متلب چیست و چرا شما باید از آن استفاده کنید؟

اگر در حال تحصیل در یکی از رشته‌های فنی و مهندسی یا علوم پایه هستید و یا به برنامه نویسی علاقمندید، احتمالا اسم نرم افزار متلب به گوشتان خورده است. متلب یکی از پرکاربردترین نرم‌افزارهای تخصصی و برنامه نویسی برای دانشجویان و محققان در حوزه‌های علمی مختلف است. در این مقاله توضیح خواهیم داد که متلب چیست؟ و چه کاربردهایی دارد، نقاط ضعف و قوت متلب را بررسی خواهیم کرد و مثالهایی از کاربردهای گسترده نرم افزار متلب را مرور خواهیم کرد. تا انتهای این مقاله همراه ما باشید.

متلب چیست؟

متلب (MATLAB) یک زبان برنامه نویسی سطح بالای نسل چهارم و یک محیط تعاملی برای محاسبات عددی، تجسم و برنامه‌نویسی می‌باشد که از ترکیب دو واژه MATrix (ماتریس) و LABoratory (آزمایشگاه) ایجادشده است. این نام حاکی از رویکرد ماتریس محور برنامه است که در آن حتی اعداد منفرد نیز به صورت یک ماتریس با ابعاد ۱*۱ در نظر گرفته می‌شود.

نرم افزار متلب دارای یک محیط توسعه یافته کدنویسی است. محیطی که به شما کمک می کند تا بر خلاف یک ویرایشگر متن مانند Notepad، قادر به ردیابی خطاهای کدنویسی و تکمیل دستورات باشید، همچنین پیشنهادات عملکردی را در هر لحظه به شما اعلام می کند.

به زبان دیگر متلب یک ماشین حساب فوق پیشرفته است که میتوانید از آن برای انجام محاسبات خود استفاده کنید. همچنین به کمک زبان برنامه نویسی متلب می‌توانید توابع و برنامه‌ هایی برای انجام عملیات‌های تکراری بنویسید. راهنمای متلب (با زدن دکمه F1) برای افرادی که به تازگی با این نرم افزار آشنا شده اند بسیار راهگشا خواهد بود.

بر خلاف جاوا، توسعه الگوریتم‌ها در متلب سریعتر صورت می‌گیرد. متلب به شما امکان استفاده از داده‌ها در منابع مختلف موجود در فایل، دیتابیس و اینترنت و به تصویر کشیدن آن‌ها را فراهم می‌کند. نرم افزار متلب همچنین به شما امکان رسم انواع نمودار برای داده‌هایتان را فراهم می‌کند.

تاریخچه نرم افزار متلب

در اواخر دهه ۷۰ 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 که برای دسترسی آسان‌تر دانشجویان دانشگاه نیومکزیکو به LINPACK و EISPACK متلب را ایجاد کرد. اولین برنامه‌ای که وی با متلب نوشت، یک محاسبه‌گر ماتریس بود. در سال ۲۰۰۰ 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.

نرم افزار متلب از چه قسمت هایی تشکیل شده است؟

زبان برنامه نویسی متلب:

متلب یک زبان سطح بالای ماتریس- آرایه‌ای است و ویژگی‌های برنامه‌نویسی شی گرا را شامل می‌شود که می‌توان با کمک آن برنامه‌های ساده و پیچیده را ایجاد کرد. زبان برنامه نویسی متلب از بسیاری از زبان‌های برنامه نویسی ساده تر است و یادگیری آن راحت‌تر است. زبان برنامه نویسی متلب به دلیل نزدیکی به زبان انسان یک زبان سطح بالا محسوب می‌شود.

برخی از تفاوت‌های زبان برنامه نویسی متلب با سایر زبان‌های برنامه نویسی در زیر ارائه شده است:

• semi-colon در متلب پایان گزاره را مشخص می‌کند. همچنین از سمی کولن برای توقف اجرای یک گزاره می‌توان استفاده کرد. برای مثال اگر شما در پنجره فرمان بنویسید x=5+3 و کلید اینتر را بزنید متلب به شما نتیجه را بصورت x=8 نمایش می‌دهد. اما اگر بنویسید ;x=5+3 و اینتر را بزنید متلب نتیجه محاسبه را به شما نشان نمی‌دهد و متغیر x را د حافظه ذخیره می‌کند.
• علامت % برای مشخص کردن کامنت در کد استفاده می شود. برنامه نویس ها از کامنت گذاری برای مشخص کردن بخش های مختلف برنامه نوشته شده استفاده می‌کنند.
• متغیرها در زبان برنامه نویسی متلب به کوچک و بزرگ بودن حروف حساس هستند.

