第四講-程序設(shè)計(jì)課件

1、方法2、應(yīng)用實(shí)例3、實(shí)驗(yàn)作業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)R語言中程序設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡谒闹v-程序設(shè)計(jì)程序控制結(jié)構(gòu)R是一個(gè)表達(dá)式語言(expressionlanguage)，其任何一個(gè)語句都可以看成是一個(gè)表達(dá)式。表達(dá)式之間以分號(hào)分隔或用換行分隔。表達(dá)式可以續(xù)行，只要前一行不是完整表達(dá)式（比如末尾是加減乘除等運(yùn)算符，或有未配對的括號(hào)）則下一行為上一行的繼續(xù)。若干個(gè)表達(dá)式可以放在一起組成一個(gè)復(fù)合表達(dá)式，作為一個(gè)表達(dá)式使用。組合用大括號(hào)表示，如：>{+x<-15;+x;}

[1]15R語言也提供了其它高級(jí)程序語言共有的分支、循環(huán)等程序控制結(jié)構(gòu)。第四講-程序設(shè)計(jì)分支結(jié)構(gòu)(if/else、switch語言)

if/else語句分支結(jié)構(gòu)包括if結(jié)構(gòu)：

if(條件)表達(dá)式1或

if(條件)表達(dá)式1else表達(dá)式2其中的“條件”為一個(gè)標(biāo)量的真或假值，表達(dá)式可以是用大括號(hào)包圍的復(fù)合表達(dá)式。有else子句時(shí)一般寫成：

if(條件){表達(dá)式組……}else{表達(dá)式組………}

這樣的寫法可以使else不至于脫離前面的if。第四講-程序設(shè)計(jì)例如，如果變量lambda為缺失值就給它賦一個(gè)缺省值，可用：>if(is.na(lambda))lambda<-0.5;

又比如要計(jì)算向量x的重對數(shù)，這只有在元素都為正且對數(shù)都為正時(shí)才能做到，因此需要先檢查：>if(all(x>0)&&all(log(x))>0){y<-log(log(x));print(cbind(x,y));}else{cat('Unabletocomply\n');}

注意“&&”表示“與”，它是一個(gè)短路運(yùn)算符，即第一個(gè)條件為假時(shí)就不計(jì)算第二個(gè)條件。如果不這樣此例中計(jì)算對數(shù)就可以有無效值。在條件中也可以用“||”（兩個(gè)連續(xù)的豎線符號(hào)）表示“或”，它也是短路運(yùn)算符，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)條件為真時(shí)就不再計(jì)算第二個(gè)條件。第四講-程序設(shè)計(jì)在用R編程序時(shí)一定要時(shí)刻牢記R是一個(gè)向量語言，幾乎所有操作都是對向量進(jìn)行的。而R中的if語句卻是一個(gè)少見的例外，它的判斷條件是標(biāo)量的真值或假值。比如，我們要定義一個(gè)分段函數(shù)f(x)，當(dāng)x為正時(shí)返回1，否則返回0，馬上可以想到用if語句實(shí)現(xiàn)如下：

>if(x>0)1else0當(dāng)x是標(biāo)量時(shí)這個(gè)定義是有效的，但是當(dāng)自變量x是一個(gè)向量時(shí)，比較的結(jié)果也是一個(gè)向量，這時(shí)條件無法使用。所以，這個(gè)分段函數(shù)應(yīng)該這樣編程：

>y=numeric(length(x))>y[x>0]<-1>y[x<=0]<-0

#這句可以省略第四講-程序設(shè)計(jì)對于條件語句是向量形式，R提供了ifelse()函數(shù)，它的使用格式為

>ifelse(condition,a,b)它表示，當(dāng)condition[i]成立的時(shí)候，對應(yīng)的取值為a[i],否則取值為b[i]。最終返回一個(gè)和參數(shù)向量同長的向量>x<-c(55,60,85,90);>a<-"pass"；b<-"fail">ifelse(x>=60,a,b)[1]"fail""pass""pass""pass">a<-c("a1","a2","a3","a4")>b<-c("b1","b2","b3","b4")>ifelse(x>=60,a,b)[1]"b1""a2""a3""a4"若a，b和x不是等長的，則較短的循環(huán)使用第四講-程序設(shè)計(jì)有多個(gè)if語句時(shí)else與最近的一個(gè)配對。可以使用if...elseif...elseif...else...的多重判斷結(jié)構(gòu)表示多分支。多分支也可以使用switch()函數(shù)。>x=0;>if(x>0){value<-x}elseif(x<0){value<--x}elseif(x==0){value="ZERO"}>value[1]''ZERO"第四講-程序設(shè)計(jì)switch語句switch是多分支語句，其用法為：

