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MATLAB第6章 M文件程序设计基础


第6章

M文件程序设计基础
第1节 M文件

MATLAB有两种工作模式:一种是在命令中 直接输入简单的命令,适于处理计算量不大的 问题;另一种是M文件的编程工作方式,可以 进行大量的重复性的计算和输入。
?MATLAB 的 命 令 文 件 (script) 和 函 数 文 件 (function),是一个简单的ASC

II 码标准文本 文件,扩展名为“.m”。

? 该文本文件可以用任何文字处理软件对进编辑, 也可以用“type filename.m”形式在命令工作空间 打开 ?MATLAB是解释性编程语言,逐句解释运行程序 ?MATLAB的各种工具箱都是用M文件组成,除内 嵌(built-in)M文件以外,用户可以对其进行修改和扩 充,进行二次开发

?M 文 件 编 辑 器 是 MATLAB 自 带 的 , 是 一 个 Windows 的 标 准 界 面 , 主 要 有 file,edit,view,debug,breakpoint和text等菜单栏,上机时 参考P17第一章第4节M文件编辑器

?有两种形式,一种是命令文件(Script-file),另 一种是函数文件(Function-file) 命令文件 函数文件
形式 参数 不需要说明 第一行用function说明 没有输出和返回参数 可以接受和返回参数

数据
应用 运行 形式

变量为全局变量,既为 变量为函数内部变量,也 工作空间变量 可以处理全局变量 是调用一系列命令和 反复调用,可改变参数, 函数的集合,便于修改 可用于扩充函数库
直接调用(文件名) 不能 文件名且带实参调用

内部 函数

可以编写和调用内部函 数

一、命令文件
?其实就是一段命令的集合 ?产生的变量都是全局变量,可以用clear清除 ?运行此类文件前,须指定文件的位置 ?cd “盘符:\路径” ?“current directory”快捷键选择当前工作目录 ?步骤 ?打开已有文件:file?open?文件名(.m可省 略) ?新建:file?new ?进入编辑器:编辑m文件 ?保存:file?save?文件名(.m可省略) ?运行:debug?run 或 命令行键入M文件名

【例6-1】 建立命令文件,绘制花瓣图。
theta = -pi:0.01:pi; rho(1,:) = 2*sin(5*theta).^2; rho(2,:) = cos(10*theta).^3; rho(3,:) = sin(theta).^2; rho(4,:) = 5*cos(3.5*theta).^3; for k =1:4 % 循环控制 polar(theta ,rho(k,:)) % 绘制极坐标图 pause; %暂停 end

二、函数文件 ?函数文件第 1 行为函数定义行 function [返回参数表]=函数名(输入参数列表) MATLAB以关键词function开头,把M文件定义 为一个函数文件,指出函数名、函数文件名、输 入参数和返回参数。 function y = subfun( t ) ? 函数名最好要和函数文 件名一致,通过函数文 if sum(t)>0 y=abc(t); 函数文件 件名调用函数 subfun.m else y=cba(t); ? 函数文件内部定义的函 End 数,通过函数名调用 function y=abc(t); 例:subfun.m
subfun(-7:4) subfun(-1:4)
y=2*t; function y=cba(t) y=2*t;

?函数文件的一般格式 ?函数定义行 function [返回参数表]=函数名(输入参数列表) ?函数名一般要与函数文件名相同 ?如果有多个输入参数,用逗号(,)分隔参数 ?如果有多个返回参数,则用方括号([ ])括起来, 且参数之间以逗号(,)分隔 形如:function [xx,yy,zz]=meshgrid(x,y,z) ?H1行:可缺省,以%开头,主要包括大写体的函数名, 运用关键词简要的描述函数功能 ?在线函数帮助内容 可缺省,以%开头,祥细的内容说明,可以用help 函数名,查看。如:P189 help average ?函数体,函数的核心部分

【例6-2】 建立函数文件,计算矢量中元素的平均值。
function y = average(x) % AVERAGE Mean of vector elements. % AVERAGE(X), where X is a vector, is the mean of vector. % Non-vector input results in an error. [m,n] = size(x); if (~((m == 1) | (n == 1)) | (m == 1 & n == 1)) error('Input must be a vector') end y = sum(x)/length(x); % Actual computation

