第2章ATLAB程序設(shè)計(jì)

1、第2章 matlab程序設(shè)計(jì)編者 outlinen2.1 基本程序元素基本程序元素n2.2 數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型n2.3 程序控制流程序控制流n2.4 m文件概述文件概述n2.5 matlab編程進(jìn)階編程進(jìn)階2.1 基本程序元素1 1 變量與常量變量與常量 變量是任何程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的基本元素之一，它是指其數(shù)值在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生變化的一些數(shù)據(jù)量名稱。而常量則是指在計(jì)算過(guò)程中數(shù)值不發(fā)生變化的量。matlab語(yǔ)言的變量具有如下特點(diǎn)：n不要求對(duì)所使用的變量進(jìn)行事先聲明，也不需要指定變量類型，matlab會(huì)自動(dòng)根據(jù)所賦予變量的值或?qū)ψ兞克M(jìn)行的操作來(lái)確定變量的類型；n在賦值過(guò)程中，如果變量已經(jīng)存在，

2、matlab會(huì)用新值代替舊值，并以新的變量類型代替舊的變量類型。變量的命名應(yīng)遵循如下原則：n變量名區(qū)分大小寫；n變量名長(zhǎng)度不超過(guò) 個(gè)， 與硬件有關(guān)，由函數(shù)namelengthmax返回；n變量名必須以字母開(kāi)頭，可包含字母(大小寫)、數(shù)字和下劃線；n關(guān)鍵字不能作為變量名，盡量避免使用函數(shù)名作為變量名。2 2 關(guān)鍵字關(guān)鍵字 matlab中的關(guān)鍵字共有20個(gè)：break、case、catch、classdef、continue、else、elseif、end、for、function、global、if、otherwise、parfor、persistent、return、spmd、switch、t

3、ry、while。3 3 運(yùn)算符運(yùn)算符算術(shù)運(yùn)算符算術(shù)運(yùn)算符 算術(shù)運(yùn)算符分為兩類：矩陣運(yùn)算和數(shù)組運(yùn)算。矩陣運(yùn)算是按線性代數(shù)的規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，而數(shù)組運(yùn)算是數(shù)組對(duì)應(yīng)元素間的運(yùn)算。表1列出了常用的算術(shù)運(yùn)算符。 表1 常用的算術(shù)運(yùn)算符2.關(guān)系運(yùn)算符關(guān)系運(yùn)算符 系運(yùn)算是用來(lái)判斷兩個(gè)操作數(shù)關(guān)系的運(yùn)算，參與關(guān)系運(yùn)算的操作數(shù)可以使用各種數(shù)據(jù)類型的變量或者常數(shù)，運(yùn)算的結(jié)果是邏輯類型的數(shù)據(jù)。標(biāo)量也可以和矩陣或者數(shù)組進(jìn)行比較，比較的時(shí)候先進(jìn)行標(biāo)量擴(kuò)展，返回的結(jié)果是和數(shù)組同維的邏輯類型數(shù)組。如果進(jìn)行比較的是兩個(gè)數(shù)組，則數(shù)組必須是同維的，且每一維的尺寸也必須一致。matlab中的關(guān)系運(yùn)算符和c語(yǔ)言的關(guān)系運(yùn)算基本一致，主要有

4、六種，見(jiàn)表2。表2 關(guān)系運(yùn)算符3. 邏輯運(yùn)算符邏輯運(yùn)算符 matlab提供了兩種類型的邏輯運(yùn)算：元素運(yùn)算和短路運(yùn)算，如表3所示。 表3 邏輯運(yùn)算符4.4.運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)運(yùn)算符優(yōu)先級(jí) 在包含前面介紹的運(yùn)算符的表達(dá)式中，運(yùn)算順序按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行。優(yōu)先級(jí)高的先執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)低的后執(zhí)行。運(yùn)算符按優(yōu)先級(jí)從高到低排列見(jiàn)表4。 表4 運(yùn)算符優(yōu)先級(jí) 2.2 數(shù)據(jù)類型 matlab的早期版本只有非常簡(jiǎn)單的二維數(shù)組和字符類型的數(shù)據(jù)，目前的matlab版本中不僅有多達(dá)十幾種的基本數(shù)據(jù)類型，在不同的專業(yè)工具箱中還有特殊的數(shù)據(jù)類型，并且matlab還支持面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，支持用戶自定義的數(shù)據(jù)類型。 matlab支持的基本數(shù)據(jù)

5、類型見(jiàn)圖所示。 圖 matlab的數(shù)據(jù)類型 1.1.數(shù)值型數(shù)據(jù)數(shù)值型數(shù)據(jù)整型數(shù)據(jù)整型數(shù)據(jù) 數(shù)值型數(shù)據(jù)包括無(wú)符號(hào)和帶符號(hào)整數(shù)、單精度和雙精度浮點(diǎn)數(shù)。浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù) 浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)包括單精度（single）和雙精度（double）兩種格式，默認(rèn)是double格式。復(fù)數(shù)復(fù)數(shù) matlab中常用的構(gòu)造復(fù)數(shù)的方法主要有兩種：直接生成和用函數(shù)complex生成。2.2.字符串字符串n字符串的定義字符串的定義 n字符串的操作字符串的操作3.3.元胞數(shù)組元胞數(shù)組 元胞數(shù)組示意圖元胞數(shù)組的創(chuàng)建元胞數(shù)組的創(chuàng)建 用戶通?？梢允褂脙煞N方法創(chuàng)建元胞數(shù)組：第一個(gè)辦法是用賦值語(yǔ)句直接定義；第二個(gè)辦法是先由cell函數(shù)預(yù)先

6、分配存儲(chǔ)空間，然后對(duì)元胞的每個(gè)元素逐一賦值。元胞數(shù)組的操作元胞數(shù)組的操作 用戶可以采用“()”和“”兩種方式來(lái)訪問(wèn)元胞數(shù)組中的元素，兩種方法返回的結(jié)果是不同的，以元胞數(shù)組c為例，c(m,n)返回的是元胞數(shù)組c在(m,n)位置上的元胞，而cm,n返回的是元胞數(shù)組c在(m,n)位置上的元胞中的數(shù)據(jù)。 4.4.結(jié)構(gòu)數(shù)組結(jié)構(gòu)數(shù)組 結(jié)構(gòu)數(shù)組是matlab中的一種重要的數(shù)據(jù)類型。同元胞數(shù)組類似，結(jié)構(gòu)數(shù)組也可以存放不同類型的數(shù)據(jù)，但結(jié)構(gòu)數(shù)組的內(nèi)容更加豐富、應(yīng)用更加廣泛，很多復(fù)雜的問(wèn)題是用結(jié)構(gòu)數(shù)組表示時(shí)則顯得簡(jiǎn)單方便。圖所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)體的基本組成。結(jié)構(gòu)數(shù)組的創(chuàng)建結(jié)構(gòu)數(shù)組的創(chuàng)建 使用點(diǎn)號(hào)（.）運(yùn)算符創(chuàng)建

7、和 利用struct函數(shù)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)數(shù)組結(jié)構(gòu)數(shù)組的操作結(jié)構(gòu)數(shù)組的操作 由于結(jié)構(gòu)數(shù)組比較特殊，如果用戶希望在其他應(yīng)用程序或者模塊中使用結(jié)構(gòu)數(shù)組，則需要訪問(wèn)結(jié)構(gòu)數(shù)組中的數(shù)據(jù)，訪問(wèn)結(jié)構(gòu)數(shù)組中的字段由點(diǎn)運(yùn)算符（.）實(shí)現(xiàn)。5.5.函數(shù)句柄函數(shù)句柄創(chuàng)建函數(shù)句柄需要用到操作符，其一般語(yǔ)法格式為：fhandle=functionnamefhandle=functionname6.6.不同數(shù)據(jù)類型之間的轉(zhuǎn)換不同數(shù)據(jù)類型之間的轉(zhuǎn)換 圖 數(shù)據(jù)類型間的轉(zhuǎn)換關(guān)系2.3 程序控制流1.1.順序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu) 順序結(jié)構(gòu)是指按照程序中語(yǔ)句排列順序一次執(zhí)行，直到程序的最后一個(gè)語(yǔ)句。程序的輸入程序的輸入 從鍵盤上輸入數(shù)據(jù)，可以使用in

8、put函數(shù)，該函數(shù)的調(diào)用格式為：程序的暫停程序的暫停 當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，為了查看程序的中間結(jié)果或者觀看輸出的圖形，有時(shí)需要暫停程序的執(zhí)行，這可以使用pause函數(shù)，該函數(shù)的調(diào)用格式為：程序的輸出程序的輸出 matlab提供的命令窗口輸出函數(shù)主要是disp和fprintf，disp函數(shù)的調(diào)用格式為：程序的終止程序的終止 程序代碼一般按流程執(zhí)行完畢后正常退出，但當(dāng)遇到某些特殊情況，程序需要立即退出時(shí)，可以用return函數(shù)提前終止程序運(yùn)行。程序的報(bào)錯(cuò)和警告程序的報(bào)錯(cuò)和警告 matlab中，編寫程序時(shí)經(jīng)常需要給出一些警告或錯(cuò)誤信息，為此，matlab提供了函數(shù)warning和error來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，這

9、兩個(gè)函數(shù)的調(diào)用格式基本一致，常見(jiàn)的調(diào)用格式為：2.2.選擇結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu) 選擇結(jié)構(gòu)是根據(jù)給定的條件成立或不成立，分別執(zhí)行不同的語(yǔ)句。 matlab用于實(shí)現(xiàn)選擇結(jié)構(gòu)的語(yǔ)句有if語(yǔ)句和switch語(yǔ)句。if語(yǔ)句語(yǔ)句 if語(yǔ)句根據(jù)邏輯表達(dá)式的值選擇執(zhí)行一組語(yǔ)句，主要有三種使用形式：?jiǎn)畏种畏种f語(yǔ)句、雙分支語(yǔ)句、雙分支if語(yǔ)句語(yǔ)句和多分支和多分支if語(yǔ)句。語(yǔ)句。 matlab中，單分支if語(yǔ)句的使用形式如下： 當(dāng)條件成立時(shí)，則執(zhí)行語(yǔ)句組，執(zhí)行完之后繼續(xù)執(zhí)行if語(yǔ)句的后繼語(yǔ)句，若某條件不成立，則直接執(zhí)行if語(yǔ)句的后繼語(yǔ)句，其執(zhí)行過(guò)程如圖1所示。 圖1 單分支if語(yǔ)句執(zhí)行流程 雙分支if語(yǔ)句的一般使用形

10、式如下： 當(dāng)條件成立時(shí)，執(zhí)行語(yǔ)句組1，否則執(zhí)行語(yǔ)句組2，語(yǔ)句組1或語(yǔ)句組2執(zhí)行完后再執(zhí)行if語(yǔ)句的后繼語(yǔ)句，其執(zhí)行過(guò)程如圖2所示。 圖2 雙分支if語(yǔ)句執(zhí)行流程 多分支if語(yǔ)句是最常用的一種條件語(yǔ)句，其一般使用形式如下： 多分支if語(yǔ)句的執(zhí)行過(guò)程如圖3所示。 圖3 多分支if語(yǔ)句的執(zhí)行流程switchswitch語(yǔ)句語(yǔ)句 switch語(yǔ)句根據(jù)表達(dá)式的取值不同，分別執(zhí)行不同的語(yǔ)句，其語(yǔ)句格式為： switch語(yǔ)句的執(zhí)行過(guò)程如圖2-1所示。 圖2-1 switch語(yǔ)句的執(zhí)行流程3.3.循環(huán)結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu) matlab用于循環(huán)結(jié)構(gòu)的語(yǔ)句有for語(yǔ)句、while語(yǔ)句，與循環(huán)結(jié)構(gòu)相關(guān)的語(yǔ)句還有contin

11、ue語(yǔ)句和break語(yǔ)句。forfor語(yǔ)句語(yǔ)句 for語(yǔ)句的一般語(yǔ)句格式為： 其中，v是一個(gè)矩陣，循環(huán)變量每次從矩陣v中取一列，執(zhí)行一次循環(huán)體語(yǔ)句，如此下去，直至執(zhí)行完v矩陣中的所有列。圖2-2是for語(yǔ)句的執(zhí)行流程。 圖2-2 for語(yǔ)句執(zhí)行流程while語(yǔ)句語(yǔ)句 while語(yǔ)句的一般語(yǔ)句格式為： 其中，條件為真時(shí)，執(zhí)行循環(huán)體語(yǔ)句。while語(yǔ)句的執(zhí)行過(guò)程如圖2-3所示。 圖2-3 while語(yǔ)句執(zhí)行流程break語(yǔ)句語(yǔ)句 matlab中，break語(yǔ)句可以使包含break語(yǔ)句的最內(nèi)層for或while循環(huán)強(qiáng)制終止，立即跳出該結(jié)構(gòu)，并執(zhí)行end后的語(yǔ)句。break語(yǔ)句一般和if語(yǔ)句結(jié)合使用。