محیط کاری متلب:

مجموعه‌ای از ابزار و امکانات است که شما به‌عنوان کاربر متلب یا برنامه‌نویس متلب با آن‌ها تعامل دارید. این محیط شامل امکاناتی برای مدیریت متغیرها در فضای کاری و صفحه فرمان برای نوشتن دستورات جهت توسعه، مدیریت فایل‌ها، پنجره رفع خطا و ایجاد M فایل‌ها در برنامه‌های متلب می‌باشد. ام فایل‌ها در واقع همان فایل‌های برنامه شما هستند که با پسوند m. ذخیره شده‌اند.

پنجره فرمان یا Command Window را می‌توانید همانند یک ماشین حساب مهندسی خیلی سطح بالا در نظر بگیرید. در تصویر زیر مشاهده می‌کنید که با وارد کردن عبارت 2+2 و زدن اینتر نتیجه روی صفحه ظاهر شده است. 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.

پس از نصب نرم‌افزار Matlab و بار کردن متلب برای اولین بار 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. به عنوان مثال با وارد کردن عبارت ۲+۲ و زدن اینتر نتیجه روی صفحه مشاهده می شود.

کنترل گرافیک: همان سیستم گرافیکی متلب است که شامل دستورات سطح بالا برای تجسم داده‌های دوبعدی و سه‌بعدی، پردازش تصویر، انیمیشن و گرافیک است. همچنین شامل دستورات سطح پایین است که به شما اجازه می‌دهد که ظاهر گرافیکی برنامه‌های خود را به‌صورت سفارشی طراحی کنید.

کتابخانه توابع ریاضی متلب:

متلب در زمینه‌های مختلف از جمله مهندسی کنترل و هوافضا، مهندسی مکانیک، پردازش سیگنال، حوزه‌های مختلف هوش مصنوعی نظیر شبکه‌های عصبی و یادگیری‌ماشین، حل معادلات دیفرانسیل و فوریه و… دارای کتابخانه‌های کاربردی فراوان است و امکان ایجاد و افزودن کتابخانه‌های مجزا را دارد. همچنین برای محاسبات جبری مجموعه گسترده‌ای از الگوریتم‌های محاسباتی اعم از توابع ابتدایی مانند سینوس، کسینوس تا توابع پیچیده مانند ماتریس معکوس، مقادیر ویژه ماتریس و تبدیل فوریه سریع را شامل می‌شود. 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

رابط برنامه‌های کاربردی متلب (API):

کتابخانه‌ای است که امکان نوشتن برنامه‌های فرترن و C که با متلب در تعامل باشند را فراهم می‌کند. این رابط شامل امکاناتی نظیر فراخوانی روال از متلب (اتصال پویا)، فراخوانی متلب به‌عنوان یک موتور محاسباتی و خواندن و نوشتن به فایل‌های mat است.

سیمولینک متلب چیست؟

«سیمولینک» (Simulink) یکی از بسته‌های نرم‌افزاری بسیار پرکاربرد برای شبیه‌سازی مهندسی است که در دانشگاه و صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیمولینک با نرم‌افزار متلب (MATLAB) ادغام شده و برای مدل‌سازی، شبیه‌سازی و تحلیلی سیستم‌های دینامیکی به کار می‌رود. این بسته نرم‌افزاری، یک رابط کاربری گرافیکی (GUI) دارد که با استفاده از بلوک‌های آن می‌توان مانند آنچه با خودکار روی کاغذ رسم می‌کنیم، سیستم را تشکیل دهیم.

