Table Of ContentCopyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
министерство образования и науки
российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖнЫй ФедераЛЬнЫй университет»
ФиЛиаЛ ЮФу в Г. новоШаХтинске
Н. Е. Галушкин
Высокоуровневые методы
программирования:
язык программирования MatLab
Учебник по дисциплине
«Высокоуровневые методы информатики и программирования»
для студентов специальности «Прикладная информатика»
Часть 1
ростов-на-дону
издательство Южного федерального университета
2011
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
удк 004.9
ббк 32.973.018.2
Г 16
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор ЮРГТУ Привалов А. А.;
кандидат технических наук, доцент ЮРГУЭС Береза А. Н.
Учебник подготовлен и издан в рамках
национального проекта «Образование»
по «Программе развития федерального государственного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
„Южный федеральный университет“ на 2007–2010 гг.»
Галушкин Н. Е.
Г 16 высокоуровневые методы программирования. язык
программирования MatLab: учебник. Часть 1 /
н. е. Галушкин. – ростов н/д: изд-во ЮФу, 2011. – 182 с.
ISBN 978-5-9275-0810-5
в настоящее время MatLab является самым мощным в мире компью-
терным пакетом моделирования и программирования задач в любой обла-
сти знания. он содержит инструменты, позволяющие автоматизировать
разработку любых проектов и научных проблем, начиная от стадии нако-
пления данных и завершая подготовкой документации. Поэтому он явля-
ется базовым пакетом во многих университетах и научных центрах мира.
однако в отечественной литературе крайне мало книг и особенно учебни-
ков по пакету Matlab. данный учебник восполнит этот пробел.
ISBN 978-5-9275-0810-5 УДК 004.9
ББК 32.973.018.2
© Галушкин н. е., 2011
© Южный федеральный университет, 2011
© оформление. макет. издательство
Южного федерального университета, 2011
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
система MatLab представляет собой уникальный сплав уни-
версальных программных и алгоритмических средств с широкой
гаммой специализированных приложений. многие учебные заве-
дения используют MatLab при подготовке специалистов различно-
го профиля. для современного специалиста и научного работника
MatLab является незаменимым инструментом моделирования и ис-
следования различных прикладных систем, прежде всего, за счет
создания новых приложений, используя программные и алгорит-
мические средства MatLab, а также возможности объединения мо-
дулей, разработанных в различных системах программирования
и использования готовых решений.
одним из самых замечательных качеств системы MatLab яв-
ляется ее расширяемость. Любая новая функция или фрагмент
программы, записанные в виде m-файла, могут быть в дальнейшем
применены, наравне с тысячами уже заранее встроенных в систе-
му мощных и гибких функций. система MatLab имеет открытую
архитектуру, что дает полный доступ пользователям к ее кодам
на гибком и мощном (и в то же время простом) языке программи-
рования этой системы. а с помощью пакетов расширения, MatLab
легко адаптируется к решению различных классов задач в любой
области знания. Поэтому пакет MatLab является базовым пакетом
во многих университетах и научных центрах мира. однако в отече-
ственной литературе крайне мало книг и особенно учебников по па-
кету MatLab. данный учебник, возможно, восполнит этот пробел.
учебник состоит из трех частей. в первой части рассмотрены
возможности пакета MatLab, синтаксис языка программирования
MatLab, и структурные методы программирования. во второй ча-
сти рассмотрены методы объектно-ориентированного и визуально-
го программирования. третья часть представляет собой справочник
по функциям общего назначения. данные функции используются
всеми пользователями пакета MatLab независимо от области зна-
ния в которой они работают.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МОДУЛЬ 1. ВОЗМОЖНОСТИ ПАКЕТА MATLAB
Комплексная цель:
– дать классификацию современных языков программиро-
вания и место языка программирования MatLab среди данных
языков;
– дать классификацию современных математических пакетов
и место пакета MatLab среди данных пакетов;
– дать представление о возможностях пакета MatLab;
– описать интерфейс пакета MatLab.
1.1. Какой язык программирования выбрать?
когда необходимо изучать программирование, то первый во-
прос, который встает перед начинающим программистом – это
какой именно язык программирования нужно выбрать для изуче-
ния. в настоящее время существует более ста различных языков
программирования, из них несколько десятков языков довольно
широко используются профессиональными программистами.
