第１章
MATLAB App Designer设计预备知识
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，它是一种高级编程语言，也是面向科学计算、可视化及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编程模式。

（1）MATLAB软件介绍。
（2）MATLAB工作环境。
（3）MATLAB中的函数类型。
（4）MATLAB程序设计结构。

（1）了解MATLAB软件的组成及特点。
（2）熟悉MATLAB工作环境。
（3）掌握MATLAB中的几种函数类型的使用方法及特点。
（4）掌握if、switch语句实现选择结构的方法。
（5）掌握for、while语句实现循环结构的方法。

MATLAB主要由核心部分和各种应用工具箱两部分组成。
MATLAB核心部分由MATLAB开发环境、MATLAB编程语言、MATLAB数学函数库、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用程序接口5部分组成。① MATLAB开发环境是一个集成的工作环境，包括MATLAB命令行窗口、文件编辑调试器、工作区、数组编辑器和在线帮助文档等；②MATLAB编程语言是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许按照数学习惯的方式编写程序；③MATLAB数学函数库包含了大量的计算算法，包括基本函数、矩阵运算和复杂算法等；④MATLAB图形处理系统能够将二维和三维数组的数据用图形表示出来，并可以实现图像处理、动画显示和表达式作图等功能；⑤MATLAB应用程序接口使MATLAB语言能与C或FORTRAN等其他编程语言进行交互。
MATLAB工具箱包括功能性工具箱和科学性工具箱两类。①功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能，适用于多种学科；②科学性工具箱专业性较强，如control toolbox、communication toolbox等，这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户不用自己编写学科范围内的基础程序即可直接进行高、精、尖的研究。

MATLAB既是一种语言，又是一种编程环境。在这种环境中，系统提供了许多编写、调试和执行MATLAB程序的便利工具。下面主要介绍MATLAB中的命令行窗口、图形窗口、工作空间窗口、M文件编辑窗口和帮助系统窗口。
1.2.1　命令行窗口
通过命令行窗口输入MATLAB的各种命令并读出相应的结果。但要注意，每一条命令或命令行输入后都要按Enter键，命令才会被执行，例如，输入如下程序：
a=ones(4,4)

然后按Enter键，即可创建一个4×4且元素值为1的矩阵，并显示如下运行结果：
a =
　　 1　　 1　　 1　　 1
　　 1　　 1　　 1　　 1
　　 1　　 1　　 1　　 1
　　 1　　 1　　 1　　 1

在MATLAB中，命令行窗口常用的命令及功能如表1-1所示。
表1-1　命令行窗口常用的命令及功能
命  令	功  能
clc	  清除命令行窗口中所有内容，光标回到屏幕左上角
clear	  清除工作空间中所有的变量
clear all	  从工作空间清除所有变量和函数
clear 变量名	  清除指定的变量
clf	  清除图形窗口内容
delete <文件名>	  从磁盘删除指定的文件
help <命令行>	  查询所示命令的帮助信息
which <文件名>	  查找指定文件路径
who	  显示当前工作空间中的变量
whos	  列出当前工作空间的变量及信息
what	  列出当前目录下的.m文件和.mat文件
load name	  加载name文件中的所有变量到工作空间
load name x，y	  加载name文件中的变量x，y到工作空间
save name	  保存工作空间变量到文件name.mat中
save name x，y	  保存工作空间变量x，y到文件name.mat中
Home或Ctrl+A	  光标移动到行首
End或Ctrl+E	  光标移动到行尾
Esc或Ctrl+U	  清除一行
Del或Ctrl+D	  清除光标后的字符
Backspace或Ctrl+H	  清除光标前的字符
Ctrl+K	  清除光标至行尾字
Ctrl+C	  中断程序运行

1.2.2　图形窗口
图形窗口用来显示MATLAB所绘制的图形，这些图形可以是二维图形，也可以是三维图形。只要执行了任意一种绘图命令，图形窗口就会自动产生，输入如下程序：
x=1:0.2:10;
y=sin(x);
plot(x,y)

