《MATLAB程序设计》PPT课件.ppt

2019年7月30日星期二,第2章 MATLAB程序设计,电子工程学院 通信工程专业,2019年7月30日星期二,【本章学习目标】 掌握建立和执行M文件的方法; 掌握利用if语句、switch语句实现选择结构的方法; 掌握利用for语句、while语句实现循环结构的方法; 熟悉利用向量运算来代替循环操作的方法; 掌握定义和调用MATLAB函数的方法。,2019年7月30日星期二,目录,2.1 M文件 2.2 程序控制结构 2.3 函数文件 2.4 程序调试 2.5 程序性能分析与优化,2019年7月30日星期二,2.1 M文件,MATLAB命令的两种执行方式 交互式的命令执行方式：Command Window M文件的程序执行方式 2.1.1 M文件的建立与打开 1建立新的M文件 （1）命令按钮操作。 （2）菜单操作。 （3）命令操作 edit 2打开已有的M文件,2019年7月30日星期二,2.1.2 M文件的分类 M文件可以根据调用方式的不同分为两类：命令文件（Script File）和函数文件（Function File）。 （1）命令文件没有输入参数，也不返回输出参数，而函数文件可以带输入参数，也可返回输出参数。 （2）命令文件对MATLAB工作空间中的变量进行操作，文件中所有命令的执行结果也完全返回到工作空间中，而函数文件中定义的变量为局部变量，当函数文件执行完毕时，这些变量被清除。 （3）命令文件可以直接运行，在MATLAB命令窗口输入命令文件的名字，就会顺序执行命令文件中的命令，而函数文件不能直接运行，而要以函数调用的方式来调用它。,2019年7月30日星期二,【例2.1】建立一个M文件，其功能是：用两个实变量R、M生成复变量RM，然后运行该M文件。 程序1：建立一个命令文件。 建立命令文件setcomp.m clear; R=1,2,3;4,5,6; M=11,12,13;14,15,16; RM=R+i*M 然后在MATLAB的命令窗口中输入setcomp，将会执行该命令文件，输出为 RM = 1.0000 +11.0000i 2.0000 +12.0000i 3.0000 +13.0000i 4.0000 +14.0000i 5.0000 +15.0000i 6.0000 +16.0000i,2019年7月30日星期二,程序2：建立一个函数文件。 首先建立函数文件fsetcomp.m function RM=fsetcomp(R, M) RM=R+i*M; 然后再MATLAB的命令窗口调用该函数文件： clear; a=1,2,3;4,5,6; b=11,12,13;14,15,16; c=fsetcomp(a, b) 输出结果为 c = 1.0000 +11.0000i 2.0000 +12.0000i 3.0000 +13.0000i 4.0000 +14.0000i 5.0000 +15.0000i 6.0000 +16.0000i,2019年7月30日星期二,2.2 程序控制结构,2.2.1 顺序结构 顺序结构是指按照程序中语句的排列顺序依次执行，一般涉及数据的输入、数据的计算或处理、数据的输出等内容。 1数据的输入 从键盘输入数据，则可以使用input函数来进行，该函数的调用格式为 A=input (提示信息，选项)； 其中，“提示信息”为一个字符串，用于提示用户输入什么样的数据。例如，从键盘输入A矩阵，可以采用下面的命令来完成： A=input (输入A矩阵:); 如果在input函数调用时采用s选项，则允许用户输入一个字符串。例如，想输入一个人的姓名，可采用命令： xm=input (Whats your name?,s);,2019年7月30日星期二,2数据的输出 MATLAB提供的命令窗口输出函数主要有disp函数，其调用格式为 disp（输出项） 其中，输出项既可以为字符串，也可以为矩阵。例如： A=Hello,World!; disp(A) 【例2.2】求一元二次方程ax2 + bx + c = 0的根。 由于MATLAB能进行复数运算，所以不需要判断方程的判别式，而直接根据求根公式求根。程序如下： a=input(a=?); b=input(b=?); c=input(c=?); d=b*b-4*a*c; x=(-b+sqrt(d)/(2*a),(-b-sqrt(d)/(2*a); disp(x1=,num2str(x(1),x2=,num2str(x(2);,2019年7月30日星期二,3程序的暂停 当程序运行时，为了查看程序的中间结果或者观看输出的图形，有时需要暂停程序的执行。这时可以使用pause函数，其调用格式为 pause（延迟秒数) 如果省略延迟时间，则将暂停程序，直到用户按任一键后程序继续执行。 若要强行中止程序的运行可使用Ctrl+C组合键。,2019年7月30日星期二,2.2.2 选择结构 选择结构是根据给定的条件成立或不成立，分别执行不同的语句。 