>switch(statement,list);statement是一個(gè)表達(dá)式，list是列表，也可以用有名定義。根據(jù)表達(dá)式與list的關(guān)系返回一個(gè)值。如果表達(dá)式返回值屬于1:length(list)中的一個(gè)，則返回list中相應(yīng)位置的值，否則返回NULL。

>a<-switch(1,2+2,mean(1:10),rnorm(4));a[1]4

>a<-switch(2,2+2,mean(1:10),rnorm(4));a[1]5.5>x<-3>a<-switch(x,2+2,mean(1:10),rnorm(4));a[1]0.32029210.3057707-0.49221250.1280950>a<-switch(4,2+2,mean(1:10),rnorm(4));a[1]NULL第四講-程序設(shè)計(jì)當(dāng)list是有名定義時(shí)，statement等于變量名時(shí)，返回該變量名所對應(yīng)的值，否則返回NULL

>x<-"fruit";

>a<-switch(x,fruit="apple",drink="coffee",vegetable="broccoli");a[1]"apple"

>x<-"meat";

>a<-switch(x,fruit="apple",drink="coffee",vegetable="broccoli");a[1]NULL第四講-程序設(shè)計(jì)循環(huán)結(jié)構(gòu)(for/while/repeat)

for語句

循環(huán)結(jié)構(gòu)中常用的是for循環(huán)，是對一個(gè)向量或列表的逐次處理，格式為for(nameinvalues){expression}如：求1到100的和>sum<-0;for(iin1:100){sum<-sum+i;i<-i+1}

sum;[1]5050

第四講-程序設(shè)計(jì)當(dāng)然，如果只是要求各元素的和，只要調(diào)用sum(x)即可。所以，編寫程序要精簡，應(yīng)盡量避免使用顯式循環(huán)。我們再舉一個(gè)例子。比如，我們要計(jì)算同生日的概率。假設(shè)一共有365個(gè)生日（只考慮月、日），而且各生日的概率是相等的（這里忽略了閏年的情況以及可能存在的出生日期分布的不均勻）。設(shè)一個(gè)班有n個(gè)人，當(dāng)n大于365時(shí)至少兩個(gè)人生日相同是必然事件。當(dāng)n小于等于365時(shí)，我們可以計(jì)算P{至少有兩人同生日}=1-P{n個(gè)人生日彼此不同}，這時(shí)，n個(gè)人的生日可取值數(shù)為365n

，而n個(gè)人彼此不同的可能數(shù)為365中取n個(gè)的排列數(shù)，彼此不同的概率為P3n65

。因此，為了計(jì)算n＝1，2，...，365的情況下的同生日概率，可以用如下循環(huán)實(shí)現(xiàn)：第四講-程序設(shè)計(jì)>x=numeric(365)>for(iin1:365){x[i]=1for(jin0:(i-1))x[i]=x[i]*(365-j)/365x[i]<-1-x[i]}

這段程序運(yùn)行了36秒。我們可以盡量用向量運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，速度要快得多：>x<-numeric(365)>for(nin1:365){x[n]=1-prod((365:(365-n+1))/365)}

這段程序只用了1秒。注意不能直接去計(jì)算365!，這會(huì)超出數(shù)值表示范圍。第四講-程序設(shè)計(jì)我們有時(shí)候需要在某個(gè)判定條件成立的時(shí)候開始循環(huán)，一旦條件不成立，就終止循環(huán)，這時(shí)可以用while循環(huán)語句。while循環(huán)是在開始處判斷循環(huán)條件的，用法為：while(condition){expression}表示在condition成立的時(shí)候，執(zhí)行expression。例：一段二分法解方程的程序。>eps<-1e-5;>while(b-a>eps){c<-(a+b)/2;if(f(c)>0){b<-c}else{a<-c}}while語句

