Кафедра телекоммуникационных систем «Основы математического моделирования» Лекция 8: Основы программирования в среде Matlab Учебные вопросы: 1.Основные. - презентация

1 Кафедра телекоммуникационных систем «Основы математического моделирования» Лекция 8: Основы программирования в среде Matlab Учебные вопросы: 1. Основные средства программирования. 2. Основные типы данных. 3.М-файлы сценариев и функций 4. Управляющие структуры

2 Рекомендуемая литература: (ftp:// /pub/OMM) 1. Половко А.М., Бутусов П.Н. MATLAB для студентов. – СПб.: БХВ- Петербург, – 320 с. 2. Дьяконов В.П. MATLAB 6: учебный курс. – СПб.: Питер, – 592 с. 3. Дьяконов В.П., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. 4. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала». – М.: СОЛОН. Пресс, – 800 с. 5. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6R в математике и моделировании. Серия Библиотека профессионала. – М.: СОЛОН-Пресс, – 576 с. 6. Потемкин В. Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.х: в 2-х т. 7. Чен К., Джиблин П. Ирвинr А. МAТLAВ в математических исследованиях: Пер. с англ. – М.: Мир, – 346 c. 8. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7. – СПб.: БХВ- Петербург, – 1104 с.

3 Введение Использование командного режима (режима командной строки, командное окно) не является основным при использовании возможностей среды MATLAB. Однако при решении ряда серьезных задач возникает необходимость сохранения используемых последовательностей вычислений, а также их дальнейшей модификации. Иными словами, существует необходимость программирования решения задач. Практически невозможно предусмотреть в одной, даже самой большой и мощной, математической системе возможность решения всех задач, которые могут интересовать пользователя. Программирование в системе MATLAB является эффективным средством ее расширения и адаптации к решению специфических проблем. Оно реализуется с помощью языка программирования системы. Программы на языке программирования MATLAB сохраняются в виде текстовых m-файлов. При этом могут сохраняться как целые программы в виде файлов-сценариев, так и отдельные программные модули функции. Кроме того, важно, что программа может менять структуру алгоритмов вычислений в зависимости от входных данных и данных, создаваемых в ходе вычислений. С позиций программиста язык программирования системы является типичным проблемно-ориентированным языком программирования высокого уровня. Точнее говоря, это даже язык сверхвысокого уровня, содержащий сложные операторы и функции, реализация которых на обычных языках (например, Бейсике, Паскале или Си) потребовала бы много усилий и времени. К таким функциям относятся матричные функции, функции быстрого преобразования Фурье (БПФ) и др., а к операторам операторы построения разнообразных графиков, генерации матриц определенного вида и т. д.

4 1. Основные средства программирования Программами в системе MATLAB являются m- файлы текстового формата, содержащие запись программ в виде программных кодов. Язык программирования системы MATLAB имеет следующие средства: данные различного типа; константы и переменные; операторы, включая операторы математических выражений; встроенные команды и функции; функции пользователя; управляющие структуры; системные операторы и функции; средства расширения языка.

5 Основные средства программирования Коды программ в системе MATLAB пишутся на языке высокого уровня, достаточно понятном для пользователей умеренной квалификации в области программирования. Язык программирования MATLAB является типичным интерпретатором. Это означает, что каждая инструкция программы распознается и тут же исполняется, что облегчает обеспечение диалогового режима общения с системой. Этап компиляции всех инструкций, т. е. полной программы, отсутствует. Высокая скорость выполнения программ обеспечена наличием заведомо откомпилированного ядра, хранящего в себе критичные к скорости выполнения инструкции, такие как базовые математические и иные функции, а также тщательной отработкой системы контроля синтаксиса программ в режиме интерпретации. Интерпретация означает, что MATLAB не создает исполняемых конечных программ. Они существуют лишь в виде m-файлов. Для выполнения программ необходима среда MATLAB. Однако для программ на языке MATLAB созданы компиляторы, транслирующие программы MATLAB в коды языков программирования С и C++. Это решает задачу создания исполняемых программ, первоначально разрабатываемых в среде MATLAB.

