MATLAB绘图基础1：MATLAB基础回顾

参考书：《 ${\rm MATLAB}$ 与学术图表绘制》(关东升)。

1.MATLAB基础回顾

1.1 MATLAB语言特点

${\rm MATLAB}$ 是一种解释型语言，允许用户逐步执行命令并立即查看结果；
${\rm MATLAB}$ 拥有大量内置的数学、统计、工程等方面的函数和工具箱，极大地简化了技术计算任务，支持自定义函数的开发；
${\rm MATLAB}$ 支持多种数值计算的数据类型，包括多维数组、稀疏矩阵等，并提供多种矩阵运算函数；
${\rm MATLAB}$ 提供丰富的 $2{\rm D}$ 和 ${\rm 3D}$ 可视化功能，可以方便地绘制各种图形并进行图像处理；
${\rm MATLAB}$ 可以调用外部的 ${\rm C/C}$ ++和 ${\rm Fortran}$ 代码，扩展其功能；
${\rm MATLAB}$ 可以生成可移植的 ${\rm C/C}$ ++和 ${\rm .NET}$ 代码，将开发的算法及应用部署到其他环境；
${\rm MATLAB}$ 支持面向对象编程，可以使用类、封装、继承等概念进行模块化编程；
${\rm MATLAB}$ 具有丰富的工具包，可用于信号处理、控制系统、优化、机器学习等领域；
${\rm MATLAB}$ 可以进行并行计算，利用多核 ${\rm CPU}$ 提高计算速度；

1.2 MATLAB界面介绍

命令行窗口 $({\rm Command\ Window})$ ：用户可以在命令行窗口输入 ${\rm MATLAB}$ 命令并查看其输出，如： ${\rm clear、clc}$ ；
编辑器 $({\rm Editor})$ ： ${\rm MATLAB}$ 编辑器用于创建、编辑和保存 ${\rm MATLAB}$ 脚本和函数文件，用户可以在编辑器中编写代码，执行脚本，并进行代码调试；
当前文件夹 $({\rm Current\ Folder})$ ：当前文件夹窗口显示 ${\rm MATLAB}$ 当前工作目录中的文件和文件夹，用户可在其中浏览、打开、保存和管理 ${\rm MATLAB}$ 文件；
工作区 $({\rm Workspace})$ ：工作区窗口用于管理 ${\rm MATLAB}$ 工作区中的变量和数据，用户可在其中查看、清除和操作工作区中的变量；
命令历史 $({\rm Command\ History})$ ：命令历史窗口显示用户在命令窗口中输入的历史命令，用户可以使用命令历史查找以前执行的命令并重新运行它们；
${\rm Plot}$ 工具 $({\rm Plotting\ Tools})$ ： ${\rm MATLAB}$ 提供丰富的绘图工具，用户可以使用它们创建各种类型图表和图形，进行可视化数据；
${\rm Apps}$ 和工具箱 $({\rm Apps\ and\ Toolboxes})$ ： ${\rm MATLAB}$ 具有各种应用程序和工具箱，用于不同领域和任务，如：统计分析、机器学习、图像处理等；
帮助和文档 $({\rm Help\ and\ Documentation})$ ： ${\rm MATLAB}$ 提供广泛的在线文档和帮助资源，包括：函数文档、示例代码和教程；

