《科学计算自由软件SCILAB基础教程》课件

SCILAB是以法国国立信息与自动化研究院（INRIA）的科学家为主开发的“开放源码”式科学计算自由软件。SCILAB一词来源于英文“Scientific Laboratory”（科学实验室）词头的合并。
科学计算是计算机应用的主要内容之一，并已经与实验研究、理论分析并列为三大科学研究手段。我们应该对“科学计算软件”有着更为广义的理解。除了包括科学与工程技术问题的计算之外，它还涵盖了金融、经济等方面的应用。目前这类软件多数是以数值计算形式为主，然而基于符号计算（如公式推导）的应用软件也变得日益普及，因此将其包含在内就是十分自然的了；此外，计算结果可视化同样是该类软件的重要涵盖内容。所谓“开放源码（open?source）”是指该软件的全部源码程序是对外公开的。通常源码程序是商业软件中最为核心的商业机密，只有源码程序才能真正完整地表达或反映出软件开发中的精髓和软件设计思想。“开放源码”软件的一个重要特征是用户可以免费自由地获取并使用源码。SCILAB 正是这样一个可以在网站上免费下载、自由使用、涵盖广泛的科学计算自由软件。
自由软件的英文是“Free Software”。因为英文中Free一词多意，对什么是自由软件在国际上有种种误解，在国内大多数人都将自由软件理解为“免费软件”。这种理解有片面性。“自由软件”是一个版权意义上的范畴。美国麻省理工学院的理查德·斯托曼（Richard Stallman）于20世纪80年代中后期首先提出了“自由软件”的概念。这个概念就是软件的源代码应该是属于全人类的公共知识产权，应该在编制和使用程序的人之间自由地传播，而不应该成为商人谋取利益的手段。对这一知识产权的任何限制最终都将造成对其发展的限制和阻碍。“自由软件”的倡导者们并不是企图将别人的软件共有化，而是希望将自己的软件作品纳入“自由软件”的范畴，贡献给全人类。他们既不愿违反涉及版权的有关法律，又不想违反人性的自由、表现、发展和对美好的追求。于是，举起了“自由软件”大旗。
自由软件给使用者以复制、学习、传播、修改和优化该软件的权力（copy, study, distribute, change and improve the software）。具体地说，每一个自由软件的使用者都具有如下权力：免费复制该软件，学习该软件用以解决自己工作中的问题，传播散布该软件，使他和他的邻居、朋友共同受益；改进和优化该软件，并将其成果公之于众，使整个社会受益。由此看来“自由软件”的本质不是免费，它的本质是共享、是非垄断、是鲜活的思想贡献，借助别人的优秀思想，加上你自己的独特思维使全社会受益。
当随意使用一个软件而不必担心侵权时，深晓“自由”真谛的人们必然会感到社会的温馨和友爱，而可以随时修改程序使它更好、更适用，则必定会使你体验到工作效率的提高所带来的兴奋。当把自己的辛勤劳作公之于众、供世人使用并创造财富的时候，被承认的自豪感将使你充分体会到自由、和谐、高效的世界充满着爱！因此不难理解，“自由软件”带来的不是某个公司或者某个个人的直接商业利益，而是对国民经济的整体推动和国民素质的全面提高。
国民经济信息化绝不能没有自己可以完全控制的信息系统，这一点对国家要害部门尤为重要。商业软件由于源代码的保密，使用户无法了解源代码的安全性并进行客观的评估和检测。对于源代码公开的“自由软件”来说，不仅不会发生此类问题，而且一旦发现其有缺欠或错误还容易进行修改。加之如在公开的源代码基础上对所传送的信息用某种加密算法进行加密，就可使其成为最安全的软件。这就是为什么当今世界许多国家的机要部门都采用开放源码自由软件来进行数据处理与信息传输的重要理由之一。
