第五章MATLAB程序设计.docx
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第五章MATLAB程序设计
第五章MATLAB程序设计
假如想灵活运用MATLAB去解决实际问题，想充分调动MATLAB——科学技术资源，必须涉及比较深层的MATLAB内容：
脚本；函数（一般函数、内联函数、子函数）；函数句柄的创建和使用；程序调试；面向对象编程。
第一节M文件及程序运算符
一、M文件概述
用MATLAB语言编写的程序，称为M文件。
M文件可以根据调用方式的不同分为两类：
命令文件（ScriptFile）和函数文件（FunctionFile）。
例：
分别建立命令文件和函数文件，将华氏温度f转换为摄氏温度C。
①首先建立命令文件并以文件名exam5_1.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exam5_1，将会执行该命令文件，执行情况为：
>>exam5_1
InputFahrenheittemperature：
73
c=
22.7778
②首先建立函数文件f2cc.m。
functionc=f2cc（f）
c=5*（f-32）/9
然后在MATLAB的命令窗口调用该函数文件。
>>f2cc（82.6）
ans=
28.1111
二、M文件的建立与打开
M文件是一个文本文件，它可以用任何编辑程序来建立和编辑，而一般常用且最为方便的是使用MATLAB提供的文本编辑器。
1、建立新的M文件
为建立新的M文件，启动MATLAB文本编辑器有3种方法：
（1）菜单操作。
从MATLAB主窗口的File菜单中选择New菜单项，再选择M-file命令，屏幕上将出现MATLAB文本编辑器窗口；
（2）命令操作。
在MATLAB命令窗口输入命令edit，启动MATLAB文本编辑器后，输入M文件的内容并存盘；
（3）命令按钮操作。
单击MATLAB主窗口工具栏上的NewM-File命令按钮，启动MATLAB文本编辑器后，输入M文件的内容并存盘。
2、打开已有的M文件
打开已有的M文件，也有3种方法：
（1）菜单操作。
从MATLAB主窗口的File菜单中选择Open命令，则屏幕出现Open对话框，在Open对话框中选中所需打开的M文件。
在文档窗口可以对打开的M文件进行编辑修改，编辑完成后，将M文件存盘；
（2）命令操作。
在MATLAB命令窗口输入命令：
edit文件名，则打开指定的M文件；
（3）命令按钮操作。
单击MATLAB主窗口工具栏上的OpenFile命令按钮，再从弹出的对话框中选择所需打开的M文件。
三、程序运算符
1、程序说明
编辑器用颜色区分程序内容的类别，分别为：
绿色—注解部分，程序并不不执行，用%开头。
黑色—程序主体部分。
红色—属性值的设定。
蓝色—控制流程，比如for，if…then等语句。
2、程序运算符
（1）数学运算符
+，-，.*，./，'，.^，:
（2）关系运算符
>，<，<=，>=，==，~=
（3）逻辑运算符
&，|，~
以上所介绍的仅仅是部分重要并且常用的运算符，详细内容可使用helpmatlab\ops查看。
第二节程序控制结构
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'）;
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：
①输入x,y的值，并将它们的值互换后输出（exam5_2.m）。
x=input（'Inputxplease.'）;
y=input（'Inputyplease.'）;
z=x;
x=y;
y=z;
disp（x）;
disp（y）;
②求一元二次方程ax2+bx+c=0的根（exam5_3.m）。
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））]）;
3、程序的暂停
暂停程序的执行可以使用pause函数，其调用格式为：
pause（延迟秒数）
如果省略延迟时间，直接使用pause，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命令。
二、选择结构
1、if语句
在MATLAB中，if语句有3种格式。
（1）单分支if语句：
if条件
语句组
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if语句的后继语句。
例：
计算分段函数的值（exam5_4.m）。
x=input（'请输入x的值:
'）;
ifx<=0
y=（x+sqrt（pi））/exp
（2）;
else
y=log（x+sqrt（1+x*x））/2;
end
y
（3）多分支if语句：
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
语句用于实现多分支选择结构。
例：
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的数值，若为其他字符则原样输出（exam5_5.m）。
c=input（'请输入一个字符','s'）;
ifc>='A'&c<='Z'
disp（setstr（abs（c）+abs（'a'）-abs（'A'）））;
elseifc>='a'&c<='z'
disp（setstr（abs（c）-abs（'a'）+abs（'A'）））;
elseifc>='0'&c<='9'
disp（abs（c）-abs（'0'））;
else
disp（c）;
end
2、switch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表达式1
语句组1
case表达式2
语句组2
……
case表达式m
语句组m
otherwise
语句组n
end
