基于计算机编程软件MATLAB在数据处理方面的应用

尹若仪

（西藏大学理学院 西藏自治区拉萨市 850000）

当今世纪的三大支柱产业为信息、材料、新能源。而信息则需要通过信号传输到人们的日常工作学习中；21 世纪的数字通信技术发展的越来越快，导致信号传输的速度也越来越快；因此，应用于数字信号处理的软件也越来越成熟。随着计算机技术的普及，大量计算软件也随之产生，例如数据处理常用的软件，由最初的数据处理软件Excel、Powerpoint 发展到Origin 和Matlab 等等；这些数据处理软件具有界面整齐、语言自然、开放性强等特点，正是因为这些特点[1]，使得现在的教学离不开这些软件，他们也可以进行计算机辅助分析，并且可以参与设计某种模型并对其进行仿真分析；利用这些软件进行数据处理使人们的工作量大大降低，还大大提高了计算机结果的准确性和可参照性。

1 几种软件在数据处理中的比较

1.1 Matlab在数据处理中的应用

Matlab 是80年代由美国MathWorks 公司推出的一个商业数学软件,是一种新型的计算机语言，相比于其他软件，它在数据处理上具有其他计算语言达不到的效果；它自带有可以进行数据回归的polyfit 函数与划分网格的meshgrid 命令和数据绘图的plot 或subplot 命令。之前比较成熟的计算机语言需要使用多行代码和长时间才能解决的一元线性回归问题,在Matlab 中用polyfit(x,y,t)函数即可解决，并且所得结果准确度较高。[5]

Matlab 软件的基本数据单位是矩阵，主要可以应用到当今社会具有肝计算量的环境中，该软件可以将数值分析、矩阵计算、仿真等多种软件单独具备的功能很好地结合在一起，形成一个可视窗口，在使用者强有力的编程基础下再根据其自带的函数可以完成一些列比较复杂的运算，例如求解曲线的拟合方程、求解某个公式的方差或对某些相关系数进行计算，除此之外，利用其拥有的二维和三维绘图功能，可以将图像较为清晰的显示出来；其插值函数interp2可以进行光滑连线；例如解常微分方程，在数学中要进行一系列繁琐的步骤，但是在Matlab 中只需要掌握住求解该方程的命令即可，即dsolve 命令；再例如将Matlab 用于求解物理中常见的问题单摆问题，同样在软件中只要掌握相应的命令即可，得出的结果不仅精确全面而且具有非常清楚的图示使学习者更加清楚直观地了解单摆运动；因此，相比于手工运算，软件处理更加精确可观。[2]

1.2 Origin在数据处理中的应用

Origin 是目前发展比较成熟的一个可以应用到绘图、进行数据分析方面的可视化软件，其内部支持各种二维和三维图形；因为本身是一个强大的数据软件，因此其自持各种格式的数据导入，如ASCII、Excel、NITDM 等，可用作统计数据，对信号进行处理，求解曲线的拟合方程和相关系数；另外，作为一款绘图软件，其可以输出各种可视化图形，还可以将其转化为多种格式，例如JPEG，GIF，EPS，TIFF 等。[6]

Origin 软件可以进行数据作图，先打开Origin 界面，在相应的工作区域内的相应表格中输入你所要处理的数据，然后点击plot 按钮即可绘制图型，并可根据自己的要求变换图形的样式，散点图、点线图、折线图、柱状图或者饼状图等等；Origin 软件还可以进行线性拟合，当绘制出上述图形后，选择工作区Analysis 菜单下的FitLinear 或者Tools 菜单下的Linear Fit,即可对图形进行线性拟合；可以得出拟合图线的公式、斜率误差等数据。

1.3 Excel在数据处理中的应用

在office 旗下的Excel 软件，是一款常用于数据统计的软件，它不仅可以进行数据统计，还可以对数据进行有效的分析、整理，并将得到的数据转换为二维或三维图像对实验结果进行表征；利用它对物理实验得到的数据进行分析处理，不仅可以减少分析数据过程中的枯燥和乏味,还能防止运算中的错误;物理实验中实验数据的处理、不确定度的计算、绘制表格利实验数据的图示,这些工作可以利用高版本Excel 中的内置工作表函数得到很方便地解决。[2]