1if语句 （1）单分支if语句： if 条件 语句块 end 当条件成立时，则执行语句组，执行完之后继续执行if语句的后继语句，若条件不成立，则直接执行if语句的后继语句。 （2）双分支if语句： if 条件 语句块1 else 语句块2 end 当条件成立时，执行语句组1，否则执行语句组2，语句组1或语句组2执行后，再执行if语句的后继语句。,2019年7月30日星期二,【例2.3】计算分段函数： 程序如下： x=input(请输入x的值:); if x0 y=log(x*x+1)+sqrt(x*x+1); else y=sin(x)/(x+1); end disp(y),2019年7月30日星期二,（3）多分支if语句： if 条件1 语句块1 elseif 条件2 语句块2 elseif 条件n 语句块n else 语句块n+1 end,2019年7月30日星期二,【例2.4】输入一个字符，若为大写字母，则输出其对应的小写字母；若为小写字母，则输出其对应的大写字母；若为数字字符则输出其对应数的平方，若为其他字符则原样输出。 c=input(请输入一个字符,s); if c=A end,2019年7月30日星期二,2switch语句 switch语句根据表达式的取值不同，分别执行不同的语句，其语句格式为 switch 表达式 case 结果表1 语句块1 case 结果表2 语句块2 case 结果表n 语句块n otherwise 语句块n+1 end 图2.3 switch语句的执行过程 switch子句后面的表达式应为一个标量或一个字符串，case子句后面的结果不仅可以为一个标量或一个字符串，而且还可以为一个将多个结果用大括号括起来的单元数据（Cell）。如果case子句后面的结果为一个单元数据，则表达式的值等于该单元数据中的某个元素时，执行相应的语句组。,2019年7月30日星期二,【例2.5】将例2.4改用switch语句实现。 c=input(请输入一个字符：,s); cc=abs(c); switch(cc) case num2cell(abs(A):abs(Z) disp(lower(c); case num2cell(abs(a):abs(z) disp(upper(c); case num2cell(abs(0):abs(9) disp(abs(c)-abs(0)2); otherwise disp(c); end 其中：num2cell函数是将数值矩阵转化为单元矩阵，num2cell(1:5)等价于1,2,3,4,5。,2019年7月30日星期二,3try语句 try语句是一种试探性执行语句，为开发人员提供了一种捕获错误的机制，其语句格式为 try 语句块1 catch 语句块2 end try语句先试探性执行语句块1，如果语句块1在执行过程中出现错误，则将错误信息赋给保留的lasterr变量，并转去执行语句块2。 【例2.6】矩阵乘法运算要求两矩阵的维数相容，否则会出错。先求两矩阵的乘积，若出错，则自动转去求两矩阵的点乘。 A=input(请输入A矩阵：); B=input(请输入B矩阵：); lasterr(); %清除原有的错误信息 try C=A*B; catch C=A.*B; end C disp(lasterr) %显示出错原因,2019年7月30日星期二,2.2.3 循环结构 循环是指按照给定的条件，重复执行指定的语句。 1for语句 图2.4 for语句执行过程 for语句的格式为 for 循环变量=表达式1:表达式2:表达式3 循环体语句 end 其中，表达式1的值为循环变量的初值， 表达式2的值为步长， 表达式3的值为循环变量的终值。步长为1时，表达式2可以省略。,2019年7月30日星期二,【例2.7】一个3位整数各位数字的立方和等于该数本身则称该数为水仙花数，输出全部水仙花数。 程序如下： shu=; %用于存放结果，先赋空值 for m=100:999 m1=fix(m/100); %求m的百位数字 m2=rem(fix(m/10),10); %求m的十位数字 m3=rem(m,10); %求m的个位数字 if m=m1*m1*m1+m2*m2*m2+m3*m3*m3 shu=shu,m; %存入结果 end end shu,2019年7月30日星期二,【例2.8】已知 ，求y的值。 y=0; n=100; for i=1:n y=y+(-1)(i-1)/i; end disp(y); 执行结果如下： y= 0.6882,2019年7月30日星期二,for语句的循环变量也可以是一个列向量。for语句更一般的格式为 for 循环变量=矩阵表达式 循环体语句 end 执行过程是依次将矩阵的各列元素赋给循环变量，然后执行循环体语句，直至各列元素处理完毕。 【例2.9】写出下列程序的执行结果。 s=0; a=12,13,14;15,16,17;18,19,20;21,22,23; for k=a s=s+k; end disp(s);,2019年7月30日星期二,2while语句 while语句的一般格式为 while(条件) 循环体语句 End 【例2.10】求使 最小的n。 