1.3 MATLAB语法基础

标识符：标识符是用来表示变量、函数、文件和其他命名实体的名称，标识符必须遵循的命名规则和约定如下：
- 标识符必须以字母开头；
- 标识符可以包含字母、数字和下划线；
- 标识符区分大小写；
- 标识符不能与 ${\rm MATLAB}$ 的保留关键字相同；
关键字：关键字具有特殊含义，不能用作标识符，常见的关键字如下：
- ${\rm if}$ ：用于条件语句，条件成立时执行某些代码块；
- ${\rm else}$ ：用于条件语句，指定条件不成立时执行某些代码块；
- ${\rm elseif}$ ：在多条件 ${\rm if}$ 语句中用于指定额外的条件；
- ${\rm while}$ ：用于创建循环，当指定条件为真时执行一段代码块；
- ${\rm for}$ ：用于创建循环，用于遍历数组或执行一定次数的操作；
- ${\rm end}$ ：用于结束循环、函数或条件语句的代码块；
- ${\rm function}$ ：用于定义 ${\rm MATLAB}$ 函数；
- ${\rm return}$ ：用于从函数中返回值；
- ${\rm break}$ ：用于退出循环；
- ${\rm continue}$ ：用于跳过当前循环迭代，继续下一次迭代；
注释：使用注释来添加说明性文字或注释性信息，以使代码更易于理解和维护，包括单行注释和多行注释：
- 单行注释：使用百分号 $\%$ 开始的一行文字，单行注释通常用于在代码中添加短期注释或说明；
- 多行注释：由 $\%\{$ 和 $\%\}$ 包围的文本块组成，多行注释通常用于添加更长或多段文字的注释；
- 单行注释和多行注释示例：
```
% 单行注释示例
number1 = 100;		% 给number1赋值100;%{
多行注释示例:
多行注释通常用于添加更长或多段文字的注释;
下面代码给number2赋值200;
%}
number2 = 200;
```

分节符：" ${\rm \%\%}$ "符号用作分节符，分节符用于将脚本或函数分成不同的部分，以提高代码的可读性和组织性；

% 说明:下面代码分为两节,将光标放在想要运行的节的任何位置,单击"运行节"按钮;
% 每个节可以单独运行进行测试或调试，无须运行整个脚本或函数;%% 加法运算符
number1 = 10;
number2 = 20;
result1 = number1 + number2;
result1%% 减法运算符
number3 = 20;
number4 = 10;
result2 = number4 - number3;
result2

变量：用于存储和操作各种数据类型，包括：标量、矩阵、字符串、结构等， ${\rm MATLAB}$ 中定义变量直接使用变量名，不需要声明类型，示例如下：
```
% 定义两个变量;
number1 = 100;
number2 = 200;
PI = 3.1415926;% 算术运算;
result = number1 + number2;
```
续行符：使用省略号 ${\rm ...}$ 表示续行符，可将一行代码分成多行，提高长表达式的代码可读性，示例如下：
```
% 续行符示例1:
result=1+2+...4+5+6;
result% 续行符示例2:
matrix1=[1,2,3;...4,5,6;...7,8,9];
matrix1
```

1.4 MATLAB数据类型

双精度浮点数 $({\rm Double})$ ：双精度浮点数用于存储小数或浮点数值，双精度浮点数使用 $64$ 位表示数字，示例如下：
```
% 双精度浮点数示例:
dNumber1 = 3.14;
dNumber2 = 2.71828;result = dNumber1 + dNumber2;
```

整数 $({\rm Integer})$ ：整数用于存储整数值，分为有符号整数和无符号整数，有符号整数可以表示正数、负数和零，无符号整数表示非负整数， ${\rm MATLAB}$ 中的整数分为 $8$ 位、 $16$ 位、 $32$ 位和 $64$ 位整数，整数类型如下：

$数据类型$	$类型描述$	$数据类型$	$类型描述$
${\rm int8}$	$8 位有符号整数$	${\rm int32}$	$32 位有符号整数$
${\rm uint8}$	$8 位无符号整数$	${\rm uint32}$	$32 位无符号整数$
${\rm int16}$	$16 位有符号整数$	${\rm int64}$	$64 位有符号整数$
${\rm uint16}$	$16 位无符号整数$	${\rm uint64}$	$64 位无符号整数$

% 整数示例：
iNumber1 = 100;					% 声明一个有符号整数变量iNumber1并赋值100;
iNumber2 = -200;				% 声明一个有符号整数变量iNumber2并赋值-200;uInt16Number1 = uint16(300);	% 声明一个16位无符号整数变量uInt16Number1并赋值300;