начинающему программисту очень трудно разобраться в этом
множестве различных языков программирования и правильно вы-
брать оптимальный язык необходимый для решения поставленных
задач. Правильный выбор языка программирования очень важен,
так как изучение языка программирования – это довольно труд-
ная и длительная работа, требующая годы напряженного труда.
возможности выбранного языка программирования начинающий
программист самостоятельно сможет оценить только после его из-
учения, поэтому ошибка в выборе языка приведет к значительным
потерям сил и времени программиста.
на заре программирования на персональных компьютерах
(80-е годы прошлого века) выбор языков программирования был
небольшой – Cu, Basic, Pascal, Fortran, Algol и т. д. Причем все
они были универсальными языками программирования. то есть
любую программу можно было написать на любом из этих языков
программирования. отличались они между собой только синтак-
сисом написания программ и некоторыми программными возмож-
ностями. Поэтому выбор языка программирования в это время
не был, так уж значим.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.1. Какой язык программирования выбрать?
в настоящее время ситуация резко изменилась. языки про-
граммирования стали специализированными и даже узко специ-
ализированными в зависимости от задач, которые решаются с по-
мощью данных языков.
например, если требуется написание базы данных, то в прин-
ципе их можно было бы написать на языке Basic или с++, однако,
в этом случае все пришлось бы писать с нуля, так как данные язы-
ки не приспособлены для написания баз данных. в этих языках
нет достаточно библиотек функций и объектов, необходимых для
создания баз данных. Поэтому данные функции и объекты при-
шлось бы писать с нуля. все это сильно усложняет написание про-
грамм и требует от программиста очень высокой квалификации.
для создания баз данных в настоящее время разработаны
специализированные языки программирования: MsSQL, MуSQL,
FoxPro и т. д.
специализация языков программирования идет по двум
направлениям.
1. специализация синтаксиса языка программирования под за-
дачи, которые предполагается решать с помощью данного
языка.
2. создание обширных библиотек функций и объектов предна-
значенных для решения определенного круга задач.
дадим сначала краткую классификацию современных языков
программирования по типу задач, для которых они предназначены.
Системные задачи. для программирования системных за-
дач обычно используются следующие языки программирования:
Assembler, Cu, C++, в меньшей степени с#, Java. данные языки
программирования предназначены для написания драйверов,
операционных систем (Assembler, Cu, C++), а также различных
программ для локальных и глобальных сетей (с#, Java). однако
они могут быть также использованы и при написании прикладных
программ, таких как редакторы, электронные таблицы и т. д. дан-
ные языки считаются языками программирования для профессио-
налов системщиков.
Программы общего пользования. речь идет о написании при-
кладных программ для широкого круга пользователей, как пра-
вило, программистами не профессионалами. Это могут быть раз-
личные вычислительные программы, редакторы, электронные
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.1. Какой язык программирования выбрать?
таблицы, простейшие базы данных и т. д. для написания подобных
программ чаще всего используются следующие языки программи-
рования: Basic, особенно Visual Basic, Pascal, Forth, Fort, Delph.
особенно популярны среди программистов не профессионалов ви-
зуальные языки программирования (Visual Basic, Delph), которые
не требуют глубокого знания программирования, так как значи-
тельная часть программы пишется перетаскиванием 'мышкой' го-
товых компонент из библиотек в окно создаваемой программы.
Базы данных. базы данных пишутся с использованием сле-
дующих языков программирования: MySQL, MSSQL, Oracle,
PostgreSQL, Interbase, VisualFoxPro, Delph.
Задачи искусственного интеллекта. для программирования
задач искусственного интеллекта обычно используются следую-
щие языки программирования: Lisp, SML, CaML, Haskell, Miranda,
Hope, Prolog, Multilisp, Commonlisp, рефал, Planner, QA4, FRL,
KRL, QLisp.
Задачи Web-дизайна. для программирования различных за-
дач возникающих при разработке сайта используются следующие
языки программирования: PHP, HTML, XML, CSS, Tcl/Tk, Perl,
Java, CGI, JavaScript, VBScript.
Параллельные вычисления. то есть создание программ, в ко-
торых совокупность описанных процессов могут выполняться
одновременно или псевдопараллельно. для написания таких про-
грамм используются языки программирования: MC#, Fun, Apl,
Alfl, PARAlfl, ML, SML, PPL/1, Hope, Miranda, Occam, PFOR,
Glypnir, Actus.