命令窗口调用:
Z=1:99 average(Z)

?函数参数的传递
利用函数的输入、输出参数传递这一点,可以在较大 计算中灵活的处理数据。只要修改函数的传递参数, 而不影响程序整体。

?同其他高级语言一样,函数可以调用自身,也就 是递归。 设置出口 例如求阶乘 条 件
function y=ff(n) if n= =1 y=1; return; else y=n*ff(n-1); return; end;

递归

b=ff(9);c=ff(3) whos %看不到ff函数内部的变量

?函数文件是一个“黑箱”,外界只能看到输入和 输出变量。函数内部的变量只在内部起作用是局 部变量,若要定为全局变量,还需用global 声明

in

Function body

out

?命令文件的全局变量执行后仍在工作空间中,而 函数文件的局部变量在函数运行后即被自动清除 ?命令文件内部不能定义函数 ?它们也是以“.m”为扩展名

三、局部变量和全局变量
? 局部变量:函数体内部的变量,不能在函数 体以外使用 ? 全局变量:在MATLAB的工作空间和所有 的函数体内都能使用的变量
? 函数文件对全局变量赋值之说明: global

? 尽量使用大写 ? 尽可能避免使用全局变量,用函数的参 数来传递数值,可提高程序的灵活性

四、永久变量:系统预定义变量

(Predefined variable)

?clear命令不能清除 ?Who或Whos看不到 ?用户可以对其赋值,但clear后又恢复到初始 系统设定状态
例补1:无穷大inf y=1/0 %无穷大 inf 1/y %0

?常用永久变量列表
永久变量 ans eps Inf或inf pi i或j Nan或nan nargin nargout realmax realmin 定 义 计算结果缺少变量名 容差:定义为1.0到最近浮点数的距离 无穷大,定义为1/0 圆周率π 虚数单位i,j 非数(not a number),如0/0 函数输入总量数目 函数输出总量数目 最大的浮点数 最小的浮点数

五、基本表达式(手写式)
?常用格式
? 表达式 ? 变量=表达式

?书写规则
? 表达式由变量、运算符、函数名组成 ? 按常规的优先级别从左至右执行 ? 优先级别:指数运算最高,乘除运算次之, 加减运算级别最低 ? 括号内的表达式优先运算
? 表达式末尾加“;”,系统将不显示计算结果, 提高运算速度,否则将逐条显示语句运算结果

?MATLAB允许一次返回多个结果(等 号“=”左边用[ ]括起来的变量列表,变 量之间用逗号分隔)
例补2:

[x,y,z]=peaks
plot3(x,y,z)

%返回三个量

第2节 M文件调试的主要功能
在运行MATLAB程序时,发现错误,系统会 提示错误的行位置及错误原因。对此,用户可以 “对症下药”。
一、

debug菜单

?step 单步执行当前行 ?step in 深入函数

?step out 跳出函数(例test_debug.m)
?save & run 保存并运行 或 F5 ?Go until cursor 直接运行到光标所在的位置 ?exit debug mode 退出调试

二、breakpoint 断点设置
? set/clear breakpoint 设置/清除断点 ? clear all breakpoint 清除所有断点 ? stop if warning 如有警告信息停止程序运行 ? stop if NaN or Inf 如现非数或无穷大就停止 程序运行

第3节 MATLAB 数据类型
1、数据结构
MATLAB是一种面向数组(Array)的编程 语言,其他数据类型的最大特点是每一种类 型都以数组为基础,从数组中派生出来的。 MATLAB有6种基本的数据类型: numeric(数值数组); char(字符数组); struct(结构) ; cell(单元数组) ; java类

function handle (函数句柄 );

数组

字符型 char 双精度 double 稀疏数据 sparce

数值型 numeric

单元数组 cell

结构数组 struct

存储型 storage(如:int8,unit8等)

MATLAB数据结构图

?存储型是一个虚拟数据类型,包括:int8(8位整 型 ),uint8(8 无 符 号 整 型 ),int16(16 位 整 型 ),uint16(16 无 符 号 整 型 ),int32(32 位 整 型),uint32(32无符号整型) ?最常用的数据类型是双精度类型和字符型。所有 的MATLAB计算都把数据当作双精度型处理 ?其他数据类型只在一些特殊条件下使用

