『MATLAB 学习笔记』导航 & 资源 & 笔记

在 Coursera 上学习 MATLAB 课程的过程中，自己把笔记整理总结了一下，一方面方便自己日后的参考，另一方面也提供给大家一些资源和经验。

MATLAB 程序设计入门

【前言】这一部分偏重的是基于 MATLAB 的程序设计，即编程的方法，当然也包含了很多 MATLAB 的基础操作。个人觉得，之后对 MATLAB 一些工具的使用在有了 MATLAB 的编程基础的前提下回变得相对的轻松。

我是在 15 年下半年（大一）在 Coursera 学习了这一门课 MATLAB 程序设计入门，英文课程，总体难度不大，毕竟是针对初学者的课程。但有一些章节的课后作业还是挺有难度的。下面是我在学习这一课程过程中的笔记，因为是在课余学习的，只记了关键的一些操作与命令。考虑会在后续补上截图与操作。

MATLAB 介绍 (略)
矩阵的操作
函数与脚本
分支结构
循环结构
多态函数
输入输出和绘图
数据类型
文件操作

MATLAB 应用

MATLAB 串口通信与动态绘图

后续不断补充

Mathworks 官方资源

矩阵的操作

克隆运算符（Colon Operator）

x=1:3:7 生成数组 1 4 7 表示 x 从 1 开始逐加 3，到 x<=7，相当于 for (i=1; i<=7; i+=3) 这样一个循环。 x=1:100，生成 1 2 3...100 序列，即中间参数没有指定时默认逐加 1。

操作矩阵的一部分（Access Parts of a Matrix）

有如下的一些方法：假设 x= 1 2 3 4 5 6 7 8 9

x(2,3) 矩阵 x 第 2 行，第 3 列的元素 6 x(end,2) 矩阵 x 最后一行，第 2 列的元素 8 x(2,[1 3]) 矩阵 x 第 2 行的第 1 列和第 3 列的元素 4 6 x(2,1:3) 第二行的 1,2,3 列元素 4 5 6 x(:,2) 第 2 列所有元素 [m,n] = size(x) 得到 m 为行数，n 为列数 sum(x) 对逐列求和，输出每列和的行向量 12 15 18

矩阵生成（Matrix Building）

指定元素

zeros(5,6)：5×6 的方阵，元素全为 0 ones(4,2)：4×2 的方阵，元素全为 1 5*ones(4,2)：元素全为 5 zeros(4)：4×4 的方阵 diag(7 3 9 2)：对角阵，7 3 9 2 位于其主对角线上，其余元素全为 0

随机元素

rand(3,4),rand(5)：分别生成 3×4 和 5×5 的矩阵，元素值 0-1 fix(1+rand(5,4)*10)：fix 为取整 randi(10,4,5)：生成 1-10 的 4×5 矩阵 randi([5 10],4,5)：生成 5-10 的 4×5 矩阵 randn(1,1000)：n 代表 normal，按正态分布生成随机数

随机数生成器（Random Generator） 每次打开 MATLAB 后 rand 的值便固定了。需要重置随机数。 rng(参数)，参数部分可以是数字，可以是字符串。

函数与脚本

函数 - Function

MATLAB 自带了丰富的函数，当然我们也可以自定义函数来实现自己想要的功能。比如：rand(3,4) 就能生成 3×4 的数表，每个数在 0~1 之间。输入 edit 编辑新文件

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function myRand
    a=1+rand(3,4)*9
end

保存为 myRand.m，这样就定义了一个 myRand 函数，用来生成 1-10 之间的数。其中 a 为局部变量，只在其作用域 (myRand) 中有效。就这样执行 myRand 结果会被保存在变量 ans 中。

修改一下第一行：function a = myRand，本意是想输出 a，运行之后会发现输出了 a=... ans=... 两个部分。想要只输出 ans，只需在 a=1+rand(3,4)*9 后加上 ; 输入 b=myRand 便可将值保存到变量 b 里。将函数修改一下

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function a=myRand(low, high)
    a=low+rand(3,4)*(high-low);
end

就可以输出在low~high之间的随机数表了。若想输出a中的全部数字的和，则可以改成如下

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function [a,s]=myRand(low, high)
    a=low+rand(3,4)*(high-low);
    v=a(:);
    s=sum(v);
end

然后在命令行中输入 [x ss]=myRand(1,10) 就会分别输出数表 x 及所有数字之和 ss

function 的定义

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    funtion [out-arg1, out-arg2, ...]
=function-name(in-arg1, in-arg2, ...)