第四講-程序設(shè)計(jì)例：1000以內(nèi)Fibonacci數(shù)列的生成>f<-1;f[2]<-1;i<-1;>while(f[i]+f[i+1]<1000){f[i+2]<-f[i]+f[i+1]i<-i+1}

>f[1]1123581321345589144[13]233377610987第四講-程序設(shè)計(jì)repeat語句是while不一樣，把條件加在末尾，依賴break命令跳出循環(huán)，基本用法是：repeat{expressions；if(condition)break}表示一直重復(fù)表達(dá)式的計(jì)算，知道condition成立的時(shí)候，跳出循環(huán)。repeat語句

第四講-程序設(shè)計(jì)例(續(xù))：用repeat語句生成1000以內(nèi)Fibonacci數(shù)列>f<-1;f[2]<-1;i<-1;>repeat{f[i+2]<-f[i]+f[i+1]；i<-i+1；if(f[i]+f[i+1]>=1000)break;}

>f[1]1123581321345589144[13]233377610987第四講-程序設(shè)計(jì)編寫自己的函數(shù)R允許用戶創(chuàng)建自己的函數(shù)。事實(shí)上，R本身提供的絕大多數(shù)函數(shù)如sum(),plot()等，是編寫人員寫在R中的，與用戶自己創(chuàng)建的函數(shù)沒有本質(zhì)上的區(qū)別。R中函數(shù)定義的一般格式為

<-function(arg1,arg2,…){expressions}其中arg是函數(shù)的參數(shù)(自變量)；expressions是一組表達(dá)式；放在程序最后一行的是返回值，也可以加return()命令返回指定的內(nèi)容，返回值可以是向量、數(shù)組、列表或數(shù)據(jù)框。定義函數(shù)可以直接在命令行進(jìn)行編寫，例如>hello=function(){cat("Hello,world\n");第四講-程序設(shè)計(jì)>hello#查看函數(shù)具體內(nèi)容

function(){cat("Hello,world\n");}>hello()#運(yùn)行函數(shù)

Hello,world

函數(shù)體為一個(gè)復(fù)合表達(dá)式，各表達(dá)式的之間用換行或分號(hào)分開。不帶括號(hào)調(diào)用函數(shù)顯示函數(shù)定義，而不是調(diào)用函數(shù)。在命令行輸入函數(shù)程序很不方便修改，所以我們一般是打開一個(gè)其他的編輯程序(如Windows的記事本)，輸入以上函數(shù)定義，保存文件，比如保存到了C:\R\hello.R，我們就可以用>source(“Hi.R")運(yùn)行文件中的程序。實(shí)際上，用source()運(yùn)行的程序不限于函數(shù)定義，任何R程序都可以用這種方式編好再運(yùn)行，效果與在命令行直接輸入是一樣的。第四講-程序設(shè)計(jì)對于一個(gè)已有定義的函數(shù)，可以用fix()函數(shù)來修改，如：>fix(hello)

將打開一個(gè)編輯窗口顯示函數(shù)的定義，修改后關(guān)閉窗口函數(shù)就被修改了。fix()調(diào)用的編輯程序缺省為記事本，可以用“options(editor="編輯程序名")”來指定自己喜歡的編輯程序。函數(shù)可以帶參數(shù)，可以返回值，例如：>larger<-function(x,y){y.is.bigger<-(y>x);x[y.is.bigger]<-y[y.is.bigger];x;}

這個(gè)函數(shù)輸入兩個(gè)向量（相同長度）x和y，然后把x中比y對應(yīng)元素小的元素替換為y中對應(yīng)元素，返回x的值。R返回值為函數(shù)體的最后一個(gè)表達(dá)式的值，不需要使用return()函數(shù)。不過，也可以使用“return()”函數(shù)從函數(shù)體返回調(diào)用者。第四講-程序設(shè)計(jì)參數(shù)(自變量)R函數(shù)調(diào)用方式很靈活，例如，如下函數(shù)：>fsub=function(x,y)x-y

