MATLAB应用第3章第2版 MATLAB程序设计.docx
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MATLAB应用第3章第2版MATLAB程序设计
第3章MATLAB程序设计
在以前所介绍的各种运算中,命令或函数的输入都是在命令窗口下进行的,这是一种计算器输入方式,其命令的执行属于交互式的,即:
在命令窗口逐条输入命令,MATLAB就逐条解释执行。
这种命令输入方式操作简单、直观,但随着指令数的增加,或程序复杂程度的增加,这种命令输入方式就显得繁琐(因为输入过程也伴随执行过程)、而且执行程序不能保留,不能反复使用。
为了解决这些问题,必须将程序保存在一个文件中。
在MATLAB中,这种文件是以.m为扩展名的,称为m文件。
3.1m文件
m文件是文本文件,它可以用任何文本编辑器编辑,如用记事本、word等编辑。
但是通常用MATLAB提供的文本编辑器编辑。
启动MATLAB文本编辑器编辑的方法有3种
1.菜单操作:
“file”菜单“new”“M-file”
2.命令按钮操作:
点击MATLAB主窗口工具栏上的“newM-file”按钮
3.命令操作:
在MATLAB命令窗口输入命令:
edit
打开的编辑器后,输入程序后,可以以m为扩展名保存在某一个目录中。
matlab的.m文件保存的命名规则:
1.文件名命名要用英文字符,第一个字符不能是数字
2.文件名不要取为matlab的一个固有函数,m文件名的命名尽量不要是简单的英文单词,最好是由大小写英文/数字/下划线等组成。
原因是简单的单词命名容易与matlab内部函数名同名,结果会出现一些莫名其妙的错误。
3、文件存储路径一定为英文
4、m文件起名不能有空格,如threephase,应该写成three_phase或者ThreePhase
如果要打开已有的m文件,方法也有3种
1.菜单操作:
“file”菜单“open…”,这时出现“open”对话框。
在“文件类型”下拉栏中选“M-files(.m)”,再在某一个目录中选择所需要的m文件
2.命令按钮操作:
点击MATLAB主窗口工具栏上的“openfile”按钮
3.命令操作:
在MATLAB命令窗口输入命令:
edit文件名
m文件分为两种,一种是脚本文件(命令文件),另一种是函数文件。
一、脚本文件
脚本文件就是以前在命令窗口输入的诸多命令的简单迭加,但是在输入过程中,并不伴随执行,而是全部输入完后保存下来,什么时候想执行就什么时候执行,命令完全按编写顺序执行。
这就解决了在命令窗口运行多条命令的麻烦,同时也可以使保存的程序反复使用。
例1用图形表示连续调制波形
及其包络线。
clearworkspace和clearcommandwindow
在MATLAB文本编辑器编辑
t=(0:
pi/100:
pi)';%<1>
y1=sin(t)*[1,-1];%<2>
y2=sin(t).*sin(9*t);%<3>
figure,plot(t,y1,'r:
',t,y2,'b');%<5>
axis([0,pi,-1,1]);title('连续调制波形');legend('包络线1','包络线2','调制波')
“debug(调试)”菜单“saveandrun”生成test1.m脚本文件,并运行它
注意workspace中的变量变化
如果workspace中原来没有储存变量,这时,m脚本文件中有几个变量,workspace中就会生成几个变量
而且,这些变量可以被其它命令或函数调用
例2在命令窗口输入
figure,plot(t,y2,'b')
在本例中,在命令窗口中,并没有给t,y2赋值,它们的数据都取自运行test1.m脚本文件时在workspace中生成的变量
同样,在workspace中的变量也可以被m文件调用
例3MATLAB文本编辑器编辑
y1=sin(t)*[1,-1];%<2>
y2=sin(t).*sin(9*t);%<3>
figure,plot(t,y1,'r:
',t,y2,'b');%<5>
axis([0,pi,-1,1]);title('连续调制波形');legend('包络线1','包络线2','调制波')
点击“file”菜单“saveas…”,生成test2.m脚本文件
在这个文件中,没有给变量t赋值
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入
t=(0:
pi/100:
pi)';
这时在workspace中生成t变量
在MATLAB文本编辑器中,“debug(调试)”菜单“run”
在本例中,m脚本文件中的程序是借助workspace中的t变量运行
以上所介绍的变量,无论是在命令窗口中赋值的,还是在m脚本文件中赋值的,只要能储存在workspace中,都称为全局变量
例10建立命令文件,将华氏温度f转换为摄氏温度c。
首先建立命令文件并以文件名f2c.m存盘。
clear;%清除工作空间中的变量
f=input('InputFahrenheittemperature:
');
c=5*(f-32)/9
然后在MATLAB的命令窗口中输入f2c,将会执行该命令文件,执行情况为:
InputFahrenheittemperature:
73
c=
22.7778
说明:
当使用键盘输入数据时,可以使用input函数,常用的格式有两种:
v=input('message')将“message”后面键入的内容赋给变量v。
可以输入数值、字符串、元胞数组等各种形式的数据
v=input('message','s')将键入的内容s作为字符串赋给变量v。
即,不管输入什么,总是以字符串的形式赋给变量v
'message'是将显示在屏幕上的字符串,是必不可少的
二、函数文件
m函数文件是以function为第1行的文件
它的基本结构如下:
function[输出变量列表]=函数名(输入变量列表)