程序如下： y=0; n=0; while (y=1.5) n=n+1; y=y+1/n/n; end disp(满足条件的的n是：,num2str(n),2019年7月30日星期二,3break语句和continue语句 break语句用于终止循环的执行。当在循环体内执行到该语句时，程序将跳出循环，继续执行循环语句的下一语句。 continue语句控制跳过循环体中的某些语句。当在循环体内执行到该语句时，程序将跳过循环体中所有剩下的语句，继续下一次循环。 【例2.11】输入两个整数，求它们的最小公倍数。 程序如下： x=input(请输入第一个数:); y=input(请输入第二个数:); z=max(x,y); while or(rem(z,x)=0,rem(z,y)=0) z=z+1; end disp(num2str(x), 和,num2str(y), 最小公倍数是：,num2str(z),2019年7月30日星期二,4循环的嵌套 【例2.12】设x，y，z均为正整数，求下列不定方程组共有多少组解。 这类方程的个数少于未知数的个数的方程称为不定方程，一般没有唯一解，而有多组解。对于这类问题，可采用穷举法，即将所有可能的取值一个一个地去试，看是否满足方程，如满足即是方程的解。 首先确定3个变量的可取值，x、y、z均为正整数，所以3个数的最小值是1，而其和为20，所以3者的最大值是18。程序如下： n=0; a=; for x=1:18 for y = 1:18 z = 20 - x - y; if 25* x + 20 * y + 16 * z = 400 a=a;x,y,z; n = n + 1; end end end disp(方程组共有,num2str(n),组解); disp(a)；,2019年7月30日星期二,2.3 函数文件,2.3.1 函数文件的基本结构 函数文件由function语句引导，其基本结构为 function 输出形参表=函数名（输入形参表) 注释说明部分 函数体语句 其中，以function开头的一行为引导行，表示该M文件是一个函数文件。函数名的命名规则与变量名相同。输入形参为函数的输入参数，输出形参为函数的输出参数。当输出形参多于一个时，则应该用方括号括起来。 （1）函数文件名通常由函数名再加上扩展名.m组成，不过函数文件名与函数名也可以不相同。当两者不同时，MATLAB将忽略函数名而确认函数文件名，因此，调用时使用函数文件名。,2019年7月30日星期二,【例2.13】编写求一个向量之和以及向量平均值的函数文件。 函数文件如下： function s,m=fvector(v) %VECTOR fvector.m calculates sum and mean of a vector %v 向量 %s 和 %m 平均值 %2008年12月10日编 m,n=size(v); if (m1 %求向量平均值 将以上函数文件以文件名fvector.m存盘，然后在MATLAB命令窗口调用该函数： s,p=fvector(1:10),2019年7月30日星期二,（2）注释说明包括如下3部分内容。 紧随函数文件引导行之后以%开头的第一注释行。这一行一般包括大写的函数文件名和函数功能简要描述，供lookfor关键词查询和help在线帮助用。 第一注释行及之后连续的注释行。通常包括函数输入输出参数的含义及调用格式说明等信息，构成全部在线帮助文本。 与在线帮助文本相隔一空行的注释行。包括函数文件编写和修改的信息，如作者、修改日期、版本等内容，用于软件档案管理。 采用help命令或lookfor命令可以显示出注释说明部分的内容，其功能和一般MATLAB函数的帮助信息是一致的。 利用help命令可查询fvector函数的注释说明： help fvector 再用lookfor命令在第一注释行查询指定的关键词： lookfor fvector （3）如果在函数文件中插入了return语句，则执行到该语句就结束函数的执行，程序流程转至调用该函数的位置。,2019年7月30日星期二,2.3.2 函数调用 函数调用的一般格式为 输出实参表=函数名(输入实参表) 函数调用时各实参出现的顺序、个数，应与函数定义时形参的顺序、个数一致，否则会出错。函数调用时，先将实参传递给相应的形参，从而实现参数传递，然后再执行函数的功能。 【例2.14】利用函数文件，实现直角坐标（x，y）与极坐标（，）之间的转换。 函数文件tran.m： function rho,theta=tran(x,y) rho=sqrt(x*x+y*y); theta=atan(y/x); 调用tran.m的命令文件main1.m： x=input(Please input x=); y=input(Please input y=); rho,the=tran(x,y); rho the,2019年7月30日星期二,【例2.15】利用函数的递归调用，求n！。 n!本身就是以递归的形式定义的： 显然，求n!需要求（n1)!，这时可采用递归调用。