黃聰明 min@math.ntnu.edu.tw http://math.ntnu.edu.tw/~min 臺灣師範大學數學系 MATLAB 基本功能介紹 黃聰明 min@math.ntnu.edu.tw http://math.ntnu.edu.tw/~min 臺灣師範大學數學系.

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1 黃聰明 min@math.ntnu.edu.tw http://math.ntnu.edu.tw/~min 臺灣師範大學數學系
MATLAB 基本功能介紹 黃聰明 臺灣師範大學數學系

2 1.1 變數和陣列 變數 變數名稱 常用變數型態 double char 使用者設定名稱的陣列，在實體上是由一塊記憶體區域所組成。
第一個字必須是文字，其後可用文字、數字及底線任意組合。 不可超過63個字元 大小寫字母有別 常用變數型態 擁有15到16個有效位數 可處理實數、虛數和複數 double char 內定i和j代表虛數 佔64位元 Var = i; 基本功能介紹 T.-M. Hwang

3 1.2 MATLAB 變數的初始化 三種用來初始化變數的方式 從鍵盤輸入資料給變數 從檔案讀取資料 利用宣告的方式，指定資料給變數
var = expression var = 40i; var2 = var/5; array = [ ]; x = 1; y = 2; 基本功能介紹 T.-M. Hwang

4 特殊符號(I) 分號(;) 冒號(:) first:incr:last 轉置transpose(’) 基本功能介紹 T.-M. Hwang

5 特殊符號(II) 百分比符號（%） 程式中加入註解（Comments）
>> y = (5*2+3.5)/5; % 將運算結果儲存在變數 y，但不用顯示於螢幕 >> z = y^ % 將運算結果儲存在變數 z，並顯示於螢幕 z = 7.2900 基本功能介紹 T.-M. Hwang

6 特殊用途矩陣 指令 說明 zeros(m, n) 產生維度為 m×n ，構成元素全為 0 的矩陣 ones(m, n)
eye(n) 產生維度為 n×n ，對角線的各元素全為 1 ，其他各元素全為 0 的單位矩陣 pascal(m, n) 產生維度為 m×n 的 Pascal 矩陣 vander(m, n) 產生維度為 m×n 的 Vandermonde 矩陣 hilb(n) 產生維度為 n×n 的 Hilbert 矩陣 rand(m, n) 產生 [0, 1] 均勻分佈的亂數矩陣，其維度為 m×n randn(m, n) 產生 µ = 0, σ= 1 的正規分佈亂數矩陣，其維度為 m×n magic(n) 產生維度為 n×n 的魔方陣，其各個直行、橫列及兩對角線的元素和都相等 基本功能介紹 T.-M. Hwang

7 從鍵盤輸入初始化變數 浮點數資料 30 字元字串型態 基本功能介紹 T.-M. Hwang

8 1.3 多維陣列與子陣列 在 MATLAB 的資料型態中，向量可視 為一維陣列，矩陣可視二維陣列，對於 維度(Dimensions)超過 1 的陣列則均可 視為「多維陣列」(Multidimesional Arrays，簡稱 N-D Arrays)。 基本功能介紹 T.-M. Hwang

9 矩陣的索引或下標 (I) A(i, j) i 與 j 即是此元素的下標（Subscript）或索引（Index） 第i橫列、第j直行的元素
可以使用一維或二維下標來存取矩陣 A(i, j) 和 A(i+(j-1)*m) 是完全一樣的~m為矩陣A的列數 所有矩陣的內部表示法都是以直行為主的一維向量 基本功能介紹 T.-M. Hwang

10 矩陣的索引或下標 (II) A = A(1:5,5) A(:,5) A(21;25) A(2,3) A(12) A(1:5,end)
4 1 10 6 11 16 2 21 8 7 9 12 17 22 3 5 13 18 23 14 19 24 15 20 25 A(1:5,5) A(:,5) A(21;25) A = A(2,3) A(12) A(1:5,end) A(:,end) A(21;end) A(4:5,2:3) A([ 9 14; ]) 基本功能介紹 T.-M. Hwang