? 8位整型一般用于储存图像数据 ? 存储型数组一般只用于内存的有效储存,可对这 些类型数组进行操作,但不能进行任何数据运算。 ? 如果要运算则必须用double函数 把它转换为双精 度类型

2、字符串数组
?所有字符串都用单引号括起来 ?字符串中每一个字符都是变量的一个元素 ?字符串中的字符以ASCII码形式储存并区分大小 写,用abs函数可以得到字符的ASCII码 ?常用字符串处理函数 ?建立字符串数组 ?直接赋值 例补3
a=?This is a book? a(1) ; % T a(4) % s

?中文字符串数组,每个“汉字符”为一个数组单元
例补4 A=?这是一本书’

?带引号字符的数组
例补5 B=?This is a book”本”’

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1
7

T h i s i s a b o o k ” 本 ” ?矩阵长度函数 length(X):矩阵行向量长度 size(X):矩阵大小
例补6
length(B) %17 size(B) %[1 17]

?有效字符串连接 a)直接连接
例补7 ab=[A,B] la=length(A) %字符串长度函数 lb=length(B) lab=length(ab)

b) strcat函数连接 concatenate
例补8 cd=strcat(A,B) lcd=length(cd) a='this is?; b=[a,' '] strcmp(a,b) %字符串比较函数 c=a; strcmp(a,c)

?strcmp(A,B) 字符串数组比较

逐个比较两个字符串数组的元素,都相等 则返回1,否同返回0 (见上例)

?求ASCII码:①将字符串转换为ASCII码值 abs(X):X为字符串数
另外,abs函数还可求②复数矩阵的模, ③实数的绝对值

?多行字符串数组直接创建
AB=[S1;S2] 要求:S1和S2长度相同,以保证各行长度相等

例补9 length(a) length(A) ab=[a;A,? ?] %补2个空格 ab(1,1) ab(2,1) ab=[a;A] %出现错误因长度不同,不能组合
注意:汉字符在内存中占2个字节,英文字符 占1个字节;而在字符串数组中,每一个字 符占一个单位空间,不管它是汉字符还是 英文字符。

?字符型转换函数
?用字符串函数建立字符串数组
s=char(t1,t2,t3,…) s=str2mat(t1,t2,t3,…) s=strvcat(t1,t2,t3,…)

t1,t2,t3,…是字符串,可以是字符串变量,也可以直 接用单引号括起来的字符串常量。三个函数都是生 成字符串数组(多行),不用补加空格。 例补10 s1=char(a,A,B) s2=str2mat(a,A,B) s3=strvcat(a,A,B)

3、单元数组

单元数组(Cell Array)是一种比较特殊 的MATLAB数组,有的资料称之为元胞数组。 它的基本成分为单元,每一个单元中又可以 包含其他类型的MATALB数组。
各单元在数组中是平等的,彼此以下标区分。 单元可以存放任何类型、大小的数组, 且单元数组内的各单元内容可以彼此不同。

单元数组的维数不受限制,其编址方 法同样可以是单下标编址和全下标编址。
单元数组中的“单元”与“单元的内容”是两 个不同的概念。它们分别用圆括号和花括号表 示。 A(2,3)指A单元数组中第二行第三列单元元素
A{2,3}代表A单元数组中第二行第三列的单元元 素中所存取的内容。 ?单元数组的建立 ?利用赋值语句建立单元数组
?用小括号括起单元下标,赋值等号右边用花括号括 起单元内容

例补11
clear A(1,1)={?matlab?} %字符串 A(1,2)={6.0} %数值 A(2,1)={?矩阵’} %中文字符串 A(2,2)={[2 3 4;23 1 4;5 4 8]} %矩阵 A %显示A的单元 A(2,2) %A(2,2)单元元素 A{2,2} %A(2,2)单元元素内容

?用花括号括起单元下标,等号右边直接赋值

例补12
clear A{1,1}=?matlab? %字符串 A{1,2}=6.0 %数值 A{2,1}=?矩阵’ %中文字符 串 A{2,2}=[2 3 4;23 1 4;5 4 8] %矩阵 ?利用单元数组法建立单元数组 ?用花括号直接赋值,单元与单元之间用逗号、空格 或分号(分行)隔开,一次完成 A={?matlab?, 6.0; ?矩阵’, [2 3 4;23 1 4;5 4 8]}

?利用函数cell建立空的单元数组 cell用来预分配指定大小的单元数组。 ?c=cell(n) 建立n×n的单元数组,单元是空矩阵 ?c=cell(m,n) 或c=cell([m,n]) 建立m×n的单元 数组,单元是空矩阵 ?c=cell(size(A)) 建立与A同维的单元数组,各单 元是空矩阵

?单元数组的访问和显示
? 利用花括号访问单元内容(只能访问一个单位),返 回的是元素内容的数值类型 如:A{1,1} ?利用圆括号访问单元子集,返回的是一个单元数组 (cell) 如:A(:,1)

?常用单元函数
? celldisp(A)
显示单元数组全部或部分内容

? cellplot(C,?legend?) 用图形显示单元数组内容, 其中legend用于实现色彩图例,大白方格表示单 元,用方格表示所存数组元素,色彩表示数据属 性

例补13
celldisp(A) celldisp(A(:,2)) cellplot(A,?legend?)

例:用单元数组建立下表档案
姓名 性别 年龄
张三 李四 王二 男 女 男 19 18 18
政治面貌

英语 政治 高数
85 90 80 75 80 85 95 96 97

团员 团员 团员

则 dangan{1,1}='张三'; dangan{1,4}='团员'; dangan{2,1}='李四'; dangan{2,4}='团员'; dangan{3,1}='王二'; dangan{3,4}='团员';

dangan{1,2}='男'; dangan{1,3}=19; dangan{1,5}=[85 75 95]; dangan{2,2}='女'; dangan{2,3}=18; dangan{2,5}=[90 80 96]; dangan{3,2}='男'; dangan{3,3}=18; dangan{3,5}=[80 85 97];

4、结构数组

结构数组(Structure Array)与单元数组一样,能在 一个数组存放各类数组,其基本成分是结构(Structure)。 数组中的每一个结构相等,它们以下标区分。

结构以“域”为单位,数据不能直接存在结构上,而 是放在“域”中,数据可以是任何类型、大小的数组, 而且不同结构的同名域中存放的内容可以不同。 ?直接建立结构数组 格式:结构名.域名.子域名.…=…. 结构名、域名和子域名之间用点号“.”分隔,赋 值完毕,结构数组也就形成,只有访问到子域的最底 层,才能见到数据。

例补14:建立如下结构的结构数组 bridge.name=?XX 大桥’ bridge.position=?顶板’ bridge.position.group=?2组’ %对bridge.position再赋


bridge.position.value=[28.4 29.4 30.1;26.8 29 28.8] bridge.heigth=56 bridge name position heigth

group

value

?用struct函数建立 S=struct(?field1?,values1,?field2?,values2,…) 指定的域名和各域的数据
例补15 s=struct(?name?,?XX 大 桥 ’ ,?position?,{?2 组’,[ 28.4 29.4 30.1;26.8 29 28.8]},?heigth?,56) s.name s.position s.height

5、数据文件的存取 ?.mat文件:load 和 save
?save 文件名 :保存工作空间所有变量 ?save 文件名 变量名 变量名 变量名 保存指定变量,变量名之间以空格分隔 ?load :导入指定文件中的所有变量 ? S=load(文件名) :将文件中的变量传递给结 构数据S ?.txt, .dat等ASCII文件: load 和 save ?.bmp, .jpg, .tif等图像文件:imread和imwrite ?.wav声音文件:wavread和 wavwrite ?.avi音影文件:aviread和avifile 6、数据输入向导(试验)

第4节 MATLAB程序设计
一、运算符和操作符 MATLAB的运算及操作符与Pascal、C相差不多, 主要区别在于对矩阵的运算操作上。以下主要介绍与 已往学习中不同的以及前面章节中未提到过的运算和 操作符。 ?运算符 ?\ :左除 ?/ :右除 ?操作符 ? .. :上一级目录 ? … :对于很长的语句,一行写不下,可在该行 末尾加3个或更多的点,表示此行未完,下一行 继续

