MATLAB02:结构化编程和函数定义

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**目录**

结构化编程

流程控制语句和逻辑运算符

流程控制语句示例

使用循环语句应尽量预先分配内存空间

编写脚本时应注意的问题

在脚本开头应添加语句清空工作区

在运算和赋值语句后应添加分号;抑制输出

使用省略号...拼接多行语句

函数

查看内置函数

以函数名.m文件形式定义函数

MATLAB内置的函数参数

MATLAB函数定义示例1

MATLAB函数定义示例2

以函数句柄形式定义函数

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学习一门技术最好的方式就是阅读官方文档,可以查看[MATLAB官方文档][MATLAB]

# 结构化编程 #

## 流程控制语句和逻辑运算符 ##

与大多数编程语言相同,MATLAB有以下流程控制语句:

<table style="width:510px;"> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th style="width:224px;">流程控制语句</th> 
   <th style="width:283px;">作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>if, elseif, else</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">若<span style="color:#f33b45;"><code>if</code></span>语句为真,则执行子句</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>switch, case, otherwise</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">根据<span style="color:#f33b45;"><code>switch</code></span>语句内容判断执行哪个子句</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>while</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">重复执行子句直到<span style="color:#f33b45;"><code>while</code></span>中的条件为假</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>for</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">执行子句固定次数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>try, catch</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">执行子句并捕获执行过程中的异常</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>break</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">跳出循环</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>continue</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">直接进入下一次循环</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>end</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">结束子句</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>pause</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">暂停程序</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:224px;"><span style="color:#f33b45;"><code>return</code></span></td> 
   <td style="width:283px;">返回到调用函数处</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> 上述所有循环和条件语句都要在末尾以`end`闭合.

MATLAB还有以下逻辑运算符:

<table style="width:288px;"> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th style="width:121px;">运算符</th> 
   <th style="width:165px;">意义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:121px;"><span style="color:#f33b45;"><code>&lt;</code></span></td> 
   <td style="width:165px;">小于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:121px;"><span style="color:#f33b45;"><code>&lt;=</code></span></td> 
   <td style="width:165px;">小于或等于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:121px;"><span style="color:#f33b45;"><code>&gt;</code></span></td> 
   <td style="width:165px;">大于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:121px;"><span style="color:#f33b45;"><code>&gt;=</code></span></td> 
   <td style="width:165px;">大于或等于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:121px;"><span style="color:#f33b45;"><code>==</code></span></td> 
   <td style="width:165px;">等于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:121px;"><span style="color:#f33b45;"><code>~=</code></span></td> 
   <td style="width:165px;">不等于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:121px;"><span style="color:#f33b45;"><code>&amp;&amp;</code></span></td> 
   <td style="width:165px;">且</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:121px;"><span style="color:#f33b45;"><code>||</code></span></td> 
   <td style="width:165px;">或</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> `&&`和`||`运算符支持逻辑短路功能.

### 流程控制语句示例 ###

下面演示各流程控制语句:

1.  `if`语句:
    
    ![if语句的用法][if]
    
        if rem(a, 2) == 0
        	disp('a is even');
        else
        	disp('a is odd');
        end
2.  `switch`语句:
    
    ![switch语句的用法][switch]
    
        switch input_num
        case -1
        	disp('negative 1');
        case 0
        	disp('zero');
        case 1
        	disp('positive 1');
        otherwise
        	disp('other value');
        end
3.  `while`语句:
    
    ![while语句的用法][while]
    
        n = 1;
        while prod(1:n) < 1e100
        	n = n + 1;
        end
4.  `for`语句:
    
    ![for语句的用法][for]
    
        for n=1:10
        	a(n)=2^n;
        end
        disp(a)
5.  `break`语句:
    
        x = 2; k = 0; error = inf;
        error_threshold = 1e-32;
        while error > error_threshold
            if k > 100
            	break
            end
            x = x - sin(x)/cos(x);
            error = abs(x - pi);
            k = k + 1;
        end

### 使用循环语句应尽量预先分配内存空间 ###

若一个变量所需要的内存空间是一个可预测的定值,我们应尽量提前为其分配内存空间.

以下面两段程序为例,演示这一点:

*  程序一:
    
        tic
        for ii = 1:2000
            for jj = 1:2000
                A(ii,jj) = ii + jj;
            end
        end
        toc
    
    程序输出`Elapsed time is 4.616199 seconds.`
 *  程序二:
    
        tic
        A = zeros(2000, 2000);		% 预先为变量分配内存空间
        for ii = 1:size(A,1)
            for jj = 1:size(A,2)
                A(ii,jj) = ii + jj;
            end
        end
        toc
    
    程序输出`Elapsed time is 2.786401 seconds.`

可以看到,程序一比程序二所用的时间更长.这是因为: 对于程序一,没有预先为变量`A`分配内存,因此每当`A`的形状发生改变时,都需要重新为`A`分配内存地址,这花费了更多的时间.

## 编写脚本时应注意的问题 ##

### 在脚本开头应添加语句清空工作区 ###

在每个脚本的开头,应添加下述语句,清空工作区缓存以及之前程序运行的痕迹:

clear all	% 清空工作区内存中的变量
    close all 	% 关闭之前程序绘制的图像
    clc			% 清空之前程序在终端的输出

### 在运算和赋值语句后应添加分号`;`抑制输出 ###

在所有运算和赋值语句都应该添加分号`;`抑制输出,若需要向终端输出一个变量,应对其调用`disp`方法.