不确定函数名是否已定义，可以用 help exist

subfunction - 定义多个 (子) 函数

举个栗子

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function [a, s] = myRand(low, high)
            a = low+rand(3,4)*(high-low)
            s = sumAllElements(a);
function summa = sumAllElements(M)
            v = M(:);
            summa = sum(v);

全局变量

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global v;
v=(...);

一定要分开写 新手尽量少使用，可能会导致难检测的错误。

function 的优点

将一个大问题分解
功能的分解
代码复用
普遍性

Script - 脚本

是一个 .m 文件，用来执行一系列命令、赋值等计算执行脚本时只需输名字

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fprint('This is matlab\n');
pause(5);
quit;

分支结构

if语句

function guess_my_number(x)
    if x == 2
    fprintf('Congrats! You guessed my number!\n');
end

注意每个 if 语句都要以 end 结尾

if-else语句

function guess_my_number(x)
if x == 2
    fprintf('Congrats! You guessed my number!\n');
else
    fprintf('Not right, but a good guess.\n');
end

if-elseif-else 语句

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function guess_my_number(x)
if x == 2
    fprintf('Congrats! You guessed my number!\n');
elseif x < 42
    fprintf('Too small. Try again\n');
else
    fprintf('Not right, but a good guess.\n');
end

最后一个 else 可以不要，就是一个 if-elseif 结构。

关系运算符（Relational operators）

运算符	含义
==	判断是否等于
~=	是否不等于
>	是否大于
<	是否小于
>=	是否大于等于
<=	是否小于等于

进行判断后返回值为 1 (真) 或 0 (假)

可以进行一组数的比较

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[4 -1 7 5 3] > [5 -9 6 5 -3]
ans = 0 1 1 0 1

当然也可以这样，逐个与 4 进行比较：

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[4 -1 7 5 3] <= 4

还有很多玩法

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sum([14 9 3 14 8 3] == 14)

逻辑运算符（Logical operators）

运算符	含义
&&	逻辑与
\|\|	逻辑或
~	逻辑非

输入		&&	\|\|
false	false	0	0
false	true	0	1
true	false	0	1
true	true	1	1

非零为真，零为假

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~[1 pi 0 -2]
ans = 0 0 1 0

但对两个矩阵使用 && 和 ||，应变为 & 和 |

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[1 -3 0 9 0] & [pi 0 0 2 3]
ans = 1 1 0 1 1

help precedence 获取关于运算符优先级的帮助

循环嵌套（Nested if-statements）

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if arg_1
    if arg_2
        statement_1;
    else
        statement_2;
    end
else
    statement_3;
end

多态函数

多态函数（Polymorphic functions）

什么是多态

是指函数可以根据输入输出的表达式个数和类型作出不同的反应。举个栗子：zeros(5,6) 生成 5×6 矩阵，zeros(4) 生成 4×4 的矩阵。 MATLAB 中许多内置的函数是多态的（sqrt, max, size, plot, etc.）

如何使自己的函数具有多态性？

nargin: 返回实际的输入参数的个数 nargout: 返回实际要求的输出参数个数

下面这个函数 multable(n,m) 生成 n×m 的数阵，我们来使其具有多态性

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function [table summa] = multable(n,m)
if nargin < 2
    m = n;
end
table = (1:n)' * (1:m);
if nargout == 2
    summa = sum(table(:));
end

[table s] = multable(3,4)，会输出 3×4 的数表和其所有元素和 table = multable(5)，只会输出 5×5 数表

健壮性（Robustness）

一个健壮的函数，会对各种可能出现错误的情况进行处理。上面的函数可以进行如下的优化：

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function [table summa] = multable(n,m)

% MULTABLE muliplication table.
% T = MULTABLE(N) return an N-by-N matrix
% containing the multiplication table for
% the integers 1 through N.
% MULTABLE(N,M) returns an N-by-M matrix.
% Both input arguments must be positive integers.
% [T SM] = MULTABEL(...) returns the matrix
% containing the multiplication table in T
% and the sum of all its elements in SM

if nargin < 1    % 没有输入
    error('must have at least one input argument');
end
if nargin < 2
    m = n;
elseif ~isscalar(m) || m < 1 || m ~= fix(m)  % 参数不为正整数
    error('m needs to be a positive integer');
end
if ~isscalar(n) || n < 1 || n ~= fix(n)
    error('n needs to be a positive integer');
end

table = (1:n)' * (1:m);
if nargout == 2
    summa = sum(table(:));
end

% 后为注释，在命令行中输入 help multable，可以得到最上面一大段注释作为 help 的内容

持续变量（Persistent variables）

和全局变量类似，但又有所区别。

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function total = accumulate(n)
persitent summa;
if isempty(summa)
    summa = n;
else
    summa = summa + n;
end
total = summa;

