關(guān)于MATLAB的介紹和用途分析

MATLAB 是受全球數(shù)百萬工程師和科學(xué)家青睞的高級語言和交互環(huán)境。您可以探尋思路，實現(xiàn)可視化，開展跨學(xué)科協(xié)作，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)和計算金融。

您可以在諸如能耗建模之類的項目中使用 MATLAB，構(gòu)建智能電網(wǎng)，為高超音速飛行器開發(fā)控制算法，分析氣象數(shù)據(jù)以實現(xiàn)颶風(fēng)軌跡和強度的可視化，運行數(shù)百萬次仿真以確定抗生素的最佳劑量。

您將如何使用 MATLAB？

主要特性

用于數(shù)值計算、可視化和應(yīng)用程序開發(fā)的高級語言

可實現(xiàn)迭代式探查、設(shè)計及問題求解的交互式環(huán)境

用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化、數(shù)值積分以及常微分方程求解的數(shù)學(xué)函數(shù)

用于數(shù)據(jù)可視化的內(nèi)置圖形以及用于創(chuàng)建自定義繪圖的工具

用于改進代碼質(zhì)量和可維護性并最大限度地發(fā)揮性能的開發(fā)工具

用于構(gòu)建自定義圖形界面應(yīng)用程序的工具

可實現(xiàn)基于 MATLAB 的算法與外部應(yīng)用程序和語言（如 C、Java、.NET 以及 Microsoft Excel）集成的函數(shù)

使用 MATLAB 桌面執(zhí)行數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)可視化。MATLAB環(huán)境還可用來編寫程序以及開發(fā)算法和應(yīng)用程序。

主要功能

1. 數(shù)值計算

MATLAB提供了一系列用于分析數(shù)據(jù)、開發(fā)算法和創(chuàng)建模型的數(shù)值計算方法。MATLAB語言包括用以支持常見的工程設(shè)計和科學(xué)運算的數(shù)學(xué)函數(shù)。核心的數(shù)學(xué)函數(shù)采用處理器優(yōu)化庫，可以快速地執(zhí)行向量運算和矩陣運算。具體可采用的方法包括：

插值與回歸

微分與積分

線性方程組

傅里葉分析

特征值與奇異值

常微分方程(ODE)

稀疏矩陣

MATLAB附加產(chǎn)品提供了各種專業(yè)領(lǐng)域的函數(shù)，如統(tǒng)計、優(yōu)化、信號分析以及機器學(xué)習(xí)。

使用二維三次插值完善柵格數(shù)據(jù)。

2. 數(shù)據(jù)分析和可視化

MATLAB提供了用于數(shù)據(jù)采集、分析和可視化的工具，使您能夠深入探查數(shù)據(jù)，而且與使用電子表格或傳統(tǒng)編程語言相比節(jié)省了大量時間。此外，還可以通過繪圖、報告或發(fā)布MATLAB 代碼的形式來記錄和共享結(jié)果。

采集數(shù)據(jù)

利用 MATLAB，可以從文件、其他應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫以及外部設(shè)備訪問數(shù)據(jù)。您可以從各種常用文件格式（如 Microsoft Excel、文本或二進制文件、圖像、語音和視頻文件）以及諸如 netCDF 和 HDF 等科學(xué)文件中讀取數(shù)據(jù)。借助文件 I/O 函數(shù)，可以處理任意格式的數(shù)據(jù)文件。

通過將 MATLAB 與附加產(chǎn)品配合使用，可以從諸如計算機串口或聲卡等硬件設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，并且使實時測量的數(shù)據(jù)接導(dǎo)入 MATLAB，以便用于分析和可視化處理。此外，還可以實現(xiàn)與各種儀器（如示波器、函數(shù)發(fā)生器以及信號分析儀）之間的通信。

使用“導(dǎo)入工具”可將數(shù)字和文本混合文件導(dǎo)入 MATLAB。MATLAB 能夠以編程的形式自動生成有待導(dǎo)入文件中的腳本或函數(shù)。

分析數(shù)據(jù)

利用 MATLAB，可以對數(shù)據(jù)進行管理、篩選以及預(yù)處理。您可以執(zhí)行探索性數(shù)據(jù)分析，探明趨勢，檢驗假設(shè)，并構(gòu)建描述模型。MATLAB 提供了可用于濾波和平滑、插值、卷積以及快速傅 立葉變換 (FFT) 的各種函數(shù)。各種附加產(chǎn)品提供了可用于曲線和曲面擬合、多元統(tǒng)計、頻譜分析、 圖像分析、系統(tǒng)識別及其他分析任務(wù)的多種功能。

使用 MATLAB 和 Curve Fitting Toolbox 將曲面擬合到自定義模型數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)可視化

MATLAB 提供了內(nèi)置的二維和三維繪圖函數(shù)，以及立體可視化函數(shù)。使用這些函數(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，了解數(shù)據(jù)，并交流結(jié)果。對繪圖進行自定義時既可以采用交互方式，也可以采用編程方式。

使用 MATLAB 交互式繪圖環(huán)境編輯曲面等高線圖的標(biāo)題。

存檔和共享結(jié)果

您可以采用圖形或完整報告的方式來共享結(jié)果。通過定制 MATLAB 圖形，可以符合出版規(guī)格，并保存為常見的圖形和數(shù)據(jù)文件格式。執(zhí)行 MATLAB 程序時，可以自動生成報告。所生成的報告中含有代碼、注釋和程序結(jié)果，其中包括圖形。報告可采用各種格式（如 HTML、PDF、Word 或 LaTeX）發(fā)布。

