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科学计算与MATLAB语言
第11次开课
开课时间: 2022年09月05日 ~ 2022年12月18日
学时安排: 3-5小时每周
当前开课已结束 已有 22811 人参加
老师已关闭该学期,无法查看
课程详情
课程评价(1409)
spContent=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为众多领域的计算问题提供了全面的解决方案,代表了当今国际科学计算软件的先进水平,被誉为巨人肩膀上的工具。通过本课程的学习,我们将能站在巨人的肩膀上领略各种计算之美。
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为众多领域的计算问题提供了全面的解决方案,代表了当今国际科学计算软件的先进水平,被誉为巨人肩膀上的工具。通过本课程的学习,我们将能站在巨人的肩膀上领略各种计算之美。
—— 课程团队
课程概述

       在有色金属、交通运输、化学化工、航空航天、金融工程、生物医学等许多领域,经常会遇到各种各样的计算问题。例如,求解具有几十个变量的线性或非线性方程组、求解复杂的微分方程,这些问题高度复杂,计算量很大,往往没有办法求得理论解。随着计算机技术的发展,人们可以有效地解决这类问题,由此诞生了一门新兴交叉学科—科学计算,它成为继理论研究和科学实验之后的第三种科学研究方法。
       科学计算是研究工程技术问题以及其他应用问题的近似求解方法,并在计算机上进行编程实现的一门课程,它既有数学理论上的抽象性和严谨性,又有程序设计技术上的实用性和实践性。20世纪80年代以来,MATLAB等科学计算软件的产生,使得科学计算问题的实现变得十分方便、高效。
       MATLAB代表了当今国际科学计算软件的先进水平,它将数值计算、符号计算、图形处理、系统仿真和程序流程控制等功能集成在统一的系统环境中,已发展成为适合多学科、广泛应用于科学研究和工程技术领域的程序设计语言。使用MATLAB作为计算工具,人们不需关注各种数值计算方法的具体细节和计算公式,也不需要繁琐的底层编程,从而可以专注于实际问题的分析和设计,大大提高工作效率和质量,为科学研究与工程应用提供重要手段。在高等学校,MATLAB已经成为许多课程的基本计算工具,颇受广大大学生、研究生的青睐。
       本课程主要介绍科学计算问题的MATLAB实现方法,包括MATLAB基础知识、MATLAB矩阵处理、MATLAB程序流程控制、MATLAB绘图、数据分析与多项式计算、数值微积分与方程求解、MATLAB符号计算、MATLAB图形用户界面设计、Simulink系统仿真和外部程序接口共10个学习专题。

授课目标

在学完本课程后,希望大家能理解MATLAB功能实现的数学背景与算法原理,掌握利用MATLAB进行问题求解的基本规律,能够使用MATLAB作为专业应用的工具,能从繁杂的计算事务中解放出来,促进计算机和专业应用的结合,促进计算机应用水平的提高和对专业知识的掌握。

课程大纲
专题〇 初识MATLAB
课时目标:了解MATLAB语言的特点以及课程学习目标和主要内容。
课程导入
专题一 MATLAB基础知识
课时目标:熟悉MATLAB系统环境;掌握MATLAB中数据的表示方法以及建立与引用矩阵的方法。
1.1 MATLAB系统环境
1.2 MATLAB数值数据
1.3 变量及其操作
1.4 MATLAB矩阵的表示
1.5 矩阵元素的引用
1.6 MATLAB基本运算
1.7 字符串处理
专题二 MATLAB矩阵处理
课时目标:理解常用特殊矩阵的概念和创建方法;掌握矩阵变换与求值、矩阵的特征值与特征向量、稀疏矩阵等处理方法。
2.1 特殊矩阵
2.2 矩阵变换
2.3 矩阵求值
2.4 矩阵的特征值与特征向量
2.5 稀疏矩阵
专题三 MATLAB程序流程控制
课时目标:掌握顺序结构、选择结构、循环结构等三种基本控制结构的实现方法以及函数的定义与使用方法。
3.1 顺序结构程序
3.2 用if语句实现选择结构
3.3 用switch语句实现选择结构
3.4 用for语句实现循环结构
3.5 用while语句实现循环结构
3.6 函数文件的定义与调用
3.7 函数的递归调用
3.8 函数参数与变量的作用域
专题四 MATLAB绘图
课时目标:熟练掌握plot/plot3、mesh/surf基本绘图函数的用法;掌握其他函数的用法。
4.1 二维曲线
4.2 绘制图形的辅助操作
4.3 其他形式的二维曲线
4.4 三维曲线
4.5 三维曲面
4.6 图形修饰处理
4.7 交互式绘图工具
专题五 数据分析与多项式计算
课时目标:掌握数据统计分析、多项式计算的方法;理解数据插值和曲线拟合的数学思想并掌握其实现方法。
5.1 数据统计分析
5.2 多项式计算
5.3 数据插值
5.4 数据插值应用举例
5.5 曲线拟合
5.6 曲线拟合应用举例
专题六 数值微积分与方程求解
课时目标:掌握数值微积分、线性方程组求解、非线性方程求解与函数极值计算、常微分方程数值求解等问题的实现方法。
6.1 数值微分与数值积分
6.2 线性方程组求解
6.3 线性方程组应用举例
6.4 非线性方程求解与函数极值计算
6.5 常微分方程数值求解
6.6 常微分方程应用举例
专题七 MATLAB符号计算
课时目标:理解符号计算与数值计算的区别;掌握符号对象的定义及运算方法;掌握微积分、级数、方程求解的符号计算方法。
7.1 符号对象
7.2 符号微积分
7.3 级数
7.4 符号方程求解
专题八 MATLAB图形用户界面设计
课时目标:理解图形对象的概念;了解有关界面设计函数的使用方法;了解GUIDE设计工具和APP设计工具的使用方法。
8.1 图形窗口与坐标轴
8.2 曲线与曲面对象
8.3 图形用户界面设计方法
8.4 用户界面设计工具
8.5 APP设计工具
8.6 图形用户界面应用举例
专题九 Simulink系统仿真
课时目标:掌握Simulink仿真的基本步骤;了解子系统、S函数的使用方法。
9.1 Simulink仿真基础
9.2 子系统的创建与封装
9.3 S函数的设计与应用
9.4 Simulink仿真应用举例
专题十 外部程序接口
课时目标:掌握MATLAB与Excel的混合使用方法;了解MATLAB文件操作;了解MATLAB与C++语言的混合使用方法。
10.1 在Excel中使用MATLAB
10.2 MATLAB文件操作
10.3 在其他语言程序中读写MATLAB的数据文件
10.4 在MATLAB中调用其他语言编写的程序
10.5 在其他语言程序中调用MATLAB函数
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预备知识

