《MATLAB程序設計基礎教程》課件第3章

第3章MATLAB程序設計3.1概述3.2循環(huán)程序3.3分支結構3.4人機交互語句3.5程序的常見錯誤處理 3.1概述

3.1.1MATLAB程序設計方法

MATLAB程序可以分為兩類：交互式和M文件的編程。

對于一些簡單問題的程序，用戶可以直接在MATLAB的命令窗口中輸入命令，用交互式的方式來編寫。這種方式適用于命令比較簡單，輸入比較方便，同時處理問題的步驟較少的情況。但是，對于較復雜的問題，由于處理所需的命令較多，即需要邏輯運算、需要一個或多個變量重復驗證、需要進行流程控制等，那么此時采用直接輸入命令的方法則會引起不便。為此，MATLAB提供了一個合理的解決方法，就是事先將一系列MATLAB命令輸入到一個文本文件中加以保存，只要執(zhí)行該文件，則文件中所有MATLAB命令都被執(zhí)行，其結果與直接在MATLAB的命令窗口中輸入命令執(zhí)行的結果一樣。由于該文本文件以“.M”為擴展名，因此被稱為M文件。當需要處理重復、復雜且容易出錯的問題時，可以建立一個M文件，進行合理的程序設計，這就是M文件的編程工作方式。3.1.2MATLAB程序結構

MATLAB作為一種常用的編程語言，支持各種決策或流程控制結構。流程控制極其重要，因為它用過去、現(xiàn)在的計算影響將來的結果。MATLAB程序結構分為順序結構、分支結構和循環(huán)結構，具體如圖3-1所示。

由于這些結構經(jīng)常包含大量的MATLAB命令，故經(jīng)常出現(xiàn)在M文件中，而不是直接加在MATLAB提示符下。圖3-1MATLAB程序結構

1．順序結構

順序程序結構是一種最簡單的程序結構，將MATLAB語句按先后次序排列即可。系統(tǒng)在編譯程序時，按照程序的物理位置順序執(zhí)行。這種程序容易編制，但是結構單一，能夠實現(xiàn)的功能有限。例如：

a=1;b=2;c=3;

s1=a+b;

s2=s1+c;

s3=s2/s2;

2．分支結構

程序在運行過程中要根據(jù)不同的情況或條件作出判斷，并依據(jù)判斷的結果轉向相應的處理程序，這種程序結構稱為分支結構。

分支是通過條件轉移指令實現(xiàn)的，進行分支結構程序設計之前，應首先確定要判斷的是什么條件，以及當判斷結果為不同的情況(“真”或“假”)時應該執(zhí)行什么樣的操作。MATLAB提供條件轉移的if…end分支程序結構。

有的分支結構為多分支，可依次測試各個條件是否滿足。若滿足條件則轉入相應分支入口，若不滿足則繼續(xù)向下測試，直到全部測試完。分支選擇程序結構簡單、直觀，但執(zhí)行速度慢。MATLAB提供條件轉移的switch開關分支程序結構。

分支結構程序設計需要使用關系運算、邏輯運算、條件運算等。

3．循環(huán)結構程序設計

在日常的實際生活中，會經(jīng)常用到“循環(huán)結構”，例如數(shù)據(jù)的累加計算等，但又與順序結構和選擇結構不同，無論是順序還是選擇分支語句，它們中的每一條語句一般只執(zhí)行一次。而循環(huán)結構中，有時常要重復某幾條語句，所以循環(huán)結構就是用于完成一些重復的操作，但它并不是單純的重復執(zhí)行，每次執(zhí)行時，語句的參數(shù)一般都是不同的。

按循環(huán)控制方式分類可分為手動循環(huán)和自動循環(huán)。手動循環(huán)在程序運行時通過反復操作控件實現(xiàn)某事件過程的反復執(zhí)行，自動循環(huán)是由程序中的語句控制的，是程序執(zhí)行時根據(jù)循環(huán)的條件自動實現(xiàn)的循環(huán)。自動循環(huán)又可分為有條件循環(huán)(當循環(huán)條件滿足或不滿足時才執(zhí)行的循環(huán))和無條件循環(huán)(無條件地執(zhí)行循環(huán))。 3.2循環(huán)程序

3.2.1for循環(huán)

1．for循環(huán)的一般形式

for循環(huán)允許一組命令以固定的和預定的次數(shù)重復。For循環(huán)的一般形式：

forvariable=values

commands

…

end

commands是循環(huán)體語句組，這里的循環(huán)語句是以end結尾的，這與C語言的結構不完全一致。values可以是如表3-1所示的格式之一。

(1)??initval:step:endval形式。索引變量以增量形式循環(huán)，從初始值initval到結束值endval，增量步長為step，并重復循環(huán)。如果step為負數(shù)，則以減量方式循環(huán)，該形式的初始值initval大于結束值endval。

fors=s1:s2:s3

commands

...

end

注意：s是一個合法的字符串代表循環(huán)變量。s1、s2、s3可以是標量數(shù)字s1是起始值;s2是步長，如果步長s2的值為1，則可以省略；s3是終了值。例3-2-1

求出的值。

解該例可以作下列的循環(huán)：

>>x=0;

fori=1:1:100

x=x+i;

end;

>>x

結果為x=5050

(2)?initval:endval形式。索引變量以增量形式循環(huán)，從初始值initval到結束值endval，增量步長為1，并重復循環(huán)。

在上例的式子中，可以看到for循環(huán)語句中s2的值為1。在實際編程中，如果s2的步長值為1，則可以在該語句中省略，故該語句可以簡化成fori=1:100。

(3)?valArray形式。在每個迭代，從數(shù)組valArray列的子列創(chuàng)建一個列向量index。例如，在第一次迭代，index=valArray(：,1)。循環(huán)執(zhí)行n次，其中n是valArray列的最大數(shù)字，即for循環(huán)按照數(shù)組的列數(shù)決定循環(huán)次數(shù)，每執(zhí)行一次for循環(huán)，index就取數(shù)組的一個列作為其值，直到最后一列。

forindex=V

commands

end

在for和end語句之間的循環(huán)體語句組“commands”按數(shù)組中的每一列執(zhí)行一次。在每一次迭代中，index被指定為數(shù)組的一列，在第n次循環(huán)中，index=V(:,n)，即V的第n列。例如：

A=[0.81470.63240.95750.95720.4218;

0.90580.09750.96490.48540.9157;

0.12700.27850.15760.80030.7922;

0.91340.54690.97060.14190.9595];

forn=A

s=n*2;

end

第5次循環(huán)結果：

0.8436

1.8314

1.5844

1.9190上面的語句就等價于：

forindex=1:5,m=A(:,index);

s1=m*2;

end

任何合法的數(shù)組生成語句都可以作為條件數(shù)組。

MATLAB并不要求循環(huán)點等間距，假設V為任意一個向量，則可以用

fori=V來表示循環(huán)，這時valArray只有一個向量V，其元素必須是正整數(shù)。例如，在命令行輸入：

>>V=[12357];

forn=V

x(n)=sin(n*pi/10);

end

則輸出結果：

>>x

x=0.30900.58780.809001.000000.8090

程序語句的意思是：對n等于1到V，求所有語句的值，直至下一個end語句。第一次通過for循環(huán)n=1；第二次，n=2；如此繼續(xù)，直至n=7。在實際編程中，采用循環(huán)語句會降低其執(zhí)行速度，所以前面的例3-3-1程序可以由下面的命令來代替：

i=1:100;

mysum=sum(i)

在這一語句中，首先生成了一個向量i，然后用內(nèi)部函數(shù)sum()求出i向量的各個元素之和。

更簡單地，該語句還可以寫成sum(1:100)。如果前面的100改成10?000，再運行這一程序，則可以明顯地看出，后一種方法編寫的程序比前一種方法快得多。

2．for循環(huán)的嵌套

在一個for循環(huán)中，可以根據(jù)需要嵌套另外的多個for循環(huán)。例如：

forn=1:5

form=5:-1:1

B(n,m)=n^2+m^2;

end

disp(n)

end

循環(huán)結果：

1

2

3

4

5例3-2-2

列出構成hibert矩陣的程序。

解程序如下：

formatrat,n=input('n='),

fori=1:n

forj=1:n

h(i,j)=1/(i+j-1);

end

end

h

n=5

h=

11/21/31/41/5

1/21/31/41/51/6

1/31/41/51/61/7

1/41/51/61/71/8

1/51/61/71/81/93.2.2while循環(huán)