12、continue語(yǔ)句語(yǔ)句 matlab中，continue語(yǔ)句用于結(jié)束本次for或while循環(huán)，與break語(yǔ)句不同的是，continue語(yǔ)句只結(jié)束本次循環(huán)而繼續(xù)進(jìn)行下次循環(huán)。4.4.試探結(jié)構(gòu)試探結(jié)構(gòu) 試探結(jié)構(gòu)是matlab獨(dú)有的一種語(yǔ)句結(jié)構(gòu)，它主要用來(lái)對(duì)異常情況進(jìn)行處理，其一般語(yǔ)句格式為： 在執(zhí)行程序時(shí)，該語(yǔ)句結(jié)構(gòu)首先試探性地執(zhí)行語(yǔ)句段1，如果語(yǔ)句段1出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，控制語(yǔ)句catch就會(huì)捕獲它，并執(zhí)行相應(yīng)的語(yǔ)句段2。 上述程序代碼中，在try語(yǔ)句段首先提示輸入一個(gè)索引值，若索引值滿足要求，則使用disp函數(shù)輸出相應(yīng)的內(nèi)容，否則輸出相應(yīng)的違法信息，并將錯(cuò)誤信息賦給變量a。上述程序的兩次運(yùn)行結(jié)果

13、如下： 2.4 m文件概述1.1.腳本文件腳本文件 “腳本”本身反映這樣一個(gè)事實(shí)：matlab只是按文件所寫的指令執(zhí)行。這種文件的構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，其主要特點(diǎn)如下：n它只是一串按用戶意圖排列而成的（包括控制流指令在內(nèi)的）matlab指令集合；n腳本文件運(yùn)行后所產(chǎn)生的所有變量都駐留在matlab基本工作空間中，只要用戶不適用clear。2.2.函數(shù)文件函數(shù)文件 從外界只看到傳給它的輸入量和送出來(lái)的計(jì)算結(jié)果，而內(nèi)部運(yùn)作是藏而不見(jiàn)的。相對(duì)于腳本文件，函數(shù)文件的主要特點(diǎn)如下：n從形式上看，函數(shù)文件的第一行總是以function引導(dǎo)的“函數(shù)聲明行”；n從運(yùn)行上看，每當(dāng)函數(shù)文件運(yùn)行時(shí)，matlab就會(huì)專門為它

14、開(kāi)辟一個(gè)臨時(shí)工作空間，該空間稱為函數(shù)工作空間。3.3.腳本文件與函數(shù)文件的比較腳本文件與函數(shù)文件的比較 函數(shù)文件與腳本文件的主要區(qū)別在于：函數(shù)文件一般都要帶輸入輸出宗量；對(duì)于程序的調(diào)試工作而言，腳本文件要比函數(shù)文件方便些。2.5 matlab編程進(jìn)階1 1 函數(shù)基本類型函數(shù)基本類型 matlab中的函數(shù)可以分為：m文件主函數(shù)、子函數(shù)、匿名函數(shù)、嵌套函數(shù)、私有函數(shù)和重載函數(shù)。m文件主函數(shù)文件主函數(shù) 每一個(gè)函數(shù)m文件第一行定義的函數(shù)就是m文件主函數(shù)，一個(gè)m文件只能包含一個(gè)主函數(shù)，并通常習(xí)慣上將m文件名和m文件主函數(shù)名設(shè)為一致。 m文件主函數(shù)的說(shuō)法是針對(duì)其內(nèi)部嵌套函數(shù)和子函數(shù)而言的。一個(gè)m文件中除了

15、一個(gè)主函數(shù)外，還可以編寫多個(gè)嵌套函數(shù)或子函數(shù)，以便在主函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)中進(jìn)行調(diào)用。子函數(shù)子函數(shù) 一個(gè)m文件只能包含一個(gè)主函數(shù)，但一個(gè)m文件中可以包含多個(gè)函數(shù)，那些編寫在主函數(shù)后的函數(shù)都稱為子函數(shù)。所有子函數(shù)只能被其所在m文件中的主函數(shù)或其他子函數(shù)調(diào)用。所有子函數(shù)都有自己獨(dú)立的函數(shù)聲明、幫助和注釋等結(jié)構(gòu)，各個(gè)子函數(shù)的前后順序沒(méi)有任何限制。 m文件內(nèi)部發(fā)生函數(shù)調(diào)用時(shí)，遵循函數(shù)調(diào)用的優(yōu)先原則。函數(shù)調(diào)用的優(yōu)先級(jí)從高到低排列如下：子函數(shù)私有函數(shù)類構(gòu)造函數(shù)重載函數(shù)當(dāng)前目錄中的同名函數(shù)路徑中其他目錄中的函數(shù)。 查詢子函數(shù)的幫助信息也可以通過(guò)help命令顯示，但使用格式稍有差別。如果myfun.m文件中含有名為m