6 2. Основные типы данных Типы данных array и numeric являются виртуальными («кажущимися»), поскольку к ним нельзя отнести какие-либо переменные. Они служат для определения и комплектования некоторых типов данных. Таким образом, в MATLAB определены следующие основные типы данных, в общем случае представляющих собой многомерные массивы: single числовые массивы с числами одинарной точности; double числовые массивы с числами удвоенной точности; char строчные массивы с элементами-символами; sparse наследует свойства double, разреженные матрицы с элементами- числами удвоенной точности; сеll массивы ячеек; ячейки, в свою очередь, тоже могут быть массивами; struct массивы структур с полями, которые также могут содержать массивы; function_handle дескрипторы функций: int32, uint32 массивы 32-разрядных чисел со знаком и без знаков; intl6,uint!6 массивы 16-разрядных целых чисел со знаком и без знаков; int8. uint8 массивы 8-разрядных целых чисел со знаками и без знаков.

7 3. Виды программирования Система программирования MATLAB позиционируется как язык высокого уровня для научно-технических расчетов. Язык программирования системы MATLAB вобрал в себя все средства, необходимые для реализации различных видов программирования: процедурного; операторного; функционального; логического; структурного (модульного); объектно-ориентированного; визуально-ориентированного.

8 Двойственность операторов, команд и функций Для языка системы MATLAB различие между командами (выполняемыми при вводе с клавиатуры) и программными операторами (выполняемыми из программы) является условным. И команды, и программные операторы могут выполняться как из программы, так и в режиме прямых вычислений. Под командами далее в основном понимаются средства, управляющие периферийным оборудованием, под операторами средства, выполняющие операции с операндами (данными). Функция преобразует одни данные в другие. Для многих функций характерен возврат значений в ответ на обращение к ним с указанием списка входных параметров аргументов. Например, говорят, что функция sin(x) в ответ на обращение к ней возвращает значение синуса аргумента х. Поэтому функцию можно использовать в арифметических выражениях, например 2*sin(x+1). Для операторов (и команд), не возвращающих значения, такое применение обычно абсурдно.

9 4. М-файлы сценариев и функций И в командной строке, и в текстах m-файлов функции записываются только малыми буквами. Для функций, возвращающих ряд значений или массивов (например X, Y, Z,...), запись имеет следующий вид: [X,Y,Z,...]=f_name(Cписок_параметров) Есть два типа m-файлов: файлы-сценарии и файлы-функции.В процессе своего создания они проходят синтаксический контроль с помощью встроенного в систему MATLAB редактора/отладчика m- файлов.

10 М-файлы сценариев Файл-сценарий, именуемый также Script-файлом, является просто записью серии команд без входных и выходных параметров. Важны следующие свойства файлов-сценариев: они не имеют входных и выходных аргументов; работают с данными из рабочей области; в процессе выполнения не компилируются; представляют собой зафиксированную в виде файла последовательность операций, полностью аналогичную той, что используется в сессии.

11 Пример файла-сценария %Plot with color red %Строит график синусоиды линией красного цвета %с выведенной масштабной сеткой в интервале [xmin.xmax] x=xmin:0.1:xmax; plot(x, sin(x),'r') grid on Первые три строки здесь это комментарий, остальные тело файла.

12 Структура файла-функции М-файл-функция является типичным объектом языка программирования системы MATLAB. Одновременно он является полноценным модулем с точки зрения структурного программирования, поскольку содержит входные и выходные параметры и использует аппарат локальных переменных. Структура такого модуля с одним выходным параметром выглядит следующим образом: function var=f_name(Cпиcoк_napaмeтpов) %Основной комментарий %Дополнительный комментарий Тело файла с любыми выражениями var=выражение

13 Структура файла-функции М-файл-функция имеет следующие свойства: он начинается с объявления function, после которого указывается имя переменной var выходного параметра, имя самой функции и список ее входных параметров; функция возвращает свое значение и может использоваться в виде name (Список_параметров) в математических выражениях; все переменные, имеющиеся в теле файла-функции, являются локальными, т. е. действуют только в пределах тела функции; файл-функция является самостоятельным программным модулем, который общается с другими модулями через свои входные и выходные параметры; правила вывода комментариев те же, что у файлов-сценариев; файл-функция служит средством расширения системы MATLAB; при обнаружении файла-функции он компилируется и затем исполняется, а созданные машинные коды хранятся в рабочей области системы MATLAB. Последняя конструкция vаг=выражение вводится, если требуется, чтобы функция возвращала результат вычислений.