與for循環(huán)以固定次數(shù)求一組命令的值相反，while循環(huán)以不定的次數(shù)求一組語句的值。while循環(huán)的一般形式是

whileexpression

commands

end

只要表達式expression里的所有元素都為真，就可以執(zhí)行while和end語句之間的commands。通常，表達式的求值給出一個標量值，但數(shù)組值也同樣有效。在數(shù)組情況下，所得到數(shù)組的所有元素必須都為真。例3-2-3while循環(huán)。

解在例3-2-1中同樣的問題，在while循環(huán)結構下可以表示為

>>x=0;i=1;

while(i<=100)

x=x+i;

i=i+1;

end

>>x

x=50503.2.3break語句

break命令強迫for循環(huán)或while循環(huán)提早結束，當執(zhí)行break語句時，MATLAB跳到循環(huán)體外下一個語句。

如果一個break語句出現(xiàn)在一個嵌套的for循環(huán)或while循環(huán)結構里，那么MATLAB只跳出break所在的那個循環(huán)，不跳出整個嵌套結構。3.2.4continue語句

continue命令一般用在for循環(huán)或while循環(huán)中，通過if語句使用continue命令，當滿足語句if條件時，continue命令被調用。與break語句不同的是，執(zhí)行continue命令后，系統(tǒng)只是不再執(zhí)行相關命令，而不跳出當前循環(huán)體外。

例3-2-5

計算magic.m文件有效文本的行數(shù)。

解程序如下：

fid=fopen('magic.m','r');

count=0;

while~feof(fid)

line=fgetl(fid);

ifisempty(line)|strncmp(line,'%',1)

continue

end

count=count+1;

end

disp(sprintf('文件有效文本有%d行',count));

文件有效文本有25行。3.2.5end語句

end命令用于終止for、while、switch、try和if語句，每一個end與最近的for、while、switch、try或if語句成對出現(xiàn)。

end也可以用于索引表達式中，代表最后一個索引。例如：X(3:end)和

X(1,1:2:end-1)。 3.3分支結構

3.3.1條件轉移結構

很多情況下，命令的序列必須根據(jù)條件關系的檢驗結果有序地執(zhí)行，這種根據(jù)條件而轉移的分支結構是條件轉移結構。

判斷表達式緊跟在關鍵字if后面，使得它可以首先被計算，判斷其值為真否。若計算判斷表達式的結果為1，判斷值為真，則執(zhí)行其后的執(zhí)行語句；若結果為0，判斷值為假，則跳過、不予執(zhí)行。

條件轉移語句與C語言類似，條件轉移結構包括以下三種：if…end、if…else…end、if…elseif…else…end。

1．if…end

當只有一種選擇時，使用該形式。此時的程序結構如下：

ifexpression

commands

…

end

expression是條件表達式，commands是執(zhí)行代碼塊。這是最簡單的判斷語句，只有一個判斷語句。其中的表達式為邏輯表達式，當表達式expression結果為真時，執(zhí)行相應的語句commands，否則，直接跳到end下一段語句。

如果在表達式中的所有元素為真(非零)，那么就執(zhí)行if和end語言之間的commands。當表達式包含有幾個邏輯子表達式時，即使前一個子表達式?jīng)Q定了表達式的最后邏輯狀態(tài)，仍要計算所有的子表達式。例如：

>>apples=10;

>>cost=apples*25

cost=

250

>>ifapples>5 %如果購買量大于5，給予20%的價格折扣

cost=(1-0.2)*cost;

end

>>cost

cost=

200

2．if…else…end

當程序有兩個選擇時，可以選擇if…else…end結構，此時的程序結構如下：

ifexpression

commands1

else

commands2

end

當判斷表達式expression為真時，執(zhí)行代碼塊commands1，否則執(zhí)行代碼塊commands2。例3-3-2

輸入數(shù)n，判斷其正負性。

解程序如下：

m=input('m='),

ifm<0

disp('m為負數(shù)！'),

else

disp('m為正數(shù)！'),

end

m=-9

m=

-9

m為負數(shù)！

m=7

m=

7

m為正數(shù)！

3．if…elseif…else…end

上面的兩種形式中，分別包含一個選擇和兩個選擇，當判斷包含三個或多個選擇時，可以采用elseif語句，其結構如下：

ifexpression1

commands1

elseifexpression2

commands2

elseif...