运行结果如图1-1所示。
1.2.3　工作空间窗口
工作空间窗口用来显示当前计算机内存中MATLAB变量信息，包括变量的名称、数据结构、字节数及其类型等，如图1-2所示，所显示的变量信息可通过单击右上角“倒三角”图形，单击【选择列】按钮进行设置。同时，在MATLAB中可以对变量进行观察、编辑、保存和删除操作，若要查看变量的具体内容，可以双击该变量名称。
　　　
1.2.4　M文件编辑窗口
MATLAB命令行窗口适用于编写短小的程序，对于大型、复杂程序的编写，应采用文件编辑方法，即编辑M文件。在MATLAB命令行窗口中输入edit，即可启动编辑器，并打开空白的M文件编辑窗口，如图1-3所示。

图1-3　编辑器
MATLAB文件编辑器具有编辑M文件和调试M文件两大功能。其中，编辑功能的选择、复制与粘贴、查找与替换等方法与Windows编辑程序类似，此处不再赘述，只对下列几点进行特别说明。
（1）注释：Ctrl+R快捷键增加注释，Ctrl+T快捷键删除注释。
（2）缩进：调整缩进格式以增加M文件的可读性。增加缩进量用Ctrl+］键，减少缩进量用Ctrl+［键。当一段程序比较乱时，使用快捷键Ctrl+I进行自动整理，也是一种很好的选择。
M程序调试器的热键设置和VC有些类似，下面列出来一些常用的调试方法。
（1）设置/清除断点：使用快捷键F12。
（2）执行：使用快捷键F5。
（3）单步执行：使用快捷键F10。
（4）step in：遇到函数时，进入函数内部，使用快捷键F11。
（5）step out：执行流程跳出函数，使用快捷键Shift+F11。
1.2.5　帮助系统窗口
MATLAB拥有完善的帮助系统，熟练的程序开发人员会充分利用帮助系统所提供的信息。常用的帮助命令有help、demo、doc、who、whos、what、which、lookfor等。
如果用户知道某个函数的名称，并想了解该函数的具体用法，只需在命令行窗口中
输入：
help+函数名

例如：在窗口中输入help cos就可以获得cos函数的信息。
help cos
 cos　　Cosine of argument in radians.
　　cos(X) is the cosine of the elements of X. 
　　See also acos, cosd, cospi.
　　cos 的文档
　　名为 cos 的其他函数

如果用户不知道函数的确切名称，此时help命令就无能为力了，但可以使用lookfor命令，即在使用lookfor命令时，用户只需知道某个函数的部分关键字，在命令行窗口输入：
lookfor+关键字


MATLAB中的M文件有两种形式，即脚本文件和函数文件，其中，函数文件包括主函数、子函数、嵌套函数、私有函数和重载函数，下面分别进行介绍。
1.3.1　主函数
M文件中的第一个函数称为主函数，一个M文件只能包含一个主函数，主函数之后可附随多个子函数。并且，M文件名应该与主函数定义名相同，外部函数只能对主函数进行调用。M文件主函数是相对其内部的子函数和嵌套函数而言的，一个M文件中除了主函数外，还可包含多个嵌套函数或子函数。
1.3.2　子函数
一个M文件中可能包含多个函数，主函数之外的函数都称为子函数，所有的子函数都有自己独立的声明、帮助和注释等结构，只需要在位置上注意位于主函数之后即可，而各个子函数则没有前后顺序，可以任意放置。
M文件内部发生函数调用时，MATLAB首先检查该文件中是否存在相应名称的子函数，然后检查这一M文件所在目录的子目录下是否存在同名的私有函数，然后按照MATLAB路径，检查是否存在同名的M文件或内部函数。
1.3.3　嵌套函数
任一M函数体内所定义的函数称为外部函数的嵌套函数，MATLAB支持多重嵌套函数，即在嵌套函数内部继续定义下一层的嵌套函数，形如：
function x=A(p1,p2)
　　function y=B(p3)
　　　　...
　　end
...
end