递归调用函数文件factor.m如下： function f=factor(n) if n=1 f=1; else f=factor(n-1)*n; %递归调用求(n-1)! end 在命令文件main2.m中调用函数文件factor.m，求s = 1! + 2! + 3! + 4! + 5!。 s=0; for i=1:5 s=s+factor(i); end s,2019年7月30日星期二,2.3.3 函数参数的可调性 MATLAB在函数调用上有一个与一般高级语言不同之处，就是函数所传递参数数目的可调性。 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。 【例2.16】nargin用法示例。函数文件examp.m： function fout=charray(a,b,c) if nargin=1 fout=a.2; elseif nargin=2 fout=a+b; elseif nargin=3 fout=(a*b*c)/2; end 命令 x=examp(1:3) y=examp(1:3,4:6) z=examp(1:3,1;2;3,15),2019年7月30日星期二,2.3.4 全局变量与局部变量 在MATLAB中，函数文件中的变量是局部的，与其他函数文件及MATLAB工作空间相互隔离，即在一个函数文件中定义的变量不能被另一个函数文件引用。如果在若干函数中，都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。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，定义全局变量是函数间传递信息的一种手段。 全局变量用global命令定义，格式为 global 变量名,2019年7月30日星期二,【例2.17】全局变量应用示例。 先建立函数文件wadd.m，该函数将输入的参数加权相加。 function f=wadd(x,y) global ALPHA BETA f=ALPHA*x+BETA*y; 在命令窗口中输入： global ALPHA BETA ALPHA=1; BETA=2; s=wadd(1,2),2019年7月30日星期二,2.4 程序调试,2.4.1 程序调试概述 应用程序的错误有两类，一类是语法错误，另一类是运行时的错误。语法错误包括语法或文法的错误，如函数名拼写错、表达式书写错、数据类型错误等。MATLAB能够检查出大部分的语法错误，给出相应错误信息，并标出错误在程序中的行号。 程序运行时的错误是指程序的运行结果有错误，这类错误也称为程序逻辑错误。MATLAB系统对逻辑错误是无能为力的，不会给出任何提示信息。这时可以通过一些调试手段来发现程序中的逻辑错误，最常见的办法是通过获取中间结果的方式来获取错误可能发生的程序段，以便进一步分析错误的原因。,2019年7月30日星期二,（1）将程序的一些主要中间结果输出到命令窗口，从而确定错误的区段。 （2）使用MATLAB的调试菜单（Debug），通过图形界面操作来实现程序调试，包括设置断点、控制程序单步运行等操作。 （3）使用键盘终止函数keyboard中断程序的运行，此时将程序的运行处于调试状态，命令窗口的提示符相应变成K，利用命令操作方式来实现程序调试。,2019年7月30日星期二,2.4.2 MATLAB调试菜单（设置断点之后激活） 1控制单步运行 （1）Step：单步运行。每单击一次，程序运行一次，但不进入函数。 （2）Step In：单步运行。遇到函数时进入函数内，仍单步运行。 （3）Step Out：停止单步运行。如果是在函数中，跳出函数；如果不在函数中，直接运行到下一个断点处。 （4）Go Until Cursor：直接运行到光标所在的位置。,2019年7月30日星期二,2断点操作 （1）Set/Clear Breakpoint：设置或清除断点。 （2）Set/Modify Conditional Breakpoint：设置或修改条件断点。条件断点可以使程序执行到满足一定条件时停止。 （3）Enable/Disable Breakpoint：使断点有效或无效。 （4）Clear Breakpoints in All Files：清除所有断点。 （5）Stop If Errors/Warnings：在程序执行出现错误或警告时，停止程序运行，进入调试状态，不包括trycatch语句中的错误。 【例2.18】在如图2.7所示的编辑窗口中，有一个求两个数的最小公倍数的程序commulti.m，试设置断点来控制程序执行。,2019年7月30日星期二,2.5 程序性能分析与优化,2.5.1 程序性能分析 调试器只负责M文件中语法错误和运行错误的定位，而Profiler性能评估器、tic函数和toc函数能分析程序各环节的耗时情况，分析报告能帮助用户寻找影响程序运行速度的“瓶颈”所在，以便于进行程序优化。 通过函数文件性能评估器（Profiler）用户可以很方便地了解程序执行过程中各函数及函数中的每条语句所耗费的时间，从而有针对性地改进程序，提