前    言

以前，MATLAB主要在信号处理和数值分析领域供专业人员使用，如今，它已经受到整个工程界广泛而热情的欢迎。许多工科院校都在教学计划的初期安排有完整或部分基于MATLAB的课程。MATLAB还支持编程，并且具有与其他编程语言相同的逻辑、关系、条件和循环结构，因此，它也可用于讲授编程原理。大多数院校还将MATLAB作为教学中使用的主要计算工具。在信号处理和控制系统等技术专业中，MATLAB被当作分析和设计的标准软件包。

MATLAB之所以普及，首先是因为它历史悠久、功能强大且经过了充分测试，用户都信赖它的计算结果。其次是因为它的用户界面包含易于使用的交互式环境，且具备可扩展的数值计算和可视化能力。再次，MATLAB非常简洁也是一大优势。例如，您只需要使用三行代码就能求解包含许多线性代数方程的方程组，而这是传统编程语言难以做到的。最后，MATLAB还是可扩展的；目前，它包含超过30个涉及不同应用领域的“工具箱”，以用于增加新的命令和功能。

MATLAB支持MS Windows和Macintosh个人电脑及其他操作系统。它兼容所有这些平台，使得用户可以共享他们的程序、见解和想法。《MATLAB编程和工程应用(第4版)》针对的软件版本是MATLAB 9.3 (R2017b)。第9章中的部分内容基于Control System toolbox(控制系统工具箱)10.3版，第10章的内容基于Simulink 9.0版，第11章基于Symbolic Math toolbox(符号数学工具箱)8.0版。

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的目标和先决条件

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的首要目标是专门介绍MATLAB，它既可作为入门课程的自学教材或补充教材，也可作为参考书。《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的内容以作者为工科院校大一学生开设的MATLAB必修双学分学期课程的教案为基础。书中许多表格及附录中的参考资料都是基于这个目标而设计的。《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的第二个目标是介绍和加强问题求解方法的运用，这些方法在工程专业的实践中通常都会用到，且特别适用于采用计算机求解问题。第1章将重点介绍这种方法。

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的读者应具备基本的代数和三角学知识。前7章的内容不需要微积分的知识。为了理解部分例题，还需要掌握一些高中的化学、物理知识，主要是基本的电路、基础静力学和动力学知识。

内容组织

与上一版相比，《MATLAB编程和工程应用(第4版)》做了更新，包含新功能、新函数以及语法和函数名变更等内容，还采纳了审稿人和其他用户提出的许多建议，并增加了例题和作业习题。

全书共分11章。前5章是MATLAB的基础课程。其余6章的内容相互独立，涵盖了MATLAB、控制系统工具箱、Simulink以及符号数学工具箱等高级应用。

第1章概述MATLAB的功能，包括它的窗口和菜单结构，并介绍了问题求解方法学。

第2章介绍数组的概念——数组是MATLAB中最基本的数据元素，该章还描述了如何使用数值数组、单元数组和结构数组进行基本的数学运算。

第3章介绍函数和文件的使用。MATLAB自带了数量极其庞大的内置数学函数，而且允许用户定义自己的函数，并将其保存为文件以便重用。

第4章介绍MATLAB编程，涉及关系运算符、逻辑运算符、条件语句、for循环、while循环以及switch结构。本章主要介绍在仿真方面的应用，占用一节的篇幅专门对此做了介绍。

第5章介绍二维和三维绘图。首先介绍具有专业外观且重要的图形的标准。根据作者的经验，很多新生并不了解这些标准，因此需要在该章中重点介绍一下。接下来，该章还介绍用于生成不同类型图形以及控制图形外观的MATLAB命令。5.1节特别介绍新版本MATLAB增加的实时编辑器(Live Editor)。实时编辑器非常重要。

第6章涵盖函数探索。函数探索既可以用数据图揭示数据的数学描述，又是构建模型的实用工具。函数探索是常见的图形应用，因此用了单独一节篇幅专门讨论这个主题。该章还涉及多项式和多元线性回归建模。

第7章首先回顾统计和概率论基础知识，然后展示如何利用MATLAB生成直方图并用正态分布进行计算，以及如何创建随机数生成器。最后介绍线性和三阶样条插值。

第8章介绍在所有工程领域中都存在的线性代数方程的求解方法。首先建立一些对于正确使用计算机方法必需的相关术语和重要概念，接着展示如何用MATLAB求解具有唯一解的线性方程组。该章还介绍欠定和超定系统。

第9章讨论求解微积分和微分方程的数值方法，包括数值积分法和数值微分法。还介绍包含在MATLAB核心程序中的常微分方程求解器，以及Control System toolbox(控制系统工具箱)中的线性系统求解器。对于那些不熟悉微分方程的读者来说，该章可为第10章提供一些背景知识。

第10章介绍Simulink，它是构建动态系统仿真的图形界面。Simulink越来越受欢迎，在工业上的应用也越来越多。MathWorks公司为LEGO MINDSTORMS、Arduino和Raspberry Pi这些深受无人机和机器人控制研究人员和爱好者欢迎的计算机硬件提供了Simulink支持包。利用这些支持包，就能开发和仿真相关算法，并最终能在所支持的硬件上独立运行。支持包还包括用于配置和访问硬件传感器、执行器和通信接口的Simulink模块库。当算法在硬件上实时运行时，还可以通过Simulink模块在线调整参数。MathWorks提供了在线的活跃用户社区，在那里可以浏览应用程序并下载文件。第10章还介绍一些有关机器人车辆的应用。

