计算软件MATLAB及其应用浅析

彭煜祺

摘要： 文章从计算软件MATLAB的简介、系统结构的阐述，重点分析了MATLAB处理数学问题的应用，包括各种数学问题的求解；方便的绘图功能；数学建模与仿真。最后强调了这一计算软件是不可或缺的、重要的、强大的计算软件。

关键词：计算软件；程序设计；函数文件；人机交互；建模与仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）14-0204-03

Abstract： This article from the calculation software MATLAB， the system structure of the paper， The application of MATLAB to the problem of mathematical problem is emphatically analyzed. Including the solution of various mathematics problems； convenient drawing function； mathematical modeling and simulation， At last， it emphasizes that this software is an important and powerful computing software。

Key words： computational software； programming design； function file； human-computer interaction； modeling and simulation

随着计算机日益渗透，深入到科学研究和各种学科的应用，往往要进行大量的数学计算，MATLAB是目前应用最广泛的科学与工程计算软件，拥有很多的数学计算，比如矩阵的处理、符号的计算、数值计算、可视化图形绘图、程序设计和Simulink仿真等。而这些运算，如果要达到精确和快捷地进行，就必须借助计算机编制的相应的程序做快速的、强大的运算。所以，我们有必要在展望21世纪的美好远景时，再来探讨数学计算的强大功能软件MATLAB在教学、科研、工程技术中的广泛应用。

1 MATLAB简介及其系统结构

MATLAB是Matrix Laboratory的缩写，是目前最优秀的科技应用计算软件之一，它语言简洁紧凑，编程效率高，用户使用方便，图形功能强大，运算符丰富，工具箱全面，它将可视化和编程等功能同时集于一个易开发的环境。MATLAB是一个交互式开发系统，其基本要素是矩阵，它的表达式与数学、工程计算中常用的形式十分相似，因此，深受许多用户和科技工作者喜欢和应用。另外，由于它人机交互简洁和智能化，这样就可大大减轻以往人们曾经使用BASIC、FORTRAN以及C语言编写程序繁重的工作，而且MATLAB可适用于多种平台，随着计算机软、硬件迅猛的提高和发展，也使得编程和调试效率大大提高。对于MATLAB其基本原理、操作、运算以及数据的可视化处理、图形的绘制与修饰，现已是很多学者、科技工作人员在控制系统仿真、通信工程、应用电子、信息工程以及工程力学等领域的重要的计算工具，为数学计算和各类数学实验数据分析提供了极大的便利。

MATLAB的系统结构：1）MATLAB的开发环境。它是一个集成的工作环境，里面有许多命令窗口，文件编辑调试器和需要应用的工作空间，它的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件；2）MATLAB使用方便的语言。MATLAB是一种解释执行的语言，其特点是灵活方便，被俗称为“演算纸式”， 拥有大量的计算算法，程序编写简单且编程效率高，易学易懂；3）MATLAB的数学函数库。它拥有丰富的库函数且库函数功能极其丰富，使得其编写的M文件简单、短小而实用，是其他高级计算软件所不能比拟的；4）MATLAB方便的绘图功能。它有一系列的绘图函数，可以实现图像处理、动画显示和表达式作图，并且调整绘图参数可以有不同颜色的点、线、复线和多重线，绘图效果甚佳；5）MATLAB扩充能力强。用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，它还可以通过建立Mex调用文件格式，进行混合编程，方便地调用有关FORTRAN、C语言的子程序，且还可以和其他编程语言进行交互。

2 MATLAB处理数学问题的应用

2.1 在求解数学问题中的应用

MATLAB是很多领域的基本计算工具，在科学研究和工程中应用十分广泛。其主要表现在：矩阵的处理、数据的分析、数值的分析、常微分方程的数值求解等。比如它可以处理常见的数值计算问题，如线性分析、一元和多元函数分析、微积分、数据分析等。因此MATLAB是许多学者和科技工作者必须掌握的基本计算工具。MATLAB在处理数学计算方面极具特色，使其在科学计算方面成为了用户的最好的选择。因为许多数学问题，如果用其他软件设计编写程序求解，比较繁琐，且还需要一定的专业数学知识和程序设计能力，但若用MATLAB编程，只需要几个简单的语句就可以完成求解计算了，编程效率高，而对编程人员的数学背景知识要求的却不高，下面我们举例说明MATLAB在《线性代数》中的应用。

