Презентация на тему "Основы программирования в среде Matlab"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Кафедра телекоммуникационных систем«Основы математического моделирования»

  Лекция №8: Основы программирования в среде Matlab Учебные вопросы: Основные средства программирования. Основные типы данных. М-файлы сценариев и функций Управляющие структуры

• 
  Слайд 2

  Рекомендуемая литература:(ftp://10.13.6.252/pub/OMM)

  Половко А.М., Бутусов П.Н. MATLAB для студентов. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 320 с. ДьяконовВ.П.MATLAB 6: учебный курс.– СПб.: Питер, 2001. – 592 с. Дьяконов В.П., Круглов В.Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. ДьяконовВ.П. MATLAB 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала». – М.: СОЛОН. Пресс, 2005. – 800 с. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6R в математике и моделировании. Серия Библиотека профессионала. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 576 с. Потемкин В. Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.х: в 2-х т. Чен К., Джиблин П. Ирвинr А. МAТLAВ в математических исследованиях: Пер. с анrл. – М.: Мир, 2001. – 346 c. Ануфриев И.Е., СмирновА.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 1104 с.

• 
  Слайд 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 программированиярешения 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.

• 
  Слайд 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.

• 
  Слайд 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.

• 
  Слайд 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.

• 
  Слайд 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.

• 
  Слайд 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). Функцияпреобразует 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.

• 
  Слайд 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.

• 
  Слайд 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.

• 
  Слайд 11

  Пример файла-сценария

  %Plot with color red %Строит график синусоиды линией красного цвета %свыведенной 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.

• 
  Слайд 12

  Структура файла-функции

  М-файл-функцияявляется 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  vаr=выражение

• 
  Слайд 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.

• 
  Слайд 14
  

  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 vаг1=выражение vаг2=выражение

• 
  Слайд 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;

• 
  Слайд 16

  5. Управляющие структуры

  Помимо программ с линейной структурой, инструкции которых исполняются строго по порядку, существует множество программ, структура которых нелинейна. 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.

• 
  Слайд 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.

• 
  Слайд 18

  if-elself-else-end

  if Условие  Инструкции_1 elself Условие  Инструкции_2  else  Инструкции_3  end ПРИМЕР if x

• 
  Слайд 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.

• 
  Слайд 20

  Пример (for...end )

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

• 
  Слайд 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)&&(x(i)=50)&&(x(i)

• 
  Слайд 22

  Циклы while...end

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

• 
  Слайд 23

  Пример (while, if-end)

  %------while-------- x=0; dx=0.01; i=1; while x

• 
  Слайд 24
  

  Для осуществления множественного выбора (или ветвления) используется конструкция с переключателем типа switch

  switch switch_Bыражение  case саsе_Выражение  Список_инструкций case {саsе_Выражение1, cаsе_Выражение2, ....}  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.

• 
  Слайд 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 end bar(z);

• 
  Слайд 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.