第11章介绍处理代数表达式，以及求解代数和超越方程、微积分、微分方程和矩阵代数问题的符号方法。微积分应用包括积分和微分、最优化、泰勒级数、级数计算和极限等。该章还介绍如何利用拉普拉斯变换法求解微分方程。该章需要使用Symbolic Math(符号数学)工具箱。

附录A是《MATLAB编程和工程应用(第4版)》涉及的命令和函数的使用指南。附录B介绍利用MATLAB制作动画和声音，虽然这对学习MATLAB并不是必要的，但这些功能有助于培养学生的兴趣。附录C总结了创建格式化输出的函数。附录D是参考文献列表。附录E位于《MATLAB编程和工程应用(第4版)》网站上，其中包括对课程计划的建议，而且基于作者为大一学生讲授MATLAB课程的经验。《MATLAB编程和工程应用(第4版)》最后是部分习题的答案。

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》所有的图、表格、公式和习题都按照章节编号。例如，图3.4-2是第3章第4节的第2个图。这种编码规则能帮助读者迅速找到这些内容。为了避免与章内思考题编号混淆，每章末尾的习题并没有按照上述规则编号，而是按照数字1、2、3的自然顺序编号。

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》特色

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》具有以下特色，因此具有较强的参考性。

? 每一章都用表格总结该章介绍的命令和函数。

? 附录A是对《MATLAB编程和工程应用(第4版)》所有命令和函数的全面总结。并按照类别分组。

? 每章结尾处都列出了该章介绍的关键术语。

教学辅助

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》使用的教学辅助方法包括：

? 每章开头都有概述。

? 每章的相关内容附近都有思考题来检验读者的理解情况。这些相对简单的思考题可帮助读者在阅读过程中及时评估对所学内容的理解情况。大多数情况下，思考题的答案都伴随思考题一起给出。在遇到这些题目时，学生应该完成它们。

? 每章结尾都有许多根据节的顺序分组的习题。

? 每章都包含许多实例。重要的例题还有编号。

? 每章都有一节总结内容，其中回顾了该章的目标。

? 《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的最后给出了部分章尾习题的答案。

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的两大特色可以激励学生学习MATLAB和工程专业：

? 大部分例题和习题都涉及工程应用。它们都来自各工程领域，并且展示出MATLAB的实际应用。

? 每章的首页上都有一张最新工程成就的照片，展示了21世纪的工程师们面临的挑战和有趣的机遇。每张照片还配有描述、与之相关的工程学科，以及MATLAB如何在这些学科中应用等内容。

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》格式约定

《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的格式约定比较复杂。在阅读《MATLAB编程和工程应用(第4版)》前，请注意以下约定。

(1) 对于所有MATLAB命令(包括命令中涉及的向量名、矩阵名以及其他变量名)、用户在计算机输入的任何文本，以及屏幕上出现的任何MATLAB响应，都显示为正体。具体分为两种情况：

a. 在代码块中用等宽字体表示，例如：

>>x＝0:0.01:7;

>>y＝3*cos(2*x);

>>plot(x,y),xlabel(’x’),ylabel(’y’)

b. 在正文的文字描述中(非代码部分)，用新罗马字体表示。例如：“在MATLAB中，当您输入y＝logical(9)时，y就会被赋值为逻辑1并发出警告”。

(2) 对于正规数学课本中的向量名、矩阵名以及其他变量名(指在MATLAB之外使用的名称；对于在MATLAB中使用、输入和输出的名称，仍遵循第(1)条)，分为以下两种情况：

a. 向量名、矩阵名用斜体加粗表示，例如：“用向量c代替矩阵B的第2行”。

b. 其他一般数学意义的变量名用斜体表示，例如y＝6x。

网上资源

网上有教师手册可供采用《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的教师使用。该手册包含了所有测试理解情况的思考题和所有章习题的完整答案。还有可供下载的文件，包括涉及课程内容和建议的PowerPoint幻灯片。

如果需要获得这些资料，请填写《MATLAB编程和工程应用(第4版)》末尾的“麦格劳-希尔教育教师服务表”，与销售代表联系。

MATLAB的信息

有关MATLAB和Simulink的产品信息，请联系：

MathWorks公司

3 Apple Hill Drive

Natick, MA, 01760-2098 USA

电话：508-647-7000

传真：508-647-7001

电子邮箱：info@mathworks.com

网址：www.mathworks.com

如何购买：www.mathworks.com/store

致谢

很多人都为《MATLAB编程和工程应用(第4版)》做出了值得称赞的帮助。与罗得岛大学的教员一起开发和讲授大一学生MATLAB课程的经历，对《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的帮助极大。许多读者还通过电子邮件提出了很多有用的建议。为此，作者对他们的贡献表示感谢。

MathWorks公司一直以来都非常支持教育出版事业。我特别要感谢MathWorks公司Naomi Fernandes给予我的帮助。McGraw-Hill教育出版社的Thomas Scaife、Jolynn Kilburg、Laura Bies、Lora Neyens和Kate Scheinman高效地完成了手稿审查并指导了《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的出版工作。

我的姐姐Linda和Chris，还有我的妈妈Lillian一直为我的工作加油。我的父亲生前也一直支持我。最后，我要感谢我的妻子Mary Louise，以及我的孩子Aileene、Bill和Andy，感谢他们对我编写《MATLAB编程和工程应用(第4版)》的理解和支持。

William J. Palm Ⅲ

于罗德岛金士顿市