MATLAB函数体通常不需要end结束标记，但如包含嵌套函数，则该M文件内的所有函数（主函数和子函数）都需end标记。
嵌套函数的调用规则：①父级函数可调用下一层嵌套函数；②相同父级的同级嵌套函数可相互调用；③处于低层的嵌套函数可调用任意父级函数。
1.3.4　私有函数
私有函数是具有限制性访问权限的函数，是位于私有目录private下的函数文件，这些私有函数的构造与普通M函数完全相同，访问条件是：私有函数只能被存放于该private子目录上一层父目录中的函数文件调用。
1.3.5　重载函数
重载是计算机编程中非常重要的概念，它经常用于处理功能类似，但是参数类型或个数不同的函数编写中。例如实现两个相同的计算功能，输入变量数量相同，不同的是其中一个输入变量为双精度浮点类型，另一个输入变量为整型，这时用户就可以编写两个同名函数，一个用来处理双精度浮点类型的输入参数，另一个用来处理整型的输入参数。
MATLAB的内置函数中有许多重载函数，放置在不同的文件路径下，文件夹名称以@开头，然后跟一个代表MATLAB数据类型的字符。

计算机编程语言程序设计结构主要有三大类：顺序结构、选择结构和循环结构。这一点MATLAB与其他编程语言完全一致。
1.4.1　顺序结构
顺序结构是按照语句出现顺序执行的一种设计结构，即按语句由上到下的书写顺序执行，只有一个入口和一个出口。在MATLAB的函数中，变量主要有输入变量、输出变量及函数内所使用的变量。
1. 数据输入
可使用input函数，实现从键盘输入数据。
1）输入数据
调用格式如下：
x=input('提示信息')

例如输入x=input（'please input a number：'），运行结果如下：
>> x=input('please input a number:')
please input a number:8
x =
　　 8

2）输入字符串
调用格式如下：
x=input('提示信息','s')

例如输入x=input（'please input a string：'，'s'），运行结果如下：
x=input('please input a string:','s')
please input a string:this is a string
x =
　　'this is a string'

2. 数据输出
MATLAB提供的命令行窗口输出函数主要有自由格式输出disp函数和格式化输出fprintf函数。
1）disp函数
调用格式如下：
disp(输出项)

其中，输出项既可以是字符串，也可以是矩阵。
  【例1-1】disp函数数据输出实例。
程序命令如下：
A=20+300-20*2;
B=[12 13 14;15 16 17;18 19 20];
C='this is a string';
disp(A);
disp(B);
disp(C);

运行结果如下：
 280

　　12　　13　　14
　　15　　16　　17
　　18　　19　　20

this is a string

2）fprintf函数
fprintf函数可以将数据按指定格式输出到屏幕或指定文本文件中。
  【例1-2】fprintf函数数据输出实例。
程序命令如下：
clc;
clear;
age=18;
name='洋洋';
fprintf('%s的年龄是%d\n',name,age)

运行结果如下：
洋洋的年龄是18

 %d表示输出整数；%e表示输出实数，科学记数法形式；%f表示输出实数，小数形式；%s表示输出字符串。
3. 程序的暂停
可使用pause函数执行程序暂停，其调用格式如下：
pause(延迟秒数)

如果没有指定延迟时间，直接使用pause即可暂停程序，直到用户按任意键后程序继续执行。若要强行中止程序的运行可使用Ctrl+C快捷键。
1.4.2　选择结构
选择结构又称为分支结构，用于判断给定的条件是否成立，并根据判断的结果来控制程序执行的流程。MATLAB语言中的条件判断语句主要是if语句、switch语句和try语句。
1. if语句
1）单分支if语句
语句格式如下：
if 条件
　　语句组
end

当条件成立时，则执行语句组，执行完之后继续执行if语句的后续语句，若条件不成立，则直接执行if语句的后续语句。
2）双分支if语句
语句格式如下：
if 条件
　　　语句组 1
else
　　　语句组 2
end

当条件成立时，执行语句组1；不成立时执行语句组2。语句组1或语句组2执行后，再执行if语句的后续语句。
  【例1-3】计算分段函数的值，。
程序命令如下：
x=input('请输入x的值:');
if x>0
　　y=3*x+6
else
　　y=5*x-2
end

运行结果如下：
请输入x的值:8
y =
　　30

3）多分支if语句
if 条件1
　　　语句组 1
elseif 条件2
　　　语句组 2
　　　　　 ...
elseif 条件m
　　　语句组m
else
　　　语句组n
end

