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MATLAB作为一个集数值计算、符号计算、图形处理、程序流程控制、动态系统建模仿真等功能于一体的科学计算软件，目前已被广泛应用于科学研究与工程应用领域。《MATLAB科学计算实战（微课视频版）》介绍MATLAB的基础知识与应用技术，强调采用MATLAB实现的数学方法和算法原理，注重应用案例分析，为读者利用MATLAB进行学科应用打下良好基础。本书内容包括MATLAB概述、数据的表示与基本运算、矩阵处理、程序流程控制、图形绘制、数据分析与多项式计算、方程与**化问题数值求解、数值微积分、符号计算、图形对象、App设计、Simulink系统仿真、外部应用接口等。 《MATLAB科学计算实战（微课视频版）》既可作为高等学校相关专业MATLAB课程的教学用书，也可供广大在校学生、工程技术与科研人员阅读参考。

第1章MATLAB概述

（视频讲解： 22分钟，5集）

1.1MATLAB简介

1.1.1MATLAB的发展

1.1.2MATLAB的主要功能

1.2MATLAB系统环境

1.2.1启动和退出MATLAB

1.2.2MATLAB的操作界面

1.2.3MATLAB的搜索路径

1.3MATLAB的基本操作

1.3.1命令格式与基本规则

1.3.2MATLAB的帮助系统

1.4应用实战1

练习题

操作题

第2章数据的表示与基本运算（视频讲解： 46分钟，7集）

2.1MATLAB数值数据及操作

2.1.1数值数据

2.1.2数据的输出格式

2.2变量及其操作

2.2.1变量与赋值

2.2.2变量的管理

2.3MATLAB矩阵

2.3.1创建矩阵

2.3.2引用矩阵元素

2.4MATLAB运算

2.4.1算术运算

2.4.2关系运算

2.4.3逻辑运算

2.5字符数据及操作

2.5.1字符串与字符数组

2.5.2字符串数组

2.6结构体数据和单元数据

2.6.1结构体数据

2.6.2单元数据

2.7应用实战2

练习题

操作题

第3章矩阵处理（视频讲解： 24分钟，8集）

3.1特殊矩阵的生成

3.1.1通用的特殊矩阵

3.1.2面向特定应用的特殊矩阵

3.2矩阵变换

3.2.1对角矩阵与三角矩阵

3.2.2矩阵的转置与旋转

3.2.3矩阵的逆与伪逆

3.3矩阵求值

3.3.1方阵的行列式

3.3.2矩阵的秩与迹

3.3.3向量和矩阵的范数

3.3.4矩阵的条件数

3.4矩阵的特征值与特征向量

3.5稀疏矩阵的操作

3.5.1矩阵存储方式

3.5.2生成稀疏矩阵

3.5.3稀疏矩阵的运算

3.6应用实战3

练习题

操作题

第4章程序流程控制（视频讲解： 82分钟，14集）

4.1脚本

4.1.1脚本的创建

4.1.2实时脚本

4.2程序控制结构

4.2.1顺序结构

4.2.2选择结构

4.2.3循环结构

4.3函数

4.3.1函数的基本结构

4.3.2函数调用

4.3.3函数参数的可调性

4.3.4全局变量与局部变量

4.4特殊形式的函数

4.4.1子函数

4.4.2匿名函数

4.5程序调试与优化

4.5.1程序调试方法

4.5.2程序性能分析与优化

4.6应用实战4

练习题

操作题

第5章图形绘制（视频讲解： 44分钟，8集）

5.1二维曲线

5.1.1绘制二维曲线

5.1.2设置曲线样式

5.1.3图形标注与坐标控制

5.1.4多图形显示

5.1.5其他坐标系下的曲线

5.2其他二维图形

5.2.1条形类图形

5.2.2面积类图形

5.2.3散点类图形

5.2.4矢量场图形

5.3三维图形

5.3.1三维曲线

5.3.2三维曲面

5.3.3其他三维图形

5.4图形修饰处理

5.4.1视点处理

5.4.2色彩处理

5.4.3图形的裁剪处理

5.5图像处理

5.5.1图像数据读写与显示

5.5.2图像捕获与播放

5.6交互式绘图工具

5.6.1“绘图”选项卡

5.6.2绘图工具

5.7应用实战5

练习题

操作题

第6章数据分析与多项式计算（视频讲解： 46分钟，6集）

6.1数据统计处理

6.1.1最大值和最小值

6.1.2求和与求积

6.1.3平均值和中值

6.1.4累加和与累乘积

6.1.5标准差和相关系数

6.1.6排序

6.2多项式计算

6.2.1多项式的四则运算

6.2.2多项式的导函数

6.2.3多项式的求值

6.2.4多项式求根

6.3数据插值

6.3.1一维数据插值

6.3.2二维数据插值

6.4曲线拟合

6.5应用实战6

练习题

操作题

第7章方程与最优化问题数值求解（视频讲解： 104分钟，12集）

7.1线性方程组求解

7.1.1线性方程组的直接解法

7.1.2线性方程组的迭代解法

7.2非线性方程数值求解

7.2.1单变量非线性方程求解

7.2.2非线性方程组的求解

7.3常微分方程的数值求解

7.3.1龙格库塔法简介

