MATLAB科學計算實戰(微課視頻版)（簡體書）

MATLAB作為一個集數值計算、符號計算、圖形處理、程序流程控制、動態系統建模仿真等功能於一體的科學計算軟件，目前已被廣泛應用於科學研究與工程應用領域。《MATLAB科學計算實戰（微課視頻版）》介紹MATLAB的基礎知識與應用技術，強調採用MATLAB實現的數學方法和算法原理，注重應用案例分析，為讀者利用MATLAB進行學科應用打下良好基礎。本書內容包括MATLAB概述、數據的表示與基本運算、矩陣處理、程序流程控制、圖形繪製、數據分析與多項式計算、方程與**化問題數值求解、數值微積分、符號計算、圖形物件、App設計、Simulink系統仿真、外部應用接口等。 《MATLAB科學計算實戰（微課視頻版）》既可作為高等學校相關專業MATLAB課程的教學用書，也可供廣大在校學生、工程技術與科研人員閱讀參考。

當前，科學計算已經成為科學研究、技術創新的重要方法與手段，而作為實現工具的科學計算軟件無疑具有至關重要的作用。MATLAB已成為數學建模、線性代數、信號處理、自動控制原理等許多課程的解題工具，有利於計算機和其他課程的結合，有利於對學科知識的掌握。本書內容突出應用實戰，充分利用豐富的教學資源，以更好地適應不斷深入的混合式教學的實際需要。
? 算法原理與實現方法並重。以算法原理為基礎，講授利用MATLAB進行科學計算的方法，理解其應用規律，從而為科學研究和技術創新提供重要的方法與手段。
? 基礎理論與應用實踐結合。突出MATLAB在有關學科領域的應用，給出了170多個MATLAB案例和豐富的課後習題，鼓勵讀者應用MATLAB去解決實際問題。
? 立體化教材，教學資源豐富。紙質教材、微課視頻、慕課資源採用一體化設計，共同支撐課程教學。微課視頻幫助讀者化解難點、掌握重點、領悟方法；程序代碼、課後習題讓讀者學習更高效；教學課件、教學大綱便於教師教學。

當前，科學計算已經成為科學研究、技術創新的重要方法與手段，而作為實現工具的科學計算軟件無疑具有至關重要的作用。在高等學校，MATLAB已成為數學建模、線性代數、信號處理、自動控制原理等許多課程的解題工具，這將人們從繁雜的計算中解放出來，有利於計算機和其他課程的結合，有利於對學科知識的掌握。“MATLAB科學計算”已成為高等學校很受重視的一門基礎課程。

編者從1998年起開始該課程的建設和改革實踐，從2000年起在中南大學為理工科相關專業開設“MATLAB科學計算”課程。在長期的課程建設與教學改革實踐中，特別是在2016年以來的慕課（MOOC）建設和混合式教學實踐中，獲得了許多新的教學體會，也積累了大量的教學資源，因此編寫本書，希望能總結近年課程建設成果，深化課程內容改革，體現MATLAB的發展和應用成果。書中內容突出應用實戰，充分利用豐富的教學資源，以更好地適應不斷深入的混合式教學的實際需要。可以說，本書源於教學改革實踐，又將服務於教學改革實踐，從而促進一流課程建設。

本書遵循三點改革思路： 一是考慮到MATLAB版本不斷更新、功能不斷加強、應用範圍不斷擴大，教材要有時代感； 二是針對國內外計算機教育界大力倡導的計算思維（computational thinking）能力培育，教材要有厚重感； 三是考慮新型學習方式的興起，教材不僅要有文字載體，還要有視頻載體，教材要有立體感。

