基于計算機編程軟件MATLAB在數據處理方面的應用

尹若儀

（西藏大學理學院 西藏自治區拉薩市 850000）

當今世紀的三大支柱產業為信息、材料、新能源。而信息則需要通過信號傳輸到人們的日常工作學習中；21 世紀的數字通信技術發展的越來越快，導致信號傳輸的速度也越來越快；因此，應用于數字信號處理的軟件也越來越成熟。隨著計算機技術的普及，大量計算軟件也隨之產生，例如數據處理常用的軟件，由最初的數據處理軟件Excel、Powerpoint 發展到Origin 和Matlab 等等；這些數據處理軟件具有界面整齊、語言自然、開放性強等特點，正是因為這些特點[1]，使得現在的教學離不開這些軟件，他們也可以進行計算機輔助分析，并且可以參與設計某種模型并對其進行仿真分析；利用這些軟件進行數據處理使人們的工作量大大降低，還大大提高了計算機結果的準確性和可參照性。

1 幾種軟件在數據處理中的比較

1.1 Matlab在數據處理中的應用

Matlab 是80年代由美國MathWorks 公司推出的一個商業數學軟件,是一種新型的計算機語言，相比于其他軟件，它在數據處理上具有其他計算語言達不到的效果；它自帶有可以進行數據回歸的polyfit 函數與劃分網格的meshgrid 命令和數據繪圖的plot 或subplot 命令。之前比較成熟的計算機語言需要使用多行代碼和長時間才能解決的一元線性回歸問題,在Matlab 中用polyfit(x,y,t)函數即可解決，并且所得結果準確度較高。[5]

Matlab 軟件的基本數據單位是矩陣，主要可以應用到當今社會具有肝計算量的環境中，該軟件可以將數值分析、矩陣計算、仿真等多種軟件單獨具備的功能很好地結合在一起，形成一個可視窗口，在使用者強有力的編程基礎下再根據其自帶的函數可以完成一些列比較復雜的運算，例如求解曲線的擬合方程、求解某個公式的方差或對某些相關系數進行計算，除此之外，利用其擁有的二維和三維繪圖功能，可以將圖像較為清晰的顯示出來；其插值函數interp2可以進行光滑連線；例如解常微分方程，在數學中要進行一系列繁瑣的步驟，但是在Matlab 中只需要掌握住求解該方程的命令即可，即dsolve 命令；再例如將Matlab 用于求解物理中常見的問題單擺問題，同樣在軟件中只要掌握相應的命令即可，得出的結果不僅精確全面而且具有非常清楚的圖示使學習者更加清楚直觀地了解單擺運動；因此，相比于手工運算，軟件處理更加精確可觀。[2]

1.2 Origin在數據處理中的應用

Origin 是目前發展比較成熟的一個可以應用到繪圖、進行數據分析方面的可視化軟件，其內部支持各種二維和三維圖形；因為本身是一個強大的數據軟件，因此其自持各種格式的數據導入，如ASCII、Excel、NITDM 等，可用作統計數據，對信號進行處理，求解曲線的擬合方程和相關系數；另外，作為一款繪圖軟件，其可以輸出各種可視化圖形，還可以將其轉化為多種格式，例如JPEG，GIF，EPS，TIFF 等。[6]

Origin 軟件可以進行數據作圖，先打開Origin 界面，在相應的工作區域內的相應表格中輸入你所要處理的數據，然后點擊plot 按鈕即可繪制圖型，并可根據自己的要求變換圖形的樣式，散點圖、點線圖、折線圖、柱狀圖或者餅狀圖等等；Origin 軟件還可以進行線性擬合，當繪制出上述圖形后，選擇工作區Analysis 菜單下的FitLinear 或者Tools 菜單下的Linear Fit,即可對圖形進行線性擬合；可以得出擬合圖線的公式、斜率誤差等數據。

1.3 Excel在數據處理中的應用

在office 旗下的Excel 軟件，是一款常用于數據統計的軟件，它不僅可以進行數據統計，還可以對數據進行有效的分析、整理，并將得到的數據轉換為二維或三維圖像對實驗結果進行表征；利用它對物理實驗得到的數據進行分析處理，不僅可以減少分析數據過程中的枯燥和乏味,還能防止運算中的錯誤;物理實驗中實驗數據的處理、不確定度的計算、繪制表格利實驗數據的圖示,這些工作可以利用高版本Excel 中的內置工作表函數得到很方便地解決。[2]

例如：

（1）可以根據格羅布斯判據利用Excel 的條件格式菜單忽略實驗過程中由于突發因素或者某種疏忽而得出的誤差比較大的數據；

（2）利用Excel 強大的函數功能和自動重算功能根據數據的變化刷新表格中設定的函數公式所給出的值進而實現數據的自動處理；

（3）利用Excel 的圖表功能快捷地將數據中隱含的信息通過圖表的方式轉化為簡單的線性關系，進而使讀者直觀地了解數據所要表達的信息。

2 Matlab在幾個領域中的應用

2.1 物理領域

隨著計算機軟件的飛速發展，在進行實驗之前可以先用軟件進行仿真模擬，最后再通過實驗驗證數據以及結論的有效性；在物理領域，使用有限元方法比較成熟的可視化軟件有comsol，它擁有和Matlab 相連接的接口，可以將comsol 中傳出的數據進行整理。

不僅如此，在大學物理實驗中也可使用Matlab來進行數據處理，比如在大學物理中想要測量霍爾系數，我們先將測出的數據輸入到表格中，導入到Matlab 中，用polyfit 函數得出擬合方程，再對軸坐標進行一系列規整，通過sqrt 函數求出均方根誤差，通過digits函數設置輸出參數位數，最后根據公式得出霍爾系數，并可以得出相應的霍爾電壓與電流之間的關系圖，生動形象，更易于觀察。

再通過下面用Matlab 軟件使用最小二乘法來確定一發射源的發射強度的關系式的例子，更加直觀地說明Matlab 的準確性和直觀性。如表1 所示。

例如：要計算一發射源的發射強度的指數形式I=I0e-αt；我們可以用最小二乘法來確定參數I0與α。

表1：一發射源發射強度與時間的觀測數據

實現該方法的程序：

因此，通過最小二乘法得到的強度公式為 I=5.631 1e-2.8883t。

2.2 金融領域

金融建模是將經濟學中較為復雜的概念轉化為數學模型，進而在計算機上呈現出來的手段，它跨越金融學的相關理論、電子數據處理的相關操作和計算機編程等多個領域，對金融行業有著十分重要的實用意義。[3]現在用于金融建模的成熟軟件也相對較多，可以利用Matlab 來解決金融行業的常見問題；下面通過Matlab 計算分析期權價格和統計參考量的值來進一步說明軟件的實用性。

例如：計算期權價格及統計參考量。

2.2.1 計算期權價格

設某一期股票的價格為100，而且查到該期股票上下波動的頻率標準差為 0.4，炒股不存在風險的利率為 9%，期權執行價為 90，存續期為 0.5年，計算該股票的期權價格。

即可在 MATLAB 中編寫如下程序 :

根據上述一行簡短的命令可以得出call 和put 值。

2.2.2 計算統計參考量

隨機產生 150 個服從正態分布的樣本數據，利用這些數據估計總體中參數以及置信水平為95% 的置信區間[3]。 在 MATLAB 中編寫如下程序：

用上面兩個例子表示了Matlab 的方便性，用簡單的程序替代了人們手工要進行長達3 個小時計算的過程，不僅縮短了時長，而且保證了準確性。

2.3 在車輛工程領域

在車輛工程領域，可以利用Matlab 對制造機車過程中所需要處理的數據進行模擬分析，用該軟件分析了機車發動機的振動頻率；該過程需要先進行數據采集，集中收集實驗所需的各個工況下的發動機振動加速度，運用Matlab 自帶功能函數對數據文檔進行頻譜分析[4]。

首先通過單片機連接接口獲取加速度的數據，再將數據發送至PC 端，在PC 端接收到的頻率按照相應的頻率范圍選出符合要求的數據，以text 文件進行保存，在Matlab 軟件中可以執行讀取text文件的命令textread 來獲取數據并將其存放在數組data 中；在初始數據采集完成后，設置周期T，采樣頻率F，信號序列長度L 等參數，最后使用FFT 函數對其進行頻譜分析。

部分程序如下：

3 結論

身處信息時代，信息已經成為新的生產力，信息化基礎越好就越主動，信息化能力越強就越高效。工作中越來越意識到，要想妥善應對重大突發情況，信息支撐、數據賦能永遠是醫院建設的硬實力[7]。

本文介紹的是比較強大的數據分析軟件，Matlab 不僅可以單獨分析數據還可以與其他軟件相結合分析，以達到造福人類的功效。利用Matlab 軟件進行數據分析，降低了人為因素引起的誤差，并且能夠形象的嫻熟實驗圖形，和人工畫的圖相比較，更加準確，便于進行后續處理，充分說明了其在數據處理和圖形繪制等方面的強大功能。

使用Matlab 要具有強大的編程能力，但只要掌握處理數據的相應命令，會做到事半功倍；學生在日常的學習中，學習相應的編程軟件不僅將計算機輔助教學手段應用到課堂生活，還可以培養他們的創新意識，讓他們對學習產生相應的樂趣，使學習生活數字化不再枯燥乏味。