...

...

else

commands

end例3-3-3

輸入數(shù)n，判斷其正負及奇偶性。

解程序如下：

n=input('n='),

ifn<0

A='負數(shù)',

elseifrem(n,2)==0

A='偶數(shù)',

else

A='奇數(shù)',

end

n=5

n=

5

A=

奇數(shù)3.3.2switch開關結構

MATLAB中的另一種分支結構為開關分支語句。開關分支語句的結構如下：

switchexpression

caseexpression_1

commands_1

caseexpression_2

commands_2

...

otherwise

commands

end其中的分支語句開關表達式expression為一個變量，可以是數(shù)值變量或者字符串變量，如果該變量的值與某一條件expression_n相符，則執(zhí)行相應的語句；否則執(zhí)行otherwise后面的語句。在每一個條件中，可以包含一個條件語句，可以包含多個條件，當包含多個條件時，將條件以單元數(shù)組的形式表示。例如：

>>method=‘Bilinear’;

>>switchlower(method)

case{‘linear’,‘bilinear’}

disp(‘Methodislinear’)

case‘cubic’

disp(‘Methodiscubic’)

case‘nearest’

disp(‘Methodisnearest’)

otherwise

disp(‘Unknownmethod.’)

end

顯示結果為

Methodislinear

MATLAB的分支語句類似于C語言的分支語句，但是又不完全相像，MATLAB開關語句與C語言的區(qū)別如下：

(1)當開關表達式的值等于表達式expression_1時，將執(zhí)行語句段commands_1，執(zhí)行完語句段commands_1后將轉出開關體，即MATLAB語句從上到下依次判斷條件，條件符合則執(zhí)行相應的代碼塊，之后退出該分支語句，無需像C語言那樣在下一個case語句前加break語句，所以本結構在這點上和C語言是不同的。

(2)當需要在開關表達式滿足若干個表達式之一時執(zhí)行某一程序段，則應該把這樣的一些表達式用大括號括起來，中間用逗號分隔。事實上，這樣的結構是MATLAB語言定義的單元結構。

(3)當前面枚舉的各個表達式均不滿足時，則將執(zhí)行otherwise語句后面的語句段，此語句等價于C語言中的default語句。

(4)在case語句引導的各個表達式中，不要用重復的表達式，否則列在后面的開關通路將永遠也不能執(zhí)行。

(5)程序的執(zhí)行結果和各個case語句的次序是無關的。例3-3-4

判斷輸入數(shù)n的奇偶空的程序。

解程序如下：

n=input('n=');

switchmod(n,2);

case1;A='奇';

case0;A='偶';

otherwise;A='空';

end

A

n=6

A=偶3.3.3try-catch試探結構

MATLAB從5.2版本開始提供了一種新的試探式語句結構，用于捕獲MATLAB編譯時出現(xiàn)的錯誤，其一般的形式為

try

語句段1

catch

語句段2

end

try塊以關鍵字try開始，結束于catch關鍵字，catch塊以關鍵字catch開始，結束于end關鍵字。本語句結構首先試探性地執(zhí)行語句段1，如果在此段語句執(zhí)行過程中沒有出現(xiàn)錯誤，則直接跳到end。

如果在此段語句執(zhí)行過程中出現(xiàn)了錯誤，則直接跳到catch模塊。在catch模塊中將錯誤信息賦給保留的lasterr變量，轉而執(zhí)行語句段2中的語句。語句段2可以根據(jù)獲取的該錯誤信息，執(zhí)行相應的動作。