首先，關於MATLAB版本的更新。MATLAB是MATrix LABoratory（矩陣實驗室）的縮寫，自1984年由美國MathWorks公司推出以來，已有近40年的發展歷程。從2006年起，MathWorks公司每年發布兩次以年份命名的MATLAB版本，其中3月份左右發布a版，9月份左右發布b版，包括MATLAB R2006a（7.2版）、MATLAB R2006b（7.3版）……MATLAB R2012a（7.14版）。2012年9月，MathWorks公司推出了MATLAB R2012b，即MATLAB 8.0版，從操作界面到系統功能都有重大改變和加強，隨後推出了MATLAB R2013a（8.1版）……MATLAB R2015b（8.6版）。2016年3月，MathWorks公司推出了MATLAB R2016a，即MATLAB 9.0版。2016年9月，MathWorks公司推出了MATLAB R2016b（即MATLAB 9.1），一直到2022年3月推出MATLAB R2022a（9.12版），以後還會不斷推出新的版本。隨著MATLAB版本的變化，其應用方法和功能都有變化，本書以MATLAB R2022a作為操作環境，反映MATALAB的時代變化。
（注： 本書編寫時為最新版本，目前已又推出了MATLAB R2023a）

其次，關於計算思維能力培養。計算思維不僅反映了計算的原理，更重要的是體現了基於計算機的問題求解思路與方法。本書主要介紹科學計算問題的MATLAB實現方法。科學計算是研究工程問題及其他應用問題的求解方法，並在計算機上進行編程實現的一門課程，既有數學類課程中理論上的抽象性和嚴謹性，又有程序設計課程中技術上的實用性和實驗性的特徵。MATLAB使科學計算問題的實現變得十分方便。科學計算方法及其軟件工具的應用就是對實際問題進行分析並進行約簡和抽象，從而建立數學模型，然後根據精度和效率的要求選擇合適的計算方法，進而設計算法並運用程序設計方法實現。本書不僅介紹MATLAB的功能使用，更能體現計算思維的理念； 通過應用性案例詮釋問題求解的思維方法，培養計算思維能力，反映教材的“厚度”，也就是要體現教材的“高階性”。

最後，關於新型學習模式。在移動互聯網時代，由於智能手機、平板計算機等移動設備的大量應用，帶來了知識傳播模式和學習方式的深刻變化。教材將重要知識點或實例做成微課視頻，讀者可利用智能移動設備掃描書中的二維碼直接觀看，形成立體化的新形態教材。

配 套 資 源

 程序代碼等資源： 掃描目錄上方的“配套資源”二維碼下載。

 教學課件、教學大綱等資源： 掃描封底的“書圈”二維碼在公眾號下載，或者到清華大學出版社官方網站本書頁面下載。

 微課視頻（600分鐘，86集）： 掃描書中相應章節中的二維碼在線學習。

注： 請先掃描封底刮刮卡中的文泉云盤防盜碼進行綁定後再獲取配套資源。

基於以上改革思路，本書體現了以下特色：

第一，強調數學方法、算法原理和MATLAB實現技術並重，從而幫助讀者更好地理解和應用MATLAB。以算法原理為基礎，講授利用MATLAB進行科學計算的方法。通過學習，讀者能夠掌握MATLAB的基本功能，理解其應用規律，從而為科學研究和技術創新提供重要的方法與手段。

第二，注重理論與實踐相結合，突出MATLAB在有關學科領域的應用，貼近讀者需要。MATLAB具備和學科應用結合的天然優勢，所以MATLAB課程是助力“新工科”建設的重要課程（但MATLAB的應用範圍絕不限於“工科”）。以課程開發的教學案例為基礎，與學科結合、與應用結合，鼓勵讀者應用MATLAB去解決實際問題。書中大量的應用案例既是對MATLAB重點和難點的詮釋，又具有很強的示範性。突出學科應用使得該教材能很好地反映“新工科”的教育理念，助力“新工科”人才培養。

第三，教學資源豐富，教學適用性強。紙質教材、微視頻、慕課資源採用一體化設計，不重復，相互補充，共同支撐課程教學。微視頻幫助讀者化解難點、掌握重點、領悟方法； PPT和程序代碼讓讀者的學習更高效。豐富的教學資源，為在線/線下混合式教學、構建開放式教學課堂提供基礎保證。

