آموزش متلب — ۷ گام مهم برای برنامه نویسی با Matlab

مقدمه مقاله آموزش متلب

متلب یک زبان برنامه نویسی است که توسط کمپانی MathWorks توسعه یافته است. گفته می‌شود این زبان برنامه نویسی به سفارش سازمان فضایی آمریکا (ناسا) برای حل برخی معادلات پیچیده به برنامه نویسان داده شده بود. حل این معادلات به صورت سریع به دانشمندان ناسا کمک می‌کرد تا زیاد درگیر حل مسائل پیچیده نباشند و به اهداف بالاتر دست یابند. شاید دلیل ماتریسی بودن متلب هم وابسته به موضوع حل معادلات چند معادله چند مجهولی باشد که با استفاده از ساختار ماتریسی متغیرها خیلی راحت می‌تواند حل شود. به همین دلیل است که زبان متلب به عنوان یک زبان برنامه نویسی ماتریسی است و در آن برنامه نویسی جبر خطی خیلی آسان است.

در مقاله آموزش متلب سعی می کنیم مطالبی ارایه نماییم تا مبتدیان هم بتوانند نحوه کار و استفاده از دستورات متلب را درک کنند. اگر دانش شما از برنامه نویسی کم است نگران نباشید چون در این آموزش روال به گونه ای است که کلیات و موارد مهم آموزش داده شود.

موارد استفاده از متلب

می‌توان گفت متلب به عنوان یک ابزار محاسباتی در علوم و مهندسی استفاده می شود که شامل مباحث مختلف در زمینه های فیزیک، شیمی، ریاضیات و تمام رشته های مهندسی می شود. به طور کلی از متلب برای کاربردهای زیر استفاده می‌شود:

• پردازش سیگنال و ارتباطات
• پردازش تصویر و ویدئو
• سیستم های کنترل
• تست و اندازه گیری مالی محاسباتی
• زیست شناسی محاسباتی

مراحل نصب متلب Matlab

کمپانی سازنده متلب یعنی Mathworks در هر سال میلادی دو نسخه a و b از متلب را ارائه می‌کند. یعنی در شش ماه اول ورژن a  و در شش ماهه دوم ورژن b منتشر می‌شود. پس نسخه b از نسخه a جدیدتر است. اگر می‌خواهید این نرم افزار را تهیه کنید، بین دو نسخه a و b بهتر است نسخه b را برای نصب انتخاب کنید.

به دلیل تحریم دسترسی به نسخه اورجینال، استفاده مستقیم از لایسنس آن از طریق سایت متلب با دشواری همراه است پس برای دانلود آن می‌توانید از سایت‌های ایرانی که نسخه کرک شده نرم افزار را دارند کمک بگیرید. بهترین کار هم خرید DVD نرم افزار است که از فروشگاه‌های معتبر محصولات نرم افزاری می‌توانید نرم افزار متلب را تهیه کنید.

در نظر داشته باشید نسخه‌های قدیمی متلب سبک‌تر هستند و برای استفاده در سیستم‌های قدیمی مناسب می‌باشند، ولی در عوض تولباکس و توابع جدید متلب را ندارند. پس قبل از انتخاب ورژن متلب، که با سال میلادی و در دو نسخه a و b می‌باشد، دقت کنید که با سیستم شما هماهنگی و همخوانی داشته باشد.

مراحل نصب متلب در سایت‌های ایرانی همراه با نحوه فعال کردن نرم افزار به صورت کامل وجود دارد، پس بدلیل آسان بودن موضوع در آموزش متلب از بازگو کردن جزئیات صرف نظر می‌کنیم. پس از نصب محیط متلب بصورت زیر قابل مشاهده خواهد بود.

آموزش متلب

در این بخش از آموزش متلب برای یادگیری سریع شما عزیزان، یک روش ۷ مرحله‌ای را دنبال می‌کنیم که بیشتر مدرسان شروع کار با متلب را در همین ۷ گام معرفی می‌کنند. پس قبل از هر کاری این هفت گام را یاد بگیرید. برای یادگیری کامل متلب لازم است از آموزش‌های اصولی و استاندارد استفاده کنید؛ پیشنهاد ما به شما استفاده از مجموعه آموزش نرم افزار متلب (MATLAB) فرادرس می‌باشد.

• مجموعه آموزش نرم افزار متلب (MATLAB) — کلیک کنید

۱- عملگرها در متلب

دوستان عزیز قبل از شروع کار آموزش متلب باید نکاتی درباره عملگرها بدانیم. خوب همانطور که قبلاً هم اشاره شد متلب دید ماتریسی دارد و برای داده‌های اسکالر و غیر اسکالر می‌تواند استفاده شود. عملگرهای ماتریسی از طریق نقطه (.) با سایر عملگرها از هم جدا می‌شوند. عملگر + و – برای همه ساختارها یکی است ولی سایر عمگرها طبق جدول زیر تعریف می‌شوند.