11 1.4 特殊的數值 函式 目 的 pi 代表 到15位有效數字的值 i, j 代表 的值 inf 代表無窮大，通常是除以0的結果 Nan
目 的 pi 代表 到15位有效數字的值 i, j 代表 的值 inf 代表無窮大，通常是除以0的結果 Nan `不是數字’，是由未定義的數學運算而來 eps 電腦上兩個數字間的最小差異 ans 用來儲存一個敘述式的結果 基本功能介紹 T.-M. Hwang

12 1.5 顯示輸出資料 指令格式 結 果 舉 例 format short 顯示4位小數(預設值) 12.3457 format long
結 果 舉 例 format short 顯示4位小數(預設值) format long 顯示14位小數 format short e 顯示5個數字加冪次方 1.2346e+001 format short g 總共顯示5個數字(可加或不加冪次方) 12.346 format long e 顯示15位小數字加冪次方 e+001 format long g 總共顯示15個數字(可加或不加冪次方) format hex 16位元進位格式 4028b0fcd32f707a 基本功能介紹 T.-M. Hwang

13 disp num2str 轉換數字成字串 int2str 轉換整數成字串
>> str = [' The value of pi = ' , num2str(pi)]; >> disp(str); The value of pi = num2str 轉換數字成字串 >> FileName1 = 'rslt_w'; >> FileName = strcat(FileName1, int2str(10)) FileName = rslt_w10 int2str 轉換整數成字串 基本功能介紹 T.-M. Hwang

14 fprintf 格式化輸出 fprintf(format, data) 一個或多個陣列變數 字串：描述輸出資料的方式
>> fprintf('The value of pi is %f \n', pi) The value of pi is >> fprintf('The value of pi is %6.2f \n', pi) The value of pi is 基本功能介紹 T.-M. Hwang

15 Example/conv_rate/conv_ratio.m
格式字串 說 明 %d 以指數格式顯示數值 %e %f 以浮點數格式顯示數值 %g 以浮點數或指數格式顯示數值，由何者較短為優先顯示 \n 跳到新的一行 基本功能介紹 T.-M. Hwang

16 1.6 資料檔案 save load 把工作區的資料存進一個磁碟檔案中 把磁碟檔案中的資料存進工作區
save filename var1 var2 var3 save 把工作區的資料存進一個磁碟檔案中 檔案延伸檔名為 “.mat” load 把磁碟檔案中的資料存進工作區 load filename 基本功能介紹 T.-M. Hwang

17 1.7 純量與陣列運算 variable_name = expression; ii = ii + 1;
計算等號右邊敘述式的結果並將其儲存於左邊變數內 運算方法 MATLAB 形式 加法 a + b 減法 a - b 乘法 a * b 除法 a / b 冪次方 a^b 基本功能介紹 T.-M. Hwang

18 陣列與矩陣運算 矩陣的加減與一般純量（Scalar）的加減類似 相加或相減的矩陣必需具有相同的維度
>> B = [ ]; >> C = A + B C = 矩陣與純量可以直接進行加減，MATLAB 會直接將加減應用到每一個元素 >> A = [ ] + 5 A = 基本功能介紹 T.-M. Hwang

19 矩陣的乘法與除法 純量對矩陣的乘或除，可比照一般寫法
>> A = [123 , 442]; >> C = A/3 >> B = 2*A C = B = 欲進行矩陣相乘，必需確認第一個矩陣的直行數目（ Column Dimension） 必需等於第二個矩陣的橫列數目（Row Dimension） >> A = [1; 2]; >> B = [3, 4, 5]; >> C = A * B C = 矩陣的除法，常藉由反矩陣或解線性方程式來達成 基本功能介紹 T.-M. Hwang

20 矩陣的左、右除法 A\b：矩陣除法由 inv(A)*b 來定義，其中inv(A) 為A的反矩陣 a\B：矩陣除法由 a*inv(B) 來定義
>> y = b' / A y = >> e = A * x - b e = 1.0e-015 * >> A = magic(3) A = >> b = [1; 2; 3]; >> x = A \ b x = 0.0500 0.3000 >> f = y * A - b' f = 1.0e-015 * a\B：矩陣除法由 a*inv(B) 來定義 基本功能介紹 T.-M. Hwang

21 矩陣的次方運算 矩陣的次方運算，可由「^」來達成，但矩陣 必需是方陣，其次方運算才有意義
* 前後不能有任何空格 >> A = magic(3); >> B = A^2 B = 在「*」，「/」及「^」之前加上一個句點，MATLAB 將會執行矩陣內「元素對元素」（Element-by-element） 的運算 >> A = [12; 45]; >> B = [2; 3]; >> C = A.*B C = 24 135 >> C = A. * B ??? C = A. * B | Error: Unexpected MATLAB operator. >> E = A.^2 E = 144 2025 >> D = A./B D = 6 15 基本功能介紹 T.-M. Hwang

22 轉置和「共軛轉置」矩陣 複數矩陣 z，其「共軛轉置」矩陣 （Conjugate Transpose） 可表示成矩陣 z'
想得到任何矩陣 z 的轉置（Transpose），則可表示成矩陣 z. ' 若 z 為實數，則 z' 和 z.' 的結果是一樣的 基本功能介紹 T.-M. Hwang

23 2.1 邏輯資料型態 邏輯資料型態 關係運算子 邏輯運算子 true false 運算子 說明 == 等於 ~= 不等於 > 大於
>= 大於或等於 < 小於 <= 小於或等於 運算子 說明 & AND && 快速求值的AND | OR || 快速求值的OR xor 互斥OR ~ NOT 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang

24 2.2 分支(Branching Command)
條件指令 if-else switch - case - otherwise if expression statements elseif expression statements else statements end switch switch_expr case case_expr, statements case {case_expr1, case_expr2,...} statements ... otherwise, statements end 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang

25 範例：一元二次方程式 輸出二次方程式的根 輸入係數a, b, c 不同的實數根 重複的實數根 複數根 分支宣告與程式設計
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26 disp ('This program solves for the roots of a quadratic ');
disp ('equation of the form A*X^2 + B*X + C = 0. '); a = input ('Enter the coefficient A: '); b = input ('Enter the coefficient B: '); c = input ('Enter the coefficient C: '); % Calculate discriminant discriminant = b^2 - 4 * a * c; % Solve for the roots, depending on the value of the discriminant if discriminant > 0 % there are two real roots, so... x1 = ( -b + sqrt(discriminant) ) / ( 2 * a ); x2 = ( -b - sqrt(discriminant) ) / ( 2 * a ); disp ('This equation has two real roots:'); fprintf ('x1 = %f\n', x1); fprintf ('x2 = %f\n', x2); elseif discriminant == 0 % there is one repeated root, so... x1 = ( -b ) / ( 2 * a ); disp ('This equation has two identical real roots:'); fprintf ('x1 = x2 = %f\n', x1); else % there are complex roots, so ... real_part = ( -b ) / ( 2 * a ); imag_part = sqrt ( abs ( discriminant ) ) / ( 2 * a ); disp ('This equation has complex roots:'); fprintf('x1 = %f +i %f\n', real_part, imag_part ); fprintf('x1 = %f -i %f\n', real_part, imag_part ); end 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang

27 範例：根據月份來判斷其季別(I) for month = 1:12 switch month case {3,4,5}
season = 'Spring'; case {6,7,8} season = 'Summer'; case {9,10,11} season = 'Autumn'; case {12,1,2} season = 'Winter'; end fprintf('Month %d ===> %s.\n', month, season); 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang

28 3.1 while 迴圈 迴圈 for variable = expr statements end while expression
確定重複執行之次數 不確定重複執行次數 迴圈 T.-M. Hwang

29 範例：統計分析 給與 每個樣品均大於或等於零，但個數未知 n個樣品 計算 ：算術平均數 輸入一小於零之樣品值，做為樣品輸入之結束。 ：標準差
while ：算術平均數 ：標準差 輸入一小於零之樣品值，做為樣品輸入之結束。 迴圈 T.-M. Hwang

