專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐第套綜合題課程設(shè)計

1、 專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名:_范銳_專業(yè)班級: 電信 1203 班 指導(dǎo)教師: 桂林 工作單位: 信息工程學(xué)院 題 目: 專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐第10套綜合題初始條件:（1）提供實(shí)驗(yàn)室機(jī)房及其Matlab6.5以上版本軟件； （2）MATLAB教程學(xué)習(xí)。要求完成的主要任務(wù):(包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求,以及說明書撰寫等具體要求):（1）選擇一本MATLAB教程，認(rèn)真學(xué)習(xí)該教程的全部內(nèi)容，包括基本使用方法、數(shù)組運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、程序設(shè)計、符號計算、圖形繪制、GUI設(shè)計等內(nèi)容；（2）對該套綜合題的10道題，進(jìn)行理論分析，針對具體設(shè)計部分的原理分析、建模、必要的推導(dǎo)和可行性分析，畫出程序

2、設(shè)計框圖，編寫程序代碼（含注釋），上機(jī)調(diào)試運(yùn)行程序，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果（含計算結(jié)果和圖表）。（3）對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)；（4）要求閱讀相關(guān)參考文獻(xiàn)不少于5篇；（5）根據(jù)課程設(shè)計有關(guān)規(guī)范，按時、獨(dú)立完成課程設(shè)計說明書。時間安排: (1) 布置課程設(shè)計任務(wù),查閱資料,學(xué)習(xí)MATLAB教程 十周； (2) 進(jìn)行編程設(shè)計 一周； (3) 完成課程設(shè)計報告書 一周；指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日系主任(或責(zé)任教師)簽名: 年 月 日 武漢理工大學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課程設(shè)計說明書    目 錄   1MATLAB概述.3 1.1MATLAB簡介&#

3、160; .3 1.2 MATLAB的功能  .3 1.3MATLAB 的典型應(yīng)用  . .52設(shè)計題目：MATLAB運(yùn)算與應(yīng)用設(shè)計 套題十 . .6設(shè)計內(nèi)容 . . .73.1 題一   .7 3.2 題二   .8 3.3 題三   .10 3.4 題四   .11 3.5&

4、#160;題五   .15 3.6 題六   .16 3.7題七 .18 3.8 題八   .19 3.9 題九  .21 3.10題十 . .22 4 課程設(shè)計心得 .25 .5參考文獻(xiàn) .266 課程設(shè)計成績評定表.27 1 MATLAB概述 1.1MATLAB簡介 MATLAB軟件由美國Mat

5、h Works公司于1984年推出，經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，如今己成為覆蓋多個學(xué)科的國際公認(rèn)的最優(yōu)秀的數(shù)值計算仿真軟件。MATLAB具備強(qiáng)大的數(shù)值計算能力，許多復(fù)雜的計算問題只需短短幾行代碼就可在MATLAB中實(shí)現(xiàn)。作為一個跨平臺的軟件，MATLAB已推出Unix、Windows、Linux和Mac等十多種操作系統(tǒng)下的版本，大大方便了在不同操作系統(tǒng)平臺下的研究工作。 MATLAB軟件具有很強(qiáng)的開放性和適應(yīng)性。在保持內(nèi)核不變的情況下，MATLAB可以針對不同的應(yīng)用學(xué)科推出相應(yīng)的工具箱(toolbox)，目前己經(jīng)推出了圖象處理工具箱、信號處理工具箱、小波工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱以及

6、通信工具箱等多個學(xué)科的專用工具箱，極大地方便了不同學(xué)科的研究工作。國內(nèi)已有越來越多的科研和技術(shù)人員認(rèn)識到MATLAB的強(qiáng)大作用，并在不同的領(lǐng)域內(nèi)使用MATLAB來快速實(shí)現(xiàn)科研構(gòu)想和提高工作效率。 MATLAB提供了20類圖像處理函數(shù),涵蓋了圖像處理的包括近期研究成果在內(nèi)的幾乎所有的技術(shù)方法,是學(xué)習(xí)和研究圖像處理的人員難得的寶貴資料和加工工具箱。這些函數(shù)按其功能可分為:圖像顯示;圖像文件I/O;圖像算術(shù)運(yùn)算;幾何變換;圖像登記;像素值與統(tǒng)計;圖像分析;圖像增強(qiáng);線性濾波;線性二元濾波設(shè)計;圖像去模糊;圖像變換;鄰域與塊處理;灰度與二值圖像的形態(tài)學(xué)運(yùn)算;結(jié)構(gòu)元素創(chuàng)建與處理;基于邊緣的處理

7、;色彩映射表操作;色彩空間變換;圖像類型與類型轉(zhuǎn)換。  1.2MATLAB的功能  (1)強(qiáng)大的科學(xué)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力  MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C+ 。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜

8、函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。 (2)出色的圖形處理功能  圖形處理功能MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的

9、功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。 (3)應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱  MATLAB對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估

10、不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計、實(shí)時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 (4)實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺  新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫以及圖形庫，將自己的MATLAB

11、程序自動轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C+的代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C+語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。 (5)應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）  在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等

12、；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。  1.3MATLAB的典型應(yīng)用 MATLAB的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，典型的應(yīng)用舉例如下： (1) 數(shù)據(jù)分析 (2)  數(shù)值與符號計算； (3) 工程與科學(xué)繪圖； (4) 控制系統(tǒng)設(shè)計； (5)  航天工業(yè)； (6)  汽車工業(yè)；(7)   生物醫(yī)學(xué)工程；(8) 語音處理； (9) &

13、#160;圖像與數(shù)字信號處理；(10) 財務(wù)、金融分析； (11)  建模、仿真及樣機(jī)開發(fā)；(12)  新算法研究開發(fā)； (13) 圖形用戶界面設(shè)計。設(shè)計題目：第10套題：專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課程設(shè)計101.有一組測量數(shù)據(jù)滿足 ，t的變化范圍為010，用不同的線型和標(biāo)記點(diǎn)畫出a=0.1、a=0.2和a=0.5三種情況下的曲線，并加入標(biāo)題和圖列框（用代碼形式生成）。2. 當(dāng)x和y的取值范圍均為-2到2時，用建立子窗口的方法在同一個圖形窗口中繪制出三維線圖、網(wǎng)線圖、表面圖和帶渲染效果的表面圖。3. 求和。4.分析下面每條指令的功能并運(yùn)行，觀察執(zhí)行

14、結(jié)果。a) X=0:0.7:10;Y=X.*exp(-X);plot(X,Y),xlabel(x), ylabel(y),title(y=x*exp(-x);b) A=zeros(1,10)A(:)=-3:6L=abs(A)>3islogical(L)X=A(L)(2) A=3:7;8:12pow2(A)(3) A=zeros(2,4)A(:)=1:8A=A*(1+i)A1=A.B1=A(4) A=ones(2,3)B=ones(2)C=eye(4)D=diag(C)E=repmat(C,1,3)5. 設(shè), 求A的逆、特征值和特征向量；驗(yàn)證Ax=x。6.求解線性方程組的通解。7.試用ma

15、tlab求函數(shù)的極值，初值為。8. 求積分，并且畫出所求的平面區(qū)域。9. 用matlab編寫一個判斷某一年是否為閏年的程序。10. 設(shè)x+2y=1, 2x+3y=6, y=2x2, 畫出各個方程圖形，求出曲線交點(diǎn).設(shè)計內(nèi)容：第一題.： 有一組測量數(shù)據(jù)滿足 ，t的變化范圍為010，用不同的線型和標(biāo)記點(diǎn)畫出a=0.1、a=0.2和a=0.5三種情況下的曲線，并加入標(biāo)題和圖列框（用代碼形式生成）。分析：（1）先對t的范圍定義在0到10以內(nèi)，增值為1，既 t=0:10;設(shè)置在不同的a時對應(yīng)的y值y1=exp(-0.1)*t)，y2=exp(-0.2)*t)，y3=exp(-0.1)*t)。 （2）利用

16、plot函數(shù)做二維圖，并用plot（t,y1,t,y2,t,y3)命令格式使三條曲線繪制在一張圖中。 （3）添加標(biāo)題title（plot(t,y), 橫縱軸標(biāo)志xlabel(t),ylabel(text)， 標(biāo)注不同a值時的曲線gtext(a=-0.1)，用鼠標(biāo)拖動到相應(yīng)位置程序如下： format compact % 緊湊格式 t=0:10; % 定義t的范圍，增量，生成自變量 y1=exp(-0.1)*t); y2=exp(-0.2)*t); % 定義y1,y2,y3的表達(dá)式，形成因變量 y3=exp(-0.5)*t);plot(t,y1,'.m',t,y2,'-c

17、',t,y3,':b') % 畫二維曲線 xlabel('t'),gtext('a=-0.1'),gtext('a=-0.2'),gtext('a=-0.5'),title('plot(t,y)') % 添加標(biāo)志運(yùn)行結(jié)果： （圖3-1）第二題： 當(dāng)x和y的取值范圍均為-2到2時，用建立子窗口的方法在同一個圖形窗口中繪制出三維線圖、網(wǎng)線圖、表面圖和帶渲染效果的表面圖。分析：（1）在MATLAB中，利用meshgrid函數(shù)產(chǎn)生平面區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格坐標(biāo)矩陣。其格式為x,y=meshdrid(-2:0.