有兩個(gè)虛參數(shù)x和y，我們用它計(jì)算100-45，可以調(diào)用fsub(100,45)，或fsub(x=100,y=45)，或fsub(y=45,x=100)，或fsub(y=45,100)。即調(diào)用時(shí)實(shí)參與虛參可以按次序結(jié)合，也可以直接指定虛參名結(jié)合。實(shí)參先與指定了名字的虛參結(jié)合，沒有指定名字的按次序與剩下的虛參結(jié)合。函數(shù)在調(diào)用時(shí)可以不給出所有的實(shí)參，這需要在定義時(shí)為虛參指定缺省值。例如上面的函數(shù)改為：>fsub=function(x,y=0)x-y則調(diào)用時(shí)除了可以用以上的方式調(diào)用外還可以用fsub(100)，fsub(x=100)等方式調(diào)用，只給出沒有缺省值的實(shí)參。第四講-程序設(shè)計(jì)即使沒有給虛參指定缺省值也可以在調(diào)用時(shí)省略某個(gè)虛參，然后函數(shù)體內(nèi)可以用missing()

函數(shù)判斷此虛參是否有對應(yīng)實(shí)參，如：>trans=function(x,scale){if(!missing(scale))x=scale*x…………}此函數(shù)當(dāng)給了scale的值時(shí)對自變量x乘以此值，否則保持原值。這種用法在其它語言中是極其少見的，R可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是因?yàn)镽的函數(shù)調(diào)用在用到參數(shù)的值時(shí)才去計(jì)算這個(gè)參數(shù)的值（稱為“懶惰求值”），所以可以在調(diào)用時(shí)缺少某些參數(shù)而不被拒絕。R函數(shù)還可以有一個(gè)特殊的“...”虛參，表示所有不能匹配的實(shí)參，調(diào)用時(shí)如果有需要與其它虛參結(jié)合的實(shí)參必須用“虛參名＝”的格式引入。例如：>fmin<-function(...){for(xinlist(...))cat(min(x),'\n')}>fmin(c(5,1,2),c(9,4,7))[1]14第四講-程序設(shè)計(jì)作用域函數(shù)的虛參完全是按值傳遞的，改變虛參的值不能改變對應(yīng)實(shí)參的值。例如：

>x=c(1,"abc")>x[1]"1"“abc">f=function(x){x[2]<-"!!";x}

>f(x)[1]"1""!!">x[1]"1"“abc"這個(gè)例子說明了函數(shù)體內(nèi)部的變量是局部的，賦值只針對函數(shù)體的變量，一旦函數(shù)運(yùn)行結(jié)束以后，不改變?nèi)肿兞康闹?。第四講-程序設(shè)計(jì)函數(shù)體內(nèi)的變量也是局部的，對函數(shù)體內(nèi)的變量賦值當(dāng)函數(shù)結(jié)束運(yùn)行后變量值就刪除了，不影響原來同名變量的值。例如：>x<-2>f<-function(){print(x);x=20}>f()[1]2>x

[1]2這個(gè)例子中原來有一個(gè)變量x值為2，函數(shù)中為變量x賦值20，但函數(shù)運(yùn)行完后原來的x值并未變化。但是也要注意，函數(shù)中的顯示函數(shù)調(diào)用時(shí)局部變量x還沒有賦值，顯示的是全局變量x的值。這是R編程比較容易出問題的地方：你用到了一個(gè)局部變量的值，你沒有意識(shí)到這個(gè)局部變量還沒有賦值，而程序卻沒有出錯(cuò)，因?yàn)檫@個(gè)變量已有全局定義。第四講-程序設(shè)計(jì)R程序設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)對于復(fù)雜一些的計(jì)算問題我們應(yīng)該編寫成函數(shù)。這樣做的好處是編寫一次可以重復(fù)使用，并且可以很容易地修改函數(shù)內(nèi)的變量名是局部的，運(yùn)行函數(shù)不會(huì)使函數(shù)內(nèi)的局部變量被保存到當(dāng)前的工作空間，可以避免在交互狀態(tài)下直接賦值定義很多變量使得工作空間雜亂無章。第四講-程序設(shè)計(jì)編寫函數(shù)是要注意：可讀性(readability).可理解性(understandability).

