第四讲-MATLAB程序设计

MATLAB程序设计教学内容M文件介绍函数流程控制函数变量调试程序优化程序1M文件1.1M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)。1.2M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

2．打开已有的M文件

函数式M文件比命令式M文件相对复杂一些，命令文件不需要自带参数，也不一定返回结果，而函数文件一般要自带参数，并且有返回结果，以便于更好的把整个程序连为一段。函数文件也可以不带参数，此时文件中一般使用一些全局变量来实现与外界和其他函数之间的数据交换。函数文件的第一行以function开始，说明此文件是一个函数。其实质为用户向MATLAB函数库中添加的子函数。在默认情况下，函数文件中的变量都是局部变量，仅在函数运行期间有效，函数运行结束后，这些变量将从工作区中清除。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。函数文件如下：function[s,p]=fcircle(r)%CIRCLEcalculatetheareaandperimeterofacircleofradiir%r圆半径%s圆面积%p圆周长s=pi*r*r;p=2*pi*r;

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。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main1.m：x=input('Pleaseinputx=:');y=input('Pleaseinputy=:');[rho,the]=tran(x,y);rhothe

例利用函数的递归调用，求n！。

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factor.m如下：functionf=factor(n)ifn<=1f=1;elsef=factor(n-1)*n;%递归调用求(n-1)!end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。程序1：首先建立命令文件并以文件名f2c.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f2c，将会执行该命令文件，执行情况为：InputFahrenheittemperature：73c=22.7778程序2：首先建立函数文件f2c.m。functionc=f2c(f)c=5*(f-32)/9然后在MATLAB的命令窗口调用该函数文件。clear;y=input('InputFahrenheittemperature：');x=f2c(y)输出情况为：InputFahrenheittemperature：70c=21.1111x=21.11112、函数流程控制顺序结构选择结构循环语句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');2.1顺序结构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。2．数据的输出例输入x,y的值，并将它们的值互换后输出。程序如下：

x=input('Inputxplease.');y=input('Inputyplease.');z=x;x=y;y=z;disp(x);disp(y);例求一元二次方程ax2+bx+c=0的根。程序如下：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))]);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。3．程序的暂停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。2.2选择结构

(2)双分支if语句：if条件语句组1else

语句组2end

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。

程序如下：x=input('请输入x的值:');ifx==10y=cos(x+1)+sqrt(x*x+1);elsey=x*sqrt(x+sqrt(x));enddisp(y);

(3)多分支if语句：if条件1

语句组1elseif条件2

语句组2……elseif条件m

语句组melse

语句组nend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。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'));elsedisp(c);end2．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1case表达式2

语句组2……case表达式m

语句组motherwise

语句组nend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。例根据变量num的值来决定显示的内容.num=input('请输入一个数');switchnumcase-1disp('Iamateacher.');case0disp('Iamastudent.');case1disp('Youareateacher.');otherwisedisp('Youareastudent.');end3．try语句语句格式为：try

语句组1catch

语句组2endtry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。程序如下：A=[1,2,3;4,5,6];B=[7,8,9;10,11,12];tryC=A*B;catchC=A.*B;enddisp(C);disp(lasterr);%显示出错原因运行结果如下：

71627405572Errorusing==>mtimesInnermatrixdimensionsmustagree.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。2.3循环结构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。程序如下：form=100:999m1=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*m3disp(m)endendfor语句更一般的格式为：

for循环变量=矩阵表达式循环体语句

end

执行过程是依次将矩阵的各列元素赋给循环变量，然后执行循环体语句，直至各列元素处理完毕。例写出下列程序的执行结果。

s=0;a=[12,13,14;15,16,17;18,19,20;21,22,23];fork=as=s+k;enddisp(s');程序运行结果为：39485766即分别求出矩阵每行元素之和。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。程序如下：sum=0;cnt=0;val=input('Enteranumber(endin0):');while(val~=0)sum=sum+val;cnt=cnt+1;val=input('Enteranumber(endin0):');endif(cnt>0)summean=sum/cntend3．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。程序如下：forn=100:200ifrem(n,21)~=0continueendbreakenddisp(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3-13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。form=1:500s=0;fork=1:m/2ifrem(m,k)==0s=s+k;endendifm==sdisp(m);endend3.函数变量局部变量全局变量永久变量局部变量每个函数都有自己的局部变量，这些变量存储在该函数独立的工作区中，与其他函数的变量及主工作区中的变量分开存储。当函数调用结束时，这些变量随之删除，不保存在内存中。并且，除了函数返回值，该函数不改变工作区中其他变量的值。然而命令文件没有独立的工作区，当通过命令窗口调用命令文件时，命令文件分享主工作区，当函数调用命令文件时，命令文件分享主调函数的工作区。需要注意的是，如果命令文件中改变了工作区中变量的值，则在命令文件调用结束后，该变量的值发生改变。在函数中，变量默认为局部变量。全局变量局部变量只在一个工作区内有效，无论是函数工作区还是MATLAB主工作区。与局部变量不同，全局变量可以在定义该变量的全部工作区中有效。当在一个工作区内改变该变量的值时，该变量在其他工作区中的变量同时改变。任何函数如果需要使用全局变量，则必须首先声明，声明格式为：global变量名1变量名2如果一个M文件中包含的子函数需要访问全局变量，则需在子函数中声明该变量，如果需要在命令行中访问该变量，则需在命令行中声明该变量。例全局变量应用示例。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)globalALPHABETAf=ALPHA*x+BETA*y;

