User-Defined Functions

charturong.ee.engr.tu.ac.th/CN208

จาตรงค ตนตบณฑตภาควชาวศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอร

มหาวทยาลยธรรมศาสตร

เอกสารประกอบการสอนนจดทำาโดย ดร.ทรงยศ นาคอรยกล

2

Introduction

เราไดเรยนรการออกแบบโปรแกรมแบบ top-down design โดยการแตกปญหาใหญใหเปนปญหายอยๆซงงายตอการเขาใจและแกไข จากนนจงเขยนโปรแกรมแกปญหายอยๆเหลาน กอนทจะนำาโปรแกรมยอยๆเหลานมารวมกนเพอใชแกปญหาใหญทเราม

ในการออกแบบโปรแกรมแบบ top-down design น โปรแกรม MATLAB ใหผเขยนมโอกาสเขยนฟงกชน (function) ของตวเอง โดยเขยนหนงฟงกชนสำาหรบแกหนงปญหายอย จากนนผเขยนสามารถนำาฟงกชนเหลานมารวมกนเพอแกปญหาใหญทไดรบ

M-files ทเราไดฝกเขยนมาทงหมดไมใชฟงกชนแตเปน script files (การรวมเอาคำาสง MATLAB มารวมกนและประยกตใชในหนงโปรแกรม)

3

ประโยชนของการเขยนฟงกชนของตวเอง

1 .ตรวจสอบไดงายและไมขนกบโปรแกรมอน (independent testing of sub-tasks)

2. สามารถนำามาใชไดอกหลายครง (reusable code)3. ปองกนขอผดพลาดไดด (isolation from unintended side effects)

4

การเขยนฟงกชนของตวเองการเขยน MATLAB ฟงกชนตองเขยนเปน M-file พเศษททำางานโดยม

รปแบบดงตอไปน

function [outarg1, outarg2, …] = fname(inarg1, inarg2, …)% H1 comment line% Other comment lines

(Executable code)…

(end)

5

คำาสง function ใชแสดงจดเรมตนของฟงกชน ในบรรทดแรกคำาสง function บงบอกชอของฟงกชน และขอมลทใช (input) และผลลพธของฟงกชน (output) โดยท input argument list (inarg1, inarg2, …) จะปรากฎในเครองหมายวงเลบ ( ) (parentheses) หลงชอของฟงกชน และ output argument list (outarg1, outarg2, …) จะปรากฎในเครองหมายวงเลบสเหลยม [ ] (brackets) ทางดานซายมอของเครองหมายเทากบ ถาม output แค output เดยว เราไมจำาเปนตองใชเครองหมายวงเลบสเหลยม

แตละฟงกชนตองถกเซฟเปน .m file โดยใชชอของไฟลเปนชอเดยวกนกบชอฟงกชน นนคอถาหากเราตงชอฟงกชนวา My_fun ฟงกชนนนตองถกเซฟโดยใชชอ My_fun.m

6

ใน input argument list จะระบชอและจำานวนของตวแปรทจะใชในฟงกชนนน ชอของตวแปรนนเปนแบบตวแปรชวคราว หรอ dummy argument ซงใชสำาหรบรบคาขอมลทแทจรงเวลาทฟงกชนถกเรยกใช ชอของตวแปรเหลานจะถกกำาจดทงหลงจากท MATLAB ประมวลผลฟงกชนนนเสรจสนแลว

ใน output argument list จะระบชอและจำานวนของตวแปรทฟงกชนนนจะใหผลลพธออกมาหลงจากทฟงกชนนนทำาการประมวลผลเสรจแลว ซงมการทำางานคลายกบ input argument list

การใชคำาสง end เพอบอกวาเปนจดสนสดของฟงกชนมการเรมใชตงแต MATLAB 7.0 เปนตนไป ซงการเขยนคำาสง end เพอจบฟงกชนนนจะเขยนหรอไมเขยนกได เวลาเขยนคำาสง end เพอจบฟงกชนมกจะตามดวยการเขยน comment เพอระบวาสำาหรบฟงกชนไหน

7

การเขยน comment บรรทดแรกในฟงกชน หรอทเรยกวา H1 comment line นน ใชเพอระบหนาทหรอจดประสงคของฟงกชนนน ซง comment บรรทดแรกมความพเศษทจะถกคนหาและแสดงผลบนหนาจอเมอใชคำาสง lookfor ในหนาตางคำาสงใน MATLAB สวน comment บรรทดทเหลอทตามมาหลงจาก H1 comment line จนกระทงถงบรรทดวางบรรทดแรกหรอคำาสงททำางานไดของ MATLAB จะถกแสดงโดยใชคำาสง help

