Ngôn ngữ lập trình Fortran và ứng dụng trong khí tượng thủy văn

NXB Nông nghiệp Hà Nội - 2005 Từ khóa: Ngôn ngữ, lập trình, Fortran, thuật giải, giả trình, lưu đồ, khai báo, hằng, biến, file, lệnh, tuần tự, rẽ nhánh, lặp, chương trình con, thủ tục, hàm. Tài liệu trong Thư viện điện tử Trường Đại học Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH FORTRAN VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Phạm Văn Huấn 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI PHẠM VĂN HUẤN NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH FORTRAN VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN NHÀ XUẤT BẢN NÔNG NGHIỆP – 2005 2 MỤC LỤC Giới thiệu .............................................................................................................................................................................................................................. 5 Chương 1 - Khái niệm về lập trình máy tính để giải các bài toán ứng dụng................................................................................................................. 6 1.1. Phần cứng và phần mềm máy tính ........................................................................................................................................................................ 6 1.2. Thực hiện một chương trình máy tính .................................................................................................................................................................. 7 1.3. Quy trình giải bài toán trên máy tính.................................................................................................................................................................... 7 1.4. Những chương trình Fortran hoàn chỉnh ........................................................................................................................................................... 10 1.5. Quy cách soạn thảo một chương trình Fortran.................................................................................................................................................. 11 Chương 2 - Những yếu tố cơ bản của Fortran ............................................................................................................................................................... 12 2.1. Dữ liệu và cách biểu diễn dữ liệu trong Fortran ................................................................................................................................................ 12 2.2. Hằng và biến .......................................................................................................................................................................................................... 13 2.2.1. Tên biến và tên hằng...................................................................................................................................................................................... 13 2.2.2. Mô tả (khai báo) kiểu biến và kiểu hằng ..................................................................................................................................................... 14 2.3. Biến có chỉ số (mảng)............................................................................................................................................................................................. 16 2.3.1. Khái niệm mảng............................................................................................................................................................................................. 16 2.3.2. Mô tả mảng..................................................................................................................................................................................................... 17 2.4. Các hàm chuẩn ...................................................................................................................................................................................................... 17 2.5. Lệnh gán và các toán tử số học ............................................................................................................................................................................ 18 2.5.1. Lệnh gán ......................................................................................................................................................................................................... 18 2.5.2. Các phép tính số học đơn giản...................................................................................................................................................................... 19 2.5.3. Ước lượng biểu thức số học........................................................................................................................................................................... 19 2.5.4. Khái niệm về cắt và các phép tính hỗn hợp................................................................................................................................................. 20 2.5.5. Khái niệm về số quá bé và số quá lớn (underflow và overflow) ................................................................................................................ 20 Chương 3 - Nhập và xuất dữ liệu đơn giản..................................................................................................................................................................... 22 3.1. Các lệnh xuất và nhập dữ liệu.............................................................................................................................................................................. 22 3.2. Các đặc tả trong lệnh FORMAT.......................................................................................................................................................................... 24 Chương 4 - Các cấu trúc điều khiển................................................................................................................................................................................ 27 4.1. Khái niệm về cấu trúc thuật toán......................................................................................................................................................................... 27 3 4.1.1. Các thao tác cơ bản. Giả trình và lưu đồ..................................................................................................................................................... 27 4.1.2. Các cấu trúc tổng quát trong thuật giải....................................................................................................................................................... 28 4.1.3. Thí dụ ứng dụng thuật toán cấu trúc........................................................................................................................................................... 28 4.2. Cấu trúc IF và các lệnh tương ứng ...................................................................................................................................................................... 29 4.2.1. Biểu thức lôgic................................................................................................................................................................................................ 29 4.2.2. Lệnh IF lôgic ................................................................................................................................................................................................. 30 4.2.3. Lệnh IF số học............................................................................................................................................................................................... 32 Chương 5 - Cấu trúc lặp với lệnh DO ............................................................................................................................................................................. 44 5.1. Vòng lặp DO........................................................................................................................................................................................................... 44 5.1.1. Cú pháp của lệnh DO và vòng lặp DO......................................................................................................................................................... 44 5.1.2. Những quy tắc cấu trúc và thực hiện vòng lặp DO .................................................................................................................................... 45 5.1.3. Thí dụ ứng dụng vòng lặp DO...................................................................................................................................................................... 46 5.2. Vòng DO lồng nhau............................................................................................................................................................................................... 47 Chương 6 - File dữ liệu và tổ chức file dữ liệu trong Fortran....................................................................................................................................... 51 6.1. Khái niệm về file dữ liệu và tổ chức lưu trữ dữ liệu.......................................................................................................................................... 51 6.2. Các lệnh nhập, xuất dữ liệu với file ..................................................................................................................................................................... 52 6.3. Kỹ thuật đọc các file dữ liệu ................................................................................................................................................................................. 