7.3.2常微分方程数值求解的实现

7.4最优化问题求解

7.4.1无约束最优化问题求解

7.4.2有约束最优化问题求解

7.4.3线性规划问题求解

7.5应用实战7

练习题

操作题

第8章数值微积分（视频讲解： 44分钟，4集）

8.1数值微分

8.1.1数值差分与差商

8.1.2数值微分的实现

8.2数值积分

8.2.1数值积分的原理

8.2.2定积分的数值求解的实现

8.2.3多重定积分的数值求解实现

8.3离散傅里叶变换

8.3.1离散傅里叶变换算法简介

8.3.2离散傅里叶变换的实现

8.4应用实战8

练习题

操作题

第9章符号计算（视频讲解： 71分钟，8集）

9.1符号对象及其运算

9.1.1建立符号对象

9.1.2符号表达式中自变量的确定

9.1.3符号对象的算术运算

9.1.4符号对象的关系运算

9.1.5符号对象的逻辑运算

9.1.6符号矩阵的运算

9.2符号微积分

9.2.1符号极限

9.2.2符号导数

9.2.3符号积分

9.3级数

9.3.1级数符号求和

9.3.2函数的泰勒级数

9.4符号方程求解

9.4.1符号代数方程求解

9.4.2符号常微分方程求解

9.5符号计算的可视化分析

9.5.1funtool工具

9.5.2Taylor Tool工具

9.6应用实战9

练习题

操作题

第10章图形对象（视频讲解： 50分钟，6集）

10.1图形对象及其句柄

10.1.1图形对象简述

10.1.2图形对象句柄

10.1.3图形对象属性

10.2图形窗口与坐标轴

10.2.1图形窗口对象

10.2.2坐标轴对象

10.3核心图形对象的操作

10.3.1曲线对象

10.3.2曲面对象

10.3.3文本对象

10.3.4其他核心图形对象

10.4动画对象

10.4.1创建轨迹动画

10.4.2创建线条动画

10.4.3创建变换动画

10.5光照和材质处理

10.5.1光源对象

10.5.2材质处理

10.6应用实战10

练习题

操作题

第11章App设计（视频讲解： 28分钟，2集）

11.1UI图形窗口

11.1.1创建UI 图形窗口

11.1.2回调函数

11.2菜单设计

11.2.1建立用户菜单

11.2.2菜单对象常用属性

11.2.3快捷菜单

11.3对话框设计

11.3.1常用组件

11.3.2组件的操作

11.4App设计工具

11.4.1App设计工具窗口

11.4.2App组件库

11.4.3App类的基本结构

11.5应用实战11

练习题

操作题

第12章Simulink系统仿真（视频讲解： 16分钟，3集）

12.1Simulink操作基础

12.1.1Simulink的工作环境

12.1.2Simulink的仿真过程

12.2仿真模型的创建

12.2.1模块库的打开

12.2.2模块的操作

12.2.3模块的连接

12.2.4模块的参数和属性设置

12.3系统的仿真与分析

12.3.1设置仿真参数

12.3.2运行仿真与仿真结果输出

12.4子系统

12.4.1子系统的创建

12.4.2子系统的条件执行

12.5S函数的设计与应用

12.5.1用MATLAB语言编写S函数

12.5.2S函数的应用

12.6应用实战12

练习题

操作题

第13章外部应用接口（视频讲解： 23分钟，3集）

13.1MATLAB与Excel的接口

13.1.1Spreadsheet Link的使用

13.1.2在Excel中调用MATLAB函数

13.1.3在MATLAB中导入/导出数据

13.2数据接口

13.2.1文件操作

13.2.2MAT文件与应用

13.3MATLAB编译器

13.4MATLAB与其他语言的接口

13.4.1MEX文件

13.4.2MATLAB引擎

13.5应用实战13

练习题

操作题

参考文献

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编辑推荐

当前，科学计算已经成为科学研究、技术创新的重要方法与手段，而作为实现工具的科学计算软件无疑具有至关重要的作用。MATLAB已成为数学建模、线性代数、信号处理、自动控制原理等许多课程的解题工具，有利于计算机和其他课程的结合，有利于对学科知识的掌握。本书内容突出应用实战，充分利用丰富的教学资源，以更好地适应不断深入的混合式教学的实际需要。

? 算法原理与实现方法并重。以算法原理为基础，讲授利用MATLAB进行科学计算的方法，理解其应用规律，从而为科学研究和技术创新提供重要的方法与手段。

? 基础理论与应用实践结合。突出MATLAB在有关学科领域的应用，给出了170多个MATLAB案例和丰富的课后习题，鼓励读者应用MATLAB去解决实际问题。

? 立体化教材，教学资源丰富。纸质教材、微课视频、慕课资源采用一体化设计，共同支撑课程教学。微课视频帮助读者化解难点、掌握重点、领悟方法；程序代码、课后习题让读者学习更高效；教学课件、教学大纲便于教师教学。