具體要做到：采用結(jié)構(gòu)化、模塊化編程；增加必要的注釋；使用意義明確的名字作為變量名，切忌用人名或者寵物名；行前縮進(jìn)，使程序有層次感。第四講-程序設(shè)計(jì)工作空間管理R在運(yùn)行時(shí)保持一個(gè)變量搜索路徑表，要讀取某變量時(shí)依次在此路徑表中查找，返回找到的第一個(gè)；給變量賦值時(shí)在搜索路徑的第一個(gè)位置賦值。但是，在函數(shù)內(nèi)部，搜索路徑表第一個(gè)位置是局部變量名空間，所以變量賦值是局部賦值，被賦值的變量只在函數(shù)運(yùn)行期間有效。用ls()函數(shù)可以查看當(dāng)前工作空間保存的變量和函數(shù)，用rm()函數(shù)可以剔除不想要的對象。如：>ls()（或objects()）

第四講-程序設(shè)計(jì)

[1]"A""Ai""b""cl""cl.f""fit1""g1""marks""ns"[10]"p1""rec""tmp.x""x""x1""x2""x3""y"

>rm(x,x1,x2,x3)>ls()[1]"A""Ai""b""cl""cl.f""fit1""g1""marks""ns"[10]"p1""rec""tmp.x""y"

ls()可以指定一個(gè)pattern參數(shù)，此參數(shù)定義一個(gè)匹配模式，只返回符合模式的對象名。模式格式是UNIX中g(shù)rep的格式。比如，ls(pattern="tmp[.]")可以返回所有以“tmp.”開頭的對象名。rm()可以指定一個(gè)名為list的參數(shù)給出要?jiǎng)h除的對象名，所以rm(list=ls(pattern=“tmp[.]”))可以刪除所有以“tmp.”開頭的對象名。>rm(list=ls())

刪除所有對象。第四講-程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)R程序是很容易的，在初學(xué)時(shí)我們只要使用我們從一般程序設(shè)計(jì)中學(xué)來的知識(shí)并充分利用R中現(xiàn)成的各種算法及繪圖函數(shù)就可以了。但是，如果要用R編制計(jì)算量較大的程序，或者程序需要發(fā)表，就需要注意R程序設(shè)計(jì)的一些技巧。用R語言開發(fā)算法，最重要的一點(diǎn)是要記住R是一個(gè)向量語言，計(jì)算應(yīng)該盡量通過向量、矩陣運(yùn)算來進(jìn)行，或者使用R提供的現(xiàn)成的函數(shù)，避免使用顯式循環(huán)。顯式循環(huán)會(huì)大大降低R的運(yùn)算速度，因?yàn)镽是解釋執(zhí)行的。第四講-程序設(shè)計(jì)>n=1:10;>x=sin(n*pi/10);>cat('x=',x)[1]x=0.3090170.58778530.8090170.951056510.95105650.8090170.58778530.3090171.224606e-16>fsin<-function(x){sin<-0;for(iin1:length(x)){sin[i]<-sin(x[i]*pi/10);}return(sin);}y<-1:10;fsin(y);[1]3.090170e-015.877853e-018.090170e-019.510565e-011.000000e+00[6]9.510565e-018.090170e-015.877853e-013.090170e-011.224606e-16例

對n=1,2,…,10,求xn=的值第四講-程序設(shè)計(jì)Money.Rmoney=10000years=0while(money<20000){years=years+1;money=money*(1+2.52/100)}

例

設(shè)銀行年利率為2.52%。將10000元錢存入銀行，問至少多長時(shí)間會(huì)連本帶利翻一番？>source(Money.R');years;money;[1]28[1]20074.31第四講-程序設(shè)計(jì)>fun<-function(x){y=numeric(length(x));y[x>1]=x[x>1]^2+1;y[x<=1]=2*x[x<=1];cat('fun=',y)}>fun(c(1,2,3))[1]fun=2510例第四講-程序設(shè)計(jì)存款函數(shù)deposit()deposit<-function(amount,total){if(amount<=0)stop("Depositsmustbepositive!\n")total<-total+amount;cat