第四講-程序設計ppt課件

1 程序設計方法2 應用實例3 實驗作業(yè) 實驗內(nèi)容 學習R語言中程序設計方法 實驗目的 程序設計 程序控制結構 R是一個表達式語言 expressionlanguage 其任何一個語句都可以看成是一個表達式 表達式之間以分號分隔或用換行分隔 表達式可以續(xù)行 只要前一行不是完整表達式 比如末尾是加減乘除等運算符 或有未配對的括號 則下一行為上一行的繼續(xù) 若干個表達式可以放在一起組成一個復合表達式 作為一個表達式使用 組合用大括號表示 如 x 15 x 1 15R語言也提供了其它高級程序語言共有的分支 循環(huán)等程序控制結構 分支結構 if else switch語言 if else語句 分支結構包括if結構 if 條件 表達式1或if 條件 表達式1else表達式2其中的 條件 為一個標量的真或假值 表達式可以是用大括號包圍的復合表達式 有else子句時一般寫成 if 條件 表達式組 else 表達式組 這樣的寫法可以使else不至于脫離前面的if 例如 如果變量lambda為缺失值就給它賦一個缺省值 可用 if is na lambda lambdaif all x 0 注意 表示 與 它是一個短路運算符 即第一個條件為假時就不計算第二個條件 如果不這樣此例中計算對數(shù)就可以有無效值 在條件中也可以用 兩個連續(xù)的豎線符號 表示 或 它也是短路運算符 當?shù)谝粋€條件為真時就不再計算第二個條件 在用R編程序時一定要時刻牢記R是一個向量語言 幾乎所有操作都是對向量進行的 而R中的if語句卻是一個少見的例外 它的判斷條件是標量的真值或假值 比如 我們要定義一個分段函數(shù)f x 當x為正時返回1 否則返回0 馬上可以想到用if語句實現(xiàn)如下 if x 0 1else0當x是標量時這個定義是有效的 但是當自變量x是一個向量時 比較的結果也是一個向量 這時條件無法使用 所以 這個分段函數(shù)應該這樣編程 y numeric length x y x 0 y x 0 0 這句可以省略 對于條件語句是向量形式 R提供了ifelse 函數(shù) 它的使用格式為 ifelse condition a b 它表示 當condition i 成立的時候 對應的取值為a i 否則取值為b i 最終返回一個和參數(shù)向量同長的向量 xaifelse x 60 a b 1 fail pass pass pass abifelse x 60 a b 1 b1 a2 a3 a4 若a b和x不是等長的 則較短的循環(huán)使用 有多個if語句時else與最近的一個配對 可以使用if elseif elseif else 的多重判斷結構表示多分支 多分支也可以使用switch 函數(shù) x 0 if x 0 valuevalue 1 ZERO switch語句 switch是多分支語句 其用法為 switch statement list statement是一個表達式 list是列表 也可以用有名定義 根據(jù)表達式與list的關系返回一個值 如果表達式返回值屬于1 length list 中的一個 則返回list中相應位置的值 否則返回NULL aaxaa switch 4 2 2 mean 1 10 rnorm 4 a 1 NULL 當list是有名定義時 statement等于變量名時 返回該變量名所對應的值 否則返回NULL xaxa switch x fruit apple drink coffee vegetable broccoli a 1 NULL 循環(huán)結構 for while repeat for語句 循環(huán)結構中常用的是for循環(huán) 是對一個向量或列表的逐次處理 格式為for nameinvalues expression 如 求1到100的和 sum 0 for iin1 100 sum sum i i i 1 sum 1 5050 當然 如果只是要求各元素的和 只要調(diào)用sum x 即可 所以 編寫程序要精簡 應盡量避免使用顯式循環(huán) 我們再舉一個例子 比如 我們要計算同生日的概率 假設一共有365個生日 只考慮月 日 而且各生日的概率是相等的 這里忽略了閏年的情況以及可能存在的出生日期分布的不均勻 設一個班有n個人 當n大于365時至少兩個人生日相同是必然事件 當n小于等于365時 我們可以計算P 至少有兩人同生日 1 P n個人生日彼此不同 這時 n個人的生日可取值數(shù)為365n 而n個人彼此不同的可能數(shù)為365中取n個的排列數(shù) 彼此不同的概率為P3n65 因此 為了計算n 1 2 365的情況下的同生日概率 可以用如下循環(huán)實現(xiàn) x numeric 365 for iin1 365 x i 1for jin0 i 1 x i x i 365 j 365x i xfor nin1 365 x n 1 prod 365 365 n 1 365 這段程序只用了1秒 注意不能直接去計算365 這會超出數(shù)值表示范圍 我們有時候需要在某個判定條件成立的時候開始循環(huán) 