利用 MATLAB 編輯器以 HTML 格式（右）發(fā)布的 MATLAB 程序（左）。其中捕獲并包含了顯示在“命令行窗口”中或顯示為圖形的結(jié)果，而且代碼注釋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換成 HTML 文件中的分節(jié)標(biāo)題和正文文本。

3. 編程與算法開發(fā)

MATLAB 提供了一種高級語言和開發(fā)工具，使您可以迅速地開發(fā)并分析算法和應(yīng)用程序。

MATLAB語言

MATLAB 語言對向量運算和矩陣運算提供內(nèi)在支持，這些運算是解決工程和科學(xué)問題的基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速開發(fā)和執(zhí)行。

使用 MATLAB 語言，編程和開發(fā)算法的速度較使用傳統(tǒng)語言大幅提高，這是因為無須執(zhí)行諸如聲明變量、指定數(shù)據(jù)類型以及分配內(nèi)存等低級管理任務(wù)。在很多情況下，支持向量運算和矩陣運算就無需使用 for 循環(huán)。因此，一行MATLAB代碼通常等同于數(shù)行 C 代碼或 C++ 代碼。

MATLAB 提供了傳統(tǒng)編程語言的多項功能，其中包括流控制、錯誤處理以及面向?qū)ο缶幊?(OOP)。您既可以使用基本的數(shù)據(jù)類型或高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可以定義自定義數(shù)據(jù)類型。

采用交互方式，一次僅執(zhí)行一個命令，可以即時生成結(jié)果。這種方法可以快速試探多個選項，通過反復(fù)迭代，找出最佳的解決方案。通過捕獲交互式步驟，生成可以重復(fù)使用的腳本和函數(shù)，并實現(xiàn)任務(wù)的自動化。

開發(fā)工具

MATLAB 內(nèi)置的各種工具可以實現(xiàn)高效的算法開發(fā)，包括：

命令行窗口- 能夠以交互的方式輸入數(shù)據(jù)，執(zhí)行命令和程序，以及顯示結(jié)果

MATLAB 編輯器- 提供編輯和調(diào)試功能，如設(shè)置斷點及逐步調(diào)試各行代碼

代碼分析器- 自動檢查代碼是否有問題，并提出修改建議，以最大限度地發(fā)揮性能以及可維護性

MATLAB 事件探查器– 衡量 MATLAB 程序的性能，并確定需要修改加以改進的代碼范圍

其他工具可以對代碼和數(shù)據(jù)文件進行比較，并提供顯示文件相關(guān)性、注釋提示和代碼涵蓋范圍的報告。

在調(diào)試模式下運行以便診斷問題的 MATLAB 程序。

與其他語言和應(yīng)用程序集成

MATLAB 應(yīng)用程序可以與其他語言編寫的應(yīng)用程序集成。在 MATLAB 中，可以直接調(diào)用以 C、C++、Java 和 .NET 編寫的代碼。使用 MATLAB 引擎庫，可從 C、C++ 或 Fortran 應(yīng)用程序調(diào)用 MATLAB 代碼。

性能

MATLAB 采用處理器優(yōu)化庫，可以快速執(zhí)行矩陣運算和向量運算。對于通用的標(biāo)量計算，MATLAB 使用其即時 (JIT) 編譯技術(shù)，提供了可與傳統(tǒng)編程語言相媲美的執(zhí)行速度。

為了充分利用多核和多處理器計算機，MATLAB 提供了眾多的多線程線性代數(shù)和數(shù)值函數(shù)。這些函數(shù)可在單個 MATLAB 會話中自動執(zhí)行多個計算線程，從而得以在多核計算機上提高執(zhí)行速度。

4. 應(yīng)用的開發(fā)和部署

MATLAB 工具和附加產(chǎn)品提供了一系列開發(fā)和部署應(yīng)用程序的選項。您既可以與其他 MATLAB 用戶共享各個算法和應(yīng)用程序，也可以向其他沒有 MATLAB 的用戶實施免特許費的部署。

設(shè)計圖形用戶界面

使用 GUIDE（圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境），可以布置、設(shè)計和編輯自定義圖形用戶界面。既可以 含帶常用控件，如列表框、下拉菜單和按鈕，也可以含帶 MATLAB 繪圖。此外，還可以使用 MATLAB 函數(shù)以編程的方式來創(chuàng)建圖形用戶界面。

風(fēng)力分析 GUI 的 GUIDE 布局（頂部）和完成后的界面（底部）。

部署應(yīng)用程序

若要將一個應(yīng)用程序直接分發(fā)給其他 MATLAB 用戶，可以將其打包為 MATLAB 應(yīng)用程序，從而 實現(xiàn)單文件分發(fā)。應(yīng)用程序會自動安裝在 MATLAB 應(yīng)用程序庫中，以便于訪問。若要與沒有 MATLAB 的其他人分享應(yīng)用程序，可以使用應(yīng)用程序部署產(chǎn)品。這些附加產(chǎn)品會自動 生成獨立應(yīng)用程序、共享庫和軟件組件，以便與 C、C++、Java、.NET 和 Excel 環(huán)境集成。可執(zhí)行 文件和組件可以免特許費分發(fā)。

生成C代碼

使用 MATLAB Coder，可以從 MATLAB 代碼生成獨立的 C 代碼。MATLAB Coder 支持 MATLAB 語言的子集；設(shè)計工程師通常使用該語言來開發(fā)作為大型系統(tǒng)組件的算法。該代碼既可用于獨立執(zhí)行，與其他軟件應(yīng)用程序集成，也可以作為嵌入式應(yīng)用程序的一部分。

MATLAB 代碼（左）以及顯示生成的 C 代碼的代碼生成報告（右）。