



4. 历史命令窗口(可以设置为停靠在主窗口内，方便查看)
如图110所示，历史命令窗口主要用于记录之前执行过的命令以及时间，非常好用！(注： 双击某一历史命令可以直接重新执行该命令。右键也可弹出菜单选择相应的功能。)
打开方式如下： 
【布局】→【命令历史记录】→【停靠】
图111为历史命令的设置窗口。



图110历史命令窗口





图111设置历史命令窗口



1.2.4搜索路径
1. 搜索路径定义

MATLAB的搜索路径是文件系统中所有文件夹的子集。简单来说，MATLAB通过搜索路径来高效地定位用于 MathWorks产品的文件。
2. 使用场景
当用户需要调用自己写的函数时，需将其所在的目录拓展成MATLAB的搜索路径后方能调用。(因为有时候MATLAB可能调用不到读者自己写的函数导致程序无法运行)
3. 完整学习网址
https://ww2.mathworks.cn/help/MATLAB/MATLAB_env/whatistheMATLABsearchpath.html



图112设置路径

4. 设置方法
(1) 单击主页栏中的“设置路径”，如图112所示。
(2) 通过单击“添加文件夹”或者“删除”，即可“增加”或者“删除”MATLAB的搜索路径中，如图113所示。


图113添加或者删除路径


5. path命令
显示MATLAB的搜索路径，该路径存储在pathdef.m中。
具体语法如下： 
path(newpath): path(newpath)将搜索路径更改为newpath。
path(oldpath,newfolder): 将newfolder文件夹添加到搜索路径的末尾。如果newfolder已存在于搜索路径中，则path(oldpath,newfolder)将newfolder移至搜索路径的底层。要添加多个文件夹，请使用addpath函数。
path(newfolder,oldpath): 将newfolder文件夹添加到搜索路径的开头。如果newfolder已经在搜索路径中，则path(oldpath,newfolder)将newfolder移到搜索路径的开头。
1.2.5实用快捷键与常用命令
MATLAB常用快捷键与常用命令见表13与表14。


表13常用的快捷键



快捷键功能
↑/↓切换到之前运行过的指令，可按多次直到找到需要的指令

←或Ctrl+B退后一格

→前移一格

Ctrl+←光标直接左移一个字符

Esc或Ctrl+U清除当前输入行

Ctrl+C中断当前正在运行的指令

Ctrl+F弹出对话框，用于寻找文件

Ctrl+K清除光标至行尾字

Ctrl+S将工作区全部变量存储为“.mat”文件

Ctrl+Z恢复上一次删除



表14常 用 命 令



命令功能

clc清除当前工作窗口内的所有显示内容

clear清理工作区内的所有变量

clear all清除工作区内的所有变量和函数

clear+变量名清除指定的变量

clf清理图形窗口内容

delete+文件名从磁盘中删除指定文件

help+命令名查询该命令的帮助信息

which+文件名查找该文件的路径

who显示当前工作区空间内所有变量的一个简单列表

whos列出当前工作区空间内所有变量的大小等详细信息

what列出当前目录下的M文件和MAT文件
续表



命令功能

size+变量名显示当前工作区空间内变量的尺寸

length+变量名显示当前工作区空间内变量的长度

disp+变量名显示当前工作区空间内变量

load加载指定文件的变量

save保存内存变量到指定文件

hold图形保持开关

clf清除图形窗口

type显示文件内容

home将光标移至命令窗口的左上角

cd显示或改变当前工作目录

exit/quit退出MATLAB

1.2.6帮助系统
MATLAB有非常完善的帮助系统，当初学者遇到某个函数或者某个命令不知道怎么用的问题时，有三种方法可以解决这个问题。


图114help命令



(1) “help”命令。help命令可以直接获取有关函数或者命令的帮助。例如输入以下代码： help help，如图114所示。
运行结果如图115所示。


图115help命令运行结果


(2) 直接单击操作页面中的按钮，即可弹出帮助页面,如图116所示。
(3) 进入MATLAB社区或者论坛进行交流。可以直接单击“主页”选项卡中的“社区”按钮，如图117所示，进入MathWorks在线社区同网友一起交流经验与解决难题。



图116help命令按钮





图117MATLAB社区按钮



MATLAB社区界面如图118所示。


图118MATLAB社区界面


1.2.7实时编辑器
在实时编辑器中，可以创建随代码一起显示代码输出的实时脚本。可以添加格式化文本、方程、图像和超链接用于增强您的记叙脚本，以及将实时脚本作为交互式文档与其他人共享。



图119新建实时脚本



单击“主页”选项卡中的“新建实时脚本”按钮即可建立实时脚本，如图119与图120所示。


图120新建实时脚本


图121与图122为运行实行脚本。由图122可以看到，左边是代码，右边是实时运行的结果图(修改好代码后单击上方的“运行”按钮即可实时运行)。


图121运行实时脚本




图122运行实时脚本


实时编辑器功能十分强大，可以导出多种格式文件，如图123所示。


图123实时编辑器的导出功能


举例： 导出PDF文件,效果如图124所示。



图124导出效果展示


1.2.8App Designer
App Designer是指交互式开发环境，用于设计App布局并对其行为进行编程。它提供MATLAB编辑器的完整集成版本和大量交互式UI组件。它还提供网格布局管理器来组织您的用户界面，并提供自动调整布局选项来使您的App检测和响应屏幕大小的变化。它允许您通过直接从App设计工具工具条将App打包为安装程序文件来分发App，或通过创建独立的桌面App或WebApp来分发App。
点开App选项卡，我们可以发现有以下按钮可以单击，如图125所示。


图125App选项卡


其中左边的按钮顾名思义，点击即可使用。右边的按钮为MATLAB自带的App，方便研究人员直接使用。
单击“设计App”按钮，MATLAB将会弹出如图126所示的界面。


图126设计App


单击“空白App”按钮，即可创造一个新的App，类似于GUI，可视化效果更好，如图127所示。



图127设计App


1.3MATLAB的实际应用——以GUI为例
为了让读者更简单明了地熟悉MATLAB的整个框架体系及编程逻辑，我们将通过GUI为读者展示MATLAB的实际应用。
MATLAB GUI为图形用户界面(Graphical User Interface，GUI），又称图形用户接口，是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面，是MATLAB用户可视化交互式的工具，运用GUI生成的操作界面用户可以不用浏览烦冗的代码而进行操作。
使用GUI的好处在于： GUI十分适合新手。因为GUI的界面很简单，包括最基本的文本框、按钮等，很方便进行项目展示。初学者只需要掌握一些基本函数、语法，便可以轻松上手，感受编程的魅力。
初始界面如图128所示。

实例： 通过使用GUI，演示如何将1000个苹果分进10个箱子中，计算出分类方案，满足“顾客想购买任意数量(1～1000个)的苹果时，都可以选出相对应的箱子，使得这些箱子中的苹果之和为顾客所要求的数量”的条件。
图129是GUI运行效果图。
该GUI的代码并不复杂，只需设计几个简单的按钮即可很好地完成任务要求，在本书的第5章中我们将会具体学习如何设计GUI界面。接下来让我们开启学习MATLAB基本语法等知识的章节吧。




图128GUI初始界面




图129GUI运行效果图



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