二、关系运算与逻辑运算
MATLAB对此类运算符有如下规定 ?所有的关系表达式或逻辑表达中,任何非0数 都是“逻辑真”,只有0才是“逻辑假” ?关系表达式或逻辑表达式的计算结果是一个 由0和1组成的“逻辑数组(Logical Array)”,数 组中1表示真,0表示假 ?逻辑数组是一种特殊的数值数组,与“数值 数组”有关的操作和函数对它也适用,具有 自身的特殊用途 ?优先级别: 算术运算?关系运算?逻辑运算

三、程序的流程控制
1、顺序结构 同其他高级语言 2、循环结构 为提高效率,MATALB程序中应避免使用循环 结构,尽量找到一个等效的数组方法或现成的函 数、命令代替
?for-end 格式:for x=array commands end

?array是数组,可以是数值型数组:整数、小数, 负数;可以是字符串数组;也可以是单元数组; ?循环变量以数组的列为单位 ? 循环次数等于数组的列数,且循环次数在执行过 程中不变

?可以使用循环嵌套,注意:for-end对应

? 在循环指令前,尽量对数组进行预定义(用 size帮忙),以提高速度 【例6-4】for循环的嵌套。 【例6-3】简单的for循环 m=3;n=4; 示例。 for i=1:m n=10; for j=1:n for i=1:n a(i,j)=1/(i+j-1); x(i)=(i+1).^2; end End end
【例6-5】运用非1步长for循环,产生0~20以内的偶数

for i=0:2:20 a(i/2+1)=i; end

?while-end 格式:while expression commands expression end ? 这是一个“当型”循环,当表达式(expression) 为真(非0)时,才执行循环体内的语句 (commands)。 ?如果expression为一数组时,则只有当该数组所 有元素均为真时,才会执行循环体。
【例6-6】求解使n!达到100位数的第一个n是多少?

n=1;
while prod(1:n)<1e100 %prod是相乘的函数 n=n+1; end

3、条件语句
?格式1:if expression statements end ?格式2: if expression1 statements1 else statements2 end
【例6-7】应用if-else-end条件语句,判断学生是否通过学业。 attendance=0.91;grade=90 if ((attendance>=0.90) & (grade>=60)) % 判断出席率和成绩 pass = 1; % 满足条件为通过 else fail = 1; % 否则为不通过 end;

?格式3:if expression1

statements1 elseif expression2 statements2 … else statementsn end

【例6-8】用色彩区分数据点的范围。 n=100; x=1:n; y=randn(1,n); % 建立100个元素的随机行矢量 hold on for i=1:n if y(i)<-1 plot(x(i),y(i),'*g') % 小于-1的点用绿色的*标出 elseif y(i)>=-1 & y(i)<=1 plot(x(i),y(i),'ob') % 在-1与1之间的点用兰色的o标出 elseif y(i)>=1 plot(x(i),y(i),'xr') % 大于1的点用红色的x标出 end end hold off

4、分支语句

?switch-case-end 格式:switch switch_expr case case-expr1 检测值可以是 statements1 任何类型 case {case-expr2, case-expr3 …} statements2 2个以上的元素, … 用花括号“{}” otherwise statementsn end

表达式的结果应 为标量或字符串

switch-case-end ?switch_expr可以是任何类型表达式,表达式的结 果应为标量或字符串 ?case_expr检测值可以是任何类型,如果是2个或2 个以上的元素,则应用花括号“{}”括起来

?如果switch_expr存在于检测值case_expr中,则 执行与之最先匹配的case_expr对应的语句,然后 跳出switch结构 ?检测值case_expr中没有与switch_expr匹配的值, 如有otherwise语句则先执行其后的语句,然后退 出 switch 结 构 ; 如 无 otherwise 语 句 则 直 接 退 出 switch结构

【例6-9】使用switch-case-end语句,检查输入数据的值。 input_num=input('input_num=') switch input_num case -1 disp('negative one'); % 当input_num=-1时显示 case 0 disp('zero'); % 当input_num=0时显示 case 1 disp('positive one'); % 当input_num=1时显示 otherwise disp('other value'); % 当input_num等于其他值时显示 end

5、检测语句 try-catch 检测错误并改变流程。 格式: try
statements1

catch
statements2

end ?statements1正确执行后,跳出结构 ?statements1错误执行catch的statements2 ?lasterr 显示系统最后错误信息

【例6-10】使用try-catch语句,判断错误语句。 clear n=4; a=magic(3); % 设置3×3矩阵a try a_n=a(n,:), % 取a的第n行元素 catch a_end=a(end,:), % 如果取a的第n行出错,则改取a的最后一行 end lasterr % 显示出错原因