Научно-технические задачи. для написания программ в раз-
личных областях науки и техники обычно используются следую-
щие языки программирования: MatLab, Maple, Occam, PFOR,
Glypnir, Actus, овс-Фортран.
Предложенная классификация естественно не охватывает все
известные языки программирования, а только наиболее использу-
емые. кроме того, она субъективна, как и любая классификация,
так как очень трудно однозначно позиционировать язык програм-
мирования под определенный круг задач. однако в целом предло-
женная классификация дает правильное представление об области
применимости определенных языков программирования.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.1. Какой язык программирования выбрать?
данный учебник создается для обучения программированию
студентов специальности «Прикладная информатика». Эта спе-
циальность имеет множество узких специализаций в различных
областях науки и техники, а именно: прикладная информатика
в экономике, прикладная информатика в статистике, прикладная
информатика в научно-технических областях и т. д. следователь-
но, необходимо обучить студентов программированию научно-
технических задач в различных областях науки и техники.
для программирования научно-технических задач в настоя-
щее время самым мощным языком программирования является
MatLab. данный язык имеет два основных преимущества по срав-
нению со всеми другими языками программирования, а именно
следующие.
1. в языке MatLab основным элементом является матрица.
во всех других языках программирования (Cu, C++, с#, Java,
Basic, Pascal и т. д.) основным элементом является число. как
известно, при численном решении любых систем уравнений
(алгебраических, дифференциальных, дифференциальных
в частных производных, интегральных и т. д.) задача сводит-
ся к работе с матрицами. так как язык программирования
MatLab адаптирован для работы с матрицами, то он наиболее
эффективно способен решать различные научно-технические
задачи.
2. язык программирования MatLab имеет самую большую
в мире библиотеку функций и объектов для всех областей нау-
ки и техники. По охвату различных областей науки и техники
с языком MatLab не может даже близко сравниться никакой
из современных языков программирования.
в какой бы области знаний не пришлось бы работать, можно
быть полностью уверенным, что в MatLab уже есть библиотека
стандартных функций, написанных лучшими специалистами
мира в этой области знаний. в связи с этим пакет MatLab иногда
называют энциклопедией знаний накопленных человечеством.
Вывод
Для программирования научно-технических задач в настоя-
щее время самым мощным языком программирования являет-
ся MatLab, так как он адаптирован под решение задач данного
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2. Пакет MatLab
класса и имеет самую большую в мире библиотеку стандартных
функций и объектов для всех областей знаний.
1.2. Пакет MatLab
Пакет MatLab разработан специалистами компании MathWork
Inc. (г. нейтик, штат массачусетс, сШа). впервые эта система на-
чала использоваться в конце 1970-х годов, широкое распростране-
ние она получила в конце 1980-х годов, в особенности после вы-
хода версии 4.0. название пакета MatLab является сокращением
слов Matrix Laboratory (матричная лаборатория), так как сам па-
кет адаптирован под работу с матрицами.
когда пользователю приходится начинать изучать новый ком-
пьютерный пакет то его, прежде всего, интересуют два вопроса.
1. Правильно ли выбран данный пакет для решения нужного
класса задач? то есть место данного пакета среди аналогичных
пакетов.
2. возможности данного пакета.
1.2.1. Место пакета MatLab среди пакетов для математических
и научных расчетов
Пакет MatLab позиционируется как пакет для математиче-
ских и научных расчетов в различных областях знаний человече-
ства. в настоящее время существует множество других пакетов
позиционирующихся как пакеты для математических и научных
расчетов. так как нас, прежде всего, интересуют математические
возможности пакетов, то проклассифицируем все пакеты по данно-
му параметру. мы будем рассматривать только универсальные па-
кеты способные производить любые математические вычисления
и не будем касаться специальных пакетов предназначенных для
решения небольшого круга математических задач. то есть здесь
мы не будем рассматривать пакеты для статистической обработки
данных, пакеты для построения графиков и другие специализиро-
ванные пакеты.