8

ตวอยางท 1 การเขยนฟงกชน function distance = dist2 (x1, y1, x2, y2)% dist2 calculates the distance between two points % Function dist2 calculates the distance between % two points (x1, y1) and (x2, y2) in a Cartesian % coordinate system

% Calculate distancedistance = sqrt((x2-x1).^2 + (y2-y1).^2);

end % function distance

9

การคนหาฟงกชนทเขยนดวยตวเอง• เมอเขยนฟงกชน dist2 เสรจ ใหเซฟลงบนฮารดดสคคอมพวเตอรโดยใชชอ

dist2.m• บนหนาตางคำาสงของ MATLAB (command window) เราสามารถ

ทดลองใชคำาสง lookfor หรอ help เพอหาคำาแนะนำาเกยวกบฟงกชน dist2 ซง MATLAB จะแสดงผลลพธออกบนหนาจอทกคำาสงทมชอ dist2 ดงน>> lookfor dist2 dist2 calculates the distance between two points DIST2STR Distance conversion to a stringEUCDIST2 Compute 2-D Euclidean distance transform.

• การใชคำาสง help จะแสดง comment ใน dist2 ไปจนถงบรรทดทวาง>> help dist2

dist2 calculates the distance between two points Function dist2 calculates the distance between two points (x1, y1) and (x2, y2) in a Cartesian coordinate system

10

การใชฟงกชน dist2

เราสามารถเรยกใชฟงกชน dist2 ไดสองวธ คอ 1. ในหนาตาง command window โดยตรง เชน หากเราตองการหา

ระยะทางระหวางจด (0, 1) กบ จด (2, 4) กทำาไดดงน

>> out = dist2 (0, 1, 2, 4)out = 3.6056

ซงจะเหนไดวาผลลพธของฟงกชน dist2 ไมจำาเปนตองใชชอตวแปรวา distance แตจะเปนชอตวแปรใดๆกได

2. เขยนและเรยกใชใน script file เหมอนการเรยกใชฟงกชน MATLAB ทวไป

11

ตวอยางการใชฟงกชนของตวเองใน script file% Script file: test_dist2.m%% Purpose: This program tests function dist2

% Get input datadisp('Calculate the distance between two points:');ax = input('Enter x value of point a: ');ay = input('Enter y value of point a: ');bx = input('Enter x value of point b: ');by = input('Enter y value of point b: ');

% Evaluate functionresult = dist2(ax, ay, bx, by);

% Write out resultfprintf('The distance between points a and b is %f\n', result);

12

ซงผลลพธของการ run ของ script file ขางตนทชอ test_dist2 มดงน>> test_dist2Calculate the distance between two points:Enter x value of point a: 0Enter y value of point a: 1Enter x value of point b: 2Enter y value of point b: 4The distance between points a and b is 3.605551

13

ตวอยางท 2 การเขยนฟงกชนจงเขยนไฟลฟงกชนเพอหาตวประกอบทงหมดของเลขจำานวนเตมบวกท

กำาหนดให กำาหนดใหฟงกชนมรปแบบการเรยกใชงานคอ fac = find_factor(num) โดยท num เปนตวเลขจำานวนเตมบวก และ เอาตพต fac เปนเวกเตอรทมตวประกอบของตวเลข num เปนสมาชก

14

function fac = find_factor(num) % find_factor finds all of the factors of a positive integer

ind = 1;for ii = 1:num % if num/ii has a remainder of 0, ii is a factor of num

if mod(num, ii) = = 0fac(ind) = ii;ind = ind + 1;

endend

end % function find_factor

15

การผานคาตวแปรในฟงกชนของ MATLAB

โปรแกรม MATLAB ใชเทคนคทเรยกวา pass-by-value ในการเรยกใชฟงกชน เมอฟงกชนถกเรยกใช MATLAB จะสรางสำาเนา (copy) ของตวแปรอนพตนและใชตวแปรสำาเนานในฟงกชน นนคอแมในฟงกชนคาของตวแปรอนพตนจะถกเปลยน คาของตวแปรตนฉบบจะไมถกเปลยนแปลง

