اگر به برنامه‌نویسی علاقه‌مند باشید، مطمئنا بارها نام نرم‌افزار متلب را شنیده‌اید. متلب (Matlab) نام یک زبان برنامه‌نویسی نسل چهارم و همچنین یک محیط نرم‌افزاری برای انجام محاسبات عددی، تجسم و توسعه نرم‌افزارهای تجاری است. Matlab از ترکیب دو واژه‌ی Matrix و Laboratory به معنای آزمایشگاه ماتریس، به وجود آمده است. علت این ترکیب نام‌گذاری، ماتریس محور بودن متلب است به گونه‌ای که حتی اعداد منفی نیز ماتریس در نظر گرفته می‌شوند. در ادامه به معرفی بیش‌تر زبان متلب و چگونگی برنامه‌نویسی با آن می‌پردازیم.
معرفی نرم‌افزار Matlab
در اواخر دهه 70 میلادی، متلب توسط Cleve Moler -یکی از موسسان کمپانی خصوصی Mathworks واقع شده در ایالت ماساچوست آمریکا- توسعه و عرضه شد. او که یک استاد ریاضی بود، به منظور دسترسی آسان‌تر دانشجویان دانشگاه نیومکزیکو به LINPACK و EISPACK، بدون نیاز به یادگیری زبان‌های برنامه‌نویسی دیگر مانند فرترن، متلب را ایجاد کرد. اولین برنامه‌ای که وی با متلب نوشت، یک محاسبه‌گر ماتریس بود. در سال 2000 متلب بازنویسی شد و با اضافه‌شدن کتابخانه‌های کاربردی فراوان، در حوزه‌های مختلف صنعت، کنترل، مخابرات، پزشکی، فضانوردی و… مورد توجه و استفاده متخصصان قرار گرفت.
در واقع می‌توان گفت که متلب برای استفاده مهندسان و دانشمندان طراحی شده است. آن‌ها با کمک متلب می‌توانند به راحتی ماتریس‌ها و آرایه‌های ریاضی را به طور مستقیم در برنامه‌ها استفاده کنند. این موضوع در مورد تجزیه و تحلیل داده‌ها، پردازش سیگنال و تصویر، جبر خطی و طراحی کنترل نیز صادق است. Matlab به برنامه‌نویسان کمک می‌کند تا مسائل پیچیده ریاضی را به زبان کامپیوتر ترجمه کرده و با سرعت بالا آن‌ها را حل کنند.
لوگوی متلب از آغاز تا کنون تغییر زیادی نداشته و نمایشی از معادله‌ی طول موج است.
ویژگی‌های زبان متلب و کاربردهای آن
متلب یک زبان برنامه‌نویسی سطح بالا (نزدیک به زبان انسان)، مفسری و شی‌گرا است. این زبان برخلاف بسیاری از زبان‌های برنامه‌نویسی، متن باز نیست و برای تهیه آن باید هزینه پرداخت کنید (حدودا 50 هزار دلار!) البته استفاده از آن به مدت 30 روز رایگان است. متلب در مقایسه با رقبایش از جمله Fusion، Mathematica و… فضای رم بیش‌تری مصرف می‌کند؛ اما از جمله مزیت‌های آن می‌توان به امکان گرفتن خروجی C و ++C و همچنین خروجی گرافیکی به صورت نمودار و منحنی از کدهای متلب اشاره کرد.
کدهای متلب با کمک API به راحتی با زبان‌های دیگر مثل جاوا و سی ادغام می‌شوند و می‌توان از آن‌ها در هر بستری استفاده کرد. همچنین می‌توان با نصب پکیج Hardware Support، برای ابزارهایی مانند رزبری‌پای، آردوینو، دستگاه‌های پزشکی مثل MRI و… با استفاده از متلب برنامه نوشت. شما می‌توانید زبان متلب را تنها در نرم‌افزار متلب نوشته و اجرا کنید و اجرای آن در سایر محیط‌های توسعه‌ی برنامه‌نویسی امکان‌پذیر نیست. متلب کاربردهای گسترده‌ای در رشته‌های مهندسی، فیزیک، ریاضی و شیمی دارد. برخی از کاربردهای برنامه‌های ساخته شده با متلب عبارتند از:
- پردازش سیگنال و مخابرات
- پردازش فیلم و تصویر
- سیستم‌های کنترل خودکار
- تست و اندازه‌گیری
- امور مالی محاسباتی
- زیست شناسی محاسباتی
قدرت محاسبات ریاضی Matlab
MATLAB برای استفاده در فرآیندهای پیچیده ریاضیاتی مناسب است و کتابخانه‌های فراوانی برای انجام عملیات ریاضی در دسترس برنامه‌نویسان قرار می‌دهد. برخی از محاسبات ریاضی رایج با متلب عبارتند از:
- رسم و گرافیک 2 و 3 بعدی
- جبر خطی
- معادلات جبری
- توابع غیر خطی
- آمار
- تحلیل داده‌ها
- حساب و معادلات دیفرانسیل
- محاسبات عددی
- ادغام
- تبدیل
- ایجاد منحنی
- و بسیاری توابع خاص دیگر
کتابخانه‌های Matlab
متلب در زمینه‌های مختلف از جمله پردازش سیگنال، هوش مصنوعی، شبکه‌های عصبی، یادگیری‌ماشین، حل معادلات دیفرانسیل و فوریه و… دارای کتابخانه‌های کاربردی فراوان است و امکان ایجاد و افزودن کتابخانه‌های مجزا نیز وجود دارد. علاوه بر این می‌توان از پلاگین‌هایی با عنوان Add-ones نیز استفاده کرد. توابع و دستورات استفاده از کتابخانه‌ها در بخش Documetation این زبان به صورت کامل موجود هستند و شما به منبع دیگری برای یادگیری نیاز نخواهید داشت. برای دریافت متلب و مطالعه مستندات آن کلیک کنید.
