برمجةتكنولوجيارياضيات

الماتلاب؛ ما بين الهندسة و علوم الحاسوب

cubicpoly = @(x) x^3 + 5*x^2 + 2*x +15;
x = fzero(cubicpoly,0)  %%solve cubic polynomial

عند رؤيتك للنص السابق قد يتبادر الى ذهنك أن هذا نصٌ بلغة رياضية تعبر عن قانونٍ او معادلةٍ معينه؛ حسناً

ربما تراهُ نصاً برمجياً ان كنت من هواةِ لغةِ البايثون ذات التنسيق (Syntax) البسيط.

إن النص الذي تراهُ أمامَك ما هو إلا مزيج بينهما، هذا ما يعرف باسم لغة الماتلاب؛ هذه اللغة او هذا البرنامج معروفٌ جيداً من قبل المهندسين او ذوي الدرسات العليا في علوم الحاسوب، ان لغة الماتلاب هي لغة برمجية كأنية التوجه (OOP) و ما يميز هذه اللغة عدم تركيزها على تطوير البرامج او الواجهات الرسومية، حيث انها صممت لحل المشكلات الهندسية و الرياضية بشكلٍ برمجي.

ما هو الماتلاب

الماتلاب هو بيئة تطوير متاكملة (IDE) تستعمل لغة برمجه تحمل نفس الاسم (ماتلاب)، صُمِّمَ كِلاهُما من قبل الأمريكي الرياضي و عالِم الحاسوب كليف مولر في جامعة نيوميكسيكو عام 1984. ويرجع مسمى Matlab الى الحروف الاولى من الكلمتين Matrix Lab، حيث ان لغة الماتلاب مبنية على المصفوفات (matrix).

في البداية قام كليف بتطوير الماتلاب ليُسهل على طلابه استخدام الحاسوب في حل المشكلات الرياضيه بدون استعمال لغة البرمجه فورتران، بعد ذلك قام كليف مولر بمساعدة صديقه جاك ليتيل بتأسيس شركه Mathworks لتصبح برمجيه ماتلاب برمجية رِبحية مغلقة المصدر يستعملها اليوم اكثر من 3 ملايين مستخدم من كافة انحاء العالم.

إن اهم ما يميز الماتلاب فضلاً عن المعادلات و المكاتب البرمجيه الجاهزه التي تسهل التعامل الرياضي مع المصفوفات، هو توفر العديد من الادوات الجاهزه مسبقا و تعرف بأسم “Toolbox” و هي عباره عن ملفات توسع أو تسهل من استعمال الماتلاب، و غالبا ما تكون هذه الأدوات مدفوعه و يقوم ببيعها إما الافراد أو تكون رسمية من قبل الشركة المالكه لبرمجية الماتلاب.

مُميزات الماتلاب

  1. ادوات العمل (Toolboxes):

    تخيل ان يعود بك الزمن للمدرسه و ان يطلب منك معلم الرياضيات ان تقوم بحل مسئلةٍ رياضية، كإيجاد طول وتر مثلثٍ قائم الزاويه ولكن دون استعمال قانون فيثاغورس للمثلث القائم، ليس مستبعداً منك ان تقوم بحل هذه المسئله بأستنباط قانونك الخاص :).لكن هذا يُعد إضاعةٍ للوقت مجملاً. و هذا ماتقوم به ادوات العمل (Toolboxes)، حيث تمثل اداوت العمل في مثالنا هذا قانونَ فيثاغورس.

    ادوات العمل هي عباره عن مجموعه من الدوال البرمجيه الجاهزه يمكن اضافتها للماتلاب و استعمالها مباشرةً لحل مشكلاتٍ معينه، حيث يتم الحصول على هذه الادوات على شكل مجموعات و كل مجموعه تكون مخصصه لحل نوع معين من المشكلات.

    غالبا ما تكون هذه المجموعات مُباعة غير مجانية، ويتم بيعها اما من الافراد او من شركه ماثوركس بنفسها و تعد ادوات العمل احد اهم مميزات الماتلاب.

  2. كأنية التوجه و سرعة التشغيل :

    تتميز لغة الماتلاب بسرعه التشغيل و الاداء بالاضافه الى ذلك فهي كأنية التوجه حيث يمكن للمبرمجين انشاء التراكيب (class) و نمذجتها و توريثها الأمر الذي يسهل التعامل مع البرامج الكبيره و تقليل من تكرار الاسطر البرمجية.

  3. التواصل مع لغات برمجية اخرى (interfacing):

    تمكنك لغة الماتلاب من استعمال و استيراد دوال و عناصر (objects) كتبت بلغات برمجيه مختلفه، حيث يمكنك مثلا استعمال مكتبه برمجيه كتبت بلغه C++داخل الماتلاب من خلال ما يعرف بخاصيه الـتواصل (Interfacing).