ขอดของการใชเทคนค pass-by-value คอชวยปองกนการผดพลาดในการเขยนโปรแกรม ถงแมในฟงกชนจะม bugs แตจะไมมผลกระทบตอคาของตวแปรตนฉบบ

16

ยกตวอยางการผานคาตวแปรแบบ pass-by-value โดยการสรางฟงกชน sample ดงนfunction out = sample(a, b)fprintf('In function sample: a = %4.2f, b = %4.2f %4.2f\n', a, b);a = b(1) + 2*a;

b = a .* b;out = a + b(1);fprintf('In function sample: a = %4.2f, b = %4.2f %4.2f\n', a, b);

เราสามารถทดลองการผานคาตวแปรโดยเขยน script file ชอ test_sample.m ดงนa = 2; b = [6 4];fprintf('Before function sample: a = %4.2f, b = %4.2f %4.2f\n', a, b);out = sample(a, b);fprintf('After function sample: a = %4.2f, b = %4.2f %4.2f\n', a, b);fprintf('After function sample: out = %4.2f\n', out);

17

ผลลพธทไดจากการประมวลผลโปรแกรม test_sample ในหนาตางคำาสงคอ

>> test_sampleBefore function sample: a = 2.00, b = 6.00 4.00In function sample: a = 2.00, b = 6.00 4.00In function sample: a = 10.00, b = 60.00 40.00After function sample: a = 2.00, b = 6.00 4.00After function sample: out = 70.00

ซงจะเราจะเหนไดวา คาของตวแปร a และ b ถกเปลยนภายในฟงกชน sample แตการเปลยนแปลงนไมมผลกระทบตอตวแปรตนฉบบ

18

การเรยงตวเลข (sorting)

การเรยงตวเลข (sorting) คอการนำาตวเลขทงหมดในฐานขอมลมาจดลำาดบจากมากไปนอย หรอ จากนอยไปมาก ซงการเรยงตวเลขนมประโยชนอยางมากทางวศวกรรม

เราฝกเรยงตวเลขอยเปนประจำา จงทำาใหปญหานดเปนเรองทงาย เชนการเรยง [10 3 -1 5 8] จากนอยไปมากเปน [-1 3 5 8 10] น เราทำาไดอยางไร?

ขนตอนการเรยงตวเลขทเราคนเคยคอ เราหาตวเลขทมคานอยทสดจากตวเลขทง 5 กอน ซงนนคอตวเลข -1 จากนนเราจงมองหาตวเลขทนอยทสดตวตอไปในเลขทเหลอ [10 3 5 8] ซงคอตวเลข 3 ทำาอยางนตอไปเรอยจนกระทงตวเลขทงหมดถกเรยง กระบวนการเรยงตวเลขแบบนเรยกวา selection sort

19

Selection Sortการเรยงตวเลขทเรยกวา Selection Sort คอกระบวนการเรยงตวเลขท

งายทสด ซงการเรยงจากนอยไปมากทำาไดอยางทไดกลาวมาแลวในเบองตน

1 .คนหาตวเลขทมคานอยทสดในเวกเตอร และนำาคาตวเลขนนมาไวเปนตวแรกสดของแถวโดยสลบเปลยนตวเลขนนกบเลขตวแรกของแถว แตถาคาตวแรกของแถวมคานอยสดอยแลว ไมตองทำาอะไร

2 .ตรวจตวเลขตงแตตวท 2 เปนตนไป เพอคนหาตวเลขทมคานอยทสดตวตอไป และทำาการสลบเปลยนตวเลขนนกบเลขตวทสองของแถว แตถาคาตวทสองของแถวมคานอยทสดเปนตวทสองอยแลว ไมตองทำาอะไร

3 .ทำาแบบนไปเรอยๆ จนกระทงเหลอแค 2 ตวสดทาย หลงจากทำาการสลบเปลยนตวเลขสองตวสดทายในเวกเตอรแลว เปนอนจบการเรยงตวเลข

20

10 3 -1 5 8

-1 3 10 5 8

สลบ

ไมตองสลบ

-1 3 10 5 8

สลบ

-1 3 5 10 8

-1 3 5 8 10

สลบ

21

selection_sort(arr)