注释说明语句段,由%引导
函数语句体
说明:
1.在[输出变量列表]中,如果只有一个变量,方括号可以省略
2.在这种文件中,输入变量列表中所列出的变量并没有被赋值。
因此m函数文件本身不能像m脚本文件那样独立地运行。
它只能被其它文件或命令调用。
在调用过程中,必须在命令窗口或其它文件中将输入变量列表中所列出的变量赋值。
3.函数的调用格式为:
[输出变量列表]=函数文件名(输入变量列表)
例4用图形表示连续调制波形
及其包络线。
在MATLAB文本编辑器编辑
function[y1,y2]=test3(t,n)
y1=sin(n.*t)*[1,-1];%<2>
y2=sin(n.*t).*sin(9*t);%<3>
figure,plot(t,y1,'r:
',t,y2,'b');%<5>
axis([0,pi,-1,1]);title('连续调制波形');legend('包络线1','包络线2','调制波')
点击“file”菜单“saveas…”,生成test3.m函数文件
在这个文件中,输入变量列表中的变量t,n并没有被赋值
下面是对这个函数文件的调用
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入
t=(0:
pi/100:
pi)';n=1;%n=1时,与例1的情况相同
[y1,y2]=test3(t,n);
在这个例子中,如果给t和n赋不同的值,可以产生不同的结果
例5用图形表示连续调制波形
及其包络线。
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入
t=(0:
pi/100:
pi)';n=2;%n=1时,与例1的情况相同
[y1,y2]=test3(t,n);
在上两个例子中,在workspace都产生变量t、n、y1、y2,这和test3函数文件中的出现的变量及其数目是相同的。
但是,这仅仅是巧合。
例6用图形表示连续调制波形
及其包络线和零点。
在MATLAB文本编辑器编辑
function[y1,y2]=test4(t,n)
y1=sin(n.*t)*[1,-1];%<2>
y2=sin(n.*t).*sin(9*t);%<3>
t3=pi*(0:
9)/9;
y3=sin(t3).*sin(9*t3);
figure,plot(t,y1,t,y2,t3,y3,'mo');axis([0,pi,-1,1]);title('连续调制波形');legend('包络线1','包络线2','调制波','零点')
点击“file”菜单“saveas…”,生成test4.m函数文件
与test3.m函数文件相比,test4.m函数文件中多了t3和y3变量,而且它们并没有出现在文件的输入列表或输出列表中
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入下面的命令,注意观察workspace的变化
t=(0:
pi/100:
pi)';n=1;%n=1时,与例1的情况相同
[y1,y2]=test4(t,n);
可以看到,虽然test4.m函数文件中多了t3和y3变量,但是在workspace并没有显示出来。
在workspace显示的是变量t、n、y1、y2。
实际上,变量t、n、y1、y2显示在workspace也是一种巧合。
例7用图形表示连续调制波形
及其包络线和零点。
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入下面的命令,注意观察workspace的变化
s=(0:
pi/100:
pi)';m=1;
[z1,z2]=test4(s,m);
这时,在workspace,根本看不到函数文件定义的变量。
以前之所以在workspace能看到函数文件定义的变量,那是因为在命令窗口输入的变量碰巧和函数文件定义的变量一致。
从上面的分析看到,m函数文件的变量与m脚本文件的变量不同,并不存在于workspace。
实际上,每当函数文件运行时,MATLAB专门为函数文件开辟一个临时工作区间(contextworkspace)。
该空间称为函数工作区间(functionworkspace)。
所有中间变量都存放在函数工作区间中,当MATLAB执行完函数文件的最后一条指令后,或遇到return命令时,就结束该函数文件的运行,同时该临时函数空间及其所有的中间变量立即被清除。
这些存在于函数空间的中间变量称为局部变量。
它产生于该函数的运行过程中,其影响范围仅限于该函数本身。
注意,在函数文件中也可以产生全局变量。
这时需要通过global指令预先定义。
由于全局变量会损害函数的封闭性,因此不提倡在函数文件中使用全局变量。
3.m函数文件的名称可以与函数名不同。
例8将test3.m另存为test5.m,并将它的函数名改为“sin”
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入
t=(0:
pi/100:
pi)';n=1;%n=1时,与例1的情况相同
[y1,y2]=test5(t,n);
为了避免混乱,函数文件名应该与函数名一致
注意,函数文件名不能和MATLAB中已定义的函数同名
例9将test3.m另存为sin.m
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入下面的命令
t=(0:
pi/100:
pi)';n=1;%n=1时,与例1的情况相同
[y1,y2]=sin(t,n);
3.2程序控制结构
组成计算机程序的一系列指令语句可以分成两类:
运算语句和控制顺序语句。
MATLAB编程的主要任务是安排调整好控制顺序语句,使运算语句的运行顺序合理,运算简捷.节省机时。
常用的控制顺序语句有三种:
顺序结构、循环结构和分支结构.