一旦條件不成立 就終止循環(huán) 這時可以用while循環(huán)語句 while循環(huán)是在開始處判斷循環(huán)條件的 用法為 while condition expression 表示在condition成立的時候 執(zhí)行expression 例 一段二分法解方程的程序 epswhile b a eps c0 b c else a c while語句 例 1000以內(nèi)Fibonacci數(shù)列的生成 fwhile f i f i 1 f 1 1123581321345589144 13 233377610987 repeat語句是while不一樣 把條件加在末尾 依賴break命令跳出循環(huán) 基本用法是 repeat expressions if condition break 表示一直重復表達式的計算 知道condition成立的時候 跳出循環(huán) repeat語句 例 續(xù) 用repeat語句生成1000以內(nèi)Fibonacci數(shù)列 frepeat f i 2 1000 break f 1 1123581321345589144 13 233377610987 編寫自己的函數(shù) R允許用戶創(chuàng)建自己的函數(shù) 事實上 R本身提供的絕大多數(shù)函數(shù)如sum plot 等 是編寫人員寫在R中的 與用戶自己創(chuàng)建的函數(shù)沒有本質(zhì)上的區(qū)別 R中函數(shù)定義的一般格式為function namehello function cat Hello world n hello 查看函數(shù)具體內(nèi)容function cat Hello world n hello 運行函數(shù)Hello world函數(shù)體為一個復合表達式 各表達式的之間用換行或分號分開 不帶括號調(diào)用函數(shù)顯示函數(shù)定義 而不是調(diào)用函數(shù) 在命令行輸入函數(shù)程序很不方便修改 所以我們一般是打開一個其他的編輯程序 如Windows的記事本 輸入以上函數(shù)定義 保存文件 比如保存到了C R hello R 我們就可以用 source Hi R 運行文件中的程序 實際上 用source 運行的程序不限于函數(shù)定義 任何R程序都可以用這種方式編好再運行 效果與在命令行直接輸入是一樣的 對于一個已有定義的函數(shù) 可以用fix 函數(shù)來修改 如 fix hello 將打開一個編輯窗口顯示函數(shù)的定義 修改后關閉窗口函數(shù)就被修改了 fix 調(diào)用的編輯程序缺省為記事本 可以用 options editor 編輯程序名 來指定自己喜歡的編輯程序 函數(shù)可以帶參數(shù) 可以返回值 例如 largerx x y is bigger y y is bigger x 這個函數(shù)輸入兩個向量 相同長度 x和y 然后把x中比y對應元素小的元素替換為y中對應元素 返回x的值 R返回值為函數(shù)體的最后一個表達式的值 不需要使用return 函數(shù) 不過 也可以使用 return 函數(shù)從函數(shù)體返回調(diào)用者 參數(shù) 自變量 R函數(shù)調(diào)用方式很靈活 例如 如下函數(shù) fsub function x y x y有兩個虛參數(shù)x和y 我們用它計算100 45 可以調(diào)用fsub 100 45 或fsub x 100 y 45 或fsub y 45 x 100 或fsub y 45 100 即調(diào)用時實參與虛參可以按次序結合 也可以直接指定虛參名結合 實參先與指定了名字的虛參結合 沒有指定名字的按次序與剩下的虛參結合 函數(shù)在調(diào)用時可以不給出所有的實參 這需要在定義時為虛參指定缺省值 例如上面的函數(shù)改為 fsub function x y 0 x y則調(diào)用時除了可以用以上的方式調(diào)用外還可以用fsub 100 fsub x 100 等方式調(diào)用 只給出沒有缺省值的實參 即使沒有給虛參指定缺省值也可以在調(diào)用時省略某個虛參 然后函數(shù)體內(nèi)可以用missing 函數(shù)判斷此虛參是否有對應實參 如 trans function x scale if missing scale x scale x 此函數(shù)當給了scale的值時對自變量x乘以此值 否則保持原值 這種用法在其它語言中是極其少見的 R可以實現(xiàn)這一點是因為R的函數(shù)調(diào)用在用到參數(shù)的值時才去計算這個參數(shù)的值 稱為 懶惰求值 所以可以在調(diào)用時缺少某些參數(shù)而不被拒絕 R函數(shù)還可以有一個特殊的 虛參 表示所有不能匹配的實參 調(diào)用時如果有需要與其它虛參結合的實參必須用 虛參名 的格式引入 例如 fminfmin c 5 1 2 c 9 4 7 1 14 作用域 函數(shù)的虛參完全是按值傳遞的 改變虛參的值不能改變對應實參的值 例如 x c 1 abc x 1 1 abc f function x x 2 f x 1 1 x 1 1 abc 這個例子說明了函數(shù)體內(nèi)部的變量是局部的 賦值只針對函數(shù)體的變量 一旦函數(shù)運行結束以后 不改變?nèi)肿兞康闹?