在本書編寫過程中，吸取了許多老師的寶貴意見和建議，在此表示衷心的感謝。

由於編者水平有限，書中難免存在疏漏之處，懇請廣大讀者批評指正。

劉衛國
2023年5月於中南大學

第1章MATLAB概述
（視頻講解： 22分鐘，5集）

1.1MATLAB簡介

1.1.1MATLAB的發展

1.1.2MATLAB的主要功能

1.2MATLAB系統環境

1.2.1啟動和退出MATLAB

1.2.2MATLAB的操作界面

1.2.3MATLAB的搜索路徑

1.3MATLAB的基本操作

1.3.1命令格式與基本規則

1.3.2MATLAB的幫助系統

1.4應用實戰1

練習題

操作題

第2章數據的表示與基本運算（視頻講解： 46分鐘，7集）

2.1MATLAB數值數據及操作

2.1.1數值數據

2.1.2數據的輸出格式

2.2變量及其操作

2.2.1變量與賦值

2.2.2變量的管理

2.3MATLAB矩陣

2.3.1創建矩陣

2.3.2引用矩陣元素

2.4MATLAB運算

2.4.1算術運算

2.4.2關係運算

2.4.3邏輯運算

2.5字符數據及操作

2.5.1字符串與字符數組

2.5.2字符串數組

2.6結構體數據和單元數據

2.6.1結構體數據

2.6.2單元數據

2.7應用實戰2

練習題

操作題

第3章矩陣處理（視頻講解： 24分鐘，8集）

3.1特殊矩陣的生成

3.1.1通用的特殊矩陣

3.1.2面向特定應用的特殊矩陣

3.2矩陣變換

3.2.1對角矩陣與三角矩陣

3.2.2矩陣的轉置與旋轉

3.2.3矩陣的逆與偽逆

3.3矩陣求值

3.3.1方陣的行列式

3.3.2矩陣的秩與跡

3.3.3向量和矩陣的範數

3.3.4矩陣的條件數

3.4矩陣的特徵值與特徵向量

3.5稀疏矩陣的操作

3.5.1矩陣存儲方式

3.5.2生成稀疏矩陣

3.5.3稀疏矩陣的運算

3.6應用實戰3

練習題

操作題

第4章程序流程控制（視頻講解： 82分鐘，14集）

4.1腳本

4.1.1腳本的創建

4.1.2實時腳本

4.2程序控制結構

4.2.1順序結構

4.2.2選擇結構

4.2.3循環結構

4.3函數

4.3.1函數的基本結構

4.3.2函數調用

4.3.3函數參數的可調性

4.3.4全局變量與局部變量

4.4特殊形式的函數

4.4.1子函數

4.4.2匿名函數

4.5程序調試與優化

4.5.1程序調試方法

4.5.2程序性能分析與優化

4.6應用實戰4

練習題

操作題

第5章圖形繪製（視頻講解： 44分鐘，8集）

5.1二維曲線

5.1.1繪製二維曲線

5.1.2設置曲線樣式

5.1.3圖形標注與坐標控制

5.1.4多圖形顯示

5.1.5其他坐標系下的曲線

5.2其他二維圖形

5.2.1條形類圖形

5.2.2面積類圖形

5.2.3散點類圖形

5.2.4矢量場圖形

5.3三維圖形

5.3.1三維曲線

5.3.2三維曲面

5.3.3其他三維圖形

5.4圖形修飾處理

5.4.1視點處理

5.4.2色彩處理

5.4.3圖形的裁剪處理

5.5圖像處理

5.5.1圖像數據讀寫與顯示

5.5.2圖像捕獲與播放

5.6交互式繪圖工具

5.6.1“繪圖”選項卡

5.6.2繪圖工具

5.7應用實戰5

練習題

操作題

第6章數據分析與多項式計算（視頻講解： 46分鐘，6集）

6.1數據統計處理

6.1.1最大值和最小值

6.1.2求和與求積

6.1.3平均值和中值

6.1.4累加和與累乘積

6.1.5標準差和相關係數

6.1.6排序

6.2多項式計算

6.2.1多項式的四則運算

6.2.2多項式的導函數

6.2.3多項式的求值

6.2.4多項式求根

6.3數據插值

6.3.1一維數據插值

6.3.2二維數據插值

6.4曲線擬合

6.5應用實戰6

練習題

操作題

第7章方程與最優化問題數值求解（視頻講解： 104分鐘，12集）

7.1線性方程組求解

7.1.1線性方程組的直接解法

7.1.2線性方程組的迭代解法