  【例1-4】输入三角形的3条边，判断是否能够构成三角形，如果可以则判断三角形的形状。
程序命令如下：
L=input('请输入三角形的3条边:'); 
if L(1)<=0|L(2)<=0|L(3)<=0
　　　disp('三角形的边长不能为0或为负'); 
　　elseif L(1)+L(2)<=L(3)|L(1)+L(3)<=L(2)|L(2)+L(3)<=L(1)
　　　disp('不能构成三角形');
　　elseif L(1)==L(2)&L(2)==L(3)
　　　disp('构成等边三角形');
　　elseif  L(1)==L(2)| L(1)==L(3)| L(2)==L(3)
　　　disp('构成等腰三角形');
　　else
　　　disp('构成一般三角形');
end

运行结果如下：
请输入三角形的3条边:[1 1 2]
不能构成三角形

请输入三角形的3条边:[2 3 4]
构成一般三角形

请输入三角形的3条边:[3 3 3]
构成等边三角形


2. switch语句
多分支if语句用于实现多分支选择结构。if-else-end语句所对应的是多重判断选择，而有时也会遇到多分支判断选择的问题。MATLAB语言为解决多分支判断的问题，提供了switch语句。switch语句根据表达式的取值不同，有条件地执行一组语句，其语句格式如下：
switch 表达式
　　case 表达式 1
　　　　语句组 1
　　case 表达式 2
　　　　语句组 2
　　　　...
　　case 表达式 m
　　　　语句组 m
　　otherwise
　　　　语句组 n
end

与其他的程序设计语言的switch语句不同的是，在MATLAB语言中，当其中一个case语句后的条件为真时，switch语句不对其后的其他case语句进行判断，也就是说在MATLAB语言中，即使有多条case判断语句为真，也只执行遇到的第一条为真的语句。这样就不必像C语言那样，在每条case语句后加上break语句以防止继续执行后面为真的case条件语句。
  【例1-5】利用switch语句实现简单计算器功能，即输入两个操作数和运算符号，即可进行加减乘除运算。
程序命令如下：
N=input('请输入操作数:');
S=input('请输入运算符号:','s');
switch S
　　case'+'
　　　　Y=N(1)+N(2)
　　case'-'
　　　　Y=N(1)-N(2)
　　case'*'
　　　　Y=N(1)*N(2)
　　case'/'
　　　　Y=N(1)/N(2)
　　otherwise
　　　　disp('error operator')
end

运行结果如下：
请输入操作数:[8 23]
请输入运算符号:-
Y =
　 -15

3. try语句
try语句是错误检查语句，当程序运行在复杂的环境下时，一些语句可能会产生错误，导致程序停止执行，这时用户需要将这些语句放在try...catch结构中，其一般形式如下：
try
　 程序段 A;
catch
　 程序段 B;
end

逐行运行程序段A，如果运行出错，就跳过程序段A后面的语句，改为执行程序段B，此时命令行并不显示出错信息，若程序段A运行完没有出现错误，则跳过程序段B，继续执行后面的程序。该语句结构也可以只包含try语句，不含catch语句，其一般形式如下：
try
　 程序段 A;
end

逐行运行程序段A，若运行出错，就跳过程序段A后面的语句，继续执行后面的
程序。
  【例1-6】矩阵的乘法运算。
程序命令如下：
A=[1,2,3;4,5,6]; B=[7,8,9;10,11,12];
try
　 C=A*B
catch
　 C=A.*B
end
s=lasterror;
disp(s.message)　　　 %显示出错原因

运行结果如下：
C =
　　 7　　16　　27
　　40　　55　　72
ans =
Error using ==> mtimes
Inner matrix dimensions must agree.
1.4.3　循环结构
程序中总会有对某些量的迭代运算，或对某个过程的重复处理，这就需要使用循环来简化程序。下面分别介绍for循环和while循环。
1. for循环语句
for循环语句用于重复次数确定的循环，调用格式如下：
for 循环变量=表达式1:表达式2:表达式3
　　循环体语句
end

