escudo Introducción a la programación con Matlab

por Ángel Garcimartín
Departamento de Física y Matemática Aplicada

 
Esta página pretende servir de guía para dar los primeros pasos en la programación. Para aprender, el lenguaje que se emplee es -hasta cierto punto- irrelevante: lo más importante son los conceptos. Una vez conocido un lenguaje, pasar a otro no suele resultar difícil. Como Matlab es un lenguaje simple, resulta idóneo para los comienzos.
Un programa consiste en una serie de instrucciones que se ejecutan secuencialmente (una detrás de otra). Por lo tanto, es requisito previo conocer esas instrucciones, y cómo escribirlas correctamente (sintaxis). Alguna información al respecto puede encontrarse en la página Web Introducción a Matlab. Especialmente necesario es haber confeccionado previamente un script (allí se indica cómo hacerlo).
    Este documento consta de los siguientes apartados:
Nociones preliminares
Control del flujo
Condiciones
Ramificaciones
Bucles
Estilo
Ejercicios y soluciones
Archivos para descargar
Sugerencias
 
Nociones preliminares
Antes de empezar ...
La elaboración de un programa para Matlab es muy sencilla. Basta abrir un documento de texto (se puede hacer con cualquier editor, Matlab trae uno incorporado), escribir las instrucciones tal como se pondrían en la ventana de comandos y guardar el documento con la extensión .m (por ejemplo: miprog.m). Matlab reconoce automáticamente los ficheros que tienen extensión .m: si en la ventana de comandos se introduce

    » miprog
las órdenes almacenadas en el fichero miprog.m se ejecutarán, una tras otra. A ese recorrido a través de las instrucciones se le conoce con el nombre de flujo. Los comandos de un programa se denominan también sentencias.
El hecho de guardar una serie de instrucciones (el código) en un fichero tiene de por sí algunas ventajas: evita el repetir las órdenes en la ventana de comandos. Pero la potencia de un programa se pone de manifiesto si en él se contienen instrucciones que controlan qué sentencias se ejecutan en cada circunstancia. Así, un programa puede "decidir", llegado a un punto, ejecutar unos comandos u otros en función del valor que tome una variable, por poner un caso.
 Control de flujo
Al proceso de toma de decisiones se le llama control del flujo
Antes de ponerse a escribir el programa, sobre todo si es un poco largo o complejo, es útil trazar un esquema, en lenguaje corriente, de lo que se quiere hacer. A eso se le denomina un diagrama de flujo. Si lo que se pretende está claro, escribir el programa se reduce a traducir el diagrama de flujo del castellano al lenguaje de Matlab.
Veamos un caso simple. Construyamos el diagrama de flujo de un programa que escoja un número al azar del 0 al 9 y nos pida que lo adivinemos. Una vez escogido el número, el programa debe informar si hemos acertado o no. El diagrama de flujo correspondiente es
Diagrama de flujo.
En un diagrama de flujo ha de buscarse la claridad, la concisión, el rigor. Con un buen diagrama de flujo, gran parte del trabajo está hecho. Puede ser tentador comenzar a escribir directamente el programa en el editor, con la esperanza de hacerlo todo bien a la primera. Suele ser más eficaz, sin embargo, escribir antes el diagrama de flujo, para luego intentar pasarlo al lenguaje informático elegido.

Condiciones
Son las preguntas básicas a las que se puede responder sí o no
Para implementar el control del flujo, son muy útiles unas expresiones que permiten comparar dos variables entre sí o una variable con un valor fijo. En un programa, a veces es necesario preguntarse: ¿es x mayor que y? Pues si x es mayor que y, entonces ..., y si no, ... ; o bien: caso de que la variable x sea menor que cero, hacer tal cosa.
Las condiciones se construyen con operadores relacionales, como son los siguientes:
>
mayor que
<
menor que
==
igual que
~=
diferente que
<=
menor o igual que
>=
mayor o igual que
Una condición, como se ha indicado, sólo admite dos respuestas: verdadero o falso. Así, a la pregunta ¿es x mayor o igual que y?, que en el lenguaje de Matlab se expresa x>=y, sólo caben dos respuestas posibles: sí, es cierto, x es mayor o igual que y; o bien, no, es falso, x no es mayor o igual que y.
Dos observaciones. La primera: el operador relacional igual que se construye con dos símbolos ==. El motivo es el siguiente: si se escribe x=3, el resultado es que se le asigna a x el valor 3. No se hace ninguna pregunta. Si lo que se desea es preguntar ¿es x igual a 3?, no se puede escribir x=3, pues en este caso x tomaría el valor 3, independientemente de lo que valiera antes. En cambio, x==3 es el análogo en lenguaje informático a la pregunta: ¿es x igual a 3?. Tras la pregunta x==3 la variable x sigue valiendo lo mismo que antes.La segunda observación es una pequeña astucia: la tilde ~ del operador diferente que se consigue apretando la tecla Alt y -sin soltarla- escribiendo con el teclado el número 126. En algunos sistemas operativos, también sirve apretar AltGr y, sin soltarla, apretar la tecla 4.
Las condiciones se pueden agrupar en construcciones lógicas: condición1 Y condición2, condición1 O condición2, etcétera. Consúltese el manual de Matlab en lo relativo a este tópico.
En resumen: con las expresiones relacionales se pueden realizar preguntas de respuesta unívoca (verdadero o falso), que permitan luego tomar una decisión.

Ramificaciones
Dependiendo de una condición, el programa decide el curso que seguirá
El resultado de una condición permite tomar una decisión, es decir, si la condición es verdadera se ejecutan determinadas sentencias. El diagrama de flujo se ramifica:
Ramificación if
La ramificación más simple, expresada en este diagrama de flujo, se obtiene con la siguente sintaxis:
if (condición)
    sentencias
end
(lo que va en cursiva, hay que sustituirlo por las expresiones adecuadas; if y end son palabras clave del lenguaje informático, y no se pueden utilizar para otra cosa, p. ej. una variable no puede -no debería- llamarse if).
Un caso concreto:
if(length(sitios)>1)
      recta=polyfit(x,y,1);
end
Leído en lenguaje corriente: si la longitud del vector sitios es mayor que 1, se realiza el ajuste lineal indicado en la instrucción recta=polyfit(x,y,1). Caso contrario (si la longitud del vector sitios es menor o igual a 1) esa instrucción no se ejecuta (y el programa sigue en la instrucción que venga después de end).
Existe la posibilidad de ejecutar ciertas sentencias si la condición es verdadera, y otras diferentes si la condición es falsa:
if (condición)
    sentencias A
else
    sentencias B
end
dicho de otra manera: si la condición se cumple, se ejecutan las sentencias A; si no, se ejecutan las sentencias B.
Diagrama de flujo de una ramificación if / else
Una vez se hayan ejecutado las sentencias que correspondan (las sentencias A si la condición es verdadera, las sentencias B en caso contrario) el programa continúa con las instrucciones que vengan después de end.
Es de señalar que las ramificaciones se pueden anidar (una condición dentro de otra: dentro de las sentencias A o de las sentencias B en el anterior diagrama de flujo). El código se vuelve más complejo. También se pueden construir ramificaciones con varias posibilidades: la sintaxis hace uso de las palabras clave if / elseif / elseif / ... / else / end. Se remite para una explicación más detallada a la ayuda de Matlab (término de búsqueda: elseif).
Otra posibilidad de ramificación múltiple la ofrece la construcción switch. La sintaxis es:
switch variable
case valor1,
    sentencias A
case valor2,
    sentencias B
case ...
    ...
end
(Como antes, lo escrito en cursiva debe sustituirse por las expresiones adecuadas). Las palabras clave son switch, case, end.
La ramificación switch opera de la siguiente manera. Al llegar a la expresión switch variable, si variable tiene el valor valor1 se ejecutan las sentencias A; si variabletoma el valor valor2, las sentencias B; y así sucesivamente. Es importante notar que la variable sólo debe tomar unos pocos valores: valor1, valor2, etc. para que el programa se ramifique en unas pocas ramas. No tiene sentido intentar una ramificación switch con una variable que pueda tomar un número infinito de valores.

