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1、第五讲 Matlab程序设计,课程提纲,引子 M文件介绍 控制语句 函数变量及变量作用域 程序设计的辅助函数 程序设计的优化 程序调试 信息接口 小结,page2,引子华氏温度和摄氏温度的转换,Problem:设计一个MATLAB 程序，读取一个华氏温度的输入，输出摄氏温度。,Solution:,Step 1:清晰地陈述出你要解决的问题；“将华氏温度转换为摄氏温度并输出”,Step 2:确定程序的输入变量和输出变量；“输入变量：华氏温度；输出变量：摄氏温度”,Step 3:设计程序伪代码；%读取华氏温度：input T(F)%温度转换：%输出摄氏温度：print T(C),page3,Step
2、 4:将伪代码转换为Matlab程序语句,%Script file:temp_conversion.m%Purpose:%To convert an input temperature from degrees Fahrenheit to%an output temperature in Celsius.%Record of revisions:%Date Programmer Description of change%=%21/10/13 Y.Y.Guo Original code%Define variables:%temp_f-Temperature in degrees Fahren
3、heit%temp_k-Temperature in Celsius%Prompt the user for the input temperature.temp_f=input(Enter the temperature in degrees Fahrenheit:);%Convert to Celsius.temp_k=(5/9)*(temp_f-32);%Write out the result.fprintf(%6.2f degrees Fahrenheit=%6.2f Celsius.n,temp_f,temp_k);,“程序信息”,“名字”,“用途”,“修改记录”,“变量定义”,“
4、读取华氏温度”,“温度转换”,“输出摄氏温度”,page4,Step 5:调试程序,run(C:Program FilesMATLABR2010abintemp_conversion.m)Enter the temperature in degrees Fahrenheit:120120.00 degrees Fahrenheit=48.89 Celsius.Enter the temperature in degrees Fahrenheit:100100.00 degrees Fahrenheit=37.78 Celsius.,Matlab初学者总是期望，拿到问题就能写出漂亮的代码与完美无
5、误的程序，而实际上这是不可能的！,Matlab程序设计中，写代码只是简单的一半，另一半则是问题的分析与伪代码的设计！,Matlab的变量、语句与语法只是血肉般的简单存在，在任何一种语言中都能找到，而一个良好的编程习惯则是灵魂般的永恒存在！,page5,M文件介绍,Matlab是一种高级计算机语言，因而也能够编制一种以.m为扩展名的文本文件，简称M文件。,Matlab是一种解释性语言，命令在运行时被翻译为机器语言被执行，M文件就是命令的集合。,M文件是纯文本（ASCII码）文件，因而便于进行编写和修改。扩展名必须为.m。,M文件分类：,命令式（Script）：命令行的简单叠加 函数式（Funct
6、ion）：参数传递和函数调用,page6,M文件建立与编辑,M文件建立：,Matlab窗口中菜单项File-Open 单击图标，打开一个M文件 找到M文件，直接双击打开,M文件编辑：,Matlab窗口中菜单项File-New-Script/Function 单击图标，新建一个M文件,page7,命令式文件（Script）,命令式文件的运行相当于在命令窗口（Command Window）中逐行输入并运行命令。需注意一下几点：标点符号的运用要恰当好处，每行命令结束时用分号隔开，以免程序运行时数据输出造成不便；建立良好的书写风格，保持程序的可读性，比如程序的层次感，注释行的书写；注释行以符号%开头，
7、在程序运行中不被执行，只起解释说明作用；不需要用end语句作为命令式文件的结束标志；运行此文件时，将其目录设置为当前目录。,page8,实例1：建立一命令式M文件绘制Matlab的LOGO图,%Script file:logotu.m%Purpose:%This file is to create the Logo of%Matlab softwareload logosurf(L,R),colormap(M)n=size(L,1)axis offaxis(1 n 1 n-.2.8)view(-37.5,30)title(Life is too short to spend writing D
8、O loops.),page9,函数式文件（Function）,函数式文件可以实现计算中的参数传递。函数式的标志是第1行为function语句。,函数式可以有返回值，也可有无返回值；函数式文件名与函数名应一一对应；函数式中的变量仅在函数内部起作用，为局部变量；养成良好的注释习惯，方便自己，方便他人。,function outarg1,outarg2,.=fname(inarg1,inarg2,.)%H1 comment line%Other comment lines.(Executable code).(return),help命令运行后将显示M文件注释语句中的第一个连续块，被空行隔离的其它