也就是说，再次调用这个函数的时候，summa 的值是接着上次的值的。重置：clear accumulate

输入输出和绘图

输入 & 输出（Input&Output）

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function a = one_more
x = input('Gimme a number, buddy:');
a = x+1;

上面实现了输入一个 x，并将 x+1 赋值给 a，input 括号中的为控制台输出的提示信息。

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fprintf('This is an output example\\n')

输出一行信息

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function check_out(n,price)
total = n*price;
fprintf('%d items at %.2f each\\nTotal = $%5.2f \\n',n,price,total);

fprintf 中的 f 代表 format，即格式化。

%d，整数 %.2f，f 代表 fixed point，小数位为 2 位 %5.2，共 5 位（包括小数点），小数点后 2 位。

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fprintf('%4.1f\\n',[1 2 3])

会输出

绘图（Plot）

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a =(1:10).^2
plot(a)

绘图一般是先生成数列，再绘图

plot(t,b)，以 t 为 x 轴，b 为 y 轴 figure(2)，新建第 2 个空白的图像，如果有就切换到这个图像

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x1 = 0:0.1:2*pi; y1 = sin(x1);
x2 = pi/2:0.1:3*pi; y2 = cos(x2);
plot(x1,y1,x2,y2)

自定义图像样式 plot(t,b,'m--o')，最后一个参数中，m 表示 magenta (品红色)，-- 表示虚线，o 表示小圆圈标出每个点。可以在 help plot 中找到更多相关参数

hold on 在当前 figure 上保留画出来的图像，可以再做图像。与之相对的是 hold off plot(x2,y2,'r:')，红色连续点线，plot(x1,y1,'g*')，绿色，点用 * 表示 grid，打开网格 title('xxxx')，加上标题 xlabel('xxxx')，x 轴加上标签 ylabel('xxxx')，y 轴加上标签 legend('sine','consine')，图例说明 axis([-2 12 -1.5 1.5])，指定 x 轴从 - 2 到 12，y 轴从 - 1.5 到 1.5 close(1)，关闭 figure1 close all，关闭所有图像

数据类型

数据类型（Datatypes）

同其他的编程语言一样，MATLAB 也有许多的数据类型。下面我们来看看我们用过哪些数据类型。

class(arg) 可以返回 arg 的类型。如：

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>> class(0)
ans = double

whos 命令可以列出当前工作区域变量的详细信息。

数字类型（Numerical Types）

双精度实数（Double）

MATLAB 中默认的数据类型
浮点表示形式，例如：12.34 = 1234 * 10^-2
内存占用：64 bits（8 bytes）

单精度实数（Single）

与双精度类似。
内存占用：32 bits（4 bytes）

整数类型（Integer types

分为有符号（Signed）、无符号（Unsigned）两类
内存占用：8, 16, 32, 64 bit long

数据类型	范围
int8	-2⁷~2⁷-1
int16	-2¹⁵~2¹⁵-1
int32	-2³¹~2³¹-1
int64	-2⁶³~2⁶³-1
uint8	0~2⁸-1
uint16	0~2¹⁶-1
uint32	0~2³²-1
uint64	0~2⁶⁴-1
single	-3.4×10³⁸~3.4×10³⁸
double	-1.79×10³⁰⁸~1.79×10³⁰⁸

一些实用的函数

类型检测

class 返回类型

isa 返回是否是这个类型，例如

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>> isa(x,'double')

范围检测

intmax intmin

realmax realmin

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>> intmax('uint32')

类型转换

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int8(x)
uint32(x)
double(x)

需要说明的是，当一个变量重新赋值时，会转换为所赋值的类型。

字符串（Strings）

字符串，顾名思义，是由一串字符组成的。

在 MATLAB 中，字符串其实是一个向量，其中的元素自然是字符（char），字符又是由 ASCII 码值，可以得到一个打印所有可见字符的例子：

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function char_codes
for ii = 33:126
    fprintf('%s',char(ii));
end
fprintf('\n');