نرم افزار متلب کجا مورد استفاده قرار می‌گیرد؟

اغلب محققین جهت تجزیه و تحلیل داده‌ها و حل مسائل خود نیازمند یادگیری یک زبان برنامه نویسی می‌باشند تا بتوانند به کمک سرعت بالای کامپیوتر مسائل خود را به زبان کامپیوتر ترجمه نمایند و به جای اینکه خودشان آن ها را حل کنند این زحمت را به کامپیوترها دهند تا با سرعت بالا و دقت فوق العاده مسائل خود را حل کنند و نتایج داده‌ها را به نمایش بگذارند.

بنابراین می بایست زبان صحبت کردن با کامپیوتر را فراگرفت. یکی از این زبان ها، برنامه نویسی با نرم افزار متلب است. متلب دارای تولباکس‌های مختلفی می‌باشد که در حوزه‌های مختلف مهندسی نظیر برق، مکانیک، عمران، مهندسی کامپیوتر و سایر علوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. بطور کلی از متلب برای اهداف زیر استفاده می‌شود:

• محاسبات عددی
• تجسم داده‌ها و ترسیم نمودارهای دوبعدی و سه بعدی
• مدلسازی و شبیه سازی داده
• تحلیل داده

مزایای یادگیری متلب چیست؟

متلب در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد و اساساً می تواند در هر شغلی که تجزیه و تحلیل داده ها یک مهارت مطلوب باشد، مورد استفاده قرار گیرد. اگر قصد دارید در حرفه خود مقداری تحقیق یا تجزیه و تحلیل داده انجام دهید، یادگیری متلب برای شما بسیار ارزشمند خواهد بود. شما قادر خواهید بود ایده های جدید را به سرعت و به راحتی نمونه سازی کنید.

اگر بیشتر تمایل دارید که یک مهندس نرم افزار باشید، احتمالا متلب بهترین ابزار برای شما نباشد. از آنجا که متلب در واقع بیشتر برای محاسبات علمی در نظر گرفته شده است. اگر می خواهید برنامه های کاربردی موبایل یا وب را توسعه دهید ، ممکن است یادگیری پایتون یا جاوا برای شما بهتر باشد. به طور کلی، دانستن اطلاعات حداقلی در مورد محیط متلب و برنامه نویسی با متلب برای شما مفید خواهد بود. اگر فهمیدید که مسیر شغلی شما متلب را شامل می شود، یک نقطه شروع خوب خواهید داشت.

اگر بین یادگیری متلب یا پایتون دچار تردید هستید، از شما دعوت می کنم که پست دیگر ما در مورد تفاوت متلب و پایتون مطالعه کنید.

چرا یادگیری متلب ضروری است؟

متلب در کنار پایتون یکی از پر طرفدارترین زبان‌های برنامه نویسی حال حاضر می‌باشد. با توجه به اینکه در دنیای مدرن دیتا و اطلاعات جزء مهم‌ترین و راهبردی‌ترین ارکان تصمیم گیری می‌باشد یادگیری استفاده از نرم افزار متلب و انجام پروژه با متلب بسیار مهم است.

تحلیل داده و انجام محاسبات ریاضی و آماری با نرم افزار متلب از اهمیت چشمگیری برخوردار است و این برای شما بسیار مفید خواهد بود اگر بتوانید به سرعت و به راحتی دیتای خود را تحلیل نمایید. اگر دانشجوی فنی مهندسی یا علوم پایه هستید بهتر است هرچه زودتر زمانی را برای یادگیری متلب اختصاص دهید زیرا در طول دوره تحصیلتان در دروس مختلف می‌توانید از امکانات نرم افزار متلب استفاده کنید.

کتابخانه‌های نرم افزار متلب در همه حوزه‌ها و رشته‌ها کاربرد دارد. یادگیری متلب در طول تحصیل به شما کمک می‌کند تا پروژه‌های شبیه سازی و یا تحقیقاتی خود را بهتر و سریعتر انجام دهید، با بهره گیری از کتابخانه‌های تخصصی محاسبات دستی خود را اعتبارسنجی کنید و بطور کلی فرایند یادگیری و آموزش خود را متحول کنید.