เราสามารถเขยน pseudocode สำาหรบ selection_sort ไดดงตอไปน

for (each index position ii in the arr)find kk (the index the smallest value between ii and the end of the array

arr)swap the elements at index position ii and kk

end

22

function out = selection_sort(arr)% selection_sort sorts data in ascending order

nvals = length(arr); for ii = 1:(nvals-1)

kk = find_smallest_number(arr, ii);% swap the elements at index position ii and kk if ii ~= kkif ii ~= kktemp = arr(ii);arr(ii) = arr(kk);arr(kk) = temp;end

endout = arr;

end % function selection_sort

selection_sort.m

23

function ind = find_smallest_number(arr, ii)% find_smallest_number finds the index of the smallest number in arr between ii% and the end of the arr

nvals = length(arr); ind = ii;

for jj = (ii+1):nvalsif arr(jj) < arr(ind)

ind = jj; endend end % function find_smallest_number

24

Bubble Sort

การเรยงตวเลขแบบ bubble sort เรมตนการเรยงโดยการเปรยบเทยบเลข 2 ตวแรกในฐานขอมล และสบเปลยนตำาแหนงตวเลข 2 ตวนใหอยในตำาแหนงทถกตอง จากนนจะทำาการเปรยบเทยบตวเลขตวท 2 และตวท 3 ในฐานขอมลตอไป และทำาการสบเปลยนตำาแหนงถาจำาเปน ทำาแบบนตอไปเรอยๆจนจบแถว จากนนเราจะเรมตนเปรยบเทยบเลข 2 ตวแรกในฐานขอมลใหมแบบนตอไปเรอยๆ จนกวารอบนนจะไมมการสบเปลยนเกดขน จงเปนอนจบการเรยงตวเลขแบบ bubble sort

25

ตวอยางการเรยงตวเลขแบบ bubble sort ของ [10 3 -1 5 8] ทำาไดดงน

เรยงรอบท 1:[10 3 -1 5 8] [3 10 -1 5 8] จดอนดบ 2 ตวเลขแรก[3 10 -1 5 8] [3 -1 10 5 8] จดอนดบ 2 ตวเลขตอไป[3 -1 10 5 8] [3 -1 5 10 8] [3 -1 5 10 8] [3 -1 5 8 10]

เรยงรอบท 1 มการสบเปลยนตำาแหนง 4 ครงเรยงรอบท 2:[3 -1 5 8 10] [-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10][-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10]

เรยงรอบท 2 มการสบเปลยนตำาแหนง 1 ครง

26

เรยงรอบท 3:[-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10][-1 3 5 8 10] [-1 3 5 8 10]

เรยงรอบท 3 มการสบเปลยนตำาแหนง 0 ครง เพราะฉะนนจบการเรยงแบบ bubble sort

27

bubble_sort(arr)เราสามารถเขยน pseudocode สำาหรบ selection_sort ไดดงตอไปนwhile swap occurs

% compare two adjacent numbers and swap their positions if necessary for ii = 1:(nvals-1)

if arr(ii) > arr(ii+1) temp = arr(ii); arr(ii) = arr(ii+1); arr(ii+1) = temp;

end end

end

28

function out = bubble_sort(arr)% bubble_sort sorts data in ascending order

swap = 1;nvals = length(arr);

while swap = = 1 % while swap = = 1, continue sorting swap = 0; for ii = 1:(nvals-1) if arr(ii) > arr(ii+1) temp = arr(ii); arr(ii) = arr(ii+1); arr(ii+1) = temp; swap = 1; % swap = 1 indicates that swapping occurs end endendout = arr;

end % function bubble_sort

bubble_sort.m

29

Optional Argumentsฟงกชน MATLAB มการใชตวแปรอนพตและเอาตพตแบบมหรอไมมกได

(optional input and output arguments) ยกตวอยางเชน การใชฟงกชน plot ซงมตวแปรอนพตตงแต 2 ตว ไปจนถงมากกวา 7 ตว เปนตน ซง MATLAB รไดอยางไรวาฟงกชนเหลานมตวแปรอนพต หรอ เอาตพตกตว

MATLAB มฟงกชนพเศษสำาหรบอานจำานวนตวแปรในฟงกชน และ แสดงคำาเตอนดงตอไปน

• nargin – ใหคาจำานวนของตวแปรอนพตในฟงกชน• nargout – ใหคาจำานวนของตวแปรเอาตพตในฟงกชน• nargchk – แสดงขอความวามความผดพลาดโดยอตโนมต ถาฟงกชนทถกเรยก

มจำานวนตวแปรอนพตหรอเอาตพตมากหรอนอยเกนไป• error – แสดงขอความวามขอผดพลาด (error message) และยกเลกการเรยกฟง

กชน• warning – แสดงคำาเตอนแตใหฟงกชนทำางานตอไป• inputname -- ใหชอของตวแปรอนพตตามตำาแหนงทถกระบ

30

1. ฟงกชน nargin และ nargout ตองถกเรยกใชภายในการเขยนฟงกชน ซงจะใหคาจำานวนตวแปรอนพตและเอาตพตเวลาทฟงกชนถกเรยกใช

2. ฟงกชน nargchk สรางขอความทแสดงขอผดพลาดถาฟงกชนมจำานวนตวแปรอนพตหรอเอาตพตนอยเกนไป มรปแบบการใชงานคอmessage = nargchk(min_args, max_args, num_args);

โดยท min_args เปนจำานวนนอยทสดของตวแปรทเปนไปได max_args เปนจำานวนมากทสดของตวแปรทเปนไปได และ num_args เปนจำานวนตวแปรทแทจรงทถกเรยกใช ถาจำานวนตวแปรไมอยภายในจำานวนทกำาหนดไว ขอความผดพลาดจะถกแสดงอตโนมตในตวแปร message

3. ฟงกชน error ใชแสดงขอความวามขอผดพลาดและยกเลกการเรยกฟงกชนนน โดยมการเรยกใชคอ error(‘msg’) โดยท msg คอขอความทเรากำาหนดใหแสดงเวลาขอผดพลาดเกดขน

31

4. ฟงกชน warning ใชแสดงคำาเตอนซงจะระบชอฟงกชน และบรรทดทปญหาเกดขน แตจะปลอยใหฟงกชนทำางานตอไป โดยมการใชคอ warning(‘msg’) โดยท msg เปนขอความทแสดงคำาเตอน

5. ฟงกชน inputname ใชแสดงชอของตวแปรอนพตเวลาทฟงกชนถกเรยกใชจรง มรปแบบการใชคอ name = inputname(argno); โดยท argno เปนตำาแหนงของตวแปรอนพต เชน function myfun(x, y, z)name = inputname(2);disp(['The second argument is named ' name]);เมอฟงกชนนถกเรยกใชในหนาตางคำาสง ผลลพธคอ>> dog = 1; cat = 2;>> myfun(dog, cat)The second argument is named cat

32

ตวอยางการใช optional argumentsfunction [mag, angle] = polar_value(x, y)% polar_value converts (x,y) to (r, theta)

% angle -- Angle in degrees, msg -- Error message, mag -- Magnitude% x -- Input x value, y -- Input y value (optional)

% Check for a legal number of input argumentsmsg1 = nargchk(1,2,nargin);error(msg1);

% If the y argument is missing, set it to 0if nargin < 2

y = 0;end

33

% Check for (0,0) input arguments, and print out a warning messageif x == 0 & y == 0

msg2 = 'Both x and y are zero: angle is meaningless.';warning(msg2);

end

% Now calculate the magnitude.mag = sqrt(x.^2 + y.^2);

% If the second output is present, calculate angle in degrees.if nargout == 2

angle = atan2(y, x) * 180/pi;end

end % function polar_value

34

การทดลองเรยกใชฟงกชน polar_value

เราจะเรยกใชฟงกชน polar_value ในหนาตางคำาสง เพอทดสอบการใช optional arguments

1. ทดสอบจำานวนตวแปรอนพต>> [mag angle] = polar_value??? Error using ==> polar_valueNot enough input arguments.>> [mag angle] = polar_value(1, -1, 1)??? Error using ==> polar_valueToo many input arguments.

35

2. ทดสอบการใชคำาสง warning เมอ x = 0 และ y = 0>> [mag angle] = polar_value(0, 0)Warning: Both x and y are zero: angle is meaningless.> In polar_value at 19mag =

0angle =

0

36

3. ทดสอบการใชฟงกชน polar_value กบ 1 หรอ 2 ตวแปรอนพต>> [mag angle] = polar_value(1)mag =

1angle =

0>> [mag angle] = polar_value(1, -1)mag =

1.4142angle =

-45

37

4. ทดสอบการใชฟงกชน polar_value กบ 1 หรอ 2 ตวแปรเอาตพต>> mag = polar_value(1, -1)mag =

1.4142>> [mag angle] = polar_value(1, 0)mag =

1angle =

0