在命令窗口中输入：globalALPHABETAALPHA=1;BETA=2;s=wadd(1,2)永久变量除局部变量和全局变量外，MATLAB中还有一种变量类型为永久变量。永久变量的特点为：只能在M文件内部定义；只有该变量从属的函数能够访问该变量；当函数运行结束时，该变量的值保留在内存中，因此当该函数再次被调用时，可以再次利用这些变量。永久变量的定义方法为：persistent变量名1变量名2。

程序的调用(1)主函数(2)子函数(3)局部函数

M文件中的第一个函数就叫做主函数，前边章节中所引用的函数事实上都是主函数，主函数之后可以是任意数量的子函数，它们可以作为主程序的子程序.一般来说，在命令窗口或是其他的M文件只能调用主函数，调用的时候就是直接调用其函数名.主函数比如，函数average的M文件average.m如下：functiony=average(x)%AVERAGEMeanofvectorelements.y=sum(x)/length(x);%Actualcomputation子函数

与其他的高级语言一样，在MATLAB7语言中也可以很方便地定义子函数，用来扩充函数的功能。在函数文件中题头定义的函数为主函数，而在函数体内定义的其他函数都被视为子函数。子函数只能为主函数或同一主函数下的其他子函数所使用。(必须和相应的主函数放到同一目录下！)例利用函数的递归调用，求n！.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factor.m如下：functionf=factor(n)ifn<=1f=1;elsef=factor(n-1)*n;%递归调用求(n-1)!end局部函数

MATLAB7语言中把放置在目录private下的函数称为局部函数，这些函数只有private目录的父目录中的函数才可以调用，其他目录下的函数不能调用.

局部函数与子函数所不同的是，局部函数可以被其父目录下的所有函数所调用，而子函数则只能被其所在的M文件的主函数所调用.所以，局部函数在可用的范围上大于子函数；在函数编辑的结构上，局部函数与一般的函数文件的编辑相同，而子函数只能在主函数文件中编辑.为防止程序调用出错！调用MATLAB工具箱的程序的自编程序必须放到默认的work工作路径当中.

课件中的程序如果直接拷贝到MATLAB中，部分不能直接运行，注意英文字符和汉语字符的区别！4.调试程序直接调试法利用调试工具采用命令行调试程序采用调试界面调试程序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。直接调试法MATLAB语言具有强大的运算能力，指令系统简单，因此程序通常非常简洁。对于简单的程序可以采用直接调试的方法。在程序调试时，程序运行中变量的值为一个重要的线索。因此，查看变量值为程序调试的重要线索，由于在函数调用时只返回最后的输出参数，而不返回中间变量，因此，可以选择下面的方法查看程序运行中的变量值。（1）通过分析后，将可能出错的语句后面的分号（;）删除，将结果显示在命令窗口中，与预期值进行比较；（2）利用函数disp显示中间变量的值；（3）在程序中的适当位置添加keyboard指令。当MATLAB执行至此处时将暂停，等待用户反应。当程序运行至此时将暂停，在命令窗口中显示k>>提示符，用户可以查看工作区中的变量，可以改变变量的值。输入return指定返回程序，继续运行。（4）在调试一个单独的函数时，可以将函数改写为脚本文件，此时可以直接对输入参数赋值，然后以脚本方式运行该M文件，这样可以保存中间变量，在运行完成后，可以查看中间变量的值，对结果进行分析，查找错误所在。采用命令行调试程序函数功能dbstop设置断点dbclear删除断点dbcont重新开始dbdown恢复由dbup修改的变量值dbmex启动MEX文件调试dbstack列出调用关系dbstatus列出所有的断点dbstep执行一行或多行dbtype列出M文件并标出每行dbup修改工作区中变量的值dbquit退出调试模式函数功能echo显示执行的脚本或函数代码disp显示指定变量的值或者其他信息sprintf，fprintf格式化输出不同类型的变量whos查看工作区中的变量size显示数组维数keyboard中断程序执行，将控制权交给键盘，允许键盘输入return在keyboard中断后继续返回程序执行warning显示指定的警告消息error显示指定的错误消息lasterr返回最后一条错误消息lasterror返回最后一条错误消息及相关信息lastwarn返回最后一条警告消息文本编辑器中的Debug菜单提供了全部的调试选项，另外，MATLAB主窗口中的Debug菜单提供了一些调试命令，方便调试时在命令窗口中查看运行状态。调试选项及其功能如表所示。选项功能对应快捷键OpenM-fileswhenDebbuging选择该选项则在调试打开M文件无Step下一步F10StepIn进入被调用函数内部F11StepOut跳出当前函数Shift+F11Continue执行，直至下一断点F5GountilCursor执行至当前光标处无Set/ClearBreakpoint设置或删除断点F12Set/ModifyConditionalBreakpoint…设置或修改条件断点无Enable/DisableBreakpoin