《Fortran語言教程》課件

Fortran語言教程本教程旨在幫助您快速掌握Fortran語言基礎(chǔ)知識(shí)，并應(yīng)用于實(shí)際編程。by課程大綱1Fortran語言概述了解Fortran語言的歷史、特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。2基本語法結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)標(biāo)識(shí)符、關(guān)鍵字、數(shù)據(jù)類型、變量和常量等基本概念。3輸入輸出語句掌握格式化輸入輸出語句，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。4算術(shù)運(yùn)算與表達(dá)式學(xué)習(xí)算術(shù)運(yùn)算符和表達(dá)式的求值方法。Fortran語言概述歷史悠久Fortran誕生于1950年代，是世界上最早的高級編程語言之一。應(yīng)用廣泛在科學(xué)計(jì)算、工程應(yīng)用、數(shù)值模擬等領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)的影響。Fortran語言歷史沿革起源Fortran誕生于1950年代中期，由IBM公司研發(fā)，旨在解決當(dāng)時(shí)大型科學(xué)計(jì)算問題。發(fā)展經(jīng)歷數(shù)次更新，從FortranI到Fortran2018，不斷引入新特性和功能，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展。應(yīng)用Fortran在科學(xué)計(jì)算、工程應(yīng)用、數(shù)值分析等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，是高性能計(jì)算的重要工具。特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)構(gòu)化Fortran語言以其結(jié)構(gòu)化的編程風(fēng)格而聞名。代碼以清晰的結(jié)構(gòu)組織，方便閱讀、理解和維護(hù)。高效Fortran語言被設(shè)計(jì)為高效處理數(shù)值計(jì)算。它在科學(xué)計(jì)算、工程模擬、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用Fortran語言在航空航天、氣象學(xué)、金融模型、材料科學(xué)、生物信息學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用?；菊Z法結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符由字母、數(shù)字和下劃線組成，第一個(gè)字符必須是字母或下劃線。關(guān)鍵字Fortran語言中保留的具有特殊含義的詞語，例如PROGRAM、INTEGER、REAL等。標(biāo)識(shí)符與關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)符Fortran標(biāo)識(shí)符用于命名變量、常量、函數(shù)和子程序等。標(biāo)識(shí)符可以由字母、數(shù)字和下劃線組成，且第一個(gè)字符必須是字母或下劃線。關(guān)鍵字關(guān)鍵字是Fortran語言中預(yù)定義的標(biāo)識(shí)符，具有特殊含義，不能用作標(biāo)識(shí)符。數(shù)據(jù)類型整數(shù)類型整數(shù)類型用于存儲(chǔ)沒有小數(shù)部分的數(shù)值，例如10、-5、0。實(shí)數(shù)類型實(shí)數(shù)類型用于存儲(chǔ)帶有小數(shù)部分的數(shù)值，例如3.14、-2.5、1.0。字符類型字符類型用于存儲(chǔ)單個(gè)字符，例如'A'、'b'、'1'。變量與常量變量變量是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容器，其值可以改變。常量常量是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容器，其值不能改變。輸入輸出語句Fortran語言提供了豐富的輸入輸出語句，使程序能夠與外部環(huán)境交互，獲取數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果。讀入數(shù)據(jù)使用READ語句從外部設(shè)備讀入數(shù)據(jù)，例如鍵盤、文件等。輸出結(jié)果使用WRITE語句將計(jì)算結(jié)果輸出到外部設(shè)備，例如屏幕、文件等。格式化輸出1格式化控制使用格式控制符來指定輸出數(shù)據(jù)的格式，例如寬度、精度、類型等。2輸出格式可以控制輸出數(shù)據(jù)的對齊方式、小數(shù)位數(shù)、科學(xué)計(jì)數(shù)法等。3輸出格式示例使用WRITE語句和格式控制符實(shí)現(xiàn)特定格式的輸出。格式化輸入READ語句使用READ語句從標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備（通常是鍵盤）讀取數(shù)據(jù)。格式控制符使用格式控制符指定輸入數(shù)據(jù)的格式，例如整數(shù)、實(shí)數(shù)、字符等。輸入變量指定要讀取數(shù)據(jù)的變量，并根據(jù)格式控制符進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。算術(shù)運(yùn)算與表達(dá)式算術(shù)運(yùn)算符Fortran支持常用的算術(shù)運(yùn)算符，包括加減乘除、取余和冪運(yùn)算。表達(dá)式的求值Fortran按照運(yùn)算符的優(yōu)先級和結(jié)合性來計(jì)算表達(dá)式的值。例如，乘除運(yùn)算優(yōu)先于加減運(yùn)算，而同級運(yùn)算符則按照從左到右的順序進(jìn)行計(jì)算。算術(shù)運(yùn)算符加法用符號(hào)"+"表示減法用符號(hào)"-"表示乘法用符號(hào)"*"表示除法用符號(hào)"/"表示表達(dá)式的求值1運(yùn)算符優(yōu)先級算術(shù)運(yùn)算符優(yōu)先級由高到低：乘除模運(yùn)算、加減運(yùn)算2結(jié)合性同級運(yùn)算符結(jié)合性由左到右3括號(hào)括號(hào)優(yōu)先級最高，改變運(yùn)算順序Fortran中，表達(dá)式是根據(jù)運(yùn)算符優(yōu)先級和結(jié)合性進(jìn)行求值的。括號(hào)可以改變運(yùn)算順序，提高程序可讀性?？刂平Y(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)程序按照語句的順序逐條執(zhí)行，沒有跳轉(zhuǎn)或分支。分支結(jié)構(gòu)根據(jù)條件判斷，選擇執(zhí)行不同的語句塊。循環(huán)結(jié)構(gòu)重復(fù)執(zhí)行一段代碼，直到滿足特定條件。順序結(jié)構(gòu)執(zhí)行順序按照代碼編寫的順序，逐條執(zhí)行語句。線性執(zhí)行語句之間沒有跳轉(zhuǎn)，從第一條語句開始，依次執(zhí)行到最后一條語句。分支結(jié)構(gòu)IF語句根據(jù)條件判斷執(zhí)行不同的代碼塊SELECTCASE語句根據(jù)不同條件執(zhí)行不同的代碼塊循環(huán)結(jié)構(gòu)For循環(huán)For循環(huán)用于重復(fù)執(zhí)行一組語句，直到滿足特定條件為止。While循環(huán)While循環(huán)會(huì)重復(fù)執(zhí)行一組語句，只要某個(gè)條件為真。DoWhile循環(huán)DoWhile循環(huán)類似于While循環(huán)，但它至少執(zhí)行一次循環(huán)體。子程序設(shè)計(jì)函數(shù)的定義定義函數(shù)，實(shí)現(xiàn)特定功能。函數(shù)的調(diào)用在程序中調(diào)用函數(shù)，執(zhí)行相關(guān)功能。函數(shù)的定義與調(diào)用1定義函數(shù)使用FUNCTION語句定義函數(shù)，指定函數(shù)名、參數(shù)列表和返回值類型。2調(diào)用函數(shù)在程序中使用函數(shù)名和實(shí)際參數(shù)調(diào)用函數(shù)，函數(shù)返回值可被賦值給變量。3參數(shù)傳遞函數(shù)的參數(shù)傳遞方式包括值傳遞和引用傳遞，根據(jù)需要選擇合適的傳遞方式。參數(shù)傳遞機(jī)制值傳遞：將實(shí)參的值復(fù)制給形參，形參的改變不會(huì)影響實(shí)參的值。引用傳遞：將實(shí)參的地址傳遞給形參，形參的改變會(huì)影響實(shí)參的值。Fortran使用引用傳遞機(jī)制。數(shù)組處理一維數(shù)組用于存儲(chǔ)相同類型的一組數(shù)據(jù)，例如存放學(xué)生的成績、商品的價(jià)格等。多維數(shù)組用于存儲(chǔ)多維數(shù)據(jù)，例如存放圖像的像素矩陣、學(xué)生的成績表等。一維數(shù)組定義一維數(shù)組是一組具有相同數(shù)據(jù)類型且使用單個(gè)變量名存儲(chǔ)的元素序列。訪問元素通過索引訪問數(shù)組元素，索引從1開始，用于標(biāo)識(shí)數(shù)組中每個(gè)元素的位置。多維數(shù)組定義與聲明使用類型聲明語句定義多維數(shù)組，并指定維度和元素類型。訪問元素使用下標(biāo)訪問數(shù)組元素，下標(biāo)從1開始，用逗號(hào)分隔。內(nèi)存分配多維數(shù)組在內(nèi)存中以行優(yōu)先順序存儲(chǔ)。文件操作Fortran提供了多種文件操作功能，方便程序與外部數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。順序讀寫按順序讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，類似于文本文件操作。隨機(jī)讀寫可以任意訪問文件中的數(shù)據(jù)，適合需要快速訪問特定位置的數(shù)據(jù)。順序讀寫順序讀寫模式以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，一次讀取或?qū)懭胍粋€(gè)字節(jié)。適用于文本文件，數(shù)據(jù)按順序?qū)懭?，讀取時(shí)也需按順序進(jìn)行。效率高，適用于數(shù)據(jù)量較小的文件，但無法直接訪問特定位置的數(shù)據(jù)。隨機(jī)讀寫1直接訪問隨機(jī)讀寫允許程序直接訪問文件中的任意位置，無需按順序讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。2記錄定位通過記錄號(hào)或文件指針來定位文件中的特定位置，進(jìn)行讀寫操作。3效率提升適用于需要頻繁修改或更新文件內(nèi)容的應(yīng)用場景，例如數(shù)據(jù)庫管理。字符串處理Fortran支持字符串?dāng)?shù)據(jù)類型，用于存儲(chǔ)和操作文本數(shù)據(jù)。定義字符串變量使用CHARACTER聲明字符串變量，并指定最大長度。字符串操作包括字符串連接、截取、比較、查找等操作。字符串?dāng)?shù)據(jù)類型字符Fortran中的字符數(shù)據(jù)類型用于存儲(chǔ)字母、數(shù)字和符號(hào)，每個(gè)字符占用一個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間。