چه نوع شرکت‌هایی از متلب استفاده می‌کنند؟
متلب ابزارهای کاربردی فراوانی در اختیار برنامه‌نویسان قرار داده است. به همین دلیل بسیاری از صنایع به خصوص صنایع هوافضا و دفاعی به آن نیاز دارند. این شرکت‌ها از متلب در نمونه‌گیری اولیه و تست و آزمایشات خود استفاده می‌کنند. در صنعت تولید خودرو نیز از متلب در توسعه سیستم‌های کنترل و مصرف سوخت استفاده می‌شود. صنعت دیگری که استفاده گسترده‌ای از متلب دارد، صنعت روباتیک است زیرا کمپانی Mathworks از سخت‌افزارهای بسیاری پشتیبانی می‌کند که این موضوع ساخت ربات‌هایی با قابلیت‌های بسیار پیشرفته را نسبت به گذشته تا حد زیادی آسان‌تر کرده است.
شروع برنامه‌نویسی متلب
پس از نصب نرم‌افزار Matlab با محیطی شبیه به تصویر زیر رو به رو می‌شوید. صفحه command window جاییست که کدهای شما در آن نوشته می‌شوند. پنجره Current Folder، فایل‌ها و پوشه‌های مرتبط با پروژه شما را نشان می‌دهد و پنجره Workspace فضای کاری شماست که داده‌های برنامه در آن نمایش داده می‌شود.
تعریف متغیرها در Matlab
متغیرها مکان‌هایی از حافظه هستند که می‌توان در آن‌ها داده‌ها را ذخیره کرده و در قسمت‌های دیگر برنامه از آن استفاده کرد. برای تعریف متغیرها در متلب تنها کافیست یک نام نمادین (حداکثر 63 کاراکتر) انتخاب کرده و مقدار مورد نظر را به آن تخصیص دهید. لازم به ذکر است که از نام‌های رزرو شده (مانند sin، tan، cot و…) و علائم (مانند +،-، * و…) نمی‌توان برای نام متغیرها استفاده کرد. نمونه‌ای از تعریف متغیر در متلب:
A = 3
توجه داشته باشید که زبان متلب Case sensitive بوده و به بزرگ یا کوچک بودن حروف حساس است.
استفاده از توابع در Matlab
توابع در برنامه‌نویسی کاربردهای فراوانی دارند. تابع قطعه کدی است که یک بار نوشته شده و می‌توان در قسمت‌های مختلف برنامه بارها آن را فراخوانی کرد. همان‌طور که پیش‌تر نیز گفته شد، توابع آماده زیادی در متلب وجود دارند؛ همچنین شما می‌توانید توابع مورد نیاز خود را تعریف کرده و از آن‌ها استفاده کنید. برای مثال تابعی که بتواند میانگین اعضای آرایه ورودی را محاسبه کند به صورت زیر نوشته می‌شود:
function ave = average(x)
ave = sum(x(:))/numel(x);
end
و برای فراخوانی آن در خط فرمان به صورت زیر عمل می‌کنیم:
z = 1:99; ave = average(z)
خروجی
ave = 50
نتیجه‌گیری
می‌توان گفت زبان قدرتمند متلب برای استفاد در کاربردهای مهندسی و محاسبات پیچیده ریاضی مناسب است اما به دلیل مصرف بالای منابع سخت افزاری برای استفاده‌هایی مانند طراحی و توسعه‌ی وب مناسب نیست. Matlab زبانی مفسری است و در هر بار اجرا، کدها تفسیر می‌شود به همین دلیل سرعت زبان‌های مفسری نسبت به زبان‌های کامپایلری پایین‌تر است اما مزایایی همچون راحتی استفاده و یادگیری، کتابخانه‌های کاربردی فراوان و قدرتمند و پشتیبانی توسط سیستم‌های عامل محبوب Windows، Linux و Mac موجب علاقه‌مندی بسیاری از برنامه‌نویسان به این زبان شده است.
امروزه میلیون‌ها برنامه‌نویس و دانشمند در سراسر جهان از متلب برای آنالیز و طراحی سیستم‌هایی که نیاز به انجام محاسبات پیچیده ریاضی در مقیاس بزرگ دارند، استفاده می‌کنند. تجربه شما از برنامه‌نویسی با زبان متلب چیست؟ در چه زمینه‌هایی از متلب استفاده کرده‌اید؟