16、yfun的主函數(shù)和名為mysubfun的子函數(shù)，那么可以通過(guò)語(yǔ)句help myfunmysubfun來(lái)獲取子函數(shù)mysubfun的幫助信息。匿名函數(shù)匿名函數(shù) 匿名函數(shù)是自matlab 7.0版起給出的一種全新的函數(shù)描述形式，其一般使用格式為： 嵌套函數(shù)嵌套函數(shù) 在一個(gè)函數(shù)內(nèi)部，可以定義一個(gè)或多個(gè)函數(shù)，這種定義在其他函數(shù)內(nèi)部的函數(shù)就被稱為嵌套函數(shù)。一個(gè)函數(shù)內(nèi)部可以嵌套多個(gè)函數(shù)，這些嵌套函數(shù)內(nèi)部又可以繼續(xù)嵌套其他函數(shù)。 嵌套函數(shù)的書寫語(yǔ)法格式如下：私有函數(shù)私有函數(shù) 私有函數(shù)是具有限制性訪問(wèn)權(quán)限的函數(shù)，它們對(duì)應(yīng)的m文件需要保存在名為private的文件夾下，這些私有函數(shù)代碼編寫上和普通的函數(shù)沒(méi)有什么

17、區(qū)別，但私有函數(shù)只能被private目錄的直接父目錄下的函數(shù)調(diào)用。因此，用戶可以開(kāi)發(fā)自己的函數(shù)庫(kù)，函數(shù)的名稱可以與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)m函數(shù)庫(kù)名稱相同，而不必?fù)?dān)心在函數(shù)調(diào)用時(shí)發(fā)生沖突，因?yàn)?matlab首先查找私有函數(shù)，再查找標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。 同樣的，我們也可以通過(guò)help命令獲取私有函數(shù)的幫助信息，但需要聲明其私有特點(diǎn)，例如要獲取私有函數(shù)myprifun.m的幫助信息，可以使用語(yǔ)句help private/myprifun。重載函數(shù)重載函數(shù) matlab中重載函數(shù)通常放置在不同的文件夾下，通常文件夾名稱以符號(hào)開(kāi)頭，然后跟一個(gè)代表matlab數(shù)據(jù)類型的字符，如double目錄下的重載函數(shù)的輸入?yún)?shù)應(yīng)該是雙精度浮

18、點(diǎn)型，而int32目錄下的重載函數(shù)的輸入?yún)?shù)應(yīng)該是32位整型。2 串演算函數(shù)串演算函數(shù) 利用字符串可以構(gòu)成函數(shù)，可以在運(yùn)行中改變所執(zhí)行的命令，可以被泛函命令調(diào)用，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的運(yùn)算。如：eval函數(shù)、內(nèi)聯(lián)函數(shù)、feval函數(shù)。eval函數(shù)函數(shù) 函數(shù)eval可以用來(lái)執(zhí)行用字符串表示的表達(dá)式，該函數(shù)的調(diào)用格式如下：內(nèi)聯(lián)函數(shù)內(nèi)聯(lián)函數(shù) 內(nèi)聯(lián)函數(shù)（inline function）是matlab提供的一個(gè)對(duì)象（object）。它的性狀表現(xiàn)和函數(shù)文件一樣，而內(nèi)聯(lián)函數(shù)的創(chuàng)建則比較容易。內(nèi)聯(lián)函數(shù)由inline函數(shù)創(chuàng)建，該函數(shù)的調(diào)用格式如下： feval函數(shù)函數(shù) matlab提供的feval函數(shù)是用來(lái)執(zhí)行函數(shù)操作的函數(shù)，故有“函數(shù)的函數(shù)”之稱，其一般調(diào)用格式為：3 變量的傳遞與檢測(cè)變量的傳遞與檢測(cè) matlab中，提供了多種函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變量檢測(cè)、傳遞，同時(shí)也提供了“變長(zhǎng)度”輸入輸出變量。靈活使用這些命令可以完成多種復(fù)雜的功能。輸入輸出變量檢測(cè)輸入輸出變量檢測(cè) 在matlab中，提供了多個(gè)變量檢測(cè)命令，它們用于實(shí)現(xiàn)判斷輸入和輸出變量的個(gè)數(shù)的功能，見(jiàn)表1。 表1 輸入輸出變量檢測(cè)命令“變長(zhǎng)度變長(zhǎng)度”輸入輸出變量輸入輸出變量 matlab中提供了一些函數(shù)具有接受“任意多輸入”，返回“任意多輸出”的能力，同時(shí)，m