前言科学计算自由软件SCILAB基础教程软件产业已经历了几十年的发展和积累。世界各国投入了大量的资金，培养了大量的人才。我国的软件产业虽然也经历了几十年的风雨历程，但由于种种原因，目前还处于相对落后的状态。要彻底改变这种状况不是没有困难的。按传统方式需要投入大量的资金，学习大量的专门知识，吸纳他人的成功经验，方能培养出掌握这些知识并具有相应经验的人才。自由软件是世界上成千上万个专家与广大计算机用户的智慧与经验的结晶，充分学习、利用与参与开发自由软件，将使我们能够以最少的资金投入，最充分地引进和利用国际上的智力资源，因此不仅有利于彻底改变闭门造车式的开发模式，培养尊重知识产权、合法规范使用软件的风气，弘扬科学研究中的自由、共享与同创精神，而且有可能以更短的时间、更快的速度、在更大的范围内赶上或超过发达国家的发展水平。“一万年太久，只争朝夕！”
中国科学院自动化研究所中法信息、自动化与应用数学实验室的科学家们以发展我国的软件产业为己任，在SCILAB软件还处于起步阶段就将其引入中国，采用种种方式（如到大中专院校讲课，到科研院所举办讲座，在大学生中举办竞赛等）发展和普及科学计算自由软件SCILAB。人民教育出版社的领导和专家不失时机地决定将SCILAB写入高中新编教材（B版），并投入大量人力、物力培训广大使用该版教材的中学教师，为落实“普及计算机要从娃娃做起”，做了件功德无量的事。SCILAB从当初的柔弱幼苗长成今天的茁壮大树，更是与国家科技部“863”高技术项目计划的资助与支持分不开。我们可以满怀信心地说，科学计算自由软件SCILAB的普及，必将对我国的软件行业及信息技术的发展起到很大的推动作用。
从日常生活中的柴米油盐到载人飞船的设计建造，从核子之微到三峡大坝之巨，无一能离开计算。计算机和计算技术的飞速发展正深刻地改变着我们的生活和社会。使用计算机离不开应用软件，科学计算自由软件SCILAB就是这类应用软件中的一个。首先它是免费的，用户可以从互联网上自由下载、随意使用和参与开发而无须付费。其次，从性能上来看，利用它不仅可以解决线性方程组、代数特征值问题及非线性方程组的求解、优化问题求解、微分方程数值求解、曲线与曲面拟合、统计分析等经典科学计算问题，而且还可以用它来进行信号传输与处理、计算机仿真，甚至还可以用来制作动画；我们不仅能在它自带的编辑器内编写SCILAB程序，而且还能在SCILAB环境下通过link指令和call指令运行用C语言或FORTRAN语言编写的程序；除此之外，SCILAB还能将计算结果可视化，进而实现科学计算与计算机绘图的无缝连接。SCILAB与成功的大型科学计算商业软件MATLAB相比，存在着差距但正逐步缩小。最后，使用和参与开发科学计算自由软件SCILAB还能够培养人们自觉尊重知识产权和版权意识。正因为如此，国家科技部大力支持推广普及它，国家教育部同意将其写入高中数学教材（见人民教育出版社出版的高中新课标教材B版 2005）。但是，当前使用和开发SCILAB的热潮与SCILAB中文资料的稀缺形成了巨大的反差。有鉴于此，在2003年的春夏之交我们不揣陋知寡闻，酝酿写一本有关SCILAB导引或入门之类的书，目的不仅在于介绍我们使用SCILAB的点滴体会，更主要的是为科学计算自由软件SCILAB的普及使用与开发推波助澜，抛砖引玉。这种想法从一开始就得到了国家“863”高技术项目计划的支持。其后作者以本书初稿为讲义，以讲座形式试教过两次。经过两次试教，不仅改进了初稿中的某些不妥甚至谬误之处，而且在资料缺乏的情况下，为本书润色不少。今天能够付梓，确实要感谢教研室内的各位同仁及首都师范大学数学系的各位领导。中国科学院自动化所中法联合实验室中方主任胡包钢先生对本书的写作极为关切，多次拨冗垂询，不时详加指正，作者在此表示由衷的感佩。清华大学出版社编辑陈国新先生为本书的出版提供了诸多方面的支持并付出了辛勤的劳作，在此作者深表感谢。中国科学院高能物理所马梅女士在本书写作过程中提出了很多富有启发和建设性的意见，为本书增色不少。同时她还不辞辛苦，毅然承担本书的全部绘图和部分录入工作，应该说她也是本书的作者之一，对于她这种甘于奉献的无名作者，我们表示深深的敬意。