условно все математические компьютерные пакеты можно
разбить на 5 уровней в зависимости от сложности задач, которые
они способны решать.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2.1. Место пакета MatLab среди пакетов для математических и научных расчетов
I уровень – сложные микрокалькуляторы. Программы это-
го уровня способны производить арифметические вычисления,
вычисления функций, иногда они способны строить простейшие
графики на плоскости. Программ данного уровня очень много.
Примером программы данного уровня может быть программа
«калькулятор», которая находится среди стандартных программ
операционной системы Windows. есть множество подобных про-
грамм и для различных областей знаний, например, калькулятор
для химика, калькулятор для экономиста и т. д.
II уровень – программы сложных вычислений. данные про-
граммы кроме отмеченных на предыдущем уровне возможностей
могут численно решать алгебраические уравнения, включая систе-
мы уравнений, строить сложные графики на плоскости, произво-
дить различные численные преобразования, численно дифферен-
цировать и интегрировать. Программ данного уровня также очень
много. Примером могут служить следующие программы: S. Plus,
Evrika, Excel и другие электронные таблицы и т. д.
III уровень – аналитические программы. данные програм-
мы, кроме отмеченных на предыдущем уровне возможностей,
могут производить символьные вычисления (то есть производить
вычисления виде математических формул), символьно и числен-
но интегрировать и дифференцировать, производить символьные
упрощения и преобразования, символьно и численно решать алге-
браические уравнения, численно решать дифференциальные урав-
нения. кроме того, они могут строить графики, как на плоскости,
так и в пространстве любой сложности. Программ данного уровня
также достаточно много. Примером могут служить следующие про-
граммы: REDUCE, Derive, MathCad и т. д. наибольшую популяр-
ность среди студентов всего мира получила программа MathCad,
так как она не требует больших усилий для своего изучения. Фор-
мулы и уравнения в MathCad пишутся так же, как в обычной тетра-
ди, а интерфейс данной программы интуитивно понятный, в част-
ности, не нужно запоминать никакие команды, их можно вводить
с помощью встроенных диалоговых панелей.
IV уровень – сложные аналитические пакеты. данные ма-
тематические пакеты, кроме отмеченных на предыдущем уровне
возможностей, способны символьно и численно решать диффе-
ренциальные уравнения, дифференциальные уравнения в част-
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2. Пакет MatLab
ных производных, выполнять сложную оптимизацию, строить
сложные специфические графики, как на плоскости, так и в про-
странстве (например, движение тела в пространстве и т. д.), имеют
обширные библиотеки функций по различным разделам матема-
тики. всего в мире пакетов данного уровня только два, а именно:
Maple, Mathematica.
Maple и Mathematica – самые мощные в мире пакеты по сим-
вольным вычислениям. многократное тестирование показало, что
Maple несколько более надежный пакет, а Mathematica несколько
превосходит его по специальной графике.
V уровень. особое место среди всех пакет для математических
и научных расчетов занимает пакет MatLab. Это самый мощный
в мире пакет по численным вычислениям. данный пакет содер-
жит библиотеки функций не только по всем разделам математи-
ки, но и по всем областям знаний (электротехника, радиотехника,
разработка процессоров, передача сигналов, биология, финансы
и т. д.). По широте охвата различных областей знаний с данным
пакетом не может сравниться никакой другой компьютерный па-
кет в мире. Это видно, как по объему самого пакета, так и по объ-
ему библиотек и объему описания. Поэтому многие другие мате-
матические пакеты стараются интегрироваться с пакетом MatLab.
например, пакеты MathCad, Maple. Пакет MatLab бесспорно явля-
ется королем вычислительных систем.
в символьных вычислениях пакет MatLab уступает пакетам
Maple и Mathematica. для символьных вычислений пакет MatLab
использует ядро пакета Maple. кроме того, пакет MatLab интегри-
руется с пакетом Maple.
анализ использования математических и научных пакетов
в различных фирмах и университетах мира показывает, что при
профессиональной работе в какой-либо области знания всегда ис-
пользуется пакет MatLab.
Чтобы окончательно установить, в каких случаях целесоо-
бразно использовать пакет MatLab, а не другие пакеты для мате-
матических и научных расчетов, проанализируем данные пакеты
по принципу их работы.
Пакеты уровней I–II работают по принципу электронных та-
блиц. то есть в одних ячейках вводятся значения, в других – вы-
ражения и получается результат.
10