例如：

（1）可以根据格罗布斯判据利用Excel 的条件格式菜单忽略实验过程中由于突发因素或者某种疏忽而得出的误差比较大的数据；

（2）利用Excel 强大的函数功能和自动重算功能根据数据的变化刷新表格中设定的函数公式所给出的值进而实现数据的自动处理；

（3）利用Excel 的图表功能快捷地将数据中隐含的信息通过图表的方式转化为简单的线性关系，进而使读者直观地了解数据所要表达的信息。

2 Matlab在几个领域中的应用

2.1 物理领域

随着计算机软件的飞速发展，在进行实验之前可以先用软件进行仿真模拟，最后再通过实验验证数据以及结论的有效性；在物理领域，使用有限元方法比较成熟的可视化软件有comsol，它拥有和Matlab 相连接的接口，可以将comsol 中传出的数据进行整理。

不仅如此，在大学物理实验中也可使用Matlab来进行数据处理，比如在大学物理中想要测量霍尔系数，我们先将测出的数据输入到表格中，导入到Matlab 中，用polyfit 函数得出拟合方程，再对轴坐标进行一系列规整，通过sqrt 函数求出均方根误差，通过digits函数设置输出参数位数，最后根据公式得出霍尔系数，并可以得出相应的霍尔电压与电流之间的关系图，生动形象，更易于观察。

再通过下面用Matlab 软件使用最小二乘法来确定一发射源的发射强度的关系式的例子，更加直观地说明Matlab 的准确性和直观性。如表1 所示。

例如：要计算一发射源的发射强度的指数形式I=I0e-αt；我们可以用最小二乘法来确定参数I0与α。

表1：一发射源发射强度与时间的观测数据

实现该方法的程序：

因此，通过最小二乘法得到的强度公式为 I=5.631 1e-2.8883t。

2.2 金融领域

金融建模是将经济学中较为复杂的概念转化为数学模型，进而在计算机上呈现出来的手段，它跨越金融学的相关理论、电子数据处理的相关操作和计算机编程等多个领域，对金融行业有着十分重要的实用意义。[3]现在用于金融建模的成熟软件也相对较多，可以利用Matlab 来解决金融行业的常见问题；下面通过Matlab 计算分析期权价格和统计参考量的值来进一步说明软件的实用性。

例如：计算期权价格及统计参考量。

2.2.1 计算期权价格

设某一期股票的价格为100，而且查到该期股票上下波动的频率标准差为 0.4，炒股不存在风险的利率为 9%，期权执行价为 90，存续期为 0.5年，计算该股票的期权价格。

即可在 MATLAB 中编写如下程序 :

根据上述一行简短的命令可以得出call 和put 值。

2.2.2 计算统计参考量

随机产生 150 个服从正态分布的样本数据，利用这些数据估计总体中参数以及置信水平为95% 的置信区间[3]。 在 MATLAB 中编写如下程序：

用上面两个例子表示了Matlab 的方便性，用简单的程序替代了人们手工要进行长达3 个小时计算的过程，不仅缩短了时长，而且保证了准确性。

2.3 在车辆工程领域

在车辆工程领域，可以利用Matlab 对制造机车过程中所需要处理的数据进行模拟分析，用该软件分析了机车发动机的振动频率；该过程需要先进行数据采集，集中收集实验所需的各个工况下的发动机振动加速度，运用Matlab 自带功能函数对数据文档进行频谱分析[4]。

首先通过单片机连接接口获取加速度的数据，再将数据发送至PC 端，在PC 端接收到的频率按照相应的频率范围选出符合要求的数据，以text 文件进行保存，在Matlab 软件中可以执行读取text文件的命令textread 来获取数据并将其存放在数组data 中；在初始数据采集完成后，设置周期T，采样频率F，信号序列长度L 等参数，最后使用FFT 函数对其进行频谱分析。

部分程序如下：

3 结论

身处信息时代，信息已经成为新的生产力，信息化基础越好就越主动，信息化能力越强就越高效。工作中越来越意识到，要想妥善应对重大突发情况，信息支撑、数据赋能永远是医院建设的硬实力[7]。

本文介绍的是比较强大的数据分析软件，Matlab 不仅可以单独分析数据还可以与其他软件相结合分析，以达到造福人类的功效。利用Matlab 软件进行数据分析，降低了人为因素引起的误差，并且能够形象的娴熟实验图形，和人工画的图相比较，更加准确，便于进行后续处理，充分说明了其在数据处理和图形绘制等方面的强大功能。

使用Matlab 要具有强大的编程能力，但只要掌握处理数据的相应命令，会做到事半功倍；学生在日常的学习中，学习相应的编程软件不仅将计算机辅助教学手段应用到课堂生活，还可以培养他们的创新意识，让他们对学习产生相应的乐趣，使学习生活数字化不再枯燥乏味。