54 6.3.1. Số dòng ghi được chỉ định............................................................................................................................................................................. 54 6.3.2. Dòng ký hiệu kết thúc dữ liệu....................................................................................................................................................................... 55 6.3.3. Sử dụng tuỳ chọn END.................................................................................................................................................................................. 56 6.4. Tạo lập các file dữ liệu .......................................................................................................................................................................................... 58 6.5. Kỹ thuật trợ giúp tìm lỗi chương trình ............................................................................................................................................................... 58 Chương 7 - Sử dụng biến có chỉ số trong Fortran ......................................................................................................................................................... 60 7.1. Mảng một chiều ..................................................................................................................................................................................................... 61 7.2. Lệnh DATA............................................................................................................................................................................................................ 62 7.3. Mảng hai chiều....................................................................................................................................................................................................... 62 7.3. Mảng nhiều chiều .................................................................................................................................................................................................. 64 7.4. Những điều cần chú ý khi sử dụng các mảng ..................................................................................................................................................... 67 Chương 8 - Chương trình con loại hàm.......................................................................................................................................................................... 70 8.1. Các hàm chuẩn ...................................................................................................................................................................................................... 70 4 8.2. Các hàm chương trình con ................................................................................................................................................................................... 71 8.2.1. Hàm lệnh......................................................................................................................................................................................................... 71 8.2.2. Hàm chương trình con .................................................................................................................................................................................. 72 8.3. Chỉ dẫn gỡ rối và phong cách viết chương trình có hàm con............................................................................................................................ 76 Chương 9 - Chương trình con loại thủ tục ..................................................................................................................................................................... 78 9.1. Khai báo và gọi chương trình con thủ tục........................................................................................................................................................... 78 9.2. Những thí dụ ứng dụng chương trình con thủ tục ............................................................................................................................................. 79 9.3. Những chỉ dẫn gỡ rối khi sử dụng các thủ tục.................................................................................................................................................... 83 Chương 10 - Kiểu dữ liệu văn bản................................................................................................................................................................................... 85 10.1. Tập các ký tự của Fortran .................................................................................................................................................................................. 85 10.2. Các dạng khai báo biến ký tự............................................................................................................................................................................. 85 10.3. Nhập, xuất dữ liệu ký tự ..................................................................................................................................................................................... 86 10.4. Những thao tác với dữ liệu ký tự ....................................................................................................................................................................... 86 10.4.1. Gán các giá trị ký tự .................................................................................................................................................................................... 86 10.4.2. So sánh các giá trị ký tự .............................................................................................................................................................................. 87 10.4.3. Trích ra xâu con........................................................................................................................................................................................... 88 10.4.4. Kết hợp các xâu ký tự.................................................................................................................................................................................. 88 10.4.5. Những hàm chuẩn xử lý xâu ký tự ............................................................................................................................................................. 89 Chương 11 - Những đặc điểm bổ sung về file................................................................................................................................................................. 94 11.1. Các file nội tại (Internal Files)............................................................................................................................................................................ 94 11.2. Các file truy nhập tuần tự (Sequential Files).................................................................................................................................................... 95 11.3. Các file truy cập trực tiếp (Direct-Access Files) ............................................................................................................................................... 97 11.4. Lệnh truy vấn INQUIRE.................................................................................................................................................................................... 98 Tài liệu tham khảo ........................................................................................................................................................................................................... 101 Phụ lục 1: Bảng các hàm chuẩn của FORTRAN ......................................................................................................................................................... 102 Phụ lục 2: Phương pháp Gauss giải hệ phương trình đại số tuyến tính ................................................................................................................... 104 Phụ lục 3: Phương pháp bình phương nhỏ nhất trong phân tích hồi quy................................................................................................................ 108 Phụ lục 4: Sơ đồ ứng dụng phương pháp hồi quy nhiều biến.................................................................................................................................... 110 5 Giới thiệu Giáo trình “Ngôn ngữ lập trình Fortran và ứng dụng trong khí tượng thủy văn” là tập hợp những bài học cơ sở về lập trình mà tác giả đã dạy trong một số năm gần đây cho sinh viên các ngành khí tượng học, thủy văn và hải dương học ở Trường đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Sách này nhằm giới thiệu cho sinh viên lần đầu tiên học lập trình những khái niệm cơ bản về lập trình máy tính, tóm tắt những yếu tố cơ bản và các lệnh thông dụng, đặc điểm sử dụng chúng trong ngôn ngữ lập trình Fortran. Mục tiêu cuối cùng là giúp sinh viên làm quen với các phương pháp xây dựng thuật giải các bài toán thông dụng của toán học tính toán, thống kê toán học và xử lý số liệu, rèn luyện kỹ năng lập trình để giải những bài toán xử lý và phân tích số liệu, tính toán ứng dụng ở mức độ ban đầu trong thời gian học tập và nghiên cứu ở trường đại học. Những thí dụ và hệ thống bài tập tự luyện trong sách này có ý nghĩa minh họa, hướng sinh viên tới vận dụng các lệnh của Fortran để viết ra những chương trình ứng dụng nho nhỏ có tính cụ thể, bước đầu làm quen với những đặc thù xử lý dữ liệu quan trắc trong chuyên môn khí tượng thủy văn. Những đặc điểm khác của nội dung ứng dụng lập trình trong các chuyên ngành này như quản lý cơ sở dữ liệu, các phương pháp thống kê hiện đại, các phương pháp giải số trị những bài toán động lực k