6、其他流控制语句 ?continue 跳过循环体中剩余的语句,继续执行下 一次循环

【例6-11】使用continue语句,显示文件行数。 fid = fopen(?magic.m?,?r?); % 打开magic.m文件 count = 0; % 计数器置零 while ~feof(fid) % 循环的判断条件:是否文件末尾 line = fgetl(fid); % 从文件中读当前行 if isempty(line) | strncmp(line,'%',1)
% 判断是否为空行或注释行

continue % 如果是空行或注释行继续下一次循环 end count = count + 1;% 如果不是空行或注释行计数器加1

end
disp(sprintf('%d lines',count)); % 显示剔除空行和注释语句后的行数

? break 终止所在for 和while循环体的执行
【例6-12】break语句的用法。
fid=fopen('fft.m','r'); % 打开fft.m文件 s=??; % 创建空的字符数组 while ~feof(fid) % while循环的判断条件:是否文件末尾 line=fgetl(fid); % 从文件中读行 if isempty(line) % 如果是空行 break % 退出循环 end s=strvcat(s,line); % 如果不是空行,将该行写入字符数组 end disp(s) % 显示字符数组结果

?return 终止当前的命令序列,并返回到调用的 函数或键盘 function d=det(A)
if isempty(A) %空矩阵则返回 return else ... end

?几个终止程序语句的区别 ? break 终止所在最内层的循环 ? return 终止当前所在函数的运行,控制返回到 上一级函数或系统 ? continue 跳过循环体剩余语句,执行下一次循环 ? error 终止整个程序,控制返回到键盘 ? exit 终止MATLAB程序

7、程序设计的优化
?矩阵运算替代循环运算,如:

sum,prod,mean,std,diag,eye
?对数据预定义

8、信息提示语句 ?R=input(?message?)
功能:根据信息(message)键入数值、字符串、表达式 给变量R,如果是字符串则首\尾必须用单引号

?error(?message?)
功能:显示错误信息并中止当前程序的运行,将控制 返回键盘。如果是空字符串,则error不起作用。

?格式:warning(?message?)
功能:显示警告信息,并继续运行程序。

9、Echo命令
控制M文件在执行过程中显示与否 ?Echo on 显示其后所有执行文件的指令 ?Echo off 不显示其后所有执行文件的指令 ?Echo 在上面两种状态之间转换

第5节* 函数句柄
函数句柄是一种特有的语言结构,用于在使 用函数过程中保存函数相关的信息,特别是关于 函数执行的信息。 一、优点 1、实现函数间相互调用 2、提高重复执行的效率 3、获得函数加载的所有方式 4、提高函数调用过程中的可靠性 5、减少程序设计中的冗余 6、拓宽子函数以及局部函数的使用范围

二、函数句柄的创建和显示 ?用特殊符号“@”引导函数名,即可以实验相 应的函数句柄定义 ?函数句柄的数据类型:function_handle array ?functions(函数句柄) 返回函数句柄对应的函 数名、类型、文件类型以及加载方式 等
【例8-18】 显示函数句柄的内容。
h01=@plot %创建函数句柄:内嵌函数 %创建函数句柄:m文件 functions(h01) %显示函数句柄的信息 h02=@exp8_10.m functions(h02) %显示函数句柄的信息

三、函数句柄的调用和操作 feval函数实现函数句柄的调用 ?[y1,y2,…]=feval(fhandle,x1,x2,…,xn) 执行 函数句柄fhandle,调用参数x1,x2,…,xn
【例8-19】 创建membrane函数的函数句柄,并运行该函数。 h01=@membrane %MATLAB的标识 feval(h01,1,15,9,2) x=0:0.1:3*pi; y=cos(x); feval( @plot ,x, y);

?函数句柄与函数名字符串之间的转换 ?func2str 函数句柄转换为字符串 ?Str2func 字符串转换为函数句柄
【例8-20】函数句柄与函数名之间转换。 h01=str2func(?plot?) %函数句柄 h01s=func2str(h01) %字符串 isa(h01,?function_handle?) %判断是否指定的数据类型 isequal(h01,@plot)


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