MATLAB 中，有一些常用的操作字符串的函数：

函数	作用
findstr	找到字符串中的子串
num2str	将数字转换为字符串
str2num	将字符串转换为数字
strcmp	比较两个字符串
lower	将字符串转换为小写
upper	将字符串转换为大写
sprintf	将结果写入字符串中

具体使用方法可以参考 MATLAB 自带的 WIKI

注：strcmp 在比较时严格区分大小写，若忽略大小写，可以用 strcmpi

sprintf 的用法和 fprintf 用法基本一致，但区别在于 sprintf 返回一个字符串

结构体类型（Structs）

众所周知，在 MATLAB 中，一个数列只能包含类型相同的一组数据，那我们需要存储类型不同的数据怎么办呢？结构体就能做到。

结构体和数组的区别：

结构体的基本单位是字段 (fields) 而非元素 (elements)
我们访问结构体时用的是字段名称 (field name) 而非索引 (indices)
字段可以有不同的数据类型 (甚至是另一个结构体)

灵活性：字段可以包含子结构体；结构体可以包含数组，同时数组元素也可以是结构体

下面来实践一下：

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>> r.ssn = 12345678
% 以上定义了一个结构体 r

>> r.name = 'Homer Simpson'
% 继续添加其它类型的字段

>> r.address.street = "742 Evergreen Terrace"
% 这里的 r.address 就是一个子结构体

一些常用的操作结构体的函数：

函数	作用
isfield	判断结构体中是否有字段
setfield	动态添加字段
rmfield	删除结构体中的一个字段
struct	快速构造一个结构体

结构体数组：在已经定义了一个结构体的前提下，可以快速构造结构体数组。已知 account 为一个结构体

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>>account(2).number = 7654321;
account =
1×2 struct array with fields:
number
balance
owner

值得注意的是，在 account(2) 中，除了赋过值的 number 字段外，其它字段初始为空

在一个结构体数组中，如果一个结构体的字段是一个子结构体，那么这两个子结构体不一定要相同。

注意：在使用 rmfield 时，应将返回值赋给要删除字段的结构体。

元胞数组（Cells）

这种类型也是 MATLAB 独有的，类似于 C 语言中的指针 (Pointer)，但一个元胞 (Cell) 并不直接存内存的地址，而是指向某变量。

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%% The Ultimate Legend of Big John  相当于段落文本
page{1} = 'You could find him on the field almost any day.';
page{2} = 'Tall, dark hair, and eyes of steel gray.';
page{3} = 'They say he pulled a Frisbee ''bout half a mile,';
page{4} = 'And when he''d stick in the corner, you could almost catch a smile';
page{5} = 'On Big John.';
%% 打印输出
fprintf('\n');
for ii = 1:length(page)
    fprintf('%s\n',page{ii});
end
fprintf('\n');

可以看出元胞数组的定义是用了一对花括号 {}，而里面的数字类似于数组的索引。此外，你可以这样构建元胞数组：

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p = cell{2,3}
p{1,2} = 'Awesome'

类似于 2×3 的数组。但里面的每个元素都是元胞 (Cell)

注意：MATLAB 不允许两个元胞指向同一个对象，也就是说，当你令 c2 = c1 时，虽然表面上 c2 的数据和 c1 是一样的，但 MATLAB 悄悄地将 c1 的数据拷贝到了新的内存地址中，也就是 c2 指向的数据地址和 c1 指向的数据地址是不一样的。

还有许多实用的函数可以操作元胞数组，有兴趣可以看一下官方文档。

文件操作

文件操作（File IO）

使用文件有诸多优点：首先它是被一直存储在硬盘中的，它里面储存着信息，文件可以由操作系统轻松的管理，文件同时也可以被复制和移动，可以被不同软件访问。对于 MATLAB，它不仅可以处理其专有文件格式 (.mat .m)，还可以处理 txt 文本文档、二进制文件，甚至 Excel 文件。

pwd 命令可以显示当前所在的目录 (Print Working Directory) ls 命令可以列出当前目录下所有文件 cd 命令可以改变目录 (Change Directory)