函數(shù)體內(nèi)的變量也是局部的 對函數(shù)體內(nèi)的變量賦值當函數(shù)結束運行后變量值就刪除了 不影響原來同名變量的值 例如 xff 1 2 x 1 2這個例子中原來有一個變量x值為2 函數(shù)中為變量x賦值20 但函數(shù)運行完后原來的x值并未變化 但是也要注意 函數(shù)中的顯示函數(shù)調(diào)用時局部變量x還沒有賦值 顯示的是全局變量x的值 這是R編程比較容易出問題的地方 你用到了一個局部變量的值 你沒有意識到這個局部變量還沒有賦值 而程序卻沒有出錯 因為這個變量已有全局定義 R程序設計注意要點 對于復雜一些的計算問題我們應該編寫成函數(shù) 這樣做的好處是編寫一次可以重復使用 并且可以很容易地修改函數(shù)內(nèi)的變量名是局部的 運行函數(shù)不會使函數(shù)內(nèi)的局部變量被保存到當前的工作空間 可以避免在交互狀態(tài)下直接賦值定義很多變量使得工作空間雜亂無章 編寫函數(shù)是要注意 可讀性 readability 可理解性 understandability 具體要做到 采用結構化 模塊化編程 增加必要的注釋 使用意義明確的名字作為變量名 切忌用人名或者寵物名 行前縮進 使程序有層次感 工作空間管理 R在運行時保持一個變量搜索路徑表 要讀取某變量時依次在此路徑表中查找 返回找到的第一個 給變量賦值時在搜索路徑的第一個位置賦值 但是 在函數(shù)內(nèi)部 搜索路徑表第一個位置是局部變量名空間 所以變量賦值是局部賦值 被賦值的變量只在函數(shù)運行期間有效 用ls 函數(shù)可以查看當前工作空間保存的變量和函數(shù) 用rm 函數(shù)可以剔除不想要的對象 如 ls 或objects 1 A Ai b cl cl f fit1 g1 marks ns 10 p1 rec tmp x x x1 x2 x3 y rm x x1 x2 x3 ls 1 A Ai b cl cl f fit1 g1 marks ns 10 p1 rec tmp x y ls 可以指定一個pattern參數(shù) 此參數(shù)定義一個匹配模式 只返回符合模式的對象名 模式格式是UNIX中grep的格式 比如 ls pattern tmp 可以返回所有以 tmp 開頭的對象名 rm 可以指定一個名為list的參數(shù)給出要刪除的對象名 所以rm list ls pattern tmp 可以刪除所有以 tmp 開頭的對象名 rm list ls 刪除所有對象 程序設計舉例 設計R程序是很容易的 在初學時我們只要使用我們從一般程序設計中學來的知識并充分利用R中現(xiàn)成的各種算法及繪圖函數(shù)就可以了 但是 如果要用R編制計算量較大的程序 或者程序需要發(fā)表 就需要注意R程序設計的一些技巧 用R語言開發(fā)算法 最重要的一點是要記住R是一個向量語言 計算應該盡量通過向量 矩陣運算來進行 或者使用R提供的現(xiàn)成的函數(shù) 避免使用顯式循環(huán) 顯式循環(huán)會大大降低R的運算速度 因為R是解釋執(zhí)行的 n 1 10 x sin n pi 10 cat x x 1 x 0 3090170 58778530 8090170 951056510 95105650 8090170 58778530 3090171 224606e 16 fsin function x sin 0 for iin1 length x sin i sin x i pi 10 return sin y 1 10 fsin y 1 3 090170e 015 877853e 018 090170e 019 510565e 011 000000e 00 6 9 510565e 018 090170e 015 877853e 013 090170e 011 224606e 16 例對n 1 2 10 求xn 的值 Money Rmoney 10000years 0while money 20000 years years 1 money money 1 2 52 100 例設銀行年利率為2 52 將10000元錢存入銀行 問至少多長時間會連本帶利翻一番 source Money R years money 1 28 1 20074 31 fun1 x x 1 2 1 y xfun c 1 2 3 1 fun 2510 例 存款函數(shù)deposit deposit function amount total if amount 0 stop Depositsmustbepositive n total total amount cat amount deposited Yourbalanceis total n n 例考慮一個簡單的銀行存取款系統(tǒng) 取款函數(shù)