۲- متغیرها در متلب

در متلب، هر متغیر یک آرایه یا ماتریس است. عملیات انتساب به متغیرها به آسانی امکان پذیر است. به مثال زیر توجه کنید:

x = 5

بدون هیچگونه پیچیدگی با این دستور عملیات انتساب انجام می‌شود. در مثال بالا یک ماتریس ۱ در ۱ به نام x ایجاد می شود و مقدار ۵ را در عنصر خود ذخیره می‌کند.

توجه داشته باشید که متغیرها قبل از استفاده باید دارای مقادیر باشند. وقتی یک عبارت نتیجه‌ای را برمی‌گرداند که به هیچ متغیری اختصاص داده نشده است، سیستم آن را به متغیری به نام ans اختصاص می‌دهد که می‌تواند بعداً استفاده شود. به عنوان نمونه:

sqrt(49)

در مثال بالا جذر عدد ۴۹ برابر با ۷ خواهد بود و چون در هیچ متغیری ذخیره نشده به طور اتوماتیک در ans ذخیره خواهد شد و مثال‌های دیگر که نیاز به توضیح خاصی ندارند و براحتی قابل درک هستند.

a = 2; b = 7; c = a * b

۳- استفاده از m فایل متلب

برای اینکه بتوانیم در یک محیط ثابت برنامه خودمان را در متلب بنویسیم و اجرا کنیم نیاز به m فایل داریم. متلب یک زبان برنامه نویسی قدرتمند و یک محیط محاسباتی تعاملی است. در متلب می‌توان مجموعه ای از دستورات را در یک فایل نوشت و فایل را به صورت واحد کامل اجرا کرد، همانند نوشتن یک تابع و فراخوانی آن که در زبان‌های برنامه نویسی انجام می‌شود. در متلب MATLAB اجازه نوشتن دو نوع فایل وجود دارد:

• اسکریپت: فایل های اسکریپت فایل‌های برنامه‌ای با پسوند .m هستند. در این فایل‌ها شما یک سری دستور نوشته و باهم اجرا می‌شوند. اسکریپت‌ها ورودی نمی‌پذیرند و هیچ خروجی را بر نمی‌گردند. آنها بر روی داده‌ها در فضای کاری کار می‌کنند.
• تابع: فایل‌های تابع نیز فایل‌های برنامه‌ای با پسوند .m هستند. توابع می‌توانند ورودی بپذیرند و خروجی برگردانند. متغیرهای داخلی برای تابع، محلی هستند.

می‌توان از ویرایشگر MATLAB یا هر ویرایشگر متن دیگری برای ایجاد فایل‌های m. خود استفاده کرد. برای توضیحات بهتر ویدئوی زیر را مشاهده کنید:

۴- ایجاد بردار در متلب

در ادامه آموزش متلب به بحث بردارها می‌رسیم. بردار در متلب آرایه‌ای تک بعدی از اعداد است. در متلب دو نوع بردار داریم:

• بردار سطری: بردارهای سطری یا ردیفی با محصور کردن مجموعه‌ای از عناصر با استفاده از فاصله یا کاما برای محدود کردن عناصر ایجاد می‌شوند.
• بردار ستونی: بردارهای ستونی با محصور کردن مجموعه‌ای از عناصر با استفاده از نقطه ویرگول ; برای تعیین حدود عناصر ایجاد می‌شوند.

مثالی از نحوه ایجاد بردار سطری یا ردیفی در متلب به صورت زیر تعریف می‌شود:

r = [7 8 9 10 11]

که در خروجی به صورت زیر نشان داده می‌شود:

r =

   ۷    ۸    ۹   ۱۰   ۱۱

و بصورت ستونی نیز می‌توان نوشت:

c = [7;  8;  9;  10; 11]

و در خروجی می‌توان دید:

c =
      ۷       
      ۸       
      ۹       
      ۱۰       
      ۱۱

می‌توان به یک یا چند عنصر از یک بردار دسترسی داشت. به عنوان مثال:

X = [ 7; 2; 5; 1; 8; 3];
Y=X(3)

و در Y سومین عنصر X یعنی ۵ قرار داده می‌شود:

Y=
  ۵

و مثالی دیگر:

rv = [1 2 3 4 5 6 7 8 9];
sub_rv = rv(3:7)

خروجی:

sub_rv =

   ۳   ۴   ۵   ۶   ۷

توجه: در متلب اندیس آرایه‌ها از ۱ شروع می‌شود.