当表达式的值等于表达式1的值时，执行语句组1，当表达式的值等于表达式2的值时，执行语句组2，…，当表达式的值等于表达式m的值时，执行语句组m，当表达式的值不等于case所列的表达式的值时，执行语句组n。
当任意一个分支的语句执行完后，直接执行switch语句的下一句。
例：
某商场对顾客所购买的商品实行打折销售，标准如下（商品价格用price来表示）：
price<200 没有折扣
200≤price<500 3%折扣
500≤price<1000 5%折扣
1000≤price<2500 8%折扣
2500≤price<5000 10%折扣
5000≤price 14%折扣
输入所售商品的价格，求其实际销售价格（exam5_6.m）。
price=input（'请输入商品价格'）;
switchfix（price/100）
case{0,1} %价格小于200
rate=0;
case{2,3,4} %价格大于等于200但小于500
rate=3/100;
casenum2cell（5:
9） %价格大于等于500但小于1000
rate=5/100;
casenum2cell（10:
24） %价格大于等于1000但小于2500
rate=8/100;
casenum2cell（25:
49） %价格大于等于2500但小于5000
rate=10/100;
otherwise %价格大于等于5000
rate=14/100;
end
price=price*（1-rate） %输出商品实际销售价格
3、try语句
语句格式为：
try
语句组1
catch
语句组2
end
try语句先试探性执行语句组1，如果语句组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，并转去执行语句组2。
例：
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（exam5_7.m）。
A=[1,2,3;4,5,6];B=[7,8,9;10,11,12];
try
C=A*B;
catch
C=A.*B;
end
C
lasterr %显示出错原因
三、循环结构
1、for语句
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。
例：
一个三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（exam5_8.m）。
form=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
ifm==m1*m1*m1+m2*m2*m2+m3*m3*m3
disp（m）
end
end
2、while语句
while语句的一般格式为：
while（条件）
循环体语句
end
其执行过程为：
若条件成立，则执行循环体语句，执行后再判断条件是否成立，如果不成立则跳出循环。
例：
从键盘输入若干个数，当输入0时结束输入，求这些数的平均值和它们之和（exam5_9.m）。
sum=0;
cnt=0;
val=input（'Enteranumber（endin0）:
'）;
while（val~=0）
sum=sum+val;
cnt=cnt+1;
val=input（'Enteranumber（endin0）:
'）;
end
if（cnt>0）
sum
mean=sum/cnt
end
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：
求[100，200]之间第一个能被21整除的整数（exam5_10.m）。
forn=100:
200
ifrem（n,21）~=0
continue
end
break
end
n
4、循环的嵌套
如果一个循环结构的循环体又包括一个循环结构，就称为循环的嵌套，或称为多重循环结构。
例：
若一个数等于它的各个真因子之和，则称该数为完数，如6=1+2+3，所以6是完数。
求[1,500]之间的全部完数（exam5_11.m）。
form=1:
500
s=0;
fork=1:
m/2
ifrem（m,k）==0
s=s+k;
end
end
ifm==s
disp（m）;
end
end
第三节函数文件
一、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。
例：
编写函数文件求半径为r的圆的面积和周长（exam5_12.m）。
函数文件如下：
function[s,p]=exam5_12（r）
%CIRCLEcalculatetheareaandperimeterofacircleofradiir
%r—圆半径
%s—圆面积
%p—圆周长
%2007年7月30日编
s=pi*r*r;
p=2*pi*r;
二、函数调用
函数调用的一般格式是：
[输出实参表]=函数名（输入实参表）
要注意的是，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：
利用函数文件，实现直角坐标（x,y）与极坐标（ρ,θ）之间的转换（exam5_13.m）。
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exam5_13.m：
x=input（'Pleaseinputx=:
'）;
y=input（'Pleaseinputy=:
'）;
[rho,the]=tran（x,y）;
rho
the
在MATLAB中，函数可以嵌套调用，即一个函数可以调用别的函数，甚至调用它自身。
一个函数调用它自身称为函数的递归调用。
例：
利用函数的递归调用，求n！
（exam5_14.m）。
n!
本身就是以递归的形式定义的：
显然，求n!
需要求（n-1）!
，这时可采用递归调用。
递归调用函数文件exam5_14.m如下：
functionf=exam5_14（n）
ifn<=1
f=1;
else
f=exam5_14（n-1）*n; %递归调用求（n-1）!