مزایا نرم افزار متلب چیست؟

در زیر به برخی از مزایا نرم افزار متلب اشاره کرده ایم:

• راحتی در استفاده: متلب یک زبان مفسری است که برنامه در محیط توسعه یکپارچه متلب به‌راحتی نوشته، اصلاح و ایجاد می‌گردد. ازآنجایی‌که زبان برنامه‌نویسی برای استفاده راحت است توسعه برنامه‌های جدید به‌راحتی امکان‌پذیر است.
• استقلال بستر نرم‌افزاری: متلب توسط بسیاری از سیستم‌های کامپیوتری مختلف پشتیبانی می‌شود. زبان متلب توسط سیستم‌عامل‌های لینوکس، ویندوز و مکینتاش پشتیبانی می‌شود.
• توابع از پیش تعریف‌شده: متلب هم را با کتابخانه گسترده‌ای از توابع از پیش تعریف‌شده است که برای بسیاری از کاربردها استفاده می‌شود.
• رسم مستقل از دستگاه: برخلاف بسیاری از زبان‌های کامپیوتری دیگر، متلب دستورات بسیاری را برای رسم و تصویربرداری دارد. این تصاویر و رسم‌ها می‌تواند روی هر وسیله خروجی گرافیکی که توسط کامپیوتر پشتیبانی می‌شود قابل نمایش است.
• واسط گرافیکی کاربر: متلب شامل ابزاری است که به برنامه‌نویس اجازه می‌دهد که به‌صورت تعاملی یک  واسط گرافیکی کاربر را ایجاد نماید. با این قابلیت برنامه‌نویس می‌تواند برنامه‌های  پیچیده تجزیه‌وتحلیل داده‌ها را طوری طراحی کند که کاربران بی‌تجربه نیز بتوانند به‌راحتی با برنامه تعامل داشته باشند.
• قدرت مدلسازی و شبیه سازی:: در متلب شما همه چیز را تقریبا می توانید مدل کنید از سیستم های کنترلی و قدرتی گرفته تا سیستم های محیط زیستی و اقتصادی. همچنین قابلیتی امری استثنایی است.
• سرعت در محاسبات جبری و ماتریسی: نرم افزار متلب سریعترین گزینه برای انجام محاسبات جبری و ماتریسی است.

معایب نرم افزار متلب چیست؟

معایب نرم افزار متلب چیست؟ متلب چند عیب اساسی دارد:

• هزینه‌ی متلب! اگر بخواهید لایسنس کامل متلب (همراه با سیمیولینک) را خریداری کنید باید رقمی در حدود 50.000 دلار هزینه کنید! البته به لطف عدم وجود قانون کپی رایت در ایران دانلود و نصب متلب در وب فارسی ساده است.
• متلب منابع سیستمی و رم زیادی را نسبت به رقبا مصرف می‌کند.
• متلب برای کاربرد‌های علمی و مهندسی فوق‌العاده است ولی برای کار‌هایی مانند توسعه‌ی وب مناسب نیست.
• متلب یک زبان مفسری است و بنابراین سرعت اجرای آن نسبت به زبان‌های کامپایلری کمتر است. این مشکل را می‌تواند با به‌کارگیری درست ساختار برنامه در متلب و استفاده از کامپایلر متلب برای کامپایل برنامه نهایی قبل از توزیع برنامه حل نمود.
• استفاده از راهنمای متلب فرایندی بسیار زمانبر هست و معمولا یافتن پاسخ سوالات و مشکلات امری زمانبر است.

پرسش‌های متداول درباره نرم افزار متلب

جمع بندی:

می‌توان گفت متلب برای استفاد در کاربردهای مختلف مهندسی و محاسبات 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 می‌شوند به همین دلیل سرعت زبان‌های مفسری نسبت به زبان‌های کامپایلری پایین‌تر است اما مزایایی همچون راحتی استفاده و یادگیری، کتابخانه‌های کاربردی فراوان و پشتیبانی توسط سیستم‌های عامل محبوب Windows، Linux و Mac موجب علاقه‌مندی بسیاری از برنامه‌نویسان و مهندسان به این زبان برنامه نویسی 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؟ تجربیات خود را در قسمت نظرات برای ما بنویسید.

منابع:

1. https://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/class/aos340/spr00/whatismatlab.htm
2. “Matlab numerical computing”,tutorialspoint, www.tutorialspoint.com
3.  https://en.wikipedia.org/wiki/MATLAB