9、注释语句，将被忽略；lookfor显示第一个注释行内容，为了便于被搜索，第一行注释尽可能包含特征信息。,page10,实例2：建立求一个向量元素平均值的函数,function y=average(x)%AVERAGE 求向量元素的平均值%语法%y=average(x)%其中，x是向量，y为计算得到向量元素的均值%若输入参数为非向量时则出错%代码行m,n=size(x);%判断输入参数是否为向量if(m=1)|(n=1)|(m=1,x=1:10;y=average(x)y=5.5000 x=2 4 6 8 10;y=average(x)y=6,page11,控制语句,顺序语句 选择语句 分支语句
10、 循环语句 人机交互语句,page12,顺序语句,Matlab程序的命令语句按固定的顺序一个接一个的执行，这样的程序称为顺序语句。,%Script file:logotu.m%Purpose:%This file is to create the Logo of%Matlab softwareload logosurf(L,R),colormap(M)n=size(L,1)axis offaxis(1 n 1 n-.2.8)view(-37.5,30)title(Life is too short to spend writing DO loops.),顺序语句只能实现简单的功能，而在解决实际
11、问题时往往会面临选择执行特定命令及重复性执行特定命令的情形，因而需要学习选择语句及循环语句。,page13,选择语句,选择语句可以使MATLAB 选择性执行指定区域内的代码(称之为语句块blocks)，而跳过其他区域的代码。,if control_expr_1Statements(block 1)elseif control_expr_2Statements(block 2)elseif control_expr_3Statements(block 3)elseStatements(block 4)end,判断表达式control_expr紧跟在if或elseif后面；若判断表达式的结果为1，
12、则执行其后的命令语句块（block），若结果为0，则跳过其后的命令语句块；某一命令语句块被执行后，程序跳至end语句后一可执行语句；elseif语句可有任意个，else语句最多只有一个。,page14,实例3：输入三角形三边长，求面积,%Script file:triarea.m%This program is to calculate the area of a triangularA=input(请输入三角形的三条边(数组形式)：);if A(1)+A(2)A(3)else disp(不能构成一个三角形。)end,run(C:Program FilesMATLABR2010abintria
13、rea.m)请输入三角形的三条边(数组形式)：3 4 5 6 run(C:Program FilesMATLABR2010abintriarea.m)请输入三角形的三条边(数组形式)：1 2 3不能构成一个三角形。,三角形面积海伦公式：,其中：,page15,实例4：求一元二次方程的根,Step 1:清晰地陈述出你要解决的问题；“求一个一元二次方程的根”,Step 2:确定程序的输入变量和输出变量；“输入变量：方程系数a,b,c；输出变量：两根x1,x2”,Step 3:设计程序伪代码；,%输入方程系数 input a,b,c%求根过程：%求根公式,伪代码整体框架：输入方程系数；求根过程；输出
14、求根结果。,page16,Step 3:设计程序伪代码-续,%if%else if%else(对应)%end%输出结果 print x1,x2,Tips：伪代码的设计由上而下，先分析总体框架，再局部细化；伪代码不是真实的Matlab代码，其书写类似于数学表达式；伪代码只需在草稿纸上书写，力求简洁、整齐、清晰。,page17,Step 4:将伪代码转换为Matlab程序语句,%Script file:calc_roots.m%Purpose:%This program solves for the roots of a quadratic equation%of the form a*x2+b*
15、x+c=0.It calculates the answers%regardless of the type of roots that the equation possesses.%Record of revisions:%Date Programmer Description of change%=%21/10/13 Y.Y.Guo Original code%Define variables:%a-Coefficient of x2 term of equation%b-Coefficient of x term of equation%c-Constant term of equat
16、ion%discriminant-Discriminant of the equation%imag_part-Imag part of equation(for complex roots)%real_part-Real part of equation(for complex roots)%x1-First solution of equation(for real roots)%x2-Second solution of equation(for real roots),“名字”,“用途”,“修改记录”,“变量定义”,“程序信息”,Tips：一般而言，变量的定义可以在后续程序编写过程中进
17、行，每出现一个新的变量时，则在程序段前面进行定义；若为物理变量，则最好将其单位列出。,page18,Step 4:将伪代码转换为Matlab程序语句-续,%Prompt the user for the coefficients of the equationdisp(This program solves for the roots of a quadratic);disp(equation of the form A*X2+B*X+C=0.);a=input(Enter the coefficient A:);b=input(Enter the coefficient B:);c=inpu
18、t(Enter the coefficient C:);%Calculate discriminantdiscriminant=b2-4*a*c;%Solve for the roots,depending on the value of the discriminant.if discriminant 0%there are two real roots,so.x1=(-b+sqrt(discriminant)/(2*a);x2=(-b-sqrt(discriminant)/(2*a);disp(This equation has two real roots:);fprintf(x1=%f
19、n,x1);fprintf(x2=%fn,x2);elseif discriminant=0%there is one repeated root,so.x1=(-b)/(2*a);disp(This equation has two identical real roots:);fprintf(x1=x2=%fn,x1);,“输入方程系数”,“计算方程判别式”,“方程有两不等 实根的情况”,“方程有两相等 实根的情况”,page19,Step 4:将伪代码转换为Matlab程序语句-续,else%there are complex roots,so.real_part=(-b)/(2*a);
20、imag_part=sqrt(abs(discriminant)/(2*a);disp(This equation has complex roots:);fprintf(x1=%f+i%f n,real_part,imag_part);fprintf(x1+%f-i%f n,real_part,imag_part);end,“方程有两共轭复根的情况”,Step 5:调试程序,run(C:Program FilesMATLABR2010abincalc_roots.m)This program solves for the roots of a quadratic equation of th
21、e form A*X2+B*X+C=0.Enter the coefficient A:1Enter the coefficient B:4Enter the coefficient C:3This equation has two real roots:x1=-1.000000 x2=-3.000000,page20,Step 5:调试程序-续,run(C:Program FilesMATLABR2010abincalc_roots.m)This program solves for the roots of a quadratic equation of the form A*X2+B*X
22、+C=0.Enter the coefficient A:1Enter the coefficient B:2Enter the coefficient C:1This equation has two identical real roots:x1=x2=-1.000000,run(C:Program FilesMATLABR2010abincalc_roots.m)This program solves for the roots of a quadratic equation of the form A*X2+B*X+C=0.Enter the coefficient A:1Enter
23、the coefficient B:1Enter the coefficient C:1This equation has complex roots:x1=-0.500000+i 0.866025 x1=-0.500000-i 0.866025,page21,分支语句,switch(switch_expr)case case_expr_1,Statements(block 1)case case_expr_2,Statements(block 2)otherwise,Statements(block 3)end,分支语句是一种特殊的选择语句，可以实现多种情况下的开关控制。,switch_ex
24、pr 可以是数字、字符串或者逻辑变量；当case_expr表达式与switch_expr相符时，其后的命令语句块(block)将被执行，不符时，其后的命令语句块将被跳过；当某一命令语句块被执行后，程序跳至end语句后一可执行语句。,page22,实例5：分支语句的简单应用,num=input(请输入一个数：);switch numcase-1disp(I am a teacher.);case 0disp(I am a student.);case 1disp(You are a teacher.);otherwisedisp(You are a student.);end,page23,循环
25、语句,实际问题中，需要反复执行某些语句，这时就需要用到循环语句。,在循环语句中，一组被重复执行的语句称为循环体，每循环一次，都必须做出判断，是继续循环执行还是终止执行跳出循环，这个判断的依据称为循环的终止条件。,循环语句分类：,for循环：循环前循环次数已知；while循环：循环前循环次数未知。,page24,循环语句之“for循环”,for循环以指定的数目重复地执行特定的语句块。,for index=expr1:expr2:expr3 statement 1 statement nend,expr1为循环变量index的初始值，expr2为index的步长，expr3为index的终值；当步
26、长expr2=1时，可以省略不写。,Example 1：for i=1:2:9 end,Example 2：for i=1:9 end,page25,实例6：已知向量t=-1 0 13 5，生成其Vandermonde矩阵,t=-1 0 1 3 5;n=max(size(t);for j=1:nfor i=1:na(i,j)=t(i)(n-j);endend aa=1-1 1-1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 81 27 9 3 1 625 125 25 5 1,a(:,n)=ones(n,1);for j=n-1:-1:1a(:,j)=t.*a(:,j+1);end aa=1-
27、1 1-1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 81 27 9 3 1 625 125 25 5 1,另一种方案,page26,实例7：计算给定日期是一年中的第几天,Step 1:清晰地陈述出你要解决的问题；“计算给定的一天是这一年中的第几天”,Step 2:确定程序的输入变量和输出变量；“输入变量：年year,月month,日day；输出变量：一年中的第几天day_of_year”,Step 3:设计程序伪代码；,伪代码整体框架：输入年、月、日；计算第几天：先加上当月的天数；加上这一年往月的天数，若包括二月，则需考虑是否为闰年；输出计算结果。,%输入年、月、日input year,m
28、onth,day%计算第几天%首先判断年份是否为闰年if year/400余0 是闰年 leap_day=1else if year/100余0 不是闰年 leap_day=0,page27,Step 3:设计程序伪代码-续,elseif year/4余0 是闰年 leap_day=1else 不是闰年 leap_day=0%四年一闰；百年不闰,四百年再闰end%开始计算第几天%首先加上当月的天数day_of_year=day%加上这一年往月的天数for i=1:month-1 switch(i)case 1,3,5,7,8,10 day_of_year=day_of_year+31 case
29、 4,6,9,11 day_of_year=day_of_year+30 case 2 day_of_year=day_of_year+28+leap_day endend%输出结果 print day_of_year,page28,Step 4:将伪代码转换为Matlab程序语句,%Script file:dayofyear.m%Purpose:%This program calculates the day of year corresponding%to a specified date.It illustrates the use switch%and for constructs.%
30、Record of revisions:%Date Programmer Description of change%=%21/10/13 Y.Y.Guo Original code%Define variables:%day-Day(dd)%day_of_year-Day of year%i-Loop index%leap_day-Extra day for leap year%month-Month(mm)%year-Year(yyyy),“名字”,“用途”,“修改记录”,“变量定义”,“程序信息”,page29,Step 4:将伪代码转换为Matlab程序语句-续,%Get day,mo
31、nth,and year to convertdisp(This program calculates the day of year given the);disp(current date.);month=input(Enter current month(1-12):);day=input(Enter current day(1-31):);year=input(Enter current year(yyyy):);%Check for leap year,and add extra day if necessaryif mod(year,400)=0leap_day=1;%Years
32、divisible by 400 are leap yearselseif mod(year,100)=0leap_day=0;%Other centuries are not leap yearselseif mod(year,4)=0leap_day=1;%Otherwise every 4th year is a leap yearelseleap_day=0;%Other years are not leap yearsend,“输入年、月、日”,“判断该年是否为闰年”,page30,%Calculate day of year by adding current day to the
33、%days in previous months.day_of_year=day;for i=1:month-1%Add days in months from January to last monthswitch(i)case 1,3,5,7,8,10,day_of_year=day_of_year+31;case 4,6,9,11,day_of_year=day_of_year+30;case 2,day_of_year=day_of_year+28+leap_day;endend%Tell userfprintf(The date%2d/%2d/%4d is day of year%d
34、.n,.month,day,year,day_of_year),Step 4:将伪代码转换为Matlab程序语句-续,“首先加上当月天数”,“再加上往月天数”,“输出计算结果”,page31,Step 5:调试程序,run(C:Program FilesMATLABR2010abindayofyear.m)This program calculates the day of year given the current date.Enter current month(1-12):10Enter current day(1-31):30Enter current year(yyyy):2013
35、The date 10/30/2013 is day of year 303.run(C:Program FilesMATLABR2010abindayofyear.m)This program calculates the day of year given the current date.Enter current month(1-12):10Enter current day(1-31):30Enter current year(yyyy):1992The date 10/30/1992 is day of year 304.,page32,循环语句之“while循环”,while循环
36、是一个通过逻辑判断来确定重复次数的语句块。,while expression statement 1 statement nend,如果expression的值非零，程序将执行代码块，然后返回到while语句执行；当expression的值为零时，这个重复过程结束，程序将跳至end后面的一可执行语句。,page33,实例8：计算Fibonacci数列第一个大于10000的元素,Fibonacci数列数组元素满足如下规则：,a=zeros(1,10000);a(1)=1;a(2)=2;i=2;while a(i)=10000 a(i+1)=a(i-1)+a(i);i=i+1;endia(i),i
37、 i=20ans=10946,page34,实例9：计算给定数据的平均值和标准差,Step 1:清晰地陈述出你要解决的问题；“计算给定数据的平均值和标准差，且数据的数目未知，但非负”,Step 2:确定程序的输入变量和输出变量；“输入变量：给定数据；输出变量：这些数据的平均值和标准差”,Step 3:设计程序伪代码；,伪代码整体框架：输入数据；计算平均值和标准差；输出计算结果。,%输入数据 input%计算平均值和标准差,N=N+1;sum_x=sum_x+x;sum_x2=sum_x2+x2,page35,Step 3:设计程序伪代码-续,%输出计算结果：print x_bar,std_de
38、v,Step 4:将伪代码转换为Matlab程序语句,%Script file:stats_1.m%Purpose:%To calculate mean and the standard deviation of%an input data set containing an arbitrary number%of input values.%Record of revisions:%Date Programmer Description of change%=%21/10/13 Y.Y.Guo Original code%,%Define variables:%n-The number of
39、 input samples%std_dev-The standard deviation of the input samples%sum_x-The sum of the input values%sum_x2-The sum of the squares of the input values%x-An input data value%xbar-The average of the input samples,“名字”,“用途”,“修改记录”,“变量定义”,page36,Step 4:将伪代码转换为Matlab程序语句-续,%Initialize sums.n=0;sum_x=0;su
40、m_x2=0;%Read in first valuex=input(Enter first value:);%While Loop to read input values.while x=0%Accumulate sums.n=n+1;sum_x=sum_x+x;sum_x2=sum_x2+x2;%Read in next valuex=input(Enter next value:);end,%Calculate the mean and standard deviationx_bar=sum_x/n;std_dev=sqrt(n*sum_x2-sum_x2)/(n*(n-1);%Tel
41、l user.fprintf(The mean of this data set is:%fn,x_bar);fprintf(The standard deviation is:%fn,std_dev);fprintf(The number of data points is:%dn,n);,“输入非负数据并计算平均值和标准差”,“输出计算结果”,page37,Step 5:调试程序,run(C:Program FilesMATLABR2010abinstats_1.m)Enter first value:1Enter next value:3Enter next value:5Enter n
42、ext value:9Enter next value:-1The mean of this data set is:4.500000The standard deviation is:3.415650The number of data points is:4 run(C:Program FilesMATLABR2010abinstats_1.m)Enter first value:100Enter next value:98Enter next value:97Enter next value:93Enter next value:76Enter next value:80Enter ne
43、xt value:-9The mean of this data set is:90.666667The standard deviation is:10.152175The number of data points is:6,Note:当输入数据为负数时，计算终止。在计算平均值和标准差时只考虑之前输入的非负数据。,page38,循环语句之“嵌套循环”,如果一个循环完全出现在另一个循环当中，则称这两个循环为带嵌套的循环。此外，也会出现多重嵌套的循环。,for i=1:3for j=1:3product=i*j;fprintf(%d*%d=%d n,i,j,product);endend,1*
44、1=1 1*2=2 1*3=3 2*1=2 2*2=4 2*3=6 3*1=3 3*2=6 3*3=9,page39,人机交互语句,echo on 指令：显示其后所有执行文件的指令；echo off 指令：关闭其后所有执行文件的指令显示；input 指令：提示用户从键盘输入数值、字符串或表达式，并接受输入；pause 指令：使程序运行停止，等待用户按任意键继续；disp指令：在屏幕上显示字符串；fprintf指令：在屏幕上按一定格式输出字符串。,page40,input命令,调用格式为：input(提示信息，选项),reply=input(Do you want more?Y/N Y:,s);
45、Do you want more?Y/N Y:Y replyreply=Y reply=input(Please input your height:)Please input your height:177reply=177,Note:s表示允许用户输入一个字符串，如果省略不写，则表示数字变量。,人机交互语句,page41,pause命令,人机交互语句,此命令有如下几种调用格式：pause:程序暂停等待回应，直到用户按任意键继续运行；pause(n):程序暂停n秒时间；pause on:执行其后的pause命令；pause off:不执行其后的pause命令。,pause 命令在程序的调试过
46、程或者用户需要查看中间结果时十分有用。,page42,人机交互语句,disp命令,调用格式为：disp(输出项),A=I miss you very much!;disp(A)I miss you very much!,fprintf命令,调用格式为：fprintf(格式，输出项),a=9;fprintf(%dn,a)9,Note:常见输出格式%d-整型格式输出；%f-浮点型格式输出；%e-指数形式输出；n-换行。,Matlab的输出格式控制与C语言相同！,page43,函数变量及变量作用域,函数文件的内部变量是局部变量，与其他函数文件及MATLAB工作空间相互隔离。但是，如果在若干函数中，都
47、把某一变量定义为全局变量，那么这些函数将公用这一个变量。在MATLAB中，全局变量用命令global定义。全局变量的作用域是整个MATLAB工作空间，即全程有效。所有的函数都可以对它进行存取和修改。因此，定义全局变量是函数间传递信息的一种手段。,page44,实例10：全局变量使用简例,function f=wadd(x,y)%add two variable global ALPHA BETAf=cos(ALPHA)*x+sin(BETA)*y;,求x,y按照如下加权方式的和：,global ALPHA BETA ALPHA=pi/3;BETA=pi/4;wadd(5,6)ans=6.742
48、6,Tips:使用全局变量时，函数内部以及命令窗口（或者命令式M文件）中均应该定义相应的全局变量；定义多个全局变量时，用空格隔开，不能用逗号。,page45,MATLAB在函数调用上有一个与众不同之处：函数所传递参数数目的可调性。凭借这一点，一个函数可完成多种功能。在调用函数时，MATLAB用两个永久变量nargin和nargout分别记录调用该函数时的输入实参和输出实参的个数。只要在函数文件中包含这两个变量，就可以准确地知道该函数文件被调用时的输入输出参数个数，从而决定函数如何进行处理。,page46,函数变量及变量作用域-续,实例11：nargin变量使用简例,编制一个函数，函数名为tes
49、t_nargin，它能实现如下功能：如果调用函数时只有一个输入变量，则求该变量的模（对矩阵而言则为行列式），如果有两个输入变量，则求两个变量的和。,function c=test_nargin(a,b)%This function is to test the nargin%variableif nargin=1 c=det(a);elseif nargin=2 c=a+b;end,A=1,2,3;4:6;10 12 18;B=eye(3);test_nargin(A)ans=-12.0000 test_nargin(B)ans=1 test_nargin(A,B)ans=2 2 3 4 6
50、6 10 12 19,page47,程序设计的辅助函数,在Matlab语言的程序设计中，有几组辅助函数可用以支持M文件的编辑，对这些函数的合理使用可以增加函数的鲁棒性或丰富函数功能。辅助函数包括：,执行函数 容错函数 时间控制函数,page48,执行函数,page49,Matlab中提供了一系列的执行函数。,容错函数,一个程序设计的好坏在很大程度上取决于其容错能力的大小。Matlab语言中提供了相应的报错及警告函数error,warning等。,函数error可以在窗口中显示错误的信息，以提示用户输入错误或者调用错误，其调用格式如下：,error(错误信息)：如果调用M文件时触发error，则