高等数学,线性代数

证书要求

为积极响应国家低碳环保政策, 2021年秋季学期开始,中国大学MOOC平台将取消纸质版的认证证书,仅提供电子版的认证证书服务,证书申请方式和流程不变。

 

电子版认证证书支持查询验证,可通过扫描证书上的二维码进行有效性查询,或者访问 https://www.icourse163.org/verify,通过证书编号进行查询。学生可在“个人中心-证书-查看证书”页面自行下载、打印电子版认证证书。

 

完成课程教学内容学习和考核,成绩达到课程考核标准的学生(每门课程的考核标准不同,详见课程内的评分标准),具备申请认证证书资格,可在证书申请开放期间(以申请页面显示的时间为准),完成在线付费申请。

 

认证证书申请注意事项:

1. 根据国家相关法律法规要求,认证证书申请时要求进行实名认证,请保证所提交的实名认证信息真实完整有效。

2. 完成实名认证并支付后,系统将自动生成并发送电子版认证证书。电子版认证证书生成后不支持退费。


参考资料

1. 刘卫国主编,MATLAB程序设计与应用(第3版),ISBN 978-7-04-047813-6,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,教育部大学计算机课程改革项目规划教材,湖南省普通高等学校优秀教材,高等教育出版社,2017年8月

2. 刘卫国主编,轻松学 MATLAB 2021从入门到实战(案例·视频·彩色版),ISBN 978-7-5170-9934-5,中国水利水电出版社,2021年11月


常见问题

Q1:本课程的适用对象有哪些?

A1:本课程作为高等学校信息技术系列课程,适合理、工、农、医、经济管理等专业本科生和研究生学习。中南大学从2000年开始开设该课程,在历次人才培养方案制定中,很多学院开设了该课程。此外,本课程也适用于广大工程技术人员、科学研究工作者学习参考。

Q2:MATLAB也算一门程序设计语言吗?

A2:当然算,因为MATLAB具备程序设计语言的基本特征,能实现程序流程控制。但MATLAB语言又有别于传统意义上的程序设计语言,它出现的初衷是为了做矩阵运算,因此我们更愿意将MATLAB作为一种科学计算软件推荐给大家。MATLAB主要还是在学科应用层面使用,而且具备和学科应用结合的天然优势,所以本课程是助力“新工科”建设的重要课程(但MATLAB的应用范围绝不限于“工科”)。

Q3:本课程使用什么MATLAB版本?

A3:本课程使用MATLAB R2016a版本,但不妨碍大家使用别的版本,因为在不同MATLAB版本中大部分功能是一样的。在实际操作中,也要注意不同MATLAB版本的差异,因所使用的版本不同而可能使得有些函数或功能不完全相同,甚至不能使用,这时可以借助于MATLAB的帮助信息来分析不同版本的差异。

Q4:学习本课程是否需要先学习计算机程序设计?

A4:没有此要求,但如果具有高等数学、线性代数方面的基本知识对本课程的学习是有帮助的。

Q5:本课程的教学内容是如何组织的?

A5:本课程主要从算法实现角度组织课程内容,介绍利用MATLAB语言进行科学计算的方法(其实,我们讲MATLAB的应用,会涉及科学计算,但已远远超过科学计算的范畴)。本课程也介绍算法的基本思想,但和数学上的出发点是不同的,数学上介绍算法的构造、完成公式推导、分析算法性能(证明收敛性、分析误差等),本课程讲计算原理是为了更好地理解MATLAB的实现机理,更好地应用MATLAB解决实际问题,让大家既科学计算,又能科学计算。

中南大学
4 位授课老师
刘卫国

刘卫国

教授

蔡旭晖

蔡旭晖

副教授

吕格莉

吕格莉

副教授

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