字符 $({\rm Char})$ ：字符数据类型用于存储单个字符，字符串数据类型用于存储文本或字符序列，示例如下：

c1 = 'F';		% 声明一个字符变量c1,存储字母F;
c2 = 'X';		% 声明一个字符变量c2,存储字母X;
c3 = '@';		% 声明一个字符变量c3,存储特殊字符@;
c4 = ' ';		% 声明一个字符变量c4,存储空格字符;

逻辑 $({\rm Logical})$ ：逻辑数据类型用于条件测试、逻辑运算和控制流程，逻辑数据类型有两个值： ${\rm true}$ 和 ${\rm flase}$ ， ${\rm true}$ 表示逻辑真，用 $1$ 表示， ${\rm false}$ 表示逻辑假，用 $0$ 表示，示例如下：
```
% 逻辑数据类型示例：
is_true = true;
is_false = false;if is_truedisp("条件成立,输出真!");
elsedisp("条件不成立,输出假!");
end
```

复数 $({\rm Complex})$ ：复数是具有实部和虚部的数值，常以 ${\rm a+bi}$ 形式表示， ${\rm a}$ 为实部， ${\rm b}$ 为虚部， ${\rm i}$ 为虚数单位，示例如下：

% 定义复数;
cpxNumber1 = 1 + 2i;
cpxNumber2 = 3 + 4i;% 复数加减法;
cpxAdd = cpxNumber1 + cpxNumber2;
cpxSub = cpxNumber2 - cpxNumber1;% 获取复数的实部和虚部;
realGet = real(cpxNumber1);		% 获取复数实部;
imagGet = imag(cpxNumber1);		% 获取复数虚部;

1.5 MATLAB常见运算符

算术运算符

$运算符$	$运算符名称$	$示例$	$运算符$	$运算符名称$	$示例$
$+$	$加法$	${\rm num1+num2}$	/	$矩阵右除$	${\rm mat1/mat2}$
$+$	$一元加法$	${\rm +x}$	$.$ \	$按元素左除$	${\rm arr1.}$ \ ${\rm arr2}$
$-$	$减法$	${\rm num1-num2}$	\	$矩阵左除$	${\rm mat1}$ \ ${\rm mat2}$
$-$	$一元减法$	${\rm -x}$	$.$ ^	$按元素求幂$	${\rm arr1}$ .^ ${\rm exp}$
$. *$	$按元素乘法$	${\rm arr1.*arr2}$	^	$矩阵幂$	${\rm mat1}$ ^ ${\rm p}$
$*$	$矩阵乘法$	${\rm mat1*mat2}$	$.^{'}$	$转置$	${\rm mat.'}$
$.$ /	$按元素右除$	${\rm num./den}$	$^{'}$	$复共轭转置$	${\rm mat'}$

% ch01_01.m
% MATLAB常见的算术运算符示例：%% 加法运算符和减法运算符示例
iNumber1 = 100;
iNumber2 = 200;
result1 = iNumber1 + iNumber2
result2 = iNumber2 - iNumber1%% 一元加法和一元减法示例
iNumber3 = 520;
result3 = + iNumber3
result4 = - iNumber3%% 按元素乘法示例
arr1 = [1, 2, 3];
arr2 = [4, 5, 6];
result5 = arr1 .* arr2%% 矩阵乘法示例
matrix1 = [1, 2;3, 4];
matrix2 = [5, 6;7, 8];
result6 = matrix1 * matrix2%% 按元素右除示例
num = [10, 20, 30];
den = [2, 4, 6];
result7 = num ./ den%% 矩阵右除示例
matrix3 = [10, 20;30, 40];
matrix4 = [2, 4;6, 8];
result8 = matrix3 / matrix4%% 按元素左除示例
arr3 = [10, 20, 30];
arr4 = [2, 4, 6];
result9 = arr3 .\ arr4%% 矩阵左除示例
matrix5 = [1, 2;3, 4];
matrix6 = [5, 6;7, 8];
result10 = matrix5 \ matrix6%% 按元素求幂示例
arr5 = [2, 3, 4];
exp = [2, 3, 2];
result11 = arr5 .^ exp%% 矩阵幂示例
matrix7 = [1, 2;3, 4];
p = 2;
result12 = matrix7^p%% 转置示例
matrix8 = [1, 2;3, 4];
result13 = matrix8.'%% 复共轭转置示例
cpxMatrix9 = [1 + 2i, 3 - 4i;5 + 6i,7 - 8i];
result14 = cpxMatrix9'