end
三、函数参数的可调性
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：
nargin用法示例（exam5_15.m）。
函数文件examp.m：
functionfout=charray（a,b,c）
ifnargin==1
fout=a;
elseifnargin==2
fout=a+b;
elseifnargin==3
fout=（a*b*c）/2;
end
命令文件exam5_15.m：
x=[1:
3];
y=[1;2;3];
examp（x）
examp（x,y'）
examp（x,y,3）
四、全局变量与局部变量
全局变量用global命令定义，格式为：
global变量名
例：
全局变量应用示例（exam5_16.m）。
先建立函数文件wadd.m，该函数将输入的参数加权相加。
functionf=wadd（x,y）
globalALPHABETA
f=ALPHA*x+BETA*y;
在命令窗口中执行exam5_16.m文件。
globalALPHABETA
ALPHA=1;
BETA=2;
s=wadd（1,2）
第四节程序调试及常用指令
一、程序调试
1、程序调试概述
一般来说，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。
语法错误包括词法或文法的错误，例如函数名的拼写错、表达式书写错等。
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。
2、调试器
（1）Debug菜单项
该菜单项用于程序调试，需要与Breakpoints菜单项配合使用。
（2）Breakpoints菜单项
该菜单项共有6个菜单命令，前两个是用于在程序中设置和清除断点的，后4个是设置停止条件的，用于临时停止M文件的执行，并给用户一个检查局部变量的机会，相当于在M文件指定的行号前加入了一个keyboard命令。
二、常用指令
1、return指令
通常，当被调函数挂执行完后，MATLAB会自动地把控制转至主调函数或者指令窗。
如果在被调函数中插入了return指令，可以强制MATLAB结束执行该函数并把控制转出。
2、keyboard指令
当程序遇到keyboard时，MATLAB将“控制权”交给键盘，用户可以从键盘输入各种合法的MATLAB指令，只有当用户使用return指令结束输入后，“控制权”才交还给程序。
3、P码文件
一个M文件首次被调用（运行文件名，或被M文本编辑器打开）时，MATLAB将首先对该M文件进行语法分析，并把生成的相应内部代码（Psedocode，简称P码）文件存放在内存中。
此后，当再次调用该M文件时，将直接调用该文件在内存中的P码文件，而不会对原码文件重新进行语法分析。
P码文件有与原码文件相同的文件名，但其扩展名是“.P”。
本质上说P码文件运行速度高于原码文件。
在MATLAB中，假如存在同名的P码文件和原码文件，那么当该文件名被调用时，被执行的肯定是P码文件。
P码文件可用以下命令生成。
pcodeFunName
P码文件是二进制码，难于阅读，程序保密性好。
4、串演算函数
（1）eval
利用字符串建立运算式后，再用eval命令执行它，可以使程序设计更加灵活。
但是注意表达式一定要是字符串。
其命令格式为：
eval（'字符串'）
例：
先定义字符串t为平方根运算，再用eval求出1到10的平方根，以后只要修改t的表达式即可（exam5_17.m）。
clear
t='sqrt（i）';
fori=1:
10
f（i）={char（['Thesquarerootof',int2str
（1）,'is',num2str（eval（t））]）};
end
f（:
）
①计算“表达式”串，产生向量值。
>>clear,t=pi;cem='[t/2,t*2,sin（t）]';y=eval（cem）
y=
1.5708 6.2832 0.0000
②计算“语句”串，创建变量。
>>clear,t=pi;eval（'theta=t/2,y=sin（theta）'）;who
theta=
1.5708
y=
1
Yourvariablesare:
t thetay
（2）feval
指令feval的格式为：
feval（'字串'，数组）
与eval不同之处在于feval用于模拟功能函数如cos，sin，sqrt等，而不像eval那样模拟运算式，所以con（pi）的值同样可以用feval（cos,pi）求出。
例：
（exam5_18.m）
clear
t='sqrt';
fori=1:
10
f（i）={char（['Thesquarerootof',int2str
（1）,'is',num2str（feval（t,i））]）};
end
f（:
）
①feval和eval运行区别之一：
feval的FN绝对不能是表达式。
>>x=pi/4;Ve=eval（'1+sin（x）'）
Ve=
1.7071
>>Vf=feval（'1+sin（x）',x）
?
?
?
Errorusing==>feval
Invalidfunctionname'1+sin（x）'.
②feval和eval调用区别：
feval的FN只接受函数名。
本例两种方法以后者为好（exam5_19.m）。
randn（'seed',1）;A=rand（2,2）;
[ue,de,ve]=eval（'svd（A）'）;
disp（'Resultsbyeval'）;disp（[ue,de,ve]）;disp（blanks
（1））
[uf,df,vf]=feval（'svd',A）;
disp（'Resultsbyfeval'）;disp（[uf,df,vf]）
Resultsbyeval
-0.9193 -0.3936 1.2212 0 -0.7897 -0.6135
-0.3936 0.9193 0 0.2633 -0.6135 0.7897
Resultsbyfeval
-0.9193 -0.3936 1.2212 0 -0.7897 -0.6135
-0.3936 0.9193 0 0.2633 -0.6135 0.7897
5、内联函数创建和应用示例
（1）内联函数的第一种创建格式；使内联函数适于“数组运算”。
>>clear,F1=inline（'sin（rho）/rho'）
F1=
Inlinefunction:
F1（rho）=sin（rho）/rho
>>f1=F1
（2）
f1=
0.4546
FF1=vectorize（F1）
FF1=
Inlinefunction:
FF1（rho）=sin（rho）./rho
>>xx=[0.5,1,1.5,2];ff1=FF1（xx）
ff1=
0.9589 0.8415 0.6650 0.4546
（2）第一种内联函数创建格式的缺陷；含向量的多宗量输入的赋值。
>>G1=inline（'a*exp（x
（1））*cos（x
（2））'）,G1（2,[-1,pi/3]）
G1=
Inlinefunction:
G1（a）=a*exp（x
（1））*cos（x
（2））
?
?
?
Errorusing==>inline/subsref
Toomanyinputstoinlinefunction.
>>G2=inline（'a*exp（x
（1））*cos（x
（2））','a','x'）,G2（2,[-1,pi/3]）
G2=
Inlinefunction:
G2（a,x）=a*exp（x
（1））*cos（x
（2））
ans=
0.3679
（3）产生向量输入、向量输出的内联函数；这种向量函数的调用方法
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