数学建模 —— MATLAB中的矩阵(上)

目录

矩阵的创建方法

(1)直接输入法

(2)函数创建法

 (3)导入本地文件中的数据

 矩阵元素的引用

矩阵元素的修改和删除


矩阵的创建方法

在MATLAB中,矩阵的创建方法主要有三种,分别是:直接输入法、函数创建法和导入本地文件中的数据。

(1)直接输入法

直接输入法适用于矩阵中元素数量较少的情况。输入矩阵时要以中括号“[ ]”作为标识符号,矩阵的所有元素必须都在中括号内。矩阵的同行元素之间用空格或逗号分隔,行与行之间用分号或回车键分隔。例如:命令a=[123;456];  可以在工作区创建出变量名为a 的矩阵 


(2)函数创建法

MATLAB提供了一些函数,这些函数可以用来生成某些特定的矩阵,我们这里介绍几组最常用到的函数。

第一组函数: zeros ones eye

这三个函数分别用来创建全为0的矩阵、全为1的矩 阵和单位矩阵。

以 zeros 函数为例,其常见的用法有两种:(1)zeros(n) 可以创建一个n 行 n 列全为0的矩阵;(2)zeros(m,n)可以创建一个m 行 n 列全为0的矩阵。

第二组函数: rand randirandn

这三个函数分别用来创建均匀分布的随机数、均匀分布的随机整数和标准正态分布的随机数,以后会大量用到,请大家熟记。

rand函数用来创建区间0和1内均匀分布的随机数,其最常用的方法有两种:(1)rand(n) 可以创建一个n 行 n 列的随机数矩阵;(2)rand(m,n)可以创建一个m 行n 列的随机数矩阵。 由 rand 函数创建的随机数矩阵的每个元素都随机取样自0和1之间的均匀分布。

randi 函数用来创建均匀分布的随机整数,其最一般的用法为:randi ( [ imin,imax ],m,n), 该命令可创建一个m 行 n 列的随机数矩阵,随机数矩阵中的每个元素都是从区间[imin,imax] 内随机抽取的整数。假设我们要模拟投掷100次骰子,骰子有6个面,那么我们可以使用randi([1,6],1,100)得到一个长度为100的行向量,向量中的每个元素都是取自 1,2,3,4,5,6 中的一个整数。另外,如果imin 等于1,那么可以简写为randi(imax,m,n);   如  果m 和n 相同,即生成一个n 行 n 列的方阵,那么可以直接写成randi ( [ imin,imax ],n )。

randn函数用来创建标准正态分布的随机数,其使用方法和rand 函数类似:(1)randn(n)     可以创建一个n 行 n 列的随机数矩阵;(2)randn(m,n)可以创建一个m 行 n 列的随机数矩阵。 由randn 函数创建的随机数矩阵的每个元素都随机取样自标准正态分布。

第三组函数: diag blkdiag

diag函数可用来创建对角矩阵或者获取矩阵的对角元素

情况1:如果输入的第一个参数是向量,则表示创建对角矩阵。

diag(v,k) 将向量v 的元素放置在第k 条对角线上,其他位置元素为0。

k=0 表示主对角线,k>0   位于主对角线上方,k<0  位于主对角线下方。 如果k=0, 可以直接写成diag(v)。

情况2:如果输入的第一个参数是矩阵,则表示获取矩阵的对角元素。

diag(A,k) 返 回A 的第k 条对角线上元素的构成的列向量。

 blkdiag函数可用来创建分块对角矩阵。

分块对角矩阵是相对于常规的对角矩阵而言的,常规的对角矩阵沿对角线具有单个元素, 而分块对角矩阵的对角线的元素是矩阵。我们可采用以下形式表示一个分块对角矩阵:


 (3)导入本地文件中的数据

MATLAB可读取本地的文件,支持的常见格式如下:.txt、.dat 或 .csv(适用于带分隔符的文本文件)

.xls 、.xlsb 、.xlsm 、.xlsx 、.xltm 、.xltx 或 .ods (适用于电子表格文件)


 矩阵元素的引用

有时候我们需要取出矩阵的某一行或者某一列。以取出矩阵 A 的第一行为例,我们可以使用代码A(1,1:end),  即 row_ind取1表示第一行,column_ind取1:end 表示从1到最后一列 的索引。这时候我们可以直接将其简写为:A(1,:),   逗号后面是列索引的位置,加一个冒号就 表示取出每一列的元素。同理,要取第一列的所有元素,我们可以使用代码:A(:,1).

前面我们介绍的是对矩阵的双下标进行索引,即同时指定行索引和列索引,中间用逗号隔 开。有同学会问,我们能不能使用单个下标对矩阵进行索引呢?在MATLAB中是可以的,这种单下标的索引方法称为线性索引。

事实上,在MATLAB中,矩阵的数据在计算机的内存中被存储为单列。以下图为例,下 面的矩阵虽然显示为3×3矩阵,但MATLAB在内存中将它存储为单列,由它的各列顺次连 接而成。例如,第2行第2列的元素的线性索引为5,第2行第3列的元素的线性索引为8。

 另外,A(:)命令可以将A中的所有元素按照线性索引的顺序重构成一个列向量。

最后,sub2ind ind2sub 函数可用于在矩阵的原始索引(双下标)和线性索引之间进行转 换。他们的功能刚好相反,sub2ind将矩阵的下标转换为线性索引;ind2sub 将线性索引转换 为下标。 

 (1)ind   =sub2ind(sz,row,col)针对大小为 sz 的矩阵返回由 row 和 col 指定的行列下 标的对应线性索引 ind 。此 处 ,sz   是包含两个元素的向量,其中 sz(1)   指定行数, sz(2)指定列数。

(2)[row,col]=ind2sub(sz,ind)   返回数组 row 和 col,  其中包含与大小为 sz的矩阵的线性索ind 对应的等效行和列下标。此处,sz 是包含两个元素的向量,其中 sz(1)指定行数,sz(2)指定列数。


矩阵元素的修改和删除

我们可以直接利用等号赋值的方法对矩阵中引用位置的元素进行修改,用法和对向量元素的修改类似。

 当然,你也可以使用线性索引(单下标的索引)的方式对矩阵的元素进行修改:

注意,如果你在赋值时将一个或多个元素置于矩阵现有的行和列索引的边界之外,则会将 矩阵的大小进行拓展,MATLAB 会将没有赋值的位置的元素自动用0填充,使其保持为完整 的矩形。

例如,A 是一个2行3列的矩阵,在A 的第三行第四列的位置插入一个元素88,矩阵A 会自动进行拓展。

以上就是修改矩阵元素的方法,下面我们再来介绍删除矩阵元素的方法。

如果我们将等号右侧变成空向量[],则可以删除对应位置的元素。需要注意的是通常只能删除矩阵的整行或者整列,否则会报错。

注意,也可以通过线性索引来删除矩阵的元素。使用线性索引删除后,MATLAB 会将矩阵中剩下的元素按照线性索引的顺序放入到一个向量中。另外,使用线性索引可以删除任意位 置的元素,不需要删除矩阵的一整行或者一整列。 

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