其中，表达式1的值为循环变量的初值，表达式2的值为步长，表达式3的值为循环变量的终值。当步长为1时，表达式2可以省略。
  【例1-7】sum=1-2+3-4+5-6…+99-100，利用for循环语句求sum的值。
程序命令如下：
k=1;
sum=0;
for i=1:1:100
　　sum=sum+k*i;
　　k=-1*k;
end
fprintf('sum的值为%d\n',sum);

运行结果如下：
sum的值为-50

  【例1-8】输入5个整数，统计并输出其中正整数、负整数和零的个数。
程序命令如下：
a1=0;b1=0;c1=0;
for i=1:5
　　fprintf('请输入第%d个数:',i);
　　x=input('');
　　if x>0
　　　　a1=a1+1;
　　elseif x<0
　　　　b1=b1+1;
　　else
　　　　c1=c1+1;
　　end
end
fprintf('共有正整数%d个、负整数%d个、零%d个',a1,b1,c1);

运行结果如下：
请输入第1个数:1
请输入第2个数:0
请输入第3个数:0
请输入第4个数:-1
请输入第5个数:5
共有正整数2个、负整数1个、零2个

  【例1-9】利用嵌套的for循环语句实现输出9×9乘法表。
程序命令如下：
for i=1:9
　　for j=1:9
　　　　result=i*j;
　　　　fprintf(＂%d*%d=%-3d＂,i,j,result);%-3d表示左对齐,占3位
　　end
　　fprintf(＂\n＂);%每一行后换行
end

运行结果如图1-4所示。
2. while循环语句
while循环语句是依条件结束的语句。调用格式如下：
while(表达式)
　　循环体语句
end


图1-4　运行结果
其中，表达式为某种形式的逻辑判断语句，当该表达式的值为真时，反复执行循环体语句，直到表达式的逻辑值为假时，退出循环。
在while循环语句中必须有可以修改循环变量的命令，否则该循环语句将陷入死循环中。或者循环语句中有能控制退出循环的命令，例如break命令或continue命令。当程序流程运行至该命令时，将退出当前循环，执行循环后的其他语句。
  【例1-10】用while循环语句求出所有的水仙花数。水仙花数是一个3位数的自然数，该数各位数的立方和等于该数本身。
程序命令如下：
k=100;
while(k<=999)
　　x=fix(k/100);
　　y=rem(fix(k/10),10);
　　z=rem(k,10);
　　if k==x*x*x+y*y*y+z*z*z
　　　　fprintf('%d\n',k);
　　end
　　k=k+1;
end

运行结果如下：
153
370
371
407

3. continue、break和return
（1）continue：用于循环控制。当不想执行循环体的全部语句，只想在做完某一步后终止当前循环，直接返回到循环头，进行下一次循环时，可在此处插入continue。continue后面的语句将被跳过。
（2）break：用在for或while循环中，立即结束本层循环，并继续执行循环之后的下一条语句。嵌套循环中，它只跳出所在层的循环。
（3）return：终止当前函数的继续执行，控制权交给调用函数或键盘。

本章先介绍了MATLAB软件概述，进而介绍了MATLAB软件的工作环境和函数类型，最后介绍了三大程序设计结构。本章是全书的基础，重点做到熟悉MATLAB编程环境和基本操作，为后续核心技术与工程应用的学习打下良好的基础。

1-1　输入一个整数，若为奇数则输出其平方根，否则输出其立方根。
1-2　输入5个数，求其中最大数和最小数，分别用循环结构和调用max函数、min函数来实现。
1-3　计算1到999之间的所有偶数之和。
1-4　计算分段函数 
1-5　编写M文件，等待键盘输入，输入密码20240101，密码正确，显示输入密码正确，程序结束；否则提示，重新输入。
1-6　有一群鸡和兔子，加在一起头的数量是66，脚的数量是220，编写M文件解答鸡和兔子数量各是多少？
1-7　编写函数文件，求 y=n!，将n作为函数的输入参数，y作为函数的输出参数。
1-8　编写程序，求Sn=a+aa+aaa+…+的值，其中，数字a和表达式中位数最多项a的个数n由键盘输入。