7.2非線性方程數值求解

7.2.1單變量非線性方程求解

7.2.2非線性方程組的求解

7.3常微分方程的數值求解

7.3.1龍格庫塔法簡介

7.3.2常微分方程數值求解的實現

7.4最優化問題求解

7.4.1無約束最優化問題求解

7.4.2有約束最優化問題求解

7.4.3線性規劃問題求解

7.5應用實戰7

練習題

操作題

第8章數值微積分（視頻講解： 44分鐘，4集）

8.1數值微分

8.1.1數值差分與差商

8.1.2數值微分的實現

8.2數值積分

8.2.1數值積分的原理

8.2.2定積分的數值求解的實現

8.2.3多重定積分的數值求解實現

8.3離散傅裡葉變換

8.3.1離散傅裡葉變換算法簡介

8.3.2離散傅裡葉變換的實現

8.4應用實戰8

練習題

操作題

第9章符號計算（視頻講解： 71分鐘，8集）

9.1符號物件及其運算

9.1.1建立符號物件

9.1.2符號表達式中自變量的確定

9.1.3符號物件的算術運算

9.1.4符號物件的關係運算

9.1.5符號物件的邏輯運算

9.1.6符號矩陣的運算

9.2符號微積分

9.2.1符號極限

9.2.2符號導數

9.2.3符號積分

9.3級數

9.3.1級數符號求和

9.3.2函數的泰勒級數

9.4符號方程求解

9.4.1符號代數方程求解

9.4.2符號常微分方程求解

9.5符號計算的可視化分析

9.5.1funtool工具

9.5.2Taylor Tool工具

9.6應用實戰9

練習題

操作題

第10章圖形物件（視頻講解： 50分鐘，6集）

10.1圖形物件及其句柄

10.1.1圖形物件簡述

10.1.2圖形物件句柄

10.1.3圖形物件屬性

10.2圖形窗口與坐標軸

10.2.1圖形窗口物件

10.2.2坐標軸物件

10.3核心圖形物件的操作

10.3.1曲線物件

10.3.2曲面物件

10.3.3文本物件

10.3.4其他核心圖形物件

10.4動畫物件

10.4.1創建軌跡動畫

10.4.2創建線條動畫

10.4.3創建變換動畫

10.5光照和材質處理

10.5.1光源物件

10.5.2材質處理

10.6應用實戰10

練習題

操作題

第11章App設計（視頻講解： 28分鐘，2集）

11.1UI圖形窗口

11.1.1創建UI 圖形窗口

11.1.2回調函數

11.2菜單設計

11.2.1建立用戶菜單

11.2.2菜單物件常用屬性

11.2.3快捷菜單

11.3對話框設計

11.3.1常用組件

11.3.2組件的操作

11.4App設計工具

11.4.1App設計工具窗口

11.4.2App組件庫

11.4.3App類的基本結構

11.5應用實戰11

練習題

操作題

第12章Simulink系統仿真（視頻講解： 16分鐘，3集）

12.1Simulink操作基礎

12.1.1Simulink的工作環境

12.1.2Simulink的仿真過程

12.2仿真模型的創建

12.2.1模塊庫的打開

12.2.2模塊的操作

12.2.3模塊的連接

12.2.4模塊的參數和屬性設置

12.3系統的仿真與分析

12.3.1設置仿真參數

12.3.2運行仿真與仿真結果輸出

12.4子系統

12.4.1子系統的創建

12.4.2子系統的條件執行

12.5S函數的設計與應用

12.5.1用MATLAB語言編寫S函數

12.5.2S函數的應用

12.6應用實戰12

練習題

操作題

第13章外部應用接口（視頻講解： 23分鐘，3集）

13.1MATLAB與Excel的接口

13.1.1Spreadsheet Link的使用

13.1.2在Excel中調用MATLAB函數

13.1.3在MATLAB中導入/導出數據

13.2數據接口

13.2.1文件操作

13.2.2MAT文件與應用

13.3MATLAB編譯器

13.4MATLAB與其他語言的接口

13.4.1MEX文件

13.4.2MATLAB引擎

13.5應用實戰13

練習題

操作題

參考文獻