前期集中 R12420 物理学特論Ⅰ 20130812-4 2013 年 8 月 28 日, 29 日原子核科学研究のための数値シミュレーション事前配布資料学籍番号氏名目次 1. Fortran プログラム（gfortran）のインストール .........................................................................................1 2. Fortran プログラムの作成..............................................................................................................................2 2.1. プログラムファイルの作成 ..................................................................................................................2 2.2. プログラムの編集..................................................................................................................................3 2.3. fortran プログラムの作成.......................................................................................................................4 3. Fortran プログラムの実行方法......................................................................................................................6 3.1. コマンドプロンプトの起動 ..................................................................................................................6 3.2. コマンドプロンプト上のコマンド.......................................................................................................7 4. Fortran プログラムの基本............................................................................................................................12 4.1. 型の宣言 ...............................................................................................................................................12 4.2. do 文.......................................................................................................................................................13 4.3. if 文 .........................................................................................................................................................13 4.4. Read 文、Write 文................................................................................................................................14 4.5. フォーマット文....................................................................................................................................15 5. 参考資料........................................................................................................................................................16 6. 課題 ...............................................................................................................................................................17 i 1. Fortran プログラム（gfortran）のインストール下記ページを参考にして、GFortran プログラムをインストールしてください。参考ページ http://d.hatena.ne.jp/arakik10/20120214/1329167074 ①http://tdm-gcc.tdragon.net/ に入る ②Download のページの Bundle Installer (The easiest install) から、インストールする PC の OS にあった exe をダウンロードする。 1.OS が 32bit なら tdm-gcc-4.6.1 2.OS が 64bit なら tdm64-gcc-4.6.1 Windows7 は 64bit, それ以外は 32bit であることに注意。図 1-1 gfortran のダウンロードページ ③参考ページに従ってインストールを行う。 1 2. Fortran プログラムの作成ここでは初心者向けの方法を解説します。 2.1. プログラムファイルの作成 ①デスクトップにfortran という名前のフォルダを作成します。 ②fortran というフォルダの中でテキストドキュメントを作成します。 ③名前の変更から「test.f95」という名前にします。拡張子を変更するため、メッセージが出ますが気にせずに「はい」を選択します。これが fortran のプログラムになります。 2 2.2. プログラムの編集 ①アクセサリからメモ帳を開きます。図 2-1 メモ帳の起動 ②メモ帳に test.f95 をドラッグすると、メモ帳上で test.f95 を編集できます。図 2-2 メモ帳上でのフォートランファイルの編集 3 2.3. fortran プログラムの作成 ①半角英数しか使ってはいけないルールになっていますので、入力モードが「ひらがな」などの場合、「半角英数」に変更します。図 2-3 入力モード ②プログラムの開始と終了の指示メモ帳上で test.f95 を編集します。図 2-4 の一行目はプログラムの開始を指示しています。このプログラムの名前は「test」ですという意味です。図 2-4 の一番下の行はプログラムの終了を指示しています。図 2-4 プログラムの開始と終了の指示 4 ③文字列の出力何かを画面に出力させたいとき、write(6,*)と指示します。文字列を出力させたいときは ‘ ‘ で文字列を囲います。図 2-5 文字列出力の指示 ④メモ帳上でのプログラムファイルの保存メモ帳で編集したプログラムファイルを保存するには、右上のバツ印をクリックします。保存しますか？と聞かれるため、「保存する」を選択します。図 2-6 メモ帳上での保存 5 3. Fortran プログラムの実行方法 3.1. コマンドプロンプトの起動 ①スタートメニューをクリックします。図 3-1 スタートメニュー ②アクセサリの中のコマンドプロンプトをクリックします。図 3-2 アクセサリ―コマンドプロンプト ③コマンドプロンプト画面が立ち上がります。図 3-3 アクセサリ―コマンドプロンプト 6 3.2. コマンドプロンプト上のコマンドコマンドを打ち、エンターキーを押すとコマンドが実行されます。表 3-1 に最低限必要なコマンドをまとめます。表 3-1 コマンドと意味コマンド dir cd [移動先のディレクトリパス] gfortran [プログラムファイル名] プログラム実行モジュール（標準は a.exe） exit 意味ディレクトリを表示するカレントディレクトリの変更（移動） fortran プログラムを gfortran でコンパイルしますプログラムを実行するコマンドプロンプトの終了 ① ディレクトリ中のファイル確認コマンド dir “dir” というコマンドを打ったときの例を以下に示します。ここでは、C ドライブの Users というディレクトリの akimura というディレクトリの中のディレクトリを表示しています。また、自分がいるディレクトリ（カレントディレクトリと呼ぶ）が C:¥Users¥akimura という場所であることを示しています。図 3-4 コマンドプロンプト‐dir コマンドとカレントディレクトリ 7 ② ディレクトリ移動コマンド cd “cd” というコマンドを打ったときの例を以下に示します。図 3-5 コマンドプロンプト‐cd コマンド cd [移動先のディレクトリパス]とコマンドを打ち、エンターキーを押します。 [移動先のディレクトリパス]を打つのが面倒なときは、図 3-6 のようにアドレスバーからコピーし、コマンドプロンプト上で右クリックから貼り付けができます。図 3-6 ディレクトリパスのコピー図 3-7 コマンドプロンプトでの貼り付け 8 以上のコマンドにより、カレントディレクトリが変更され、 C:¥Users¥akimura という場所から C:¥Users¥akimura¥Desktop¥fortran という場所に移動しました。図 3-8 cd コマンド dir コマンドにより、この中に先ほど作成した test.f95 が存在することが分かります。図 3-9 dir コマンド 9 ③ コンパイルコマンド gfortran プログラムを機械語（コンピュータが作動する命令）に翻訳することをコンパイルといいます。 gfortran のコマンドを使ってコンパイルを行います。図 3-10 のように、gfortran test.f90 と打ち、エンターキーを押します。図 3-10 gfortran コマンド dir コマンドを打つと、プログラムの実行モジュール「a.exe」が作られていることが分かります。図 3-11 dir コマンド 10 ④プログラム実行コマンド a.exe できたフォートランプログラムの実行モジュールを実行します。 a.exe と打ち、エンターキーを押します。フォートランプログラム中で画面に Hello World!と表示させるように指示したので、それが表示されています。プログラムが正しく実行できていることが確認できました。図 3-12 プログラムの実行 ⑤コマンドプロンプトの終了 exit と打ち、エンターキーを押すとコマンドプロンプトが終了します。図 3-13 コマンドプロンプトの終了 11 4. Fortran プログラムの基本ここでは最も基本的な fortran プログラムのルールについて説明します。詳細は専門書を参照してください。 4.1. 型の宣言 fortran では、プログラム冒頭に変数名の定義と共に、変数の型の定義をする必要があります。整数型は integer で宣言します。以下のような整数を格納できます。 [例] 1 -15 9805 0 実数型は real*8 で宣言します。以下のような実数を格納できます。 [例] 0 8.78 -1.78 .83d-03 ( = 0.83×10-3) 1.8d6 ( =1.8×106) 1.3d+1 ( =1.3 ×101) -1.78d-1 ( = 1.78×10-1) 文字列型は character*数字で宣言します。文字列が 5 文字の場合は数字は 5 になります。図 4-1 に例を示します。 program test integer :: i, j, k real*8 :: a, b, c(100) character*5 :: char1, char2 i=1 j=10 k=100 a=1.d0 b=10.d0 c(1)=1.d6 c(2)=2.d6 c(3)=5.d6 char1 = ‘abcde’ char2 = ’step1’ end program test 図 4-1 変数の型の宣言ここで、C(100)は C(1)から C(100)まで 100 種類の数値が定義できるもので配列と呼ばれます。 12 4.2. do 文条件を満たすまで繰り返す命令を do 文といいます。 do 文は、do から始まり enddo で終了します。図 4-2 の例では 7～9 行目が do 文になります。 7 行目は整数型の変数 i が 1 から 10 まで a に 1 を足しなさいという命令です。 do 文の中では 2 文字分「字下げ」を行うのが礼儀です。 i が 10 を超えるまでは、プログラムは do 文の中をぐるぐるとループ（繰り返し処理）します。 i が 10 を超えると do 文を抜けてプログラムが終了します。 program test2 integer :: i, j, k real*8 :: a, b, c character*5 :: char1, char2 a=0.d0 do i=1,10 a=a+1.d0 enddo end program test2 図 4-2 do 文 4.3. if 文もしも条件通りであればこれをしなさいという条件文を if 文で表します。図 4-3 の例では do 文の中でもしも i が 3 より小さいのであれば a に 1.0 を足しなさい、それ以外であれば、a に 2.0 を足しなさいという意味の条件文です。 if 文の中でも 2 文字分「字下げ」を行うのが礼儀です。 program test3 integer :: i real*8 :: a a=0.d0 do i=1,10 if( i <3)then a=a+1.d0 else a=a+2.d0 endif enddo end program test3 図 4-3 if 文 13 4.4. Read 文、Write 文 write(6,*)は書き出し文で、画面に出力します。 read(5,*)は読み込み文で、キーボードから打ち込まれた数値を読み込みます。 program test4 integer :: i, imax real*8 :: a write(6,*) ‘ a, imax ? ’ read(5,*) a, imax do i=1, imax if( i <4)then a=a+1.d0 else a=a+2.d0 endif enddo write(6,*)a end program test4 このプログラムを実行すると、’ a, imax ?’の状態でコンピュータが入力待ち状態になるので、例えば、 0.0 10 と入力し Enter キーを押すと、a に 0.0 imax に 10 が入力され、引き続き 6 行目からのプログラムが実行されます。 a, imax ? 0.0 10 [Enter キーを押す] せっかく計算をしても、それを出力しないと何がどうなっているか分かりません。 15 行目のwrite 文により、a の値を画面に出力することができます。ここで、write 文中の 6 の数字は 6 番出力（標準出力：画面）という意味です。この 6 は出力の番号で既に決まっているものですが、read 文中の 5 番は入力の番号として既に決まっているものです。それ以外の数字を書くと、その名前のファイルが作られそこに出力されます。例えば、write(666,*)とすると、fort666 というファイルに出力されます。 14 4.5. フォーマット文出力のフォーマットを指定することができます。 program test5 integer :: i real*8 :: a, b a=0.d0 b=0.d0 do i=1,10 if( i <4)then a=a+1.d0 b=b+0.1d0 else a=a+2.d0 b=b*2.d0 endif enddo write(6,’(f14.3, 1x, 1pe14.6)’)a,b end program test5 ここで、write 文中の’(f14.3, a, 1pe14.6)’はフォーマットを指定しています。 f14.6 は全部で 14 桁、小数点以下 6 桁の意味です。 1x は 1 文字分空けるの意味です。 1pe14.6 は実数を 14 文字表示とし、小数点以下 6 桁、小数点上 1 桁で指数表示する、の意味です。詳細は専門書を参考としてください。 15 5. 参考資料 ①演習と応用 FORTRAN77、戸川隼人著、サイエンス社 fortran77 も 90 も基本は変わりません。この本のf90 版が出ているかも知れませんが、こちらを使って分かりやすかったのでおすすめします。 ②Fotran90 入門、新井親夫、森北出版文法の解説書として参照するのにおすすめ。 16 6. 課題 ①Fortran でプログラムを作成して実行し、ファイルに ‘Hello! World!’ と出力させなさい。 ②Fortran でプログラムを作成して実行し、 1 から 10 までの整数の足し算を実行しなさい。ファイルには、1 から 2 までの和、1, 2, 3 の和、1, 2, ,3 ,4 の和…、1, 2, …, 10 の和を出力させなさい。 17