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cd('Lesson 08')    % 进入当前文件夹下的 Lesson 08 文件夹
cd('..')           % 返回上级目录
cd('../..')        % 返回上上级目录
mkdir('folder')    % 创建新目录
rmdir('folder')    % 删除空目录

save 命令可以保存当前工作区 load 命令可以加载当前工作区

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save my_data_file data s a    % 将变量 a 和 s 保存至 my_data_file.mat
load my_data_file             % 从 my_data_file.mat 中加载变量

Excel 文件操作

MATLAB 支持读取和写入 Microsoft Excel 文件。需要用到 xlsread 和 xlswrite 两个函数。

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>> [num,txt,raw] = xlsread('Nashville_climate.xlsx')

num 元素包含了表中所有的数字，txt 则是包含了文字，raw 储存了所有

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>> temps = xlsread('Nashville_climate.xlsx')  % temps 包含有数字
>> [temps txt] = xlsread('Nashville_climate.xlsx')
>> [~, text] = xlsread('Nashville_climate.xlsx')  % 只输出 text
>> [~, ~, everything] = xlsread('Nashville_climate.xlsx')  
>> num = xlsread('Nashville_climate.xlsx', 1, 'D15:E17')
% 数字 1 表示工作簿，D15 指定了 D15 这个单元格
>> num = xlsread('Nashville_climate.xlsx', 1, 'D15:E17')

至于 xlswrite，可以写入 CSV 文件。不详细讨论了。

txt 文件操作

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fid = fopen(filename, permission);
fclose(fid);

其中 permission 这个参数可以有很多，如：rt wt at r+t w+t a+t

下面用一个示例来进行 txt 文件读取操作的演示。

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function view_text_file(filename)
fid = fopen(filename,'rt');
if fid < 0
    error('error opening file %s\n', filename);
end

% Read file as a set of strings, one string per line:
oneline = fgets(fid);
while ischar(oneline)
    fprintf('%s',oneline) % display one line
    oneline = fgets(fid);
end
fprintf('\n');
fclose(fid);

再来看看如何写入 txt 文件。

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function write_temp_precip_txt(filename)
Title_1 = 'Climate Data for Nashville, TN';
Title_2 = '(Average highs(F), lows(F), and precip(in)';
Label_1 = 'High';
Label_2 = 'Low';
Label_3 = 'Precip';
Mo_1 = {'Jan','Feb','March','April','May','June'};
Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
    Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
    Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
    Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
    Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
    Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
    Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
    Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
    Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
Mo_2 = {'July','Aug','Sep','Oct','Nov','Dec'};  
Data_1 = [
    46	28	3.98
    51	31	3.7
    61	39	4.88
    70	47	3.94
    78	57	5.08
    85	65	4.09];
Data_2 = [
    89	69	3.78
    88	68	3.27
    82	61	3.58
    71	49	2.87
    59	40	4.45
    49	31	4.53];
fid = fopen(filename,'w+t');
if fid < 0
    fprintf('error opening file\n');
    return;
end
fprintf(fid,'%s\n',Title_1);
fprintf(fid,'%s\n',Title_2);
fprintf(fid,'\n');
fprintf(fid,'       %s%s%s\n',Label_1,Label_2,Label_3);
for ii = 1:6
    fprintf(fid,'%5s: ',Mo_1 {ii});
    fprintf(fid,'%5.2f,%5.2f,%5.2f\n',Data_1(ii,:));  
end
fprintf(fid,'\n');
fprintf(fid,'       %s%s%s\n',Label_1,Label_2,Label_3);
for ii = 1:6
    fprintf(fid,'%5s: ',Mo_2 {ii});
    fprintf(fid,'%5.2f,%5.2f,%5.2f\n',Data_2(ii,:));  
end
fclose(fid);

二进制文件操作

在更多的时候，使用二进制 (binary) 文件进行文件存储和读取具有更高的效率。

下面就给出操作二进制的例子来看看 MATLAB 是如何存取二进制文件的。

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function A = read_bin_file(filename,data_type)
fid = fopen(filename,'r');
if fid < 0
    error('error opening file %s\n',filename);
end

A = fread(fid,inf,data_type);

fclose(fid);

下面是写入二进制文件

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function write_array_bin(A,filename)
fid = fopen(filename,'w+');
if fid < 0
    error('error opening file %s\n', filename);
end

fwrite(fid,A,'double');

fclose(fid);

小结： MATLAB 提供了对常用文件类型操作的支持，使用文件，我们可以更方便地读入大量数据并进行操作，同时输出易于阅读的数据。