30 x = input('Enter first value: '); if ( x < 0 )
% Read in first value x = input('Enter first value: '); if ( x < 0 ) fprintf('At least one nonnegative value must be entered!'); else n = 0; sum_x = 0; sum_x2 = 0; % While Loop to read input values. while x >= 0 % Accumulate sums. n = n + 1; sum_x = sum_x + x; sum_x2 = sum_x2 + x^2; % Read in next value x = input('Enter next value: '); end % Calculate the mean and standard deviation x_bar = sum_x / n; std_dev = sqrt( (n * sum_x2 - sum_x^2) / (n * (n-1)) ); % Tell user. fprintf('The mean of this data set is: %f\n', x_bar); fprintf('The standard deviation is: %f\n', std_dev); fprintf('The number of data points is: %f\n', n); 迴圈 T.-M. Hwang

31 3.2 for 迴圈 for ii = 1:4 statement 1 … statement n end 1 2 3 4 ii = 1
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32 for ii = 1:2:6 statement 1 … statement n end 1 3 5 ii = 1 statement 1
迴圈 T.-M. Hwang

33 範例—計算某年的第幾天(I) 輸入某年某月某日，計算出相對於當年的第幾天 mod(year,400) = 0
if mod(year,400) == 0 leap_day = 1; elseif mod(year,100) == 0 leap_day = 0; elseif mod(year,4) == 0 else end 西元年能被400除盡，便是閏年 西元年能被100除盡，但不能被400除盡者，不是閏年 西元年能被4除盡，但不能被100除盡者，是閏年 其它西元年，皆不是閏年 mod(year,100) = 0 mod(year,4) = 0 迴圈 T.-M. Hwang

34 範例—計算某年的第幾天(II) day_of_year = day; for ii = 1:month-1
% Add days in months from January to last month switch (ii) case {1,3,5,7,8,10,12}, day_of_year = day_of_year + 31; case {4,6,9,11}, day_of_year = day_of_year + 30; case 2, day_of_year = day_of_year leap_day; end 迴圈 T.-M. Hwang

35 預先分配陣列與向量化陣列 n = 20000; tic; for ii = 1:n square(ii) = ii^2; end
fprintf('Total cpu time = %g \n', toc); n = 20000; tic; square = zeros(1,n); for ii = 1:n square(ii) = ii^2; end fprintf('Total cpu time = %g \n', toc); Total cpu time = Total cpu time = n = 20000; tic; ii = 1:n; square = ii.^2; fprintf('Total cpu time = %g \n', toc); Total cpu time = 迴圈 T.-M. Hwang

36 4.1 MATLAB函式介紹 function [out1, out2, ...] = funname(in1, in2, ...) statements 輸出引數 函式名稱 輸入引數 儲存之檔案名稱須與函式名稱一樣 使用者定義函式 T.-M. Hwang

37 計算點(x1,y1)與點(x2,y2)的距離 function distance = dist2(x1, y1, x2, y2)
%DIST2 Calculate the distance between two points % Function DIST2 calculates the distance between % two points (x1,y1) and (x2,y2) in a Cartesian % coordinate system. % % Calling sequence: % distance = dist2(x1, y1, x2, y2) % Define variables: % x x-position of point 1 % y y-position of point 1 % x x-position of point 2 % y y-position of point 2 % distance -- Distance between points % Calculate distance. distance = sqrt((x2-x1).^2 + (y2-y1).^2); end % function dist2 儲存之檔案名稱為 dist2.m H1 comment line >> lookfor distance DIST2 Calculate the distance between two points >> help dist2 DIST2 Calculate the distance between two points Function DIST2 calculates the distance between two points (x1,y1) and (x2,y2) in a Cartesian coordinate system. Calling sequence: distance = dist2(x1, y1, x2, y2) 使用者定義函式 T.-M. Hwang

38 呼叫 dist2 % Get input data. disp('Calculate the distance between two points:'); ax = input('Enter x value of point a: '); ay = input('Enter y value of point a: '); bx = input('Enter x value of point b: '); by = input('Enter y value of point b: '); % Evaluate function result = dist2 (ax, ay, bx, by); % Write out result. fprintf('The distance between points a and b is %f\n',result); function distance = dist2(x1, y1, x2, y2) 使用者定義函式 T.-M. Hwang