当前SCILAB本土化的序幕已经拉开，我们期望本书在普及使用科学计算自由软件SCILAB，进而在促进软件自主开发方面能尽绵薄之力。由于时间仓促，加之作者水平有限，本书难免存在错误之处，希望广大读者批评指正。

第1章SCILAB简介
1.1引言
1.2SCILAB软件的构成
1.3安装SCILAB的系统需求
1.4SCILAB主窗口介绍
1.5SCILAB中的基本操作与预定对象
1.5.1SCILAB中的文件操作
1.5.2界面层次的控制操作
1.5.3SCILAB主窗口中的快捷键操作
1.5.4SCILAB中预先定义的对象
1.6谈谈如何学习SCILAB
第2章数据类型
2.1引言
2.2特定符号与常数
2.2.1特定符号
2.2.2特定常数
2.3标量的数值计算
2.4数值型向量与矩阵的定义及基本运算
2.4.1数值型向量与矩阵的定义
2.4.2数值型向量与矩阵的运算
2.5与数值型矩阵有关的若干常用函数
2.5.1常用矩阵的生成函数
2.5.2size函数和matrix函数
2.5.3从已知矩阵提取部分元素来构成同阶新矩阵的若干函数
2.5.4与方阵的行列式求值、求逆、线性代数方程组的求解、求矩阵
特征值与特征向量等有关的函数
2.5.5与矩阵（数组）或向量有关的数据统计函数
2.6向量与矩阵（数组）元素的引用
2.7整型数组
2.8布尔型向量与矩阵的定义及基本运算
2.9字符串型数据的定义与运算
2.9.1字符串的定义
2.9.2字符串的运算
2.9.3与处理字符串有关的一些常用函数
2.10多项式类型
2.10.1多项式的定义
2.10.2多项式运算
2.10.3有关多项式的几个常用函数
2.11表类型
2.11.1表类型的定义
2.11.2表类型数据的引用，域的插入与删除
2.11.3tlist和mlist类型
目录科学计算自由软件SCILAB基础教程第3章SCILAB中的程序设计、脚本文件与函数
3.1引言
3.2顺序结构程序设计
3.2.1赋值语句
3.2.2输入输出语句
3.3选择结构程序设计
3.3.1if语句
3.3.2select?case语句
3.4循环结构程序设计
3.4.1for语句
3.4.2while 语句
3.4.3循环语句的嵌套（多重循环语句）
3.4.4continue语句和break语句
3.5脚本文件与函数
3.5.1脚本文件
3.5.2函数
3.5.3局部变量与全局变量、函数的嵌套定义与递归调用
3.5.4有关程序调试的几个常用指令
3.6函数的应用
3.6.1函数名作形式参数——二分法求非线性方程的根
3.6.2函数的递归调用——求两正整数的最大公因子
3.6.3多重循环的应用——线性方程组的顺序消元法
第4章计算结果可视化
4.1引言
4.2二维图形的绘制
4.2.1plot指令
4.2.2plot2d指令
4.3三维图形的绘制
4.3.1函数plot3d（）——三维曲面的绘制
4.3.2函数param3d——三维空间曲线的绘制
4.4绘图全局参数与色图的设定
4.4.1绘图全局参数的设定
4.4.2色图的设定
第5章SCILAB与C或FORTRAN程序的接口
5.1引言
5.2应用动态链接指令link
5.3调用动态链接程序的指令call
第6章SCILAB的应用举例
6.1引言
6.2在求解线性方程组方面的应用
6.3在求解非线性方程（组）方面的应用
6.4SCILAB在函数插值方面的应用
6.5意犹未尽的话
附录SCILAB部分函数指令表
参考文献