MATLAB应用第3章第2版 MATLAB程序设计.docx
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MATLAB应用第3章第2版MATLAB程序设计
第3章MATLAB程序设计
在以前所介绍的各种运算中，命令或函数的输入都是在命令窗口下进行的，这是一种计算器输入方式，其命令的执行属于交互式的，即：
在命令窗口逐条输入命令，MATLAB就逐条解释执行。
这种命令输入方式操作简单、直观，但随着指令数的增加，或程序复杂程度的增加，这种命令输入方式就显得繁琐（因为输入过程也伴随执行过程）、而且执行程序不能保留，不能反复使用。
为了解决这些问题，必须将程序保存在一个文件中。
在MATLAB中，这种文件是以.m为扩展名的，称为m文件。
3．1m文件
m文件是文本文件，它可以用任何文本编辑器编辑，如用记事本、word等编辑。
但是通常用MATLAB提供的文本编辑器编辑。
启动MATLAB文本编辑器编辑的方法有3种
1．菜单操作：
“file”菜单“new”“M-file”
2．命令按钮操作：
点击MATLAB主窗口工具栏上的“newM-file”按钮
3．命令操作：
在MATLAB命令窗口输入命令：
edit
打开的编辑器后，输入程序后，可以以m为扩展名保存在某一个目录中。
matlab的.m文件保存的命名规则：
1.文件名命名要用英文字符，第一个字符不能是数字
2.文件名不要取为matlab的一个固有函数,m文件名的命名尽量不要是简单的英文单词，最好是由大小写英文/数字/下划线等组成。
原因是简单的单词命名容易与matlab内部函数名同名，结果会出现一些莫名其妙的错误。
3、文件存储路径一定为英文
4、m文件起名不能有空格，如threephase，应该写成three_phase或者ThreePhase
如果要打开已有的m文件，方法也有3种
1．菜单操作：
“file”菜单“open…”，这时出现“open”对话框。
在“文件类型”下拉栏中选“M-files（.m）”，再在某一个目录中选择所需要的m文件
2．命令按钮操作：
点击MATLAB主窗口工具栏上的“openfile”按钮
3．命令操作：
在MATLAB命令窗口输入命令：
edit文件名
m文件分为两种，一种是脚本文件（命令文件），另一种是函数文件。
一、脚本文件
脚本文件就是以前在命令窗口输入的诸多命令的简单迭加，但是在输入过程中，并不伴随执行，而是全部输入完后保存下来，什么时候想执行就什么时候执行，命令完全按编写顺序执行。
这就解决了在命令窗口运行多条命令的麻烦，同时也可以使保存的程序反复使用。
例1用图形表示连续调制波形
及其包络线。
clearworkspace和clearcommandwindow
在MATLAB文本编辑器编辑
t=（0:
pi/100:
pi）';%<1>
y1=sin（t）*[1,-1];%<2>
y2=sin（t）.*sin（9*t）;%<3>
figure,plot（t,y1,'r:
',t,y2,'b'）;%<5>
axis（[0,pi,-1,1]）;title（'连续调制波形'）;legend（'包络线1','包络线2','调制波'）
“debug（调试）”菜单“saveandrun”生成test1.m脚本文件，并运行它
注意workspace中的变量变化
如果workspace中原来没有储存变量，这时，m脚本文件中有几个变量，workspace中就会生成几个变量
而且，这些变量可以被其它命令或函数调用
例2在命令窗口输入
figure,plot（t,y2,'b'）
在本例中，在命令窗口中，并没有给t,y2赋值，它们的数据都取自运行test1.m脚本文件时在workspace中生成的变量
同样，在workspace中的变量也可以被m文件调用
例3MATLAB文本编辑器编辑
y1=sin（t）*[1,-1];%<2>
y2=sin（t）.*sin（9*t）;%<3>
figure,plot（t,y1,'r:
',t,y2,'b'）;%<5>
axis（[0,pi,-1,1]）;title（'连续调制波形'）;legend（'包络线1','包络线2','调制波'）
点击“file”菜单“saveas…”，生成test2.m脚本文件
在这个文件中，没有给变量t赋值
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入
t=（0:
pi/100:
pi）';
这时在workspace中生成t变量
在MATLAB文本编辑器中，“debug（调试）”菜单“run”
在本例中，m脚本文件中的程序是借助workspace中的t变量运行
以上所介绍的变量，无论是在命令窗口中赋值的，还是在m脚本文件中赋值的，只要能储存在workspace中，都称为全局变量
例10建立命令文件，将华氏温度f转换为摄氏温度c。
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：
73
c=
22.7778
说明：
当使用键盘输入数据时，可以使用input函数，常用的格式有两种：
v=input（'message'）将“message”后面键入的内容赋给变量v。
可以输入数值、字符串、元胞数组等各种形式的数据
v=input（'message','s'）将键入的内容s作为字符串赋给变量v。
即，不管输入什么，总是以字符串的形式赋给变量v
'message'是将显示在屏幕上的字符串，是必不可少的
二、函数文件
m函数文件是以function为第1行的文件
它的基本结构如下：
function[输出变量列表]=函数名（输入变量列表）
注释说明语句段，由%引导
函数语句体
说明：
1．在[输出变量列表]中，如果只有一个变量，方括号可以省略
2．在这种文件中，输入变量列表中所列出的变量并没有被赋值。
因此m函数文件本身不能像m脚本文件那样独立地运行。
它只能被其它文件或命令调用。
在调用过程中，必须在命令窗口或其它文件中将输入变量列表中所列出的变量赋值。
3．函数的调用格式为：
[输出变量列表]=函数文件名（输入变量列表）
例4用图形表示连续调制波形
及其包络线。
在MATLAB文本编辑器编辑
function[y1,y2]=test3（t,n）
y1=sin（n.*t）*[1,-1];%<2>
y2=sin（n.*t）.*sin（9*t）;%<3>
figure,plot（t,y1,'r:
',t,y2,'b'）;%<5>
axis（[0,pi,-1,1]）;title（'连续调制波形'）;legend（'包络线1','包络线2','调制波'）
点击“file”菜单“saveas…”，生成test3.m函数文件
在这个文件中，输入变量列表中的变量t,n并没有被赋值
下面是对这个函数文件的调用
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入
t=（0:
pi/100:
pi）';n=1;%n=1时，与例1的情况相同
[y1,y2]=test3（t,n）;
在这个例子中，如果给t和n赋不同的值，可以产生不同的结果
例5用图形表示连续调制波形
及其包络线。
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入
t=（0:
pi/100:
pi）';n=2;%n=1时，与例1的情况相同
[y1,y2]=test3（t,n）;
在上两个例子中，在workspace都产生变量t、n、y1、y2，这和test3函数文件中的出现的变量及其数目是相同的。
但是，这仅仅是巧合。
例6用图形表示连续调制波形
及其包络线和零点。
在MATLAB文本编辑器编辑
function[y1,y2]=test4（t,n）
y1=sin（n.*t）*[1,-1];%<2>
y2=sin（n.*t）.*sin（9*t）;%<3>
t3=pi*（0:
9）/9;
y3=sin（t3）.*sin（9*t3）;
figure,plot（t,y1,t,y2,t3,y3,'mo'）;axis（[0,pi,-1,1]）;title（'连续调制波形'）;legend（'包络线1','包络线2','调制波','零点'）
点击“file”菜单“saveas…”，生成test4.m函数文件
与test3.m函数文件相比，test4.m函数文件中多了t3和y3变量，而且它们并没有出现在文件的输入列表或输出列表中
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入下面的命令，注意观察workspace的变化
t=（0:
pi/100:
pi）';n=1;%n=1时，与例1的情况相同
[y1,y2]=test4（t,n）;
可以看到，虽然test4.m函数文件中多了t3和y3变量，但是在workspace并没有显示出来。
在workspace显示的是变量t、n、y1、y2。
实际上，变量t、n、y1、y2显示在workspace也是一种巧合。
例7用图形表示连续调制波形
及其包络线和零点。
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入下面的命令，注意观察workspace的变化
s=（0:
pi/100:
pi）';m=1;
[z1,z2]=test4（s,m）;
这时，在workspace，根本看不到函数文件定义的变量。
以前之所以在workspace能看到函数文件定义的变量，那是因为在命令窗口输入的变量碰巧和函数文件定义的变量一致。
从上面的分析看到，m函数文件的变量与m脚本文件的变量不同，并不存在于workspace。
实际上，每当函数文件运行时，MATLAB专门为函数文件开辟一个临时工作区间（contextworkspace）。
该空间称为函数工作区间（functionworkspace）。