39 4.2 MATLAB的變數傳遞方式：按值傳遞 MATLAB程式使用pass-by-value的方式， 進行程式與函式間的溝通聯絡，當程式 呼叫函式時，MATLAB便複製實質引數， 並傳遞這些實質引數的備份提供函式使 用。 使用者定義函式 T.-M. Hwang

40 function out = sample(a, b)
fprintf('In sample: a = %f, b = %f %f\n',a,b); a = b(1) + 2*a; b = a .* b; out = a + b(1); 輸入引數值改變 a = 2; b = [6 4]; fprintf('Before sample: a = %f, b = %f %f\n',a,b); out = sample(a,b); fprintf('After sample: a = %f, b = %f %f\n',a,b); fprintf('After sample: out = %f\n',out); >> test_sample Before sample: a = , b = In sample: a = , b = In sample: a = , b = After sample: a = , b = After sample: out = 使用者定義函式 T.-M. Hwang

41 4.3 選擇性的引數 nargin：決定函式實際輸入變數的個數 nargout：決定函式實際輸出變數的個 數
nargchk：假如用來呼叫函式的引數太 少或太多，這個函式將傳回一個標準的 錯誤訊息 error：顯示錯誤的訊息，並放棄執行 產生錯誤的函式 warning：顯示警告的訊息，並繼續執 行函式 使用者定義函式 T.-M. Hwang

42 使用語法 message = nargchk(min_args, max_args, num_args); 引數的最小數目 引數的最大數目
實際引數的數目 error(‘msg’); 可與nargchk互相搭配，當程式發生錯誤時，便會產生一個錯誤訊息 錯誤訊息的字元字串 warning(‘msg’); 使用者定義函式 T.-M. Hwang

43 範例 輸入直角座標(x,y)，轉換成極座標 輸出 如果只輸入一個引數，則函式假設y值為0
如果呼叫此函式的敘述式只有一個輸出引數，則 傳回距離值 angle : angle in degree mag :magnitude if nargin < 2 y = 0; end if nargout == 2 angle = atan2(y,x) * 180 / pi; end 使用者定義函式 T.-M. Hwang

44 >> [mag angle] = polar_value ??? Error using ==> polar_value
1 angle = function [mag, angle] = polar_value(x,y) %POLAR_VALUE Converts (x,y) to (r,theta) % Check for a legal number of input arguments. msg = nargchk(1,2,nargin); error(msg); % If the y argument is missing, set it to 0. if nargin < 2 y = 0; end % a warning message. if x == 0 & y == 0 msg = 'Both x and y are zero: angle is meaningless!'; warning(msg); % Now calculate the magnitude. mag = sqrt(x.^2 + y.^2); % If the second output argument is present, calculate % angle in degrees. if nargout == 2 angle = atan2(y,x) * 180/pi; >> [mag angle] = polar_value(0,0) Warning: Both x and y are zero: angle is meaningless! > In polar_value at 32 mag = angle = >> [mag angle] = polar_value(1,-1) mag = 1.4142 angle = -45 >> [mag angle] = polar_value ??? Error using ==> polar_value Not enough input arguments. >> [mag angle] = polar_value(1,-1,1) ??? Error using ==> polar_value Too many input arguments. 使用者定義函式 T.-M. Hwang

45 4.4 含函式的函式 是一種輸入引數包含其他函式名稱的函式，而這些傳入函 式名稱的函式，會在含函式的函式執行過程中，被呼叫來 使用。
fzero：內建函式，找出只含一個變數函式之零點 >> fzero('cos',[0 pi]) ans = 1.5708 >> fzero('exp(x)-2',[0 pi]) ans = 0.6931 >> pi] ) ans = 0.6931 function val = exp_2(x) val = exp(x) - 2; >> fzero('exp_2' ,[0 pi] ) ans = 0.6931 使用者定義函式 T.-M. Hwang