% ch01_01.m运算结果：
result1 =300result2 =100result3 =520result4 =-520result5 =4    10    18result6 =19    2243    50result7 =5     5     5result8 =5.0000   -0.00000    5.0000result9 =0.2000    0.2000    0.2000result10 =-3.0000   -4.00004.0000    5.0000result11 =4    27    16result12 =7    1015    22result13 =1     32     4result14 =1.0000 - 2.0000i   5.0000 - 6.0000i3.0000 + 4.0000i   7.0000 + 8.0000i

关系运算符

$运算符$	$运算符名称$	$示例$
$==$	$等于$	${\rm num1==num2检查num1是否等于num2}$
$～ =$	$不等于$	${\rm num1～=num2检查num1是否不等于num2}$
$>$	$大于$	${\rm num1>num2检查num1是否大于num2}$
$>=$	$大于或等于$	${\rm num1>=num2检查num1是否大于或等于num2}$
$<$	$小于$	${\rm num1<num2检查num1是否小于num2}$
$<=$	$小于或等于$	${\rm num1<=num2检查num1是否小于或等于num2}$

% ch01_02.m
% MATLAB常见的关系运算符示例：%% 关系运算符==示例：
num1 = 100;
num2 = 100;result1 = (num1 == num2)%% 关系运算符～=示例：
num3 = 100;
num4 = 200;
result2 = (num3 ~= num4)%% 关系运算符>示例：
num5 = 10;
num6 = 20;
result3 = (num5 > num6)%% 关系运算符>=示例：
num7 = 100;
num8 = 100;
result4 = (num7 >= num8)%% 关系运算符<示例：
num9 = 100;
num10 = 200;
result5 = (num9 < num10)%% 关系运算符<=示例：
num11 = 100;
num12 = 200;
result6 = (num11 <= num12)

% ch01_02.m结果：
result1 =logical1result2 =logical1result3 =logical0result4 =logical1result5 =logical1result6 =logical1

逻辑运算符

$运算符$	$运算符名称$	$运算符示例$
$\&$	${\rm 计算逻辑AND}$	${\rm num1\&num2执行逻辑AND操作}$
\|	${\rm 计算逻辑OR}$	${\rm num1\|num2计算逻辑OR}$
\|\|	${\rm 计算逻辑OR(具有短路功能)}$	${\rm num1\|\|num2执行逻辑OR操作(具有短路功能)}$
$\&\&$	${\rm 计算逻辑AND(具有短路功能)}$	${\rm num1\&\&num2执行逻辑AND操作(具有短路功能)}$
$～$	${\rm 计算逻辑NOT}$	${\rm ～num1执行逻辑NOT操作}$

% ch01_03.m
% MATLAB常见的逻辑运算符示例：%% 逻辑运算符示例：
bool1 = true;
bool2 = false;
result1 = (bool1 & bool2)
result2 = (bool1 | bool2)
result3 = (bool1 || bool2)
result4 = (bool1 && bool2)
result5 = (~bool1)

% ch01_03.m结果：
result1 =logical0result2 =logical1result3 =logical1result4 =logical0result5 =logical0