try-catch試探結構也可以嵌套使用。 3.4人機交互語句

3.4.1echo命令

echo命令使文件命令在執(zhí)行時可見，對程序的調試和演示有用。語法如下：

echoon/off：打開(關閉)?echo命令。

echo：在打開、關閉echo命令之間切換。

echofilenameon/off：打開(關閉)文件名為filename的M文件。

echoon/offall：打開(關閉)所有的M文件。3.4.2用戶輸入提示命令input

input命令顯示用戶輸入提示，并接受用戶輸入。語法如下：

(1)?evalResponse=input(prompt)：在屏幕上顯示提示的字符串，等候用戶在鍵盤的輸入，并賦值于變量evalResponse。

(2)?strResponse=input(prompt,'s')：把用戶在鍵盤的輸入，作為一個MATLAB串返回。例如：

>>R=input(‘Whatisyourname?’,’s’)3.4.3等待用戶反應命令pause

pause命令暫停程序執(zhí)行，等待用戶反應。語法如下：

pause：pause命令暫停程序執(zhí)行，等待用戶反應，用戶單擊任意鍵后，程序重新開始執(zhí)行。

pause(n)：n秒后繼續(xù)運行。

pauseon：顯示并執(zhí)行pause命令。

pauseoff：顯示但不執(zhí)行該命令。 3.5程序的常見錯誤處理

3.5.1錯誤的產(chǎn)生

在MATLAB程序設計或開發(fā)函數(shù)M文件過程中，容易產(chǎn)生兩類錯誤：語法錯誤和運行時錯誤。

當MATLAB計算一個表達式的值或一個函數(shù)被編譯到內(nèi)存時會發(fā)現(xiàn)語法錯誤。一旦發(fā)現(xiàn)語法錯誤，MATLAB立即標志這些錯誤，并提供有關所遇到的錯誤類型，以及發(fā)生錯誤處M文件的行數(shù)。給定這些反饋信息，就很容易糾正這些錯誤。運行時的錯誤是指當程序試圖執(zhí)行一個系統(tǒng)不能運行的動作時導致的錯誤。當發(fā)現(xiàn)運行錯誤時，MATLAB把控制權返回給命令窗口和MATLAB的工作空間，失去了對發(fā)生錯誤的函數(shù)空間的訪問權，用戶不能詢問函數(shù)工作空間中的內(nèi)容排除問題。因此，即使MATLAB標志了運行錯誤，但找出錯誤一般比較困難。

含有選擇結構和循環(huán)結構的程序，比只含簡單的順序結構的程序出錯的概率大得多。3.5.2NaNs錯誤、除數(shù)為0的處理

1．NaNs錯誤

當一些操作結果導致空矩陣或NaNs時，最容易發(fā)生運行錯誤，任何有關NaNs的操作都返回NaNs值。因此，如果有可能出現(xiàn)NaNs結果，則當出現(xiàn)NaNs時，最好運用邏輯函數(shù)isnan()來執(zhí)行一些缺省操作。語法如下：

TF=isnan(A)：返回一個與A大小相同的數(shù)組，包含邏輯1(即true)，元素為NaN；邏輯0(即false)，元素不為NaN。對于一個復數(shù)z，如果z的實數(shù)或虛數(shù)部分是NaN，isnan(z)返回1。如果z的實數(shù)或虛數(shù)部分都是有限或Inf，isnan(z)返回0。例如：

>>a=[-2-1012]

>>isnan(1./a)

Warning:Dividebyzero.

ans=

00000

因為空矩陣為零維，所以對空矩陣尋址常常導致錯誤。函數(shù)find()表示了可產(chǎn)生空矩陣結果的一般情況。如果函數(shù)find()的空矩陣輸出用于索引其他數(shù)組，所返回的值也將是空的。這樣，空矩陣具有傳播性質。例如：

>>x=pi*(1:4)

>>i=find(x>20)

>>y=2*x(i)

x=

3.14166.28329.424812.5664

i=

Emptymatrix:1-by-0

y=

Emptymatrix:1-by-0很清楚，當希望y具有有限維數(shù)和值時，可能發(fā)生運行錯誤。當執(zhí)行一個操作或使用可返回空結果的函數(shù)時，邏輯函數(shù)isempty()有利于為空矩陣定義一個缺省值，這樣可避免運行錯誤。語法如下：

TF=isempty(A)：判斷數(shù)組(矩陣)A是否空。如果A是一個空的數(shù)組，返回邏輯true(1)，否則為邏輯false(0)?？諗?shù)組至少有一個維度的大小為零，例如，0?×?0或0?×?5。

2．除數(shù)為0的處理

除數(shù)為0是MATLAB編程的調試和分析中經(jīng)常遇到的問題，對該問題的解決，可以使程序開發(fā)事半功倍。例如：

>>x=(-3:3)/3

x=

-1.0000-0.6667-0.333300.33330.66671.0000

由于x的第4個元素為0，當把x作為除數(shù)進行除法運算時，就出現(xiàn)了除數(shù)為0的情況，MATLAB會發(fā)出除數(shù)為0的警告，并在該位置給出NaN的結果(