46 內建函式eval eval(string) >> x = eval('sin(pi/4)') x = 0.7071
>> str = ['exp(' num2str(x) ') - 1']; >> res = eval(str) res = 1.7183 s = load August1.mat load August2.mat load August3.mat - etc. - for d=1:10 s = ['load August' int2str(d) '.mat'] eval(s) end 使用者定義函式 T.-M. Hwang

47 內建函式feval feval(fun,value) >> feval('exp_2' , 0) ans = -1
feval 會針對M檔案中的(fun)函式，在特定輸入值(value)下計算其函式值 >> 0) ans = -1 >> feval('sin',pi/4) ans = 0.7071 function val = exp_2(x) val = exp(x) - 2; 使用者定義函式 T.-M. Hwang

48 6.1 繪圖功能簡介 title('Plot of y = x.^2-10.*x+15') x = 0:0.1:10;
plot(x,y); ylabel('y'); grid on; grid off; xlabel('x'); 基本功能介紹 T.-M. Hwang

49 多重線條繪圖 x = 0:pi/100:2*pi; y1 = sin(2*x); y2 = 2*cos(2*x);
plot( x, y1, x, y2 ); plot(x, y1); hold on; plot(x, y2); hold off 基本功能介紹 T.-M. Hwang

50 線條顏色、形式、資料標記及說明文字(I)
plot(x, y1); hold on; plot(x, y2); hold off legend('sin(2x)','2cos(2x)','Location','NorthWest'); plot(x, y1,'ro-.' ); hold on; plot(x, y2,'gx:'); hold off text(3.3, 1.5, ‘2cos(2x)') text(1.5, 0.5, 'sin(2x)') 基本功能介紹 T.-M. Hwang

51 線條顏色、形式、資料標記及說明文字(II)
x = 0:pi/100:2*pi; y1 = sin(2*x); y2 = 2*cos(2*x); plot(x, y1,'ro-.' ); hold on; plot(x, y2,'gx:'); hold off legend('sin(2x)','2cos(2x)','Location','NorthWest'); text(1.5, 0.5, 'sin(2x)') text(3.3, 1.5, '2cos(2x)') set(gca,'xtick',[0 1/2*pi pi 3/2*pi 2*pi]) set(gca,'xticklabel',{'0','1/2 pi','pi','3/2 pi','2 pi'}) 基本功能介紹 T.-M. Hwang

52 額外的繪圖功能 x = -2.5*pi:pi/100:2.5*pi; y1 = sin(2*x); y2 = 2*cos(2*x);
plot(x, y1,'ro-.'); hold on plot(x, y2, 'gx:'); hold off legend('sin(2x)','2cos(2x)','Location','NorthWest'); text(1.5, 0.5, 'sin(2x)') text(3.3, 1.5, '2cos(2x)') xlabel('x'); ylabel('y'); title('Plot figure of sin(2x) and 2cos(2x)'); set(gca,'xtick',[-2*pi -pi 0 pi 2*pi]) set(gca,'xticklabel',{'-2 pi','- pi','0','pi','2 pi'}) 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang

53 axis([-2*pi 2*pi ]) 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang

54 axis square axis equal axis normal 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang

55 axis off axis on 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang

56 x = -2.5*pi:pi/100:2.5*pi; y1 = sin(2*x); y2 = 2*cos(2*x); figure(1)
plot(x, y1,'ro-.'); title('plot sin(2x)'); figure(2) plot(x, y2, 'gx:'); title('plot 2 cos(2x)'); 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang

57 subplot(m,n,p) x = -2.5*pi:pi/100:2.5*pi;
y1 = sin(2*x); y2 = 2*cos(2*x); z1 = exp(x/10); z1 = z1.*y2; z2 = y1.*y2; subplot(2,2,1) plot(x, y1,'r'); title('plot sin(2x)'); subplot(2,2,2) plot(x, y2, 'g'); title('plot 2 cos(2x)'); subplot(2,2,3) plot(x, z1, 'b'); title('plot 2cos(2x)exp(x/10)'); subplot(2,2,4) plot(x, z2, 'm'); title('plot 2cos(2x)sin(2x)'); 分支宣告與程式設計 T.-M. Hwang