字符串字符串是由多個(gè)字符組成的序列，用于存儲(chǔ)文本數(shù)據(jù)，可以通過字符變量或字符數(shù)組來表示字符串。字符常量字符常量用單引號(hào)括起來的單個(gè)字符，例如'A'，而字符串常量用雙引號(hào)括起來的字符序列，例如"HelloWorld"。字符串運(yùn)算連接使用雙引號(hào)（""）將字符串連接起來。比較可以使用關(guān)系運(yùn)算符（<,>,=,<=,>=,/=）比較字符串。查找可以使用函數(shù)INDEX查找字符串中某個(gè)字符或子串的起始位置。模塊化編程將大型程序分解成獨(dú)立的模塊，提高代碼可重用性、可維護(hù)性和可讀性。模塊的定義與使用使用MODULE語句定義模塊，包含數(shù)據(jù)和過程。使用USE語句導(dǎo)入模塊，訪問模塊中的內(nèi)容。模塊中的數(shù)據(jù)共享模塊可以聲明公共數(shù)據(jù)，供其他模塊訪問。模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)和過程之間可以相互調(diào)用。模塊的定義與使用模塊是組織相關(guān)代碼和數(shù)據(jù)的單元，提高代碼復(fù)用性和可維護(hù)性。模塊可以定義變量、函數(shù)和子程序，并在程序中通過USE語句使用。模塊可以控制數(shù)據(jù)可見性，保護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)不被外部訪問。模塊中的數(shù)據(jù)共享公用數(shù)據(jù)模塊中的數(shù)據(jù)可以被模塊內(nèi)所有子程序訪問，提高代碼的可重用性和效率。數(shù)據(jù)封裝模塊可以保護(hù)其內(nèi)部數(shù)據(jù)，避免外部程序的意外修改。數(shù)據(jù)隱藏通過使用PRIVATE和PUBLIC關(guān)鍵字控制數(shù)據(jù)可見性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隱藏和安全訪問。編程風(fēng)格與調(diào)試良好的編程風(fēng)格有助于提高代碼的可讀性、可維護(hù)性和可重用性。調(diào)試是程序開發(fā)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，通過調(diào)試可以定位并解決程序中的錯(cuò)誤。編程規(guī)范使用一致的命名規(guī)則、縮進(jìn)、注釋等規(guī)范，使代碼結(jié)構(gòu)清晰、易于理解。調(diào)試技巧使用調(diào)試器、打印語句、斷點(diǎn)等工具，逐步排查程序錯(cuò)誤，找到問題的根源。編程規(guī)范清晰易懂使用有意義的變量名、函數(shù)名和注釋，使代碼易于閱讀和理解。一致性遵循一致的代碼風(fēng)格，包括縮進(jìn)、命名約定和注釋風(fēng)格。錯(cuò)誤處理編寫健壯的代碼，包括錯(cuò)誤處理、異常處理和安全措施。調(diào)試技巧1代碼閱讀仔細(xì)閱讀代碼，識(shí)別可能存在錯(cuò)誤的語句或邏輯。2斷點(diǎn)調(diào)試使用調(diào)試器設(shè)置斷點(diǎn)，逐步執(zhí)行代碼，觀察變量的值和程序的執(zhí)行流程。3輸出信息在關(guān)鍵位置添加輸出語句，打印變量的值或程序執(zhí)行過程信息，幫助定位錯(cuò)誤。綜合案例分析通過實(shí)際應(yīng)用案例，加深對Fortran語言的理解，并學(xué)習(xí)如何將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問題中。數(shù)值計(jì)算應(yīng)用科學(xué)計(jì)算Fortran廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，例如物理學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等，用于解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。數(shù)據(jù)分析Fortran可用于處理大型數(shù)據(jù)集，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)建模等，為科學(xué)研究提供支持。數(shù)值模擬利用Fortran進(jìn)行數(shù)值模擬，可以模擬物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、工程系統(tǒng)等，幫助理解和預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)行為。工程應(yīng)用案例結(jié)構(gòu)分析Fortran在橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)分析中廣泛應(yīng)用，例如有限元分析。電子設(shè)計(jì)Fortran可用于電路仿真、信號(hào)處理等電子工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。汽車行業(yè)Fortran在汽車設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)模擬等方面發(fā)揮重要作用。課程總結(jié)回顧本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，掌握Fortran語言的基礎(chǔ)知識(shí)。理解Fortran語言的應(yīng)用場景，并能夠運(yùn)用其進(jìn)行簡單編程實(shí)踐。學(xué)習(xí)要點(diǎn)回顧基本語法結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符、關(guān)鍵字、數(shù)據(jù)類型、變量、常量、表達(dá)式、運(yùn)算符等