前言

当前，科学计算已经成为科学研究、技术创新的重要方法与手段，而作为实现工具的科学计算软件无疑具有至关重要的作用。在高等学校，MATLAB已成为数学建模、线性代数、信号处理、自动控制原理等许多课程的解题工具，这将人们从繁杂的计算中解放出来，有利于计算机和其他课程的结合，有利于对学科知识的掌握。“MATLAB科学计算”已成为高等学校很受重视的一门基础课程。

编者从1998年起开始该课程的建设和改革实践，从2000年起在中南大学为理工科相关专业开设“MATLAB科学计算”课程。在长期的课程建设与教学改革实践中，特别是在2016年以来的慕课（MOOC）建设和混合式教学实践中，获得了许多新的教学体会，也积累了大量的教学资源，因此编写本书，希望能总结近年课程建设成果，深化课程内容改革，体现MATLAB的发展和应用成果。书中内容突出应用实战，充分利用丰富的教学资源，以更好地适应不断深入的混合式教学的实际需要。可以说，本书源于教学改革实践，又将服务于教学改革实践，从而促进一流课程建设。

本书遵循三点改革思路： 一是考虑到MATLAB版本不断更新、功能不断加强、应用范围不断扩大，教材要有时代感； 二是针对国内外计算机教育界大力倡导的计算思维（computational thinking）能力培育，教材要有厚重感； 三是考虑新型学习方式的兴起，教材不仅要有文字载体，还要有视频载体，教材要有立体感。

首先，关于MATLAB版本的更新。MATLAB是MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写，自1984年由美国MathWorks公司推出以来，已有近40年的发展历程。从2006年起，MathWorks公司每年发布两次以年份命名的MATLAB版本，其中3月份左右发布a版，9月份左右发布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，从操作界面到系统功能都有重大改变和加强，随后推出了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），以后还会不断推出新的版本。随着MATLAB版本的变化，其应用方法和功能都有变化，本书以MATLAB R2022a作为操作环境，反映MATALAB的时代变化。

（注： 本书编写时为最新版本，目前已又推出了MATLAB R2023a）

其次，关于计算思维能力培养。计算思维不仅反映了计算的原理，更重要的是体现了基于计算机的问题求解思路与方法。本书主要介绍科学计算问题的MATLAB实现方法。科学计算是研究工程问题及其他应用问题的求解方法，并在计算机上进行编程实现的一门课程，既有数学类课程中理论上的抽象性和严谨性，又有程序设计课程中技术上的实用性和实验性的特征。MATLAB使科学计算问题的实现变得十分方便。科学计算方法及其软件工具的应用就是对实际问题进行分析并进行约简和抽象，从而建立数学模型，然后根据精度和效率的要求选择合适的计算方法，进而设计算法并运用程序设计方法实现。本书不仅介绍MATLAB的功能使用，更能体现计算思维的理念； 通过应用性案例诠释问题求解的思维方法，培养计算思维能力，反映教材的“厚度”，也就是要体现教材的“高阶性”。

最后，关于新型学习模式。在移动互联网时代，由于智能手机、平板电脑等移动设备的大量应用，带来了知识传播模式和学习方式的深刻变化。教材将重要知识点或实例做成微课视频，读者可利用智能移动设备扫描书中的二维码直接观看，形成立体化的新形态教材。

配 套 资 源

 程序代码等资源： 扫描目录上方的“配套资源”二维码下载。

 教学课件、教学大纲等资源： 扫描封底的“书圈”二维码在公众号下载，或者到清华大学出版社官方网站本书页面下载。

 微课视频（600分钟，86集）： 扫描书中相应章节中的二维码在线学习。

注： 请先扫描封底刮刮卡中的文泉云盘防盗码进行绑定后再获取配套资源。

基于以上改革思路，本书体现了以下特色： 

第一，强调数学方法、算法原理和MATLAB实现技术并重，从而帮助读者更好地理解和应用MATLAB。以算法原理为基础，讲授利用MATLAB进行科学计算的方法。通过学习，读者能够掌握MATLAB的基本功能，理解其应用规律，从而为科学研究和技术创新提供重要的方法与手段。

第二，注重理论与实践相结合，突出MATLAB在有关学科领域的应用，贴近读者需要。MATLAB具备和学科应用结合的天然优势，所以MATLAB课程是助力“新工科”建设的重要课程（但MATLAB的应用范围绝不限于“工科”）。以课程开发的教学案例为基础，与学科结合、与应用结合，鼓励读者应用MATLAB去解决实际问题。书中大量的应用案例既是对MATLAB重点和难点的诠释，又具有很强的示范性。突出学科应用使得该教材能很好地反映“新工科”的教育理念，助力“新工科”人才培养。

第三，教学资源丰富，教学适用性强。纸质教材、微视频、慕课资源采用一体化设计，不重复，相互补充，共同支撑课程教学。微视频帮助读者化解难点、掌握重点、领悟方法； PPT和程序代码让读者的学习更高效。丰富的教学资源，为线上/线下混合式教学、构建开放式教学课堂提供基础保证。

在本书编写过程中，吸取了许多老师的宝贵意见和建议，在此表示衷心的感谢。

由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

刘卫国

2023年5月于中南大学