    و يدعم الماتلاب التواصل بكلا الاتجاهين مع اللغات التاليه:
    C++, C, Java, Python (2014),fortran

  4. التمثيل البياني:

    تستطيع من خلال الماتلاب تمثيل القيم التي تحصل عليها و تخزنها في المصفوفات بيانيا بسهوله سواء كان ذلك تمثيلا على المستوى الديكارتي او غيرها من طرق التمثيل البياني كالدرج و الطيف و التبعثر.

مجالات لغة الماتلاب

1. علم البيانات

يعد علم البيانات احد اهم مجالات علوم الحاسوب الحديثه و يعرف هذا العلم على انه: ” مفهوم قائم على توحيد الإحصاء، وتحليل البيانات وتعلم الآلة والوسائل المرتبطة بهم من أجل فهم وتحليل ظاهرة فعلية باستخدام البيانات “، ويكيبيديا.
من التعريف السابق نستنتج ان علم البيانات علم قائم على الرياضيات و الاحصاء و علوم الحاسوب ويتم الاستفاده منه عن طريق ايجاد خوارزميات تتعامل مع عدد كبير من البيانات التي تكون غالبا عديمه الفائده (raw data) و تحولها الى بيانات ذات فائده.
و من هذه المعطيات السابقه، تظهر قدرة الماتلاب في علم البيانات حيث ان علم البيانات يحتاج الى لغة برمجةٍ ذات اداء عالي لمعالجة الكميات الكبيره من البيانات و القدره على تمثيلها بيانيا لفهمها و متابعتها.
كما ان برمجية الماتلاب توفر العديد من المعلومات و الاحصائات الجاهزه التي يتم استعمالها في تعلم الآلة بالاضافة الى توفيره الكثير من الخوارزميات الجاهزه كخوارزميات معالجة الصور و الفيديو.
و يدعم الماتلاب طبيعياً القطع الالكترونية المستخدمه في علم البيانات كالمستشعرات و معالجه بياناتها مباشرةً.

2. ماتلاب العلوم الهندسية

ما بعرف شو هاظ بس و الله حسسني اني مهندس قد الدنيا

يطغى جانب الفيزياء و المصفوفات لإستخدامات الماتلاب في المجالات الهندسيه، بالرغم بان إحتراف الماتلاب لا يعد متطلباً ضرورياً للمهندسين الا أنه يمكن ان يكون ذو فائده جيدة لكل من مهندسي الصناعية و الميكانيك و الكهرباء. و يمكن اعتبار الماتلاب بالنسبةِ لهم كبرنامج الـ excel او الآلة  الحاسبه العلمية، ولكن بالتأكيد بمستوى عالٍ جدا من التطور و السهوله نسبياً.
و هذا بعض من كثير من المجالات العملية للماتلاب في القطاعات الهندسيه:

  • نمذجة و محاكاة المعلومات الفيزيائيه
  • استعمال المصفوفات لتحليل القوى الفيزيائيه خصوصا في علم الايروديناميكا
  • استعمال المصفوفات في المعادلات الرياضية سواء كانت خطيه ام غيرها لزيادة خطوط الانتاج وسط كميات معينة من الموارد
  • استعمال الرسومات البيانيه التي يوفرها الماتلاب في العروض التقديميه في الشركات او لدراسة قابلية تنفيذ الخطط

3. الحل بالتجريب و التكرار

f= @( x )  eps(1.92*x)+5*cos(x/5) +9 -(x+4).^3; %% Mathmatical Function 
xl=0 ;xu=5; n=1; E=1; xrOld=0;
if f(xl)*f(xu) ≤ 0
    while E≥0.001
        xr=(xl+xu)/2;
        E=abs(xr-xrOld);
        a(n,:)=[n xl xu xr E];
        if (xu)*f(xr)≥0
            xu=xr;
        
        else
           xl=xr; 
        end
        xrOld=xr;
        n=n+1;
    end
end

الكود السابق يقوم بتحليل عددي لايجاد حل (جذر) تقريبي للمعادله بإستعمال Bisection method, و تعتمد هذه الطريقه على التكرار ضمن فتره محدده, حيث انه كلما زاد عدد الدورات ازدادت دقه الاجابه

إن ما يميز الحاسوب هو قدرته الهائله على حل المسئلات الرياضيه بكفائه و سرعةٍ عاليه، تستطيع بعض اجهزة الحاسوب معالجة ما يقارب 100 مليون عمليه في الثانيه الواحده، هذا الرقم الكبير ادى الى ازدهار احدى طرق الحل الرياضيه التي تدعى التجربه و الخطأ (Trail and error)، حيث اصبح بإمكان الرياضيين حل بعض المسائل المعقده بدقه و كفائه عاليه.

و حيث ان لغة الماتلاب هي لغة برمجية كباقي لغات البرمجه فهي تستعمل الحاسوب، فإن بمقدورها – بالاضافة الى وظائفها السابق ذكرها – استعمال التكرار لايجاد الحلول.

الوسوم

Ahmad Shawkat AL-Momani

CPE Student at JUST, IT lover :))

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

شاهد أيضاً

إغلاق
زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق

أنت تستخدم إضافة Adblock

برجاء دعمنا عن طريق تعطيل إضافة Adblock