Высокоуровневые методы программирования. Язык программирования MatLab. Часть 1

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

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 компьютерным пакетом моделирования и программирования задач в любой области знания. он содержит инструменты, позволяющие автоматизировать 
разработку любых проектов и научных проблем, начиная от стадии накопления данных и завершая подготовкой  документации. Поэтому он является базовым пакетом во многих университетах  и научных центрах мира. 
однако в отечественной литературе крайне мало книг и особенно учебников 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

ВВЕДЕНИЕ

система MatLab представляет собой уникальный сплав универсальных программных и алгоритмических средств с широкой 
гаммой специализированных приложений. многие учебные заведения используют MatLab при подготовке специалистов различного профиля. для современного специалиста и научного работника 
MatLab является незаменимым инструментом моделирования и исследования различных прикладных систем, прежде всего, за счет 
создания новых приложений, используя программные и алгоритмические средства MatLab, а также возможности объединения модулей, разработанных в различных системах программирования 
и использования готовых решений.
одним из самых замечательных качеств системы MatLab является 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 систему 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 программирования 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 отечественной литературе крайне мало книг и особенно учебников по пакету 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 части рассмотрены методы объектно-ориентированного и визуального программирования. третья часть представляет собой справочник 
по функциям общего назначения. данные функции используются 
всеми пользователями пакета MatLab независимо от области знания в которой они работают.

МОДУЛЬ 1. ВОЗМОЖНОСТИ ПАКЕТА MATLAB

Комплексная цель:
– дать классификацию современных языков программирования 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 вопрос, который встает перед начинающим программистом – это 
какой именно язык программирования нужно выбрать для изучения. 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 выбрать оптимальный язык необходимый для решения поставленных 
задач. Правильный выбор языка программирования очень важен, 
так как изучение языка программирования – это довольно трудная и длительная работа, требующая годы напряженного труда. 
возможности выбранного языка программирования начинающий 
программист самостоятельно сможет оценить только после его изучения, 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 синтаксисом написания программ и некоторыми программными возможностями. Поэтому выбор языка программирования в это время 
не был, так уж значим.

1.1. Какой язык программирования выбрать?

в настоящее время ситуация резко изменилась. языки программирования стали специализированными и даже узко специализированными в зависимости от задач, которые решаются с помощью данных языков.
например, если требуется написание базы данных, то в принципе их можно было бы написать на языке Basic или с++, однако, 
в этом случае все пришлось бы писать с нуля, так как данные языки 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 пришлось бы писать с нуля. все это сильно усложняет написание программ 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.
специализация синтаксиса языка программирования под за1. 
дачи, которые предполагается решать с помощью данного 
языка.
создание обширных библиотек функций и объектов предна2. 
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 задач 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. данные языки считаются языками программирования для профессионалов системщиков.
Программы общего пользования. речь идет о написании прикладных программ для широкого круга пользователей, как правило, программистами не профессионалами. Это могут быть различные вычислительные программы, редакторы, электронные 

1.1. Какой язык программирования выбрать?

6

таблицы, простейшие базы данных и т. д. для написания подобных 
программ чаще всего используются следующие языки программирования: Basic, особенно Visual Basic, Pascal, Forth, Fort, Delph. 
особенно популярны среди программистов не профессионалов визуальные языки программирования (Visual Basic, Delph), которые 
не требуют глубокого знания программирования, так как значительная часть программы пишется перетаскиванием 'мышкой'  готовых компонент из библиотек в окно создаваемой программы.
Базы данных. базы данных пишутся с использованием следующих языков программирования: MySQL, MSSQL, Oracle, 
PostgreSQL, Interbase, VisualFoxPro, Delph.
Задачи искусственного интеллекта. для программирования 
задач искусственного интеллекта обычно используются следующие языки программирования: Lisp, SML, CaML, Haskell, Miranda, 
Hope, Prolog, Multilisp, Commonlisp, рефал, Planner, QA4, FRL, 
KRL, QLisp.
Задачи Web-дизайна. для программирования различных задач 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 которых совокупность описанных процессов могут выполняться 
одновременно или псевдопараллельно. для написания таких программ 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 различных областях науки и техники обычно используются следующие языки программирования: MatLab, Maple, Occam, PFOR, 
Glypnir, Actus, овс-Фортран.
Предложенная классификация естественно не охватывает все 
известные языки программирования, а только наиболее используемые. кроме того, она субъективна, как и любая классификация, 
так как очень трудно однозначно позиционировать язык программирования под определенный круг задач. однако в целом предложенная классификация дает правильное представление об области 
применимости определенных языков программирования.