18、2:2) , 并定義因變量z的表達(dá)式，產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)。 （2）繪制三維曲線圖用plot3函數(shù)，plot3函數(shù)與plot函數(shù)用法十分相似，其調(diào)用格式為： plot3(x1,y1,z1,選項(xiàng)1,x2,y2,z2,選項(xiàng)2,xn,yn,zn,選項(xiàng)n) 其中每一組x,y,z組成一組曲線的坐標(biāo)參數(shù)，選項(xiàng)的定義和plot函數(shù)相同。當(dāng)x,y,z是同維向量時，則x,y,z 對應(yīng)元素構(gòu)成一條三維曲線。當(dāng)x,y,z是同維矩陣時，則以x,y,z對應(yīng)列元素繪制三維曲線，曲線條數(shù)等于矩陣列數(shù)。 （3）surf函數(shù)和mesh函數(shù)的調(diào)用格式為： mesh(x,y,z,c)：畫網(wǎng)格曲面，將

19、數(shù)據(jù)點(diǎn)在空間中描出,并連成網(wǎng)格. surf(x,y,z,c)：畫完整曲面，將數(shù)據(jù)點(diǎn)所表示曲面畫出。 程序如下：x,y=meshgrid(-2:0.2:2); % 定義x,y的范圍及增值z=x.*exp(-x.2-y.2); % 確定因變量的表達(dá)式subplot(2,2,1),plot3(x,y,z,'-k') % 定義子窗圖個數(shù)，繪制三維曲線title('三維線圖') % 注明標(biāo)題subplot(2,2,2),mesh(z) % 繪制網(wǎng)線圖title('網(wǎng)線圖')subplot(2,2,3),surf(x,y,z) % 繪制表面圖tit

20、le('表面圖')subplot(2,2,4),surf(x,y,z),shading interp % 帶渲染效果的表面圖title('渲染效果的表面圖')運(yùn)行結(jié)果： （圖3-2）第三題：求和。分析：（1）這道題使用兩次循環(huán)，選用for循環(huán)來解題，for循環(huán)的相關(guān)結(jié)構(gòu)如下  ： for語句格式為：for 循環(huán)變量=表達(dá)式1:表達(dá)式2:表達(dá)式3          循環(huán)體語句    &#

21、160; end  其中表達(dá)式1的值為循環(huán)變量的初值，表達(dá)式2的值為步長，表達(dá)式3的值為循環(huán)變量的終值。步長為1時，表達(dá)式2可以省略。 程序如下：sum=0; % 定義sum,并賦予初值0for i=1:10 % 第一個for循環(huán)，求和t=1; for j=1:i %第二個for循環(huán)，求階乘t=t*j; % 求階乘endsum=sum+1/a; % 求和 enddisp('sum='),disp(sum) % 輸出sum 結(jié)果如下： （圖3-3）第四題：分析下面每條指令的功能并運(yùn)行，觀察執(zhí)行結(jié)果。 X=0:0.7:10; Y=X.*exp(-X);

22、 plot(X,Y),xlabel(x), ylabel(y),title(y=x*exp(-x); A=zeros(1,10) A(:)=-3:6L=abs(A)>3islogical(L)X=A(L) A=3:7;8:12pow2(A) A=zeros(2,4)A(:)=1:8A=A*(1+i)A1=A.B1=A A=ones(2,3)B=ones(2)C=eye(4)D=diag(C)E=repmat(C,1,3)分析： X=0:0.7:10; % 定義X的范圍及變化的z增量 Y=X.*exp(-X); %定義Y值 的表達(dá)式 plot(X,Y),xlabel(x), ylabel(

23、y),title(y=x*exp(-x); % 繪制X關(guān)于Y的曲線圖，并設(shè)置橫縱軸標(biāo)志和標(biāo)題 運(yùn)行結(jié)果： （圖3-4）（2） A=zeros(1,10) % 產(chǎn)生一個1行10列的零矩陣 A(:)=-3:6 % A從-3到6（增值為1）賦值 L=abs(A)>3 %判斷其絕對值是否大于3，若是值為1，否則為0 islogical(L) % 判斷L是否為邏輯數(shù)組，若是值為1，否則為0 X=A(L) % X為邏輯數(shù)組L對應(yīng)為1的位置的數(shù)據(jù)是列向量 運(yùn)行結(jié)果： （圖3-5） （3） A=3:7;8:12 %創(chuàng)建一個2×5的矩陣，其值大小從3至12依次遞增pow2(A) %將矩陣A中的每