对学过C和C++语言的人都深知，要编写程序解决数学方面的问题是相当复杂的，但是MATLAB却能用简单明了的语言将问题解决，同时它对于我们学习其他的语言也提供了帮助，因为一些语句的基本思想都是类似的，甚至一些关键字也相同，比如说 if，while等等。另外，对于MATLAB的基本运算单元是矩阵，这一点也令我很惊讶。这和我们以往学习C语言和C++语言的思维不一样。在应用的时候，也就是在编程的时候，要尽量对矩阵或向量编程，把循环向量化。很多人刚开始学习的时候，没有注意到这个问题，容易出错，如果掌握了它的科学运用，不仅能够缩短程序的长度，也能提高程序执行效率，就能更好地发挥MATLAB计算软件的优势。

2.2 极其方便的绘图功能

MATLAB的绘图极具特色，在它的函数库里它有一系列绘图函数，可供我们选择。比如我们要绘制某个曲面的三维空间的彩色图案，我们就要选择线性坐标或对数坐标和极坐标，就要调用其相应的绘图函数，且图上的标题、标注、栅格绘制也可用调用相应的命令来执行，其操作简单易行，绘图效果极好。

可见，MATLAB支持各种类型的图形绘制，具有强大的图形绘制能力。使用MATLAB我们只要根据指定的绘图方式和提供的绘图数据，就能绘制出整个图形，且对整个图形的处理也极具特色，二维的、三维的图形都非常漂亮、完美，视觉效果也十分理想。与此同时，图形对光照的处理和色度处理以及各维数据的表现，都反映出了MATLAB对绘图的特殊的处理功能，让人对图形有了耳目一新的感觉。另外，新版MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上有了很大的改进，人机交互方便，备受喜爱。

2.3 MATLAB在数学建模与仿真中的应用

数学建模是为特定的目的，根据其内在的规律，对特定的对象进行抽象、归纳、假设和简化，并运用数学工具建立的一个数学结构。在数学实验中，我们通常要借用计算机软件处理数学问题、建立数学模型，从而解决实际问题。为此，我们首先要动手构建数学模型，再利用它来实现各种算法。通过数学实验它能开发我们创造性思维能力，培养我们敏锐的观察力和丰富的想象力，这样我们就能更好地、更有效益地完成现实生活中的各种实际数学关系的建立，解决各种错综复杂的实际问题，为社会服务，为人类造福。

经过一些应用实例的学习，我们就能用数学的思想、数学的语言近似地刻画出一个实际研究对象，并利用MATLAB达到解决实际问题的目的。另外，关于仿真，在仿真系统的设计过程中，首先要对其算法、输出模式等各种模型参数进行设置，再根据实际系统的特性选择模块和设置参数。其仿真的过程包括四个步骤：1）添加模块；2）修改模块参数；3）连线及仿真；4）仿真参数设置及系统仿真。它包含了从建模到参数设置仿真的全部过程，使我们对仿真技术有了全面的了解。用MATLAB进行系统仿真，还可结合实际情况对仿真的结果进行分析、研究，用它解决许多自己专业领域的实际的数学问题。目前仿真技术应用范围十分广泛，仿真技术还可用于对实际事物进行预测，用来揭示事物发展的客观规律，所以掌握了MATLAB仿真系统的基本模块、模块的建立及其操作方法、参数设置等内容，就能更好地在相关领域使用仿真这一高科技技术，且其应用价值极有利于科学分析和探讨。

总之，MATLAB是目前广泛应用的科学与工程计算软件。它具有培养现代化建设要求相适应的现代科技实用型人才的最新理念，且为当今社会众多科学领域提供了一个数字计算全面的解决实际问题的便利工具，可以称得上代表了国际科学计算软件的先进水平，是走在世界前列的计算软件，我们非常有必要掌握这一重要的计算软件，为我们的科学研究工作全方位地服务。

参考文献：

[1] 于润伟. MATLAB基础及应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2003.

[2] 方红琴， 杨玉蓓. C语言程序设计[M]. 武汉： 华中科技大学出版社， 2013.

[3] 谭浩强. C程序设计题解与上机指导[M]. 北京： 清华大学出版社， 2008.

[4] 姚俊，马松辉. 建模与仿真[M]. 西安： 电子科技大学出版社， 2002.

[5] 陈怀琛. MATLAB及其在理工课程中的应用指南[M]. 西安： 电子科技大学出版社， 2004.