1.1. Какой язык программирования выбрать?

данный учебник создается для обучения программированию 
студентов специальности «Прикладная информатика». Эта специальность 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. следовательно, необходимо обучить студентов программированию научнотехнических задач в различных областях науки и техники.
для программирования научно-технических задач в настоящее время самым мощным языком программирования является 
MatLab. данный язык имеет два основных преимущества по сравнению со всеми другими языками программирования, а именно 
следующие.
в языке MatLab основным элементом является матрица. 
1. 
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 сводится к работе с матрицами. так как язык программирования 
MatLab адаптирован для работы с матрицами, то он наиболее 
эффективно способен решать различные научно-технические 
задачи.
язык программирования MatLab имеет самую большую 
2. 
в мире библиотеку функций и объектов для всех областей науки 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 настоящее время самым мощным языком программирования является MatLab, так как он адаптирован под решение задач данного 

1.2. Пакет MatLab

8

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 начала использоваться в конце 1970-х годов, широкое распространение она получила в конце 1980-х годов, в особенности после выхода версии 4.0. название пакета MatLab является сокращением 
слов Matrix Laboratory (матричная лаборатория), так как сам пакет адаптирован под работу с матрицами.
когда пользователю приходится начинать изучать новый компьютерный пакет то его, прежде всего, интересуют два вопроса.
Правильно ли выбран данный пакет для решения нужного 
1. 
класса задач? то есть место данного пакета среди аналогичных 
пакетов.
возможности данного пакета.
2. 

1.2.1. Место пакета MatLab среди пакетов для математических 
и научных расчетов

Пакет MatLab позиционируется как пакет для математических и научных расчетов в различных областях знаний человечества. 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 данному параметру. мы будем рассматривать только универсальные пакеты 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 специализированные пакеты.
условно все математические компьютерные пакеты можно 
разбить на 5 уровней в зависимости от сложности задач, которые 
они способны решать.

1.2.1. Место пакета MatLab среди пакетов для математических и научных расчетов

I уровень – сложные микрокалькуляторы. Программы этого 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 программ и для различных областей знаний, например, калькулятор 
для химика, калькулятор для экономиста и т. д.
II уровень – программы сложных вычислений. данные программы кроме отмеченных на предыдущем уровне возможностей 
могут численно решать алгебраические уравнения, включая системы уравнений, строить сложные графики на плоскости,  производить различные численные преобразования, численно дифференцировать 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 программы, кроме отмеченных на предыдущем уровне возможностей, 
могут производить символьные вычисления (то есть производить 
вычисления виде математических формул), символьно и численно интегрировать и дифференцировать, производить символьные 
упрощения и преобразования, символьно и численно решать алгебраические уравнения, численно решать дифференциальные уравнения. 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 программы: REDUCE, Derive, MathCad и т. д. наибольшую популярность среди студентов всего мира получила программа MathCad, 
так как она не требует больших усилий для своего изучения. Формулы и уравнения в MathCad пишутся так же, как в обычной тетради, а интерфейс данной программы интуитивно понятный, в частности, не нужно запоминать никакие команды, их можно вводить 
с помощью встроенных диалоговых панелей.
IV уровень – сложные аналитические пакеты. данные математические пакеты, кроме отмеченных на предыдущем уровне 
возможностей, способны символьно и численно решать дифференциальные уравнения, дифференциальные уравнения в част

1.2. Пакет MatLab

10

ных производных, выполнять сложную оптимизацию, строить 
сложные специфические графики, как на плоскости, так и в пространстве (например, движение тела в пространстве и т. д.), имеют 
обширные библиотеки функций по различным разделам математики. всего в мире пакетов данного уровня только два, а именно: 
Maple, Mathematica.
Maple и Mathematica – самые мощные в мире пакеты по символьным 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 содержит библиотеки функций не только по всем разделам математики, 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 пакет в мире. Это видно, как по объему самого пакета, так и по объему библиотек и объему описания. Поэтому многие другие математические пакеты стараются интегрироваться с пакетом MatLab. 
например, пакеты MathCad, Maple. Пакет MatLab бесспорно является 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 интегрируется 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 используется пакет MatLab.
Чтобы окончательно установить, в каких случаях целесообразно использовать пакет MatLab, а не другие пакеты для математических и научных расчетов, проанализируем данные пакеты 
по принципу их работы.
Пакеты уровней I–II работают по принципу электронных таблиц. то есть в одних ячейках вводятся значения, в других – выражения и получается результат.