所有中间变量都存放在函数工作区间中，当MATLAB执行完函数文件的最后一条指令后，或遇到return命令时，就结束该函数文件的运行，同时该临时函数空间及其所有的中间变量立即被清除。
这些存在于函数空间的中间变量称为局部变量。
它产生于该函数的运行过程中，其影响范围仅限于该函数本身。
注意，在函数文件中也可以产生全局变量。
这时需要通过global指令预先定义。
由于全局变量会损害函数的封闭性，因此不提倡在函数文件中使用全局变量。
3．m函数文件的名称可以与函数名不同。
例8将test3.m另存为test5.m，并将它的函数名改为“sin”
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入
t=（0:
pi/100:
pi）';n=1;%n=1时，与例1的情况相同
[y1,y2]=test5（t,n）;
为了避免混乱，函数文件名应该与函数名一致
注意，函数文件名不能和MATLAB中已定义的函数同名
例9将test3.m另存为sin.m
clearworkspace和clearcommandwindow
在命令窗口输入下面的命令
t=（0:
pi/100:
pi）';n=1;%n=1时，与例1的情况相同
[y1,y2]=sin（t,n）;
3．2程序控制结构
组成计算机程序的一系列指令语句可以分成两类：
运算语句和控制顺序语句。
MATLAB编程的主要任务是安排调整好控制顺序语句，使运算语句的运行顺序合理，运算简捷．节省机时。
常用的控制顺序语句有三种：
顺序结构、循环结构和分支结构．
顺序结构语句就是从前到后，依照指令排列的自然顺序逐条执行；
循环和分支结构语句则不全按指令语句的自然排序执行，中途可以利用控制顺序语句改变执行次序．
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'）
What'syourname?
name
xm=
name
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。
例如：
a=‘helloeveryone!
’;
disp（a）
执行结果：
helloeveryone!
注意：
用disp函数显示矩阵时将不显示矩阵的名字，而且其格式更紧密，且不留任何没有意义的空行。
例1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2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））]）;
执行结果：
a=?
6
b=?
12
c=?
21
x1=-1+1.5811i,x2=-1-1.5811i
str=num2str（A）convertsarrayAintoastringrepresentationstr.Convertedfloating-pointvalueshaveamaximumoffourdigitsofprecision,andanexponentifrequired.Forintegervalues,num2strreturnstheexactstringrepresentationofthevalue.
二、循环结构语句
在实际问题中经常会遇到许多有规律的重复计算，如某些程序中需要反复执行某些语句。
这就需要调用循环语句进行控制。
在MATLAB中提供两种循环方式：
for循环和while循环。
次数循环语句for-end：
fori=V
循环结构体
end
其中，i为循环变量，V为一个向量，循环变量i每次从向量V中取一个值，执行一次循环体的内容，如此下去，直到执行完向量V中所有的元素，最后将自动结束循环体的执行。
for循环的特点是，它的循环判断通常是对循环次数的判断。
在一般情况下，循环次数是预先设定好的。
例1用for循环语句求解
s=0;%定义变量s并赋初值
fori=1:
100%在循环体内，i不影响它在循环体外的预定义变量的作用
s=s+i;%分号应该加上，否则会显示大量中间结果
end
s
例2用for循环语句创建一个范得蒙矩阵
clear
a=input（'输入范得蒙矩阵的基本向量a='）;
n=length（a）;
fork=0:
n-1%规定执行语句组的次数
D（k+1,:
）=a.^k;%给矩阵D的第（k+1）行赋值
end,D
给文件起名“li2”（可随意），并存盘
在指令窗中键入li2，回车则屏幕显示：
输入范得蒙矩阵的基本向量a=
键盘输入：
[4523]
for语句更一般的格式：
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
已知5个学生4门功课的成绩，求每名学生的总成绩。
程序如下：
s=0;
a=[65,76,56,78;98,83,74,85;0,0,0,0;98,58,42,73;67,...
89,76,87];
fork=a
s=s+k;
end
disp（s'）;
执行结果：
2753400271319
条件循环语句while–end
while（条件式）
循环结构体
end
其中，条件式是一个逻辑表达式，若其值为真（非0），则将自动执行循环体内容，执行后再判断条件式的真伪，为真则继续执行循环体内容，否则退出循环体结构。
由于while语句具有判断控制功能，不是简单的定数循环，因此比for循环语句更灵活些，适用范围也就更广些。
例3用while循环语句求解
s=0;i=1;%定义变量s和i并赋初值
while（i<=100）%i<=100时在循环体内，否则退出循环体
s=s+i;i=i+1;%i作为计数用
end
s
事实上，前面的求和可以用MATLAB提供的sum（）函数对整个向量1:
100进行直接操作来实现：
sum（1:
100）
这样做程序更简单了。
这是向量化方式求和。
例4求满足
的最小m值
这个问题用for循环不便求解，应该用while循环
s=0;m=0;%定义变量s和m并赋初值
while（s<=10000）%s<=10000时在循环体内，否则退出循环体
m=m+1;s=s+m;
end
[s,m]
例5用循环语句和向量化方式求解级数求和问题
可以用tic（启动计时器）,toc（关闭计时器）命令侧出两种方法计算所需要的时间：
tic,
s=0;
fori=1:
100000,
s=s+1/2^i+1/3^i;
end;
s
toc
tic,
i=1:
100000;
s=sum（1./2.^i+1./3.^i）
toc
对这个问题来说，向量化所需的时间约相当于循环结构的40%，故用向量化的方法可以节省时间
二、分支结构（条件转移）语句
在复杂的计算中，常常需要根据表达式是否满足条件来确定下一步该做什么。
MATLAB提供了if语句来进行判断选择
单条件分支语句if-end
if条件
语句组
end
当条件成立时，执行语句组。
执行完后继续执行后续语句。
若条件不成立，直接执行后续语句。
例6每个苹果价格是25，购买量超过5个时，给与20%的折扣。
问买10个苹果需要多少钱？
apples=10;%苹果的数目
cost=apples*25;%不打折扣时购买苹果的费用
ifapples>5
cost=（1-20/100）*cost;%购买量超过5个时，给与20%的折扣
end
cost
双条件分支语句if–else-end
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，再执行后续语句。
例7计算分段函数：
x=input（'请输入x的值：
'）;
ifx==10
y=cos（x+1）+sqrt（x*x+1）;
else
y=x*sqrt（x+sqrt（x））;
end
y
例8编程执行下述任务：
输入一个数n，若使函数
，就显示“y>100"；否则显示“y<100”。
解：
clear,n=input（'n='）
ifn^2-n^3*sin（n）<=100
'y<=100'
else
'y>100'
end
递阶选择多分支语句if–elseif–else-end
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
例9由键盘输入任一自变量时，判断函数
y是负数、偶数，还是其他。
解：
先判断函数y的正负，再判断其奇偶性
clear,x=input（'输入自变量x='）%由键盘输入自变量x
ifx^4-19*x^3+32<0%判断函数y是否为负数
a='negatixe'
elseifrem（x^4-19*x^3+32,2）==0%判断y是否为偶数
a='even'
else
a='other'
end
（求余数函数rem（x,y）：
y不等于0时，rem（x,y）＝x-y*fix（x/y）；y=0时，rem（x,y）=NaN）
循环和分支语句可以互相嵌套，形成更为复杂结构的程序语句。
例10鸡兔同笼，共有36个头、100只脚，问鸡兔各有多少？
解：
鸡有两只脚，兔有四只脚。
若设鸡兔共有P个头、q只脚，又设有n只鸡，则（q-2n）应该能被4整除，其商数即为兔的只数。
clear,p=input（'总头数p='）;q=input（'总脚数q='）;
n=1;%设鸡起码有1只，可以多设
while1%while后的逻辑值为l时将无限循环下去
ifrem（q-n*2,4）==0&（n+（q-2*n）/4）==p
break%遇此指令则跳出包含它的最小循环语句
end
n=n+1;
end,
disp（'鸡的只数'）,n,disp（'兔的只数'）,p-n
指令窗中调用该文件时输入p=36，q=100，则得出鸡数和兔子数。
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3-12求[100，200]之间第一个能被21整除的整数。
程序如下：
forn=100:
200
ifrem（n,21）~=0
continue
end
break
end
n
多路选择分支语句switch-case-otherwise–end
有些运算是根据满足的条件来选择运算步骤（用语句组实现）的，多路选择分支语句就满足了这种需求。
switch数值或字符串表达式
case数值或字符串1
语句组A1
case数值或字符串2
语句组A2
……
case数值或字符串m
语句组Am
otherwise
语句组An
end
说明：
switch语句将根据开关表达式的取值不同，分别执行不同的语句。
当开关表达式输出的数值（或字符串）与某个case后的数值i（或字符串）一致时，就执行该case后的语句组Ai；若它跟任意case后的数值i（或字符串）都不一致，就执行最后一个语句组An。
“多路选择分支语句
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