24、個值都變?yōu)?x，x為矩陣中的每個值運(yùn)行結(jié)果： （圖3-6）（4） A=zeros(2,4) % 創(chuàng)建一個2×4的零矩陣A(:)=1:8 % 將A矩陣賦值，依次從1到8A=A*(1+i) % 將A*(1+i)的值賦給AA1=A. % A行列轉(zhuǎn)置后賦給A1B1=A % 將A轉(zhuǎn)置后再取其共軛復(fù)數(shù)將其賦給B1運(yùn)行結(jié)果： （圖3-7）（5） A=ones(2,3) % 產(chǎn)生一個2×3的全1矩陣B=ones(2) % 產(chǎn)生一個二階的全1方陣C=eye(4) % 產(chǎn)生一個四階的單位矩陣D=diag(C) % 取C矩陣主對角線上的元素構(gòu)成向量DE=repmat(C,1,3) % 將矩陣復(fù)制

25、1×3塊，構(gòu)成新的矩陣E 運(yùn)行結(jié)果： （圖3-8）第五題：設(shè), 求A的逆、特征值和特征向量；驗(yàn)證Ax=x。分析：（1）利用inv(A)求逆矩陣 （2）利用e,r=eig(A) 求特征值和特征向量 （3）通過比較e*A和e*r的大小驗(yàn)證程序如下： format compact A=2 3 4;5 7 6;1 3 8 % 定義矩陣并賦值 inv(A),e,r=eig(A) %求逆矩陣，特征值和特征向量 a=A*e,b=e*r % 驗(yàn)證運(yùn)行結(jié)果： （圖3-9）第六題：求解線性方程組的通解。分析（1）首先我們需要用A,B兩個矩陣來表示未知數(shù)系數(shù)矩陣和常數(shù)矩陣，然后求出一組特解和通解的系數(shù)，再

26、進(jìn)行處理，組合得到方程組的通解,方法法如下： A=;    %輸入方程組的系數(shù)矩陣 B=;    %輸入常數(shù)項(xiàng)矩陣 format rat x1=AB            x0=AB %求得非齊次方程組Ax=B的一個特解x0    xx=null(A) %求得齊次方程組Ax=0 的基礎(chǔ)解系xx 則方

27、程組Ax=B的通解為:  x=x0+k1*Y(:,1)+k2*Y(:,2)+程序如下：A=1 1 -3 -1;3 -1 -3 4;1 5 -9 -8,B=1 4 0' % 輸入系數(shù)矩陣，常數(shù)項(xiàng)矩陣，x0=AB,xx=null(A） % 求出特解和基礎(chǔ)解系運(yùn)行結(jié)果： （圖4-1） 由x0和xx就可得x的通解。第七題：試用matlab求函數(shù)的極值，初值為。分析：本題是一個三元函數(shù)的題，考慮用fminsearch函數(shù)求函數(shù)最小值并轉(zhuǎn)向求函數(shù)最大值，其具體用法如下： 求極（或最）小值點(diǎn)或極（或最）小值的調(diào)用格式是：x,fval=fminsearch(f,x0)&#

28、160;f是被最小化的目標(biāo)函數(shù)名x0是求解的初始值向量程序如下：Xmin,fmin=fminsearch('x(1)2+sin(x(2)-x(3)*x(3)*x(2)*x(2)',-0.3,-1.1,0.15) Xmax,Fmin=fminsearch('-x(1)2-sin(x(2)+x(3)*x(3)*x(2)*x(2)',-0.3,-1.1,0.15) fmax=-Fmin; Xmin,fminXmax,fmax 運(yùn)行結(jié)果： （圖4-2） 第八題：求積分，并且畫出所求的平面區(qū)域。分析：（1）選擇用積分函數(shù)int(m,n,k)來計算 （2）繪制所求平面區(qū)域利

29、用二維曲線函數(shù)plot(x,y)實(shí)現(xiàn)（之前定義x的變化量和增量，利用linspace函數(shù)） 程序如下：x=sym('x'); % 定義變量xy=1./sqrt(x.5+1) % 定義因變量y的表達(dá)式 s=int(y,1,3) % 求積分x=linspace(1,3) % 確定x的變化范圍和增量y=1./sqrt(x.5+1) plot(x,y) %繪制二維曲線圖 運(yùn)行結(jié)果： （圖4-3） （圖4-4）第九題：用matlab編寫一個判斷某一年是否為閏年的程序。 分析：利用if語句，判斷的依據(jù)是除以4的余數(shù)為零且除以100的余數(shù)不為零，或者除以400的余數(shù)為零。求余數(shù)利用rem(m,n)函數(shù)。 程序如下： n=input('n=') if (rem(n,4)=0&&rem(n,100)=0)|rem(n,400)=0 A='閏年' else A='平年' end 運(yùn)行結(jié)果： （圖4-5）第十題：設(shè)x+2y=1, 2x+3y=6, y=2x2, 畫出各個方程圖形，求出曲線交點(diǎn).分析：（1）反解成每個式子用x表示y的形式 （2）定義x的變換范圍及增量 （3）利用plot函數(shù)繪制二維曲線圖 ，使用plot(x,y1,xy2,x,y3)