Bucles
¿Varias secuencias que se ejecutan repetidas veces? Un bucle
Hay ocasiones en las que es necesario repetir el mismo conjunto de instrucciones muchas veces, cambiando algunos detalles. Pongamos un caso. Sea un vector x(i) con n componentes; se quiere construir la "media móvil" de x con tres elementos, que consiste en ir tomando la media aritmética de cada tres puntos consecutivos. Es decir: desde i=2 hasta n-1, media(i-1)=(x(i)+x(i-1)+x(i+1))/3.
(Detalles: se empieza a contar en i=2 porque para el primer elemento de x no existe el elemento anterior; y se acaba en n-1 por análoga razón; además, el primer componente de media es el correspondiente a i=2, de ahí que se asigne el resultado a media(i-1)).
Eso es lo que se consigue con un bucle for, cuya sintaxis es:
for contador=inicio:paso:fin,
    sentencias
end
Las palabras claves son for y end. Este bucle pone en marcha una variable llamada contador que va desde inicio hasta fin de paso en paso. Cada vez que las sentencias se ejecutan, contador aumenta en un valor paso (que si se omite, se le asigna automáticamente el valor 1). Cuando contador llega al valor fin, el bucle se acaba y el programa continúa con las sentencias que haya más allá de end.
Diagrama de flujo de un bucle for
Obsérvese que un bucle como el indicado se implementa un número fijo de veces: desde inicio hasta fin de paso en paso. En ocasiones, sin embargo, no se sabe de antemano cuántas veces habrá que ejecutar las sentencias del bucle. Por ejemplo: si es necesario repetir una serie de sentencias hasta que se cumpla una determinada condición, y no se sabe a priori cuántas veces será necesario realizar esas operaciones. En ese caso se emplea un bucle while:
while(condición),
    sentencias
end
Este bucle ejecuta las sentencias mientras la condición sea verdadera.
Diagrama de flujo de un bucle while
Es posible sustituir la condición por una variable. En efecto: una variable que toma el valor cero corresponde a una condición falsa. Si la variable toma un valor diferente de cero, es equivalente a una condición verdadera. Así, se puede escribir
x=10;
while(x)
    sentencias
    x=x-1;
end
Para x=10, la "condición" es verdadera puesto que x es diferente de cero. Nótese que el contador x hay que modificarlo manualmente (línea x=x-1) puesto que, al revés que lo que ocurre con el bucle for, este no gestiona ningún contador. En cuanto x tome el valor cero, la "condición" es falsa y el bucle acaba.
Atención: es fácil caer en bucles infinitos. En el ejemplo anterior, si falta la línea x=x-1 y las sentencias no modifican el valor de x, la "condición" siempre será cierta (pues x=10) y el programa nunca saldrá del bucle: ejecutará una y otra vez las sentencias. El programa se "cuelga", y hay que interrumpirlo desde el teclado apretando las teclas Ctrl+C.

Estilo
Un programa elegante suele ser un buen programa
Empecemos diciendo que, en general, para realizar una tarea particular se pueden emplear muchos programas diferentes que den el resultado correcto. ¿Cuál es el más eficiente? ¡No es una pregunta trivial! Hay que ir probando para mejorar la velocidad. Con la práctica -y el estudio- se descubren las maneras más rápidas de implementar las instrucciones entre todas las posibles.
La confección de programas se vuelve frecuentemente una tarea rutinaria donde el orden facilita las cosas. Repasar un programa una y otra vez, modificando poco a poco el código para depurarlo, exige una cierta disciplina. Aunque cada uno tenga sus preferencias, es conveniente desarrollar algunos hábitos. Me atrevo a recomendar algunos:
N=10;
x=rand(1,N);
y=zeros(1,N);
for i=1:N,
    y(i)=sum(x(1:i));
end		 num_pts=10;
prob=rand(1,num_pts);
prob_acum=zeros(1,num_pts);
for indice=1:num_pts,
    prob_acum(indice)=sum(prob(1:indice));
end
Ambos códigos son equivalentes y se ejecutarán igual de rápido (los nombres largos de las variables no influyen en la velocidad de ejecución).
Ejercicios y soluciones
Los problemas más interesantes suelen ser los que uno se encuentra en la vida real ...

A. Ejercicios

B. Proyectos

Archivos para descargar
"Geting started with Matlab" (guía básica de Matlab, formato pdf, 136 páginas, en inglés)

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