• آموزش برنامه نویسی متلب برای علوم و مهندسی — کلیک کنید

۵- ساختار تصمیم در متلب

در ساختارهای تصمیم برنامه‌نویس باید یک یا چند شرط را برای ارزیابی یا آزمایش مشخص کند و یک عبارت یا عباراتی که در صورتی که شرط درست تشخیص داده شود، باید اجرا شود، شکل کلی ساختار تصمیم که در بیشتر زبان‌های برنامه نویسی یافت می‌شود را می‌توان در قالب زیر مشاهده کرد:

if <expression>
   % statement(s) will execute if the boolean expression is true 
   <statements>
end

مثالی را باهم می‌نویسیم:

a = 10;
   if a < 20 
      fprintf('a is less than 20\n' );
   end
fprintf('value of a is : %d\n', a);

و خروجی به شکل زیر خواهد بود:

a is less than 20
value of a is : 10

در ادامه آموزش متلب مثالی از if else را باهم می بینیم:

a = 100;
   if a < 20 
      fprintf('a is less than 20\n' );
   else
      fprintf('a is not less than 20\n' );
   end
   fprintf('value of a is : %d\n', a);

و خروجی:

a is not less than 20
value of a is : 100

۶- ایجاد حلقه در متلب

در متلب از دو دستور While و For برای ایجاد حلقه یا همان تکرار استفاده می شود. مانند تمام زبان های برنامه نویسی ساختار این دو دستور فقط با کمی تفاوت در ساختار، شبیه هم است. ابتدا قالب یک حلقه با دستور While  را مشاهده می کینم:

while <expression>
   <statements>
end

به عنوان مثال می توان نوشت:

a = 10;
while( a < 20 )
   fprintf('value of a: %d\n', a);
   a = a + 1;
end

و در خروجی خواهیم دید:

value of a: 10
value of a: 11
value of a: 12
value of a: 13
value of a: 14
value of a: 15
value of a: 16
value of a: 17
value of a: 18
value of a: 19

حلقه for نیز یک ساختار تکرار است که امکان ایجاد حلقه‌ و اجرای تعداد دفعات مشخصی از یک دستور را مقدور می‌سازد. ساختار این دستور در متلب به صورت زیر است:

for index = values
   <program statements>
            ...
end

مثال‌هایی را از حلقه For در متلب بنویسیم:

for a = 10:20 
   fprintf('value of a: %d\n', a);
end

value of a: 10
value of a: 11
value of a: 12
value of a: 13
value of a: 14
value of a: 15
value of a: 16
value of a: 17
value of a: 18
value of a: 19
value of a: 20

می‌توان به صورت زیر نیز از حلقه For در متلب استفاده کرد:

for a = 1.0: -0.1: 0.0
   disp(a)
end

۱
۰.۹۰۰۰۰
۰.۸۰۰۰۰
۰.۷۰۰۰۰
۰.۶۰۰۰۰
۰.۵۰۰۰۰
۰.۴۰۰۰۰
۰.۳۰۰۰۰
۰.۲۰۰۰۰
۰.۱۰۰۰۰
۰

و حتی می‌توان آرایه از عناصر را به حلقه For داد:

for a = [24,18,17,23,28]
   disp(a)
end

۲۴
۱۸
۱۷
۲۳
۲۸

۷- رسم نمودار در متلب

جذاب‌ترین بخش در آموزش متلب مربوط به رسم نمودار می‌باشد. برای رسم نمودار یک تابع، خیلی راحت می‌توان مراحل زیر را انجام داد:

• تعیین محدوده ورودی x
• تعریف تابع y = f(x)
• فراخوانی دستور plot (x, y)

در ابتدا یک مثال ساده از تابع  y = x را برای محدوده مقادیر x از ۰ تا ۱۰۰ با افزایش ۵ برابری رسم می‌کنیم:

x = [0:5:100];
y = x;
plot(x, y)

و نتیجه بصورت نمودار زیر خواهد بود:

یک مثال دیگر برای رسم تابع y = x^۲ می‌نویسیم:

x = [1 2 3 4 5 6 7 8 9 10];
x = [-100:20:100];
y = x.^2;
plot(x, y)

با کمی تغییر در کد، می‌توان نموداری صاف‌تر داشت:

x = [-100:5:100];
y = x.^2;
plot(x, y)

برای داشتن ظاهر زیبا برای نمودار می‌توان از عنوان Title، برچسب Labels، شبکه بندی Grid Lines و مقیاس بندی Scaling بر روی نمودار استفاده کرد.

• دستورات xlabel و ylabel برچسب هایی را در محور x و محور y اضافه می‌کند.
• دستور title عنوانی را روی نمودار قرار می‌دهد.
• دستور Grid on خطوط شبکه بندی شده را روی نمودار قرار می‌دهد.
• دستور axis equal نمودار را با فاکتورهای مقیاس یکسان و فضاهای هر دو محور رسم می‌کند.
• دستور axis square یک نمودار مربعی رسم می‌کند.

برای مشاهده نتیجه مطالب ذکر شده، کد زیر را بنویسید:

x = [0:0.01:10];
y = sin(x);
plot(x, y), xlabel('x'), ylabel('Sin(x)'), title('Sin(x) Graph'),
grid on, axis equal

هماطور که مشاهده می‌کنید کار کردن با دستورت متلب بسیار راحت و آسان است فقط لازم است بصورت عملی با این نرم افزار کار کنید. البته برای آموزش کامل متلب نیاز به صