Fortran语言教程
一、Fortran语言简介
Fortran（Formula Translation）语言是世界上最早出现的计算机高级程序设计语言之一，广泛应用于科学计算和工程领域。Fortran语言以其高效、稳定和易于理解的特点，在科学计算领域占有重要地位。Fortran语言的发展经历了多个版本，从最初的Fortran I到现在的Fortran 2018，不断地完善和丰富着其功能。
二、Fortran语言基础
程序结构
Fortran程序由程序单位（Program Units）组成，包括主程序（Main Program）和子程序（Subprograms）。主程序是程序的入口点，子程序包括函数（Function）和子例程（Subroutine）。Fortran程序的基本结构如下：
fortran
PROGRAM main
! 主程序代码
END PROGRAM main
SUBROUTINE subroutine_name(arguments)
! 子例程代码
END SUBROUTINE subroutine_name
FUNCTION function_name(arguments) RESULT(result_name)
! 函数代码
END FUNCTION function_name
数据类型
Fortran语言支持多种数据类型，包括整型（Integer）、实型（Real）、复型（Complex）、字符型（Character）和逻辑型（Logical）等。用户可以根据需要选择适当的数据类型来定义变量。
变量声明
在Fortran中，变量需要在使用前进行声明。声明变量时需要指定变量的名称、数据类型和可选的属性（如维度、大小等）。例如：
fortran
INTEGER :: i, j
REAL :: x, y
CHARACTER(LEN=10) :: str
数组
Fortran支持一维和多维数组。声明数组时需要指定数组的名称、数据类型和维度。例如：
fortran
INTEGER, DIMENSION(5) :: arr1
REAL, DIMENSION(3, 3) :: arr2
控制结构
Fortran提供了丰富的控制结构，包括条件语句（IF-THEN-ELSE）、循环语句（DO-LOOP）、选择语句（SELECT CASE）等。这些控制结构可以帮助用户实现复杂的逻辑和算法。
三、Fortran语言进阶
模块
Fortran中的模块（Module）是一种封装相关变量、类型、函数和子例程的机制。使用模块可以提高代码的可重用性和可维护性。模块的基本结构如下：
fortran
MODULE module_name
! 模块内容（变量、类型、函数、子例程等）
END MODULE module_name
在主程序或其他子程序中，可以通过USE语句引入模块并使用其中的内容。
文件操作
Fortran支持对文件的读写操作。用户可以使用OPEN、WRITE、READ和CLOSE等语句进行文件操作。例如，以下代码演示了如何将数据写入文件并从文件中读取数据：
fortran
PROGRAM file_operation
IMPLICIT NONE
INTEGER :: i
REAL :: x
CHARACTER(LEN=20) :: filename = "data.txt"
OPEN(UNIT=10, FILE=filename, STATUS="REPLACE")
DO i = 1, 5
x = i * 2.0
WRITE(10, *) x
END DO
CLOSE(10)
OPEN(UNIT=10, FILE=filename, STATUS="OLD")
DO i = 1, 5
READ(10, *) x
PRINT *, x
END DO
CLOSE(10)
END PROGRAM file_operation
并行计算
Fortran支持并行计算，可以利用多核处理器或分布式计算资源提高计算效率。Fortran提供了多种并行计算功能，如OpenMP、MPI等。用户可以根据需要选择适当的并行计算技术来实现并行算法。
四、总结
Fortran语言作为一种历史悠久的计算机高级程序设计语言，在科学计算和工程领域具有广泛应用。本文介绍了Fortran语言的基础知识和进阶内容，包括程序结构、数据类型、变量声明、数组、控制结构、模块、文件操作和并行计算等。掌握Fortran语言可以帮助用户更好地进行科学计算和工程应用开发工作。
以下是5个Fortran语言的编程案例，每个案例都简要说明了情境、问题和相应的Fortran解决方案：
案例1：计算斐波那契数列
情境：
需要计算斐波那契数列的前N项。
问题：
如何用Fortran编写一个程序来计算斐波那契数列？
Fortran解决方案：
fortran
PROGRAM Fibonacci
IMPLICIT NONE
INTEGER :: N, i
INTEGER, DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: fib
PRINT *, "Enter the number of Fibonacci numbers to compute:"
READ *, N
ALLOCATE(fib(N))
fib(1) = 1
IF (N > 1) THEN
fib(2) = 1
DO i = 3, N
fib(i) = fib(i-1) + fib(i-2)
END DO
END IF
PRINT *, "Fibonacci series:"
PRINT *, fib
DEALLOCATE(fib)
END PROGRAM Fibonacci
案例2：求解线性方程组
情境：
有一个2x2线性方程组需要求解。
问题：
如何用Fortran编写一个程序来求解线性方程组？
Fortran解决方案：
fortran
PROGRAM LinearEquations
IMPLICIT NONE
REAL :: a, b, c, d, x, y
PRINT *, "Enter coefficients a, b, c, and d:"
READ *, a, b, c, d
IF (a*d - b*c /= 0.0) THEN
x = (d*c - b*d) / (a*d - b*c)
y = (a*c - d*b) / (a*d - b*c)
PRINT *, "Solution: x = ", x, ", y = ", y
ELSE
PRINT *, "The system has no unique solution."
