Aprendiendo a programar en Fortran90

Transcripción

1 Aprendiendo a programar en Fortran90 José Ojeda jojeda

2 Presentación del libro Aprendiendo a programar en Fortran90 Primera edición (Enero de 2006), tercera reimpresión (Abril 2006). Esta obra fué escrita por: José Ojeda Alumno de Ciencias Físicas y Astronómicas, Departamento de Física, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Concepción. Concepción, CHILE. Prefacio La base de este libro fue bastante rudimentaria, pues se trata de algunas guías que escribí cuando realicé mi primera ayudantía en la Universidad. Esta ayudantía fué para la asignatura de Computación Científica, a la cual asisten alumnos de Ciencias Físicas y Astronómicas, Licenciatura en Matemática e Ingeniería Estadística. Esta asignatura considera dentro de su malla de contenidos, la programación en Fortran. Este libro es resultado de un gran trabajo y dedicación, por lo que estoy muy orgulloso de poder presentar este texto al público en general. A partir de aquí, se podrán adquirir la mayoría de los conocimientos necesarios para que las personas se desempeñen a nivel de usuario normal, dentro de lo que es el mundo de la programación en Fortran. Primero se presenta una introducción a este lenguaje de programación, y luego se dedica un apartado completo a los fundamentos de programación. Luego se presentan aspectos un poco más complicados de Fortran. José Ojeda, Enero de Novedades en esta reimpresión Se corrigieron algunas palabras mal tipeadas y se mejoró el formato del libro: se aumentó el área del texto en cada hoja, El formato predeterminado de L A TEX(lenguaje en el que se escribió este libro) utiliza considerable espacio para los bordes.

3 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 3 Índice I Introducción a Fortran 5 1. Introducción y preliminares Qué es un compilador Breve reseña sobre Fortran Cómo está organizado este libro Pensar como programador Planificación del programa Plantearse las preguntas adecuadas Desarrollo del programa hola mundo Empleo de un editor de código fuente Hola Mundo! II Fundamentos de programación 8 4. Sentencias básicas La sentencia program La sentencia write(*,*) La sentencia read(*,*) Variables, constantes y operadores básicos de Fortran Tipos de variables Constantes Asignando valores a las variables Operadores básicos III Estructuras de control e iterativas Estructuras de control Estructura secuencial Estructura alternativa Estructura bialternativa Estructura multialternativa Estructuras iterativas Iteración con contador Iteración condicional

4 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 4 IV Funciones intrínsecas, funciones y subrutinas Funciones intrínsecas Sentencia contains, funciones y subrutinas Sentencia contains Funciones Subrutinas El efecto colateral 27

5 Parte I Introducción a Fortran 5 1. Introducción y preliminares 1.1. Qué es un compilador Un compilador es un software que hace literalmente la función de traductor. El programador, al enfrentarse a un problema, genera un algoritmo para poder resolverlo. Este algoritmo es escrito en un lenguaje de programación específico. Luego, para poder traducir este código que ha generado el programador, al lenguaje de máquina (que es el que entiende el computador), se necesita un compilador. Cada lenguaje de programación es diferente y para cada uno de estos también existen distintos compiladores. Por ejemplo, para Fortran existen variados compiladores, tales como Compaq VisualFortran o Intel Fortran for Linux; cada uno de estos genera el mismo resultado, pero estos dos son bastante diferentes entre sí. Existen variados compiladores de Fortran que se pueden bajar de forma gratuita desde Internet Breve reseña sobre Fortran Existen muchas versiones de Fortran, entre ellas, Fortran77, Fortran90 y ahora último ha salido al mundo de la programación Intel Fortran. Este lenguaje de programación ya lleva muchísimos años en el mercado, y ha demostrado ser uno de los más versátiles en cuanto a la simplicidad de la sintaxis. Por ejemplo, cuando uno ve un código fuente escrito en este lenguaje de programación, no es muy difícil entender qué es lo que hace; sin embargo en otros lenguajes esta tarea es algo más difícil y engorrosa. Es muy utilizado en el ámbito científico, y posee una amplia variedad de funciones que permiten llevar a cabo los más diversos procesos, como cálculos matemáticos complicados, en un tiempo muy reducido Cómo está organizado este libro Este libro cuenta con algunas convenciones que es conveniente recordar a medida que se va leyendo: Código de programa y salida en pantalla: En este tipo de letra monoespaciada aparecerán los listados correspondientes a código de programa, tal como si se estuviesen escribiendo en un programa editor de texto. También con este tipo de letra se presentarán los mensajes de salida que emita en pantalla el programa. Ejemplo: program mensaje

6 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 6 write(*,*) "Este es el mensaje" end program Otro ejemplo: Introduzca el vector para determinar su norma: Instrucciones de código: Es el mismo estilo del primero presentado en esta lista, pero las palabras están encerradas con llaves ({ }). Cuando se enfrente a la situación real de estar programando, deberá reemplazar estas palabras por la instrucción contenida en ellas. Por ejemplo: program mensaje write(*,*) "{texto de mensaje}" end program Aquí deberá reemplazar {texto de mensaje} por el texto de mensaje que desea presentar en pantalla. Si estuviésemos en una situación real, y Ud. quisiera presentar el mensaje Esto es una prueba en pantalla, deberá escribir lo siguiente: program mensaje write(*,*) "Esto es una prueba" end program 2. Pensar como programador 2.1. Planificación del programa El primer paso, antes de entrar de lleno a programar, es planificar el programa. La idea es determinar con exactitud la tarea que realizará el programa. Inicialmente este paso puede ser un poco tedioso, pero con la práctica se va automatizando. La frase que siempre prima en el ambiente de la programación es pensar antes de actuar. Esto ayudará a programar de mejor manera. La planificación del programa implica necesariamente hacerse algunas preguntas con respecto al programa que se quiere hacer. La forma de resolver un problema se llama algoritmo ; y siempre la idea es hallar este algoritmo y traducirlo al lenguaje de programación - que en este caso es Fortran - para poder obtener un resultado Plantearse las preguntas adecuadas Las siguientes preguntas son trascendentales a la hora de iniciar la planificación de un programa: Cuál es el objetivo del programa que se está haciendo?

7 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 7 Quién utilizará el programa? Qué información se deberá introducir al programa? De que forma procesará el programa la información introducida? Qué y cómo mostrará el programa el resultado de los procesos? Se pueden agregar otras preguntas, pero estas son las más generales. Los programas comúnmente necesitan que el usuario ingrese información para que la procese y finalmente muestran un resultado en pantalla, o en algunos casos generan un archivo de texto o envían el resultado a una impresora. 3. Desarrollo del programa hola mundo 3.1. Empleo de un editor de código fuente Para poder generar un programa y ejecutarlo, en primera instancia debemos crear un código fuente. Este código fuente es un archivo de texto plano ; es decir, no contiene formatos especiales (colores, imágenes, tipografías, etc.). Este tipo de archivo, por lo general lleva la extensión.txt. En el caso de un código fuente para Fortran90, será conveniente guardar estos archivos con la extensión.f o.f90, para identificar los códigos fuente de los archivos de texto ordinarios. Para elegir un editor de código fuente adecuado, es completamente necesario que pueda abrir y guardar los archivos en el formato mencionado en el párrafo anterior. Para Windows, se recomiendan los siguientes editores: Bloc de notas WordPad En el caso de Linux, trabajar en la edición de códigos fuente de Fortran es muchísimo más cómodo, pues casi todos los editores de texto en forma predeterminada colorean el texto, de acuerdo al tipo de instrucción que representan las palabras insertas en el mismo. Se recomiendan para este sistema operativo, los siguientes editores: KWrite Kate Por cierto hay otros editores más avanzados, pero la idea es trabajar con los programas que trae de forma predeterminada el sistema operativo. Si ha comprado un software especial, puede obviamente usarlo en reemplazo de los programas mencionados anteriormente.

8 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda Hola Mundo! Ahora, ya sabemos que para crear un programa, debemos tener un código fuente. En este código fuente colocamos las instrucciones que deseamos que el computador realice. En programación se habla del programa hola mundo, como aquél primer programa que una persona hace, en un lenguaje de programación que recién está aprendiendo. Ahora, Ud. dirá hola mundo! al mundo de la programación en Fortran90. Para esto, deberá iniciar un editor de texto, que tenga las características indicadas en la subsección anterior. Luego, escriba lo siguiente: program hola write(*,*) "Hola mundo!" end program hola Ahora, debe guardar el archivo, como hola.f90 (u hola.f). Luego de esto debe compilar el programa, para generar un archivo ejecutable para el computador (el código fuente no puede ser ejecutado por el computador, pero el archivo ejecutable asociado al mismo, sí). Para esto, tiene que ir al Símbolo de sistema (Windows) o a la Terminal (Linux). Luego, tiene que situarse en la carpeta en dónde ha guardado el archivo y escribir el comando que permite compilar el código fuente. Existen varios compiladores para Fortran90, por lo que el comando para compilar variará dependiendo del compilador. Por ejemplo, en el caso de Intel Fortran para Linux, hay que escribir: ifort hola.f90 -o salida, dónde salida es el nombre del archivo ejecutable que será resultado de la compilación. Ahora, luego de haber compilado, sólo basta con poner en la línea de comando el nombre del archivo ejecutable y presionar Enter. En pantalla deberá aparecer lo siguiente: Hola mundo! Si es así, felicitaciones!. Ha hecho su primer programa en el lenguaje de programación Fortran90. En la siguiente parte, se definirán los fundamentos para poder programar en Fortran90.

9 Parte II Fundamentos de programación 9 4. Sentencias básicas 4.1. La sentencia program Toda vez que deseemos crear un programa, la primera línea que este tenga en su código fuente, deberá ser: program {nombre}; mientras que siempre la última debe ser end program {nombre}. Estas sentencias le indican a Fortran en dónde comienza y termina el programa, respectivamente. Entonces, todos los programas para Fortran son de la siguiente forma: program {nombre} {sentencias a ejecutar} end program {nombre} Aquí, {nombre} corresponde al nombre del programa, el cual debe obligatoriamente comenzar con un carácter alfabético y no debe contener caracteres extraños, y {sentencias a ejecutar} corresponde a las sentencias que se ejecutarán en el programa. En el ejemplo del programa Hola mundo!, se nota inmediatamente que el programa se llama hola, al igual que las sentencias que se ejecutan (en este caso es solamente la que muestra el mensaje en pantalla) La sentencia write(*,*) De manera intuitiva, ya sabemos que la sentencia write(*,*) nos permite mostrar un mensaje en pantalla. A continuación se define formalmente su uso: write(*,*) "{mensaje a mostrar en pantalla}" Nótese que el mensaje que deseamos presentar va encerrado en comillas dobles. Esto debe ser siempre de esta forma. Existe otra forma de utilizar esta sentencia, la cual permite mostrar el valor de una variable (en la próxima sección se tratará esto último). Para poder realizar esta tarea, utilizamos la sentencia write(*,*) en esta forma: write(*,*) {variable} Adicionalmente, si buscamos que se muestren varias variables a la vez, debemos separarlas con comas, tal como sigue: write(*,*) {variable 1}, {variable 2},..., {variable n}

10 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 10 El resultado en pantalla es de tal forma que, los valores escritos se muestran de izquierda a derecha, en el mismo orden en que se colocaron en el código fuente. Si el espacio en la pantalla no alcanza para presentar todo en una misma línea, el contenido que no alcanza a aparecer, es colocado en la línea siguiente. Esto ocurre cuántas veces sea necesario, hasta que se presente toda la información. Si hacemos uso reiterado de esta sentencia, tenemos que los valores se organizan en columnas. Por ejemplo, si tenemos el siguiente programa: program numeros var1=1 var2=22 var3=333 write(*,*) var1, var2, var3 var1=4 var2=55 var3=666 write(*,*) var1, var2, var3 end program numeros La salida en pantalla sería: Que era lo que esperábamos. Los números aparecieron ordenados y en columnas. Cabe destacar que este truco no funciona bien si alguno o todos los write(*,*) muestran información tal que en pantalla sobrepasa una línea La sentencia read(*,*) A veces, necesitamos que el usuario ingrese ciertos datos para que un programa pueda realizar un determinado proceso. La sentencia read(*,*) permite realizar esta tarea, y se utiliza de la siguiente forma: read(*,*) {variable} En dónde {variable} es la variable en dónde se guardará el dato introducido por el usuario. Si se ejecuta el programa, cuando se llegue al read(*,*), ésta se detendrá a la espera de que el usuario introduzca la información requerida (el cursor quedará parpadeando e inmóvil). Al escribir la información, el usuario deberá presionar Enter para continuar la ejecución. Por otra parte, si necesitamos que se ingresen más datos y no queremos repetir la sentencia read(*,*), podemos escribir: read(*,*) {variable 1}, {variable 1},..., {variable n}

11 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 11 Ahora, el usuario deberá ingresar los valores separados por Enter ; es decir, introduce un primer valor y presiona Enter, luego un segundo valor y presiona la misma tecla, y así sucesivamente hasta que se haya establecido el valor de las variables que acompañan a read(*,*). El ejemplo siguiente permite ilustrar el uso de esta sentencia: program espejo write(*,*) "Ingrese un numero:" read(*,*) a write(*,*) "Se ingreso el numero:", a end program espejo Aquí se solicita al usuario que ingrese un número que será guardado en la variable a, y luego el programa muestra en pantalla el número que se ingresó al mismo. La salida en pantalla es similar a la que sigue: Ingrese un numero: 3.4 Se ingreso el numero: En primer lugar, apareció el mensaje Ingrese un numero:, y el cursor quedó parpadeando debajo de esta frase. Luego, el usuario ingresó el número 3.4 mediante el teclado y presionó Enter, causando que este valor se haya guardado en a. Finalmente, el programa muestra el mensaje Se ingreso el numero: como resultado del proceso. 5. Variables, constantes y operadores básicos de Fortran 5.1. Tipos de variables Hasta ahora, hemos hablado de variables sin especificar exactamente de qué se tratan. Las variables son nombres que se usan dentro del entorno de la programación, para hacer referencia a un número, cadena de texto, u otro objeto. En el caso de Fortran90, los nombres de las variables no deben tener más de 31 caracteres y adicionalmente deben, obligatoriamente, comenzar con un carácter alfabético. En Fortran90 existen 5 tipos de datos básicos, que se enumeran a continuación: Tipo integer: Se utiliza para números enteros. Para declarar una variable entera, se escribe: integer:: {nombre variable entera} dónde nombre variable entera es el nombre de la variable entera. Si por accidente le se intentara asignar un número real, Fortran le asignará la parte entera del número real. En el siguiente ejemplo se muestra cómo declarar una variable entera:

12 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 12 program crear_variable integer::num_entero end program crear_variable Aquí se declaró a la variable num entero como una de tipo entero. De forma similar se hace para los otros tipos de datos que siguen. Tipo real: Tipo de variable usado para números reales. Para este tipo, es posible asignarle precisión simple o doble. La diferencia entre ambas precisiones, es que la segunda entrega más decimales (es más precisa) que la primera. La precisión predeterminada es la simple. Si deseamos declarar a una variable como real, lo hacemos de la siguientes formas: real:: {nombre variable real simple precision} real*8:: {nombre variable real doble precision} Si bien la precisión simple proporciona buenos resultados, en cálculos más delicados, es muy conveniente utilizar precisión doble. Tipo complex: Se utiliza para números complejos. Al igual que el tipo real, también admite una especificación de la precisión: complex:: {nombre variable compleja simple precision} complex*8:: {nombre variable compleja doble precision} Este tipo de variables son de la forma(parte real,parte imag.), dónde parte real es la parte real del número complejo, y parte imag. es la parte imaginaria del número. Tipo logical: Este tipo de variable puede asumir sólo 2 valores:.true. o.false.: logical:: {nombre variable logica} Tipo character: Se usa para que la variable pueda contener caracteres alfabéticos. A este tipo de variable debe especificársele un parámetro adicional que tiene relación con el número de caracteres máximo que puede contener la variable. Esto se hace colocando *n, dónde n es un número entero que indica la longitud máxima del texto. Para declarar una variable de este tipo, escribimos: character*{n}:: {nombre variable character} De este modo se declara una variable de tipo character, que podrá contener un máximo de n caracteres. Si se le asignara un texto que contiene más de n caracteres, Fortran recortará el texto que se le intenta asignar a la variable, dejando solamente los primeros n caracteres, comenzando desde la izquierda del texto. Obsérvese el siguiente ejemplo:

13 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 13 program caracter character*4::texto texto="hola" write(*,*) texto texto="adios" write(*,*) texto end program caracter Aquí declaramos a texto como una variable de tipo character con una longitud máxima de 4 caracteres. Luego, en dos ocasiones asignamos una cadena de texto a la variable y la mostramos en pantalla. La salida es la que se muestra a continuación: Hola Adio El mensaje Adios apareció cortado, pues la longitud máxima con que fue declarada la variable es de 4 caracteres. Una última cosa a destacar es que cuando deseamos asignar un texto a una variable del tipo character, es necesario que este esté encerrado entre comillas dobles, tal como se puede apreciar en el ejemplo anterior. Cabe destacar que se puede declarar más de una variable del mismo tipo, en una misma línea. Generalmente, esto de hace así: tipo variable:: {variables separadas por comas} Por ejemplo, si deseáramos declarar las variables reales numreal1, numreal2 y numreal3 en una misma línea, deberíamos escribir: real:: numreal1,numreal2,numreal Constantes Para declarar una variable como constante, se tiene que utilizar la palabra clave parameter, de la siguiente forma: real,parameter:: pi= Aquí se declaró la variable pi como una constante, y con valor De forma similar se hace con los otros tipos de variables existentes en Fortran. Las constantes, no pueden ser modificadas por instrucción alguna, después de haber sido declaradas.

14 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda Asignando valores a las variables Ahora que ya sabemos cómo declarar el tipo de dato de un variable, deseamos asignarle un valor. Para este efecto, podemos utilizar read(*,*) de forma pertinente, y también se puede usar el signo igual (=). Para esta última forma existe hecho muy importante: Fortran asigna el valor del lado derecho del signo igual, a la variable que está a la izquierda. Esto se ilustra mejor en el siguiente ejemplo: real::a,b a=4 b=5 En el ejemplo, se declaró como variables enteras a a y b, y luego se les asignaron los valores 4 y 5 respectivamente. Ahora, si hacemos lo siguiente: b=a El valor de a es asignado a b y no al revés; el valor de b ahora sería 4. Esa es una característica muy importante que hay que recordar de aquí en adelante, para evitar errores Operadores básicos Ahora que sabemos asignarle valores a las variables, deseamos saber cómo operar con ellas (sumarlas, restarlas... etc.). También podríamos querer compararlas entre sí. Existen principalmente 3 tipos de operadores: Tipo Aritmético: Tal como su nombre lo indica, permite trabajar aritméticamente las variables. A continuación se presenta una tabla que contiene todos los tipos de operadores aritméticos: Nombre Operador Ejemplo Resultado Suma + a=2+1 a=3 Resta - a=2-1 a=1 Multiplicación * a=2*3 a=6 División / a=4/2 a=2 Exponenciación ** a=2**3 a=8 Los operadores aritméticos sólo están definidos para variables numéricas. No para tipo lógico ni de carácteres. Tipo Relacional: Permite relacionar dos variables. Dentro de este tipo están los operadores:

15 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 15 Nombre Mayor que Mayor o igual que Menor que Menor o igual que Equivalencia Inequivalencia Operador >, o.gt. >=, o.ge. <, o.lt. <=, o.le. =, o.eq.! =, o.neq. Al igual que el tipo de operador anterior, estos están definidos sólo para números enteros y reales. Más adelante se dará un ejemplo del uso de estos operadores. Tipo Lógico: Este tipo de operadores está definido para expresiones lógicas. Nombre Negación Conjunción Disyunción Equivalencia Inequivalencia Operador.NOT..AND..OR. =, o.eq.! =, o.neq. Estos operadores cobran relevancia cuando se usan en estructuras de control alternativas y repetitivas. Se comportan en forma idéntica a los presentados en la lógica matemática (si no tiene conocimientos de lógica, se recomienda estudiar el tema antes de continuar). Nótese que la equivalencia y la inequivalencia son los únicos operadores que están definidos tanto para números como para expresiones lógicas. Los operadores de tipo relacional y lógico, producen un resultado lógico. Es decir, pueden indicarnos si la respuesta de la operación relacional o lógica entre dos variables es verdadera o falsa. El siguiente ejemplo ayuda a ilustrar esta situación: program operador real::a,b,c write(*,*) "Ingrese 3 numeros:" read(*,*) a,b,c if (a>b.and. b>c) then write(*,*) "a es mayor que b, y b es mayor que c." end if end program operador En primer lugar, se declaran las variables a, b, c. Luego, se muestra en pantalla un mensaje que le pide al usuario que ingrese 3 números, el usuario los ingresa y finalmente el programa muestra un mensaje siempre cuando a sea mayor que b y esta última variable sea mayor que c. Recordando un poco de lógica matemática, tenemos que la expresión a>b es verdadera si a es mayor que b, y de manera similar para b>c. Luego, el operador de conjunción proporciona un valor verdadero sí y sólo si las expresiones

16 lógicas relacionadas son verdaderas. Por ejemplo, si ingresamos los números de tal modo que se tengan las igualdades: a=1, b=2 y c=3, el programa mostrará el mensaje, pues a>b asume el valor verdadero (.true.) y lo mismo pasa con b>c. Luego, a>b.and. b>c es verdadero. Por causa de esto, se muestra el mensaje (más adelante se verá como funciona la estructura if). 16 Parte III Estructuras de control e iterativas 6. Estructuras de control 6.1. Estructura secuencial Este tipo de estructura, es aquella en la que las sentencias contenidas en el código fuente se ejecutan en forma secuencial. Es decir, luego de ejecutarse una sentencia, se pasa a la inmediatamente siguiente (de arriba hacia abajo); y así sucesivamente. Otra manera de decir lo anterior, es que no hay saltos en la ejecución de las sentencias. De acuerdo a lo precedente, entonces podemos decir que la forma de este tipo de estructura, es la que se indica a continuación: {sentencia 1} {sentencia 2}... {sentencia n} Un ejemplo de este tipo de estructura es el siguiente: program secuencial integer::a,b a=1 b=2 write(*,*) a write(*,*) b end program secuencial Aquí, el programa declara las variables como enteras, luego establece sus valores y finalmente escribe en pantalla el valor de las variables a y b. Para realizar esto, las sentencias se ejecutaron de forma secuencial. No hubo ningún salto en el orden de ejecución de las sentencias contenidas en el código fuente Estructura alternativa A veces, es necesario desviar literalmente el orden de ejecución de las sentencias de un programa, de acuerdo a si se da una situación específica u otra. Para esto,

17 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 17 utilizamos la estructura alternativa. Esta nos permite ejecutar ciertas sentencias sí y sólo si se produce cierta situación. Estas situaciones son en realidad expresiones lógicas, que si son verdaderas, desencadenan la ejecución de las sentencias encerradas en la estructura alternativa. La forma de este tipo de estructura es la siguiente: if ({condicion}) then {sentencias a ejecutar si la condicion es verdadera} end if Dónde {condicion} corresponde a una expresión lógica. Si esta expresión lógica es verdadera (asume el valor.true.), se ejecutarán las sentencias que están dentro de la estructura if. De lo contrario, si es falsa, no se ejecutarán las sentencias dichas anteriormente, y se seguirán ejecutando las sentencias que están inmediatamente después del end if. Para ejemplificar el uso de esta estructura, podemos ver lo siguiente: program alternativo integer::a,b write(*,*) "Ingrese dos numeros:" read(*,*) a,b if (a!= b) then write(*,*) "Los numeros a y b son distintos!" end if end program alternativo Este programa pide al usuario que ingrese dos números y luego muestra un mensaje si los números mencionados anteriormente son distintos. Es decir, emite esta notificación si y sólo si a!=b es verdadero. Si esta expresión lógica fuese falsa, las sentencias contenidas entre if y end if no se ejecutarán Estructura bialternativa La estructura alternativa permite solamente ejecutar un grupo de sentencias si la condición dada es verdadera. Ahora, si queremos que esta estructura además contenga sentencias a ejecutar si la condición dada sea falsa, debemos utilizar la estructura bialternativa. Este tipo de estructura es de la siguiente forma: if ({condicion}) then {sentencias a ejecutar si la condicion es verdadera} else {sentencias a ejecutar si la condicion es falsa} end if Ahora, si deseamos modificar el ejemplo anterior, de tal modo que muestre pueda mostrar un mensaje en el caso de que los números son iguales y también en el caso de que sean distintos, debemos tener lo siguiente:

18 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 18 program bialternativo integer::a,b write(*,*) "Ingrese dos numeros:" read(*,*) a,b if (a!= b) then write(*,*) "Los numeros a y b son distintos!" else write(*,*) "Los numeros a y b son iguales!" end if end program bialternativo Entonces, este programa mostrará un mensaje si a!= b es verdadero, pero también mostrará uno diferente si la expresión lógica anterior es falsa. Aunque podríamos obtener el mismo resultado si colocamos una estructura alternativa que muestre un mensaje si los números son iguales y otra que nos diga si son diferentes, notamos que la estructura bialternativa es una forma compacta de escribir lo dicho anteriormente. Luego, es más conveniente, para esta tarea específica, utilizar la estructura bialternativa. Se utilizan menos líneas, y se obtiene el mismo resultado Estructura multialternativa En ciertos algoritmos no basta con 2 alternativas y se necesitan varias. Para estos casos, se utiliza la estructura multialternativa. Esta tiene una forma un tanto diferente a las alternativa y bialternativa. El argumento para poder utilizarlas (en el ejemplo, es {variable}), ya no es de tipo lógico, sino tiene que ser necesariamente de valor numérico o de carácter. select case ({variable}) case ({valor 1}) {sentencias a ejecutar {variable} es igual a {valor 1}} case ({valor 2}) {sentencias a ejecutar {variable} es igual a {valor 2}}... case ({valor n}) {sentencias a ejecutar {variable} es igual a {valor n}} case default {sent. a ejec. si ninguna de las igualdades anteriores se da} end select Lo que hace esta estructura es comparar el valor de {variable} con los valores considerados para los diferentes casos (case es una palabra inglesa que quiere decir caso ). Si se da la situación de que el valor de la variable sea igual al considerado para un caso, las sentencias asociadas para este caso se ejecutarán. Las sentencias a ejecutar para cada caso, son aquellas que están entre case ({valor}) y el comienzo de otro caso. Luego de esto, las sentencias que se ejecutarán son aquellas que siguen a continuación de end select. En el caso de que no se de ninguna igualdad, se ejecutarán

19 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 19 las sentencias consideradas dentro de case default Es importante destacar que no es obligatorio el uso de case default en la estructura multialternativa, por lo que se puede prescindir de ésta, cuando no se necesite. El siguiente ejemplo ayuda a comprender los aspectos importantes de este tipo de estructura: program multialternativo integer::num_mes write(*,*) "Ingrese numero de mes, para ver cuantos dias tiene:" read(*,*) num_mes select case (num_mes) case(1,3,5,7,8,10,12) write(*,*) "El mes tiene 31 dias." case(4,6,9,11) write(*,*) "El mes tiene 30 dias." case(2) write(*,*) "El mes tiene 28 dias." case default write(*,*) "Numero de mes incorrecto!" end select end program multialternativo Este programa permite ver el número de días que tiene un mes. El mes se identifica con un número, de tal forma que el número 1 corresponde a Enero, el 2 a Febrero, y así sucesivamente hasta llegar a Diciembre, que le corresponde el número 12. Cuando la variable num mes asume uno de los valores: 1,3,5,7,8,10,12, entonces el programa muestra un mensaje diciendo que el mes introducido tiene 31 días. De manera similar se explican los otros casos. Nótese que si ingresamos el número 0, o tal vez el número 13, el programa muestra el mensaje: Numero de mes incorrecto!, pues en ningún caso se consideran esos valores. De aquí, también podemos inferir que a cada caso le podemos asignar más de un valor. Debemos separarlos con comas tal como se muestra en el ejemplo, para los casos en que el mes introducido tiene 30 o 31 días. 7. Estructuras iterativas En muchas oportunidades, necesitaremos que el programa repita varias veces un conjunto de sentencias. Por ejemplo, si deseamos mostrar un determinado número de términos de una sucesión matemática. Para este tipo de tareas, tenemos que Fortran nos ofrece las estructuras iterativas.

20 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda Iteración con contador Este tipo de estructura iterativa, permite repetir un número determinado de veces un cierto grupo de sentencias. En este caso, el número de veces que se debe iterar, no se puede modificar mientras la iteración está en proceso. Este tipo de estructura iterativa posee la siguiente forma: do {variable contadora}={valor inicial}, {valor final} {sentencias a repetir} end do Aquí, {variable contadora} es una variable de tipo entero, {valor inicial} y {valor final} son números enteros. En el siguiente ejemplo se ilustra el uso de esta estructura: program iteracion_contador integer::i real::x x=2.8 do i=0, 5 write(*,*) x**i end do end program iteracion_contador Este programa debería producir la siguiente salida en pantalla: Que corresponden a los términos de la sucesión 2,8 i con i entero y variando entre 0 y Iteración condicional La estructura iterativa condicional, luego de comenzar a iterar, continúa iterando hasta que la condición que se le asocia se torna falsa. O de manera equivalente, sigue iterando mientras la condición sea verdadera. A diferencia de la estructura iterativa con contador, no es necesario especificar el número de veces que deben repetirse las sentencias. Hay que tener precaución al utilizar este tipo de estructura, pues si la condición nunca se tornase falsa, entonces las iteraciones jamás acabarían. Entonces, para este caso, es necesario que las sentencias consideradas en la estructura iterativa condicional sean capaces de hacer que la condición sea falsa, luego de algunas iteraciones; y de esa forma se continúa con la ejecución normal del programa. El esqueleto de este tipo de estructura es el que a continuación se indica:

21 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 21 do while ({condicion}) {sentencias a ejecutar mientras la condicion sea verdadera} end do Aquí, {condicion} es una expresión lógica. Un ejemplo de la utilización de esta estructura es el siguiente: deseamos hacer un programa que muestre los términos de la sucesión 2,8 i (la misma que la del ejemplo anterior), pero esta vez queremos sea desde i = 0 y que las iteraciones se detengan si el término correspondiente a esta es mayor que 1000: program iteracion_condicional integer::i real::x,y x=2.8 i=0 do while (y<1000) y=x**i write(*,*) y i=i+1 end do end program iteracion_condicional En este caso, la salida del programa en pantalla, muestra hasta el número Esto ocurre así porque cuandoyfue mayor que 1000, se terminaron de ejecutar las sentencias correspondientes a esta iteración, y luego se ejecutaron las que vienen después de end do. Es decir, cuando y se torna mayor que 1000, la ejecución de las sentencias no se interrumpe ahí mismo, sino hasta que la iteración termina (las sentencias a repetir se ejecutan por completo). Por esta razón, a pesar de que es mayor que 1000, igual fué mostrado en pantalla. Además, nótese que la variableidesempeña el mismo papel que en el ejemplo anterior a éste: nos permite saber el número de iteración en que se encuentra (es un contador). En el ejemplo anterior, el incremento de la variable i no es automático como en una iteración con contador, y por eso se tuvo que agregar al final de la sentencias a repetir, la línea i=i+1. De esto, podemos decir que aunque utilizemos iteraciones condicionales tenemos la posibilidad, al igual que en la estructura iterativa con contador, de disponer de un contador.

22 Parte IV Funciones intrínsecas, funciones y subrutinas Funciones intrínsecas Hasta ahora sólo hemos visto que para manejar números, disponemos de los operadores aritméticos. Pero Fortran posee además, de forma intrínseca, la mayoría de las funciones matemáticas. Al igual que las calculadoras, para poder utilizar estas funciones en Fortran, debemos evaluarlas en un argumento. Por ejemplo, si deseamos mostrar el valor de sen( 3,14 ), debemos escribir: 2 program calcular_seno write(*,*) "El valor de sen(3.14/2) es:" write(*,*) sin(3.14/2) end program calcular_seno Aquí, 3,14/2 es el argumento de la función seno, que en Fortran se llama con el nombre sin. A continuación se presenta una tabla con las funciones matemáticas más importantes que posee Fortran: Función Expresión Nombre en Fortran Logaritmo en base 10 log 10 (x) o log(x) log10(x) Logaritmo en base e ln(x) log(x) Seno sen(x) sin(x) Coseno cos(x) cos(x) Tangente tan(x) tan(x) Exponencial en base e e x o exp(x) exp(x) Valor absoluto x abs(x) Seno hiperbólico senh(x) sinh(x) Coseno hiperbólico cosh(x) cosh(x) Con x siendo un número real de simple precisión. En el caso de necesitarse un resultado con doble precisión, basta con anteponer una d a cada una de las funciones mencionadas en la tabla. Por ejemplo, si necesitamos el valor de sin(x) con más decimales, escribimos: dsin(x). Por lo menos, para estas funciones, cuando necesitamos que estas muestren resultados con doble precisión, el argumento en que las evaluamos también debe ser de doble precisión. A continuación se muestran algunos ejemplos: program exponencial real::valor

23 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 23 write(*,*) "Ingrese el valor de x para evaluar e(x):" read(*,*) valor write(*,*) "e(x)=", exp(valor) end program exponencial Aquí se le pidió al usuario ingresar un valor para evaluar e x ; la funciónexp fue evaluada en el argumento valor. Si necesitamos obtener un valor de esta función pero con doble precisión, debemos hacer algunas modificaciones al programa anterior: program dexponencial real*8::valor write(*,*) "Ingrese el valor de x para evaluar e(x):" read(*,*) valor write(*,*) "e(x)=", dexp(valor) end program dexponencial La variable valor en este caso, fue declarada como real con doble precisión. Luego, es evaluada en la versión de doble precisión de exp, es decir, dexp. De manera similar se utilizan las otras funciones presentadas. Se coloca el nombre de la función y luego, entre paréntesis, escribimos el argumento. Este argumento puede ser directamente un número como también puede ser una variable. Hay que recordar nuevamente que en la mayoría de los casos la precisión del valor del argumento debe ser la misma con que la función muestra el resultado. Una última cosa que hay que destacar es que las funciones no son comandos. Es decir, no tiene sentido colocar lo siguiente: program sin_sentido sinh(3.3) end program sin_sentido De seguro, al compilar parecerá un error. Pero sí tiene sentido escribir: program con_sentido write(*,*) sinh(3.3) end program con_sentido Dando como resultado la aparición del valor de sinh(3,3) en pantalla. Este comportamiento es propio de las funciones. Sólo nos propocionan un valor numérico y nada más. Siempre deben ser utilizadas con write(*,*) o cuando deseamos dar un valor a una variable. 9. Sentencia contains, funciones y subrutinas Algunas veces los programas resultan demasiado largos y los algoritmos asociados a ellos no son muy claros, o bien son muy engorrosos. Para remediar esto, podemos

24 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 24 descomponer al programa en partes más pequeñas que realizan tareas específicas. De esta forma hacemos del algoritmo algo más entendible. En la mayoría de los casos, también esta descomposición hace que el programa se vea reducido en cuánto a líneas, lo cual permite agilizar los procesos que debe realizar para entregar el resultado final. En el caso de las funciones, son particularmente útiles cuando deseamos calcular un valor varias veces mediante una fórmula muy complicada, pero sin introducir esta última nuevamente; por otra parte, las subrutinas permiten ejecutar un conjunto de sentencias que realizan una determinada tarea, pero sin la necesidad de colocar todas estas cada vez que necesitamos realizar la misma tarea. Para ambos casos sólo basta llamar a la función o subrutina. Este procedimiento sólo requiere de una línea en el código. En resumen, las funciones y subrutinas permiten reducir en forma significativa el número de líneas del programa, y de esta forma se puede agilizar de forma notoria la realización de las tareas que tiene que hacer. Producto de esto, el programa demorará menos en entregar el resultado esperado. Adicionalmente permiten modularizar el funcionamiento de un programa Sentencia contains Antes de implementar una función o subrutina, debemos introducir la sentencia contains. Esta sentencia se utiliza en la siguiente forma: program {nombre}... contains {subrutinas y/o funciones} end program {nombre} Al final del código del programa, colocamos esta sentencia. Inmediatamente después de ésta, comenzamos a escribir las funciones y subrutinas que se necesiten. Más adelante se proporcionan ejemplos del empleo de esta sentencia Funciones Tal como se mencionó anteriormente, las funciones permiten realizar cálculos, sin la necesidad de introducir directamente la fórmula en la línea en que se requiere el cálculo. En Fortran, las funciones son de la siguiente forma: {tipo variable} function {nombre} ({arg 1},{arg 2},...,{arg n}) {tipo variable 1}::{arg 1} {tipo variable 2}::{arg 2}... {tipo variable n}::{arg n} {sentencias a ejecutar por la funcion} {nombre}={valor a entregar} end function {nombre}

25 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 25 Dónde {arg 1},{arg 2},...,{arg n} son los argumentos en que valuaremos a la función, y {tipo variable} permite declarar a la función con cierto tipo de dato. Podemos reemplazar esto por: integer, real, complex y sus variantes correspondientes para doble precisión. Además, se tiene que todos los tipos de los argumentos deben ser declarados. Luego de declararlos, colocamos las sentencias que permiten calcular el resultado que se busca. Finalmente, este valor se le asigna a una variable que tiene el mismo nombre que la de la función. Esta línea siempre debe estar antes de end function (esto siempre debe ser así). Por ejemplo, si tenemos la función f(x, y) = cos(x) exp(y) (una función de dos variables, cuya gráfica se encuentra en R 3 ) y deseamos evaluarla en valores que introduzca el usuario, escribimos algo similar a lo que sigue: program funcion_dosvariables real::x,y write(*,*) "Ingrese valor de x para evaluar f(x,y)": read(*,*) x write(*,*) "Ingrese valor de y para evaluar f(x,y)": read(*,*) y write(*,*) func(x,y) contains real function func (arg1,arg2) real::arg1,arg2 func=cos(arg1)*exp(arg2) end function func end program funcion_dosvariables Aquí colocamos inmediatamente la línea en que a la variable con el nombre de la función (func) se le asigna el valor final. Para el siguiente ejemplo, imaginemos que no sabemos que Fortran trae de forma intrínseca a la función sinh(x). Por esto, debemos hacer empleo de su definición, que por cierto se trata de la siguiente fórmula: sinh(x) = e x e x 2. Ahora queremos hacer lo mismo que en el ejemplo anterior, pero esta vez para seno hiperbólico: program senohiperbolico real::x write(*,*) "Ingrese valor de x para evaluar sinh(x)": read(*,*) x write(*,*) senohip(x) contains real function senohip (valor) real::valor,y y=exp(valor)-exp(-valor) y=y/2 senohip=y end function func end program senohiperbolico

26 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 26 De este ejemplo, podemos decir que es posible trabajar el valor final, antes de asignarlo al nombre de la función. Ahora, si necesitáramos calcular más veces el valor de sinh(x) durante la ejecución de un programa, no tendremos que escribir las tres líneas que se necesitaron para calcularlo, sino que solamente senohip({argumento}). Esto representa un gran ahorro de líneas en el código fuente del programa y adicionalmente permite confinar la tarea de calcular el valor de la sinh(x) a una función, mejorando el algoritmo. Una última cosa que vale la pena destacar, es que las funciones tienen el mismo comportamiento que las funciones intrínsecas. Sólo entregan un valor numérico y se utilizan para proporcionar un valor a una variable, o si deseamos presentar inmediatamente un valor en pantalla, las usamos con write(*,*) Subrutinas En el caso de las subrutinas, permiten resumir la ejecución de una tarea específica (o más de una) en un sólo comando. Las subrutinas no son funciones, pero la idea de ambas es similar: ahorrar líneas y ayudar a ordenar el programa. El modo de crear una subrutina es el siguiente: subroutine {nombre} ({argumento 1},{argumento 2},...,{argumento n}) {tipo variable}::{argumento 1} {tipo variable}::{argumento 2}... {tipo variable}::{argumento n} {sentencias a ejecutar por la subrutina} end subroutine {nombre} Aquí, al igual que en las funciones, debemos declarar todos los tipos de dato de los argumentos. Como las subrutinas son algo diferentes a las funciones, se emplean de otra forma: para poder ejecutar una subrutina, debemos hacer empleo de la sentencia call {nombre subrutina}, dónde {nombre subrutina} es el nombre de la subrutina a la cual deseamos llamar. Esta caracterísica es la diferencia fundamental entre una subrutina y una función. En el siguiente ejemplo se ilustra de mejor manera lo expuesto hasta ahora: program subrutina real::a,b write(*,*) "Introduzca a:" read(*,*) a write(*,*) "Introduzca b (distinto de cero!):" read(*,*) b call calculos(a,b) write(*,*) "Listo!" contains

27 Aprendiendo a programar en Fortran90 - José Ojeda - jojeda 27 subroutine calculos (x,y) real::x,y write(*,*) "a+b=", x+y write(*,*) "a-b=", x-y write(*,*) "a*b=", x*y write(*,*) "a/b=", x/y end subroutine calculos end program subrutina Este programa recoje los valores necesarios para ejecutar la subrutina calculos. Luego de esto, calcula y muestra en pantalla la suma, resta, multiplicación y división de los números introducidos en el orden indicado en el código. En este caso, la subrutina no devolvió ningún valor al programa (como en las funciones), y presentó el resultado en pantalla inmediatamente. En el caso de que se necesitara realizar esta tarea más veces, no será necesario repetir las mismas veces el código que hace esto, sino que simplemente podremos llamar a la subrutina calculos con los argumentos adecuados, lo que constituye una reducción importante en el número de líneas, que respecto a un mismo algoritmo que no utilizara esta subrutina. 10. El efecto colateral Algo muy peculiar en Fortran, es el efecto colateral. Este efecto se produce cuando modificamos el valor de una variable del programa principal (sentencias antes de contains), dentro de una subrutina o función. No es conveniente hacer esto, pues desordena el programa (y con esto, el algoritmo del mismo). Las variables del programa principal deben ser modificadas dentro del mismo, y por ningún motivo en funciones ni subrutinas. A continuación se muestran dos recomendaciones para evitar el efecto colateral: Los nombres de las variables dentro de una subrutina o función deben ser diferentes a las que existen en el programa principal. Como se dijo anteriormente, nunca modificar el valor de una variable del programa principal dentro de las sentencias de una función o subrutina. De esta forma mantendremos un programa ordenado. Cabe destacar que esta es una característica propia de Fortran. En la mayoría de los lenguajes de programación, este efecto colateral no existe; es decir, las variables dentro de funciones y módulos no se mezclan con las del programa principal. Esto, a pesar de que existan variables tengan el mismo nombre que las del programa principal. A modo de comentario final, esto evitar el efecto colateral es encarecidamente recomendado por programadores que poseen gran experiencia en esto de la programación en Fortran, por lo que vale la pena poner en práctica lo expuesto en esta sección.