14 Структура файла-функции Если выходных параметров больше, то они указываются в квадратных скобках после слова function. При этом структура модуля имеет следующий вид: function [varl,var2....]=f_name(Список_параметров) %Основной комментарий %Дополнительный комментарий Тело файла с любыми выражениями vаг 1=выражение vаг 2=выражение

15 Примеры файл-функции function y=Norm(x,m,D); sko=sqrt(D); y=exp((-(x-m).^2)/(2*D)) /(sko*sqrt(2*pi)); Использование файл-функции в М-файле figure(1); x=1:70; m1=25; D1=20; m2=40; D2=30; y1=Norm(x,m1,D1); y2=Norm(x,m2,D2); y3=y1+y2; plot(x,y1,x,y2,x,y3); grid on;

16 5. Управляющие структуры Помимо программ с линейной структурой, инструкции которых исполняются строго по порядку, существует множество программ, структура которых нелинейная. При этом ветви программ могут выполняться в зависимости от определенных условий, иногда с конечным числом повторений циклов, иногда в виде циклов, завершаемых при выполнении заданного условия. Практически любая серьезная программа имеет нелинейную структуру. Для создания таких программ необходимы специальные управляющие структуры. Они имеются в любом языке программирования, и в частности в MATLAB.

17 if-else-end if Условие Выражение_1 Оператор_отношения_Выражение_2 Инструкции_1 else Инструкции_2 end В качестве Операторов_отношения используются следующие операторы: ==,, = или ~=. Все эти операторы представляют собой пары символов без пробелов между ними.

18 if-elself-else-end if Условие Инструкции_1 elself Условие Инструкции_2 else Инструкции_3 end ПРИМЕР if x<5 y=0.1; elseif x<10 y=0.5; elseif x<15 y=0.75; else y=1.0; end;

19 Циклы for...end Конструкции циклов типа for...end обычно используются для организации вычислений с заданным числом повторяющихся циклов. Конструкция такого цикла имеет следующий вид: for vаг=Выражение Инструкция.... end Выражение чаще всего записывается в виде s:d:e, где s начальное значение переменной цикла var, d приращение этой переменной и е конечное значение управляющей переменной, при достижении которого цикл завершается. Возможна и запись в виде s :е (в этом случае d=1). Список выполняемых в цикле инструкций завершается оператором end.

20 Пример (for...end ) figure(1) for x=1:100 y(x)=0.01*x; end plot(1:x,y(1:x)); grid on;

21 Пример совместного использования операторов for-end и if-end figure(2) x=1:0.5:100; for i=1:length(x) if (x(i)>0)&&(x(i)<20) y(i)=sin(x(i)); end if (x(i)>=20)&&(x(i)<50) y(i)=2+cos(x(i)); end if (x(i)>=50)&&(x(i)<=100) y(i)=log(x(i)); end plot(x,y); grid on;

22 Циклы while...end Цикл типа while выполняется до тех пор, пока выполняется Условие: while Условие Инструкции end

23 Пример (while, if-end) %------while x=0; dx=0.01; i=1; while x<=40, if x<5 y=0.1; elseif x<10 y=0.5; elseif x<15 y=0.75; else y=1.0; end; x=x+dx; x1(i)=x; y1(i)=y; i=i+1; end figure(1) plot(x1,y1); grid on;

24 Для осуществления множественного выбора (или ветвления) используется конструкция с переключателем типа switch switch switch_Bыражение case саsе_Выражение Список_инструкций case {саsе_Выражение 1, cаsе_Выражение 2,....} Список_инструкций … otherwise. Список_инструкций end Если выражение после заголовка switch имеет значение одного из выражений саsе_Выражение..., то выполняется блок операторов case, в противном случае список инструкций после оператора otherwise. При выполнении блока case исполняются те списки инструкций, для которых сазе_Выражение совпадает со switch_Выражением.

25 Пример использования оператора switch-case-end figure(3) z=zeros(1,10); for x=1:10 switch x case {1,2,3} z(x)=4; case {4,5,6,7} z(x)=2; otherwise z(x)=7; end bar(z);

26 Выводы В среде MATLAB заложены достаточно мощные и удобные средства программирования. Программирование в среде MATLAB основано на использовании М-файлов-сценариев и М- файлов-функций. В среде MATLAB заложена возможность поддержки функций с переменным числом аргументов. Использование управляющих структур (условные операторы, циклы) и функции диалога позволяет организовывать нелинейные структуры программ.