END IF
END PROGRAM LinearEquations
注意：上面的代码有误，正确的求解2x2线性方程组的代码应该是：
fortran
PROGRAM LinearEquations
IMPLICIT NONE
REAL :: a, b, c, d, det, x, y
PRINT *, "Enter coefficients a, b, c, and d for equations ax + by = e and cx + dy = f:"
READ *, a, b, c, d, e, f
det = a*d - b*c
IF (det /= 0.0) THEN
x = (e*d - b*f) / det
y = (a*f - e*c) / det
PRINT *, "Solution: x = ", x, ", y = ", y
ELSE
PRINT *, "The system has no unique solution or is indeterminate."
END IF
END PROGRAM LinearEquations
在上面的代码中，需要额外读取方程右侧的常数e和f。并且计算行列式（determinant）来判断方程组是否有唯一解。
案例3：矩阵乘法
情境：
有两个矩阵A和B，需要进行矩阵乘法C = A * B。
问题：
如何用Fortran编写一个程序来进行矩阵乘法？
Fortran解决方案：
fortran
PROGRAM MatrixMultiplication
IMPLICIT NONE
INTEGER, PARAMETER :: n = 3, m = 3, p = 3
REAL, DIMENSION(n,m) :: A
REAL, DIMENSION(m,p) :: B
REAL, DIMENSION(n,p) :: C
INTEGER :: i, j, k
PRINT *, "Enter matrix A (3x3):"
READ *, ((A(i,j), j = 1, m), i = 1, n)
PRINT *, "Enter matrix B (3x3):"
READ *, ((B(i,j), j = 1, p), i = 1, m)
C = 0.0 ! Initialize C to zero
DO i = 1, n
DO j = 1, p
DO k = 1, m
C(i,j) = C(i,j) + A(i,k) * B(k,j)
END DO
END DO
END DO
PRINT *, "Matrix C (A * B) is:"
PRINT *, C
END PROGRAM MatrixMultiplication
案例4：求解二次方程
情境：
需要求解二次方程ax^2 + bx + c = 0的根。
问题：
如何用Fortran编写一个程序来求解二次方程？
Fortran解决方案：
fortran
PROGRAM QuadraticEquation
IMPLICIT NONE
REAL :: a, b, c, discriminant, root1, root2
PRINT *, "Enter coefficients a, b, and c for the equation ax^2 + bx + c = 0:"
READ *, a, b, c
discriminant = b**2 - 4*a*c
IF (discriminant > 0.0) THEN
root1 = (-b + SQRT(discriminant)) / (2*a)
root2 = (-b - SQRT(discriminant)) / (2*a)
PRINT *, "Roots are real and different."
PRINT *, "Root 1 = ", root1
PRINT *, "Root 2 = ", root2
ELSE IF (discriminant == 0.0) THEN
root1 = -b / (2*a)
PRINT *, "Roots are real and same."
PRINT *, "Root 1 = Root 2 = ", root1
ELSE
PRINT *, "Roots are complex and different."
PRINT *, "Real part of root = ", -b / (2*a)
PRINT *, "Imaginary part of root = ", SQRT(-dis