顺序结构语句就是从前到后,依照指令排列的自然顺序逐条执行;
循环和分支结构语句则不全按指令语句的自然排序执行,中途可以利用控制顺序语句改变执行次序.
一、顺序结构
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。
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('What''syourname?
','s')
What'syourname?
name
xm=
name
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=‘helloeveryone!
’;
disp(a)
执行结果:
helloeveryone!
注意:
用disp函数显示矩阵时将不显示矩阵的名字,而且其格式更紧密,且不留任何没有意义的空行。
例1输入x,y的值,并将它们的值互换后输出。
程序如下:
x=input('Inputxplease.');
y=input('Inputyplease.');
z=x;
x=y;
y=z;
disp(x);
disp(y);
例2求一元二次方程ax2+bx+c=0的根。
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))]);
执行结果:
a=?
6
b=?
12
c=?
21
x1=-1+1.5811i,x2=-1-1.5811i
str=num2str(A)convertsarrayAintoastringrepresentationstr.Convertedfloating-pointvalueshaveamaximumoffourdigitsofprecision,andanexponentifrequired.Forintegervalues,num2strreturnstheexactstringrepresentationofthevalue.
二、循环结构语句
在实际问题中经常会遇到许多有规律的重复计算,如某些程序中需要反复执行某些语句。
这就需要调用循环语句进行控制。
在MATLAB中提供两种循环方式:
for循环和while循环。
次数循环语句for-end:
fori=V
循环结构体
end
其中,i为循环变量,V为一个向量,循环变量i每次从向量V中取一个值,执行一次循环体的内容,如此下去,直到执行完向量V中所有的元素,最后将自动结束循环体的执行。
for循环的特点是,它的循环判断通常是对循环次数的判断。
在一般情况下,循环次数是预先设定好的。
例1用for循环语句求解
s=0;%定义变量s并赋初值
fori=1:
100%在循环体内,i不影响它在循环体外的预定义变量的作用
s=s+i;%分号应该加上,否则会显示大量中间结果
end
s
例2用for循环语句创建一个范得蒙矩阵
clear
a=input('输入范得蒙矩阵的基本向量a=');
n=length(a);
fork=0:
n-1%规定执行语句组的次数
D(k+1,:
)=a.^k;%给矩阵D的第(k+1)行赋值
end,D
给文件起名“li2”(可随意),并存盘
在指令窗中键入li2,回车则屏幕显示:
输入范得蒙矩阵的基本向量a=
键盘输入:
[4523]
for语句更一般的格式:
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
已知5个学生4门功课的成绩,求每名学生的总成绩。
程序如下:
s=0;
a=[65,76,56,78;98,83,74,85;0,0,0,0;98,58,42,73;67,...
89,76,87];
fork=a
s=s+k;
end
disp(s');
执行结果:
2753400271319
条件循环语句while–end
while(条件式)
循环结构体
end
其中,条件式是一个逻辑表达式,若其值为真(非0),则将自动执行循环体内容,执行后再判断条件式的真伪,为真则继续执行循环体内容,否则退出循环体结构。
由于while语句具有判断控制功能,不是简单的定数循环,因此比for循环语句更灵活些,适用范围也就更广些。
例3用while循环语句求解
s=0;i=1;%定义变量s和i并赋初值
while(i<=100)%i<=100时在循环体内,否则退出循环体
s=s+i;i=i+1;%i作为计数用
end
s
事实上,前面的求和可以用MATLAB提供的sum()函数对整个向量1:
100进行直接操作来实现:
sum(1:
100)
这样做程序更简单了。
这是向量化方式求和。
例4求满足
的最小m值
这个问题用for循环不便求解,应该用while循环
s=0;m=0;%定义变量s和m并赋初值
while(s<=10000)%s<=10000时在循环体内,否则退出循环体
m=m+1;s=s+m;
end
[s,m]
例5用循环语句和向量化方式求解级数求和问题
可以用tic(启动计时器),toc(关闭计时器)命令侧出两种方法计算所需要的时间:
tic,
s=0;
fori=1:
100000,
s=s+1/2^i+1/3^i;
end;
s
toc
tic,
i=1:
100000;
s=sum(1./2.^i+1./3.^i)
toc
对这个问题来说,向量化所需的时间约相当于循环结构的40%,故用向量化的方法可以节省时间
二、分支结构(条件转移)语句
在复杂的计算中,常常需要根据表达式是否满足条件来确定下一步该做什么。
MATLAB提供了if语句来进行判断选择
单条件分支语句if-end
if条件
语句组
end
当条件成立时,执行语句组。
执行完后继续执行后续语句。
若条件不成立,直接执行后续语句。
例6每个苹果价格是25,购买量超过5个时,给与20%的折扣。
问买10个苹果需要多少钱?
apples=10;%苹果的数目
cost=apples*25;%不打折扣时购买苹果的费用
ifapples>5
cost=(1-20/100)*cost;%购买量超过5个时,给与20%的折扣
end
cost
双条件分支语句if–else-end
if条件
语句组1
else
语句组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,再执行后续语句。
例7计算分段函数:
x=input('请输入x的值:
');
ifx==10
y=cos(x+1)+sqrt(x*x+1);
else
y=x*sqrt(x+sqrt(x));
end
y
例8编程执行下述任务:
输入一个数n,若使函数
,就显示“y>100";否则显示“y<100”。
解:
clear,n=input('n=')
ifn^2-n^3*sin(n)<=100
'y<=100'
else
'y>100'
end
递阶选择多分支语句if–elseif–else-end
if条件1
语句组1
elseif条件2
语句组2
……
elseif条件m
语句组m
else
语句组n
end
例9由键盘输入任一自变量时,判断函数
y是负数、偶数,还是其他。
解:
先判断函数y的正负,再判断其奇偶性
clear,x=input('输入自变量x=')%由键盘输入自变量x
ifx^4-19*x^3+32<0%判断函数y是否为负数
a='negatixe'
elseifrem(x^4-19*x^3+32,2)==0%判断y是否为偶数
a='even'
else
a='other'
end
(求余数函数rem(x,y):
y不等于0时,rem(x,y)=x-y*fix(x/y);y=0时,rem(x,y)=NaN)
循环和分支语句可以互相嵌套,形成更为复杂结构的程序语句。
例10鸡兔同笼,共有36个头、100只脚,问鸡兔各有多少?
解:
鸡有两只脚,兔有四只脚。
若设鸡兔共有P个头、q只脚,又设有n只鸡,则(q-2n)应该能被4整除,其商数即为兔的只数。
clear,p=input('总头数p=');q=input('总脚数q=');
n=1;%设鸡起码有1只,可以多设
while1%while后的逻辑值为l时将无限循环下去
ifrem(q-n*2,4)==0&(n+(q-2*n)/4)==p
break%遇此指令则跳出包含它的最小循环语句
end
n=n+1;
end,
disp('鸡的只数'),n,disp('兔的只数'),p-n
指令窗中调用该文件时输入p=36,q=100,则得出鸡数和兔子数。
3.break语句和continue语句
与循环结构相关的语句还有break语句和continue语句。
它们一般与if语句配合使用。
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3-12求[100,200]之间第一个能被21整除的整数。
程序如下:
forn=100:
200
ifrem(n,21)~=0
continue
end
break
end
n
多路选择分支语句switch-case-otherwise–end
有些运算是根据满足的条件来选择运算步骤(用语句组实现)的,多路选择分支语句就满足了这种需求。
switch数值或字符串表达式
case数值或字符串1
语句组A1
case数值或字符串2
语句组A2
……
case数值或字符串m
语句组Am
otherwise
语句组An
end
说明:
switch语句将根据开关表达式的取值不同,分别执行不同的语句。
当开关表达式输出的数值(或字符串)与某个case后的数值i(或字符串)一致时,就执行该case后的语句组Ai;若它跟任意case后的数值i(或字符串)都不一致,就执行最后一个语句组An。
“多路选择分支语句
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