### 使用省略号`...`拼接多行语句 ###

在MATLAB中,省略号`...`可以将多行语句拼接为一行,灵活使用该语句可以提高代码可读性.

annPoints_sampled = annPoints(annPoints(:,1)>x1 & ...
        annPoints(:,1) < x2 & ...
        annPoints(:,2) > y1 & ...
        annPoints(:,2) < y2);

# 函数 #

与其他语言相似,MATLAB也可以定义函数.与脚本类似,函数可以被存入`函数名.m`文件中,也可以以函数句柄的形式定义在内存中.

## 查看内置函数 ##

我们可以使用`which`命令查看内置函数源代码文件的位置,与`edit`命令结合可以查看内置函数的源代码.

运行下面语句可以打开MATLAB内置的`mean`函数的源文件:

edit(which('mean.m'))

可以在编辑器中看到`mean`函数的源代码如下:

![mean函数源代码][mean]

## 以`函数名.m`文件形式定义函数 ##

在MATLAB文件中定义函数的格式如下:

function [输出变量名] = 函数名(输入变量名) 
    % 函数的文档
    
    函数代码

*  `function`是一个关键字,声明该文件中保存的是一个函数.
 *  `输入变量`和`输出变量`是非必须的,函数既可以没有输入变量,也可以没有输出变量.
 *  `函数名`应与`.m`文件名相同,且不包含特殊字符(最好不要有中文).

### MATLAB内置的函数参数 ###

在MATLAB中,内置了一些函数参数如下:

<table style="width:323px;"> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th style="width:137px;">函数参数</th> 
   <th style="width:185px;">意义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:137px;"><span style="color:#f33b45;"><code>imputname</code></span></td> 
   <td style="width:185px;">输入变量名列表</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:137px;"><span style="color:#f33b45;"><code>mfilename</code></span></td> 
   <td style="width:185px;">函数源代码文件名</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:137px;"><span style="color:#f33b45;"><code>nargin</code></span></td> 
   <td style="width:185px;">输入变量数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:137px;"><span style="color:#f33b45;"><code>nargout</code></span></td> 
   <td style="width:185px;">输出变量个数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:137px;"><span style="color:#f33b45;"><code>varargin</code></span></td> 
   <td style="width:185px;">可变长输入参数列表</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:137px;"><span style="color:#f33b45;"><code>varargout</code></span></td> 
   <td style="width:185px;">可变长输出参数列表</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

MATLAB不提供其他高级语言的指定默认参数值以及函数重载等语法,但灵活使用上述内置的函数参数,可以在一定程度上实现指定默认参数值以及方法重载:

function [volume]=pillar(Do,Di,height)
    if nargin==2,
    	height=1;
    end
    volume=abs(Do.^2-Di.^2).*height*pi/4;

### MATLAB函数定义示例1 ###

下面程序用来计算自由落体运动中位移量:

![x= x\_0 + v\_0 t +\\frac\{1\}\{2\} g t^2][x_ x_0 _ v_0 t _frac_1_2_ g t_2]

function x = freebody(x0,v0,t)
    % calculation of free falling
    % x0: initial displacement in m
    % v0: initial velocity in m/sec
    % t: the elapsed time in sec
    % x: the depth of falling in m
    x = x0 + v0.*t + 1/2*9.8*t.*t;

该函数演示了一个MATLAB编程技巧: 计算乘法时应尽量使用`.*`而非`*`,因为前者不仅对参数`t`为标量的情况可用,也对变量`t`为向量或矩阵的情况可用.

freebody(0, 0, 2)			% 得到 19.6000
    freebody(0, 0, [0 1 2 3])	% 得到 [0 4.9000 19.6000 44.1000]
    freebody(0, 0, [0 1; 2 3])	% 得到 [0 4.9000; 19.6000 44.1000]

### MATLAB函数定义示例2 ###

下面函数实现了从华氏温度到摄氏温度的转换,该函数可以识别输入的待转换样例的个数,当输入的待转换样例个数为0时,退出函数.

function F2C()
    while 1
        F_degree = input('tempreature in Fahrenheit: ', 's');
        F_degree = str2num(F_degree);
        if isempty(F_degree)
            return
        end
        C_degree = (F_degree-32)*5/9;
        disp(['tempreature in Celsius: ' num2str(C_degree)])
    end

![F2C函数执行结果][F2C]

## 以函数句柄形式定义函数 ##

我们也可以使用函数句柄的形式定义函数,这更接近数学上的函数定义,其语法如下:

函数句柄 = @(输入变量) 输出变量

可以直接通过函数句柄调用该方法.

f = @(x) exp(-2*x);
    x = 0:0.1:2;
    plot(x, f(x));

[https_blog.csdn.net_ncepu_Chen_article_details_103047811]: https://blog.csdn.net/ncepu_Chen/article/details/103047811
[MATLAB]: https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/getting-started-with-matlab.html?lang=en
[if]: /images/20221123/2eb783d08805423cb4e68bba534d9ec4.png
[switch]: /images/20221123/ca7873feb3b54f85b8541c03e15a3b09.png
[while]: /images/20221123/6b9809cbabe74b4d88a272e6d6686d62.png
[for]: /images/20221123/dd5a2c105f5d49a499daede3ad0e9049.png
[mean]: /images/20221123/507adb8110cc4428a1694fe82c3616bb.png
[x_ x_0 _ v_0 t _frac_1_2_ g t_2]: https://private.codecogs.com/gif.latex?x%3D%20x_0%20&plus;%20v_0%20t%20&plus;%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20g%20t%5E2
[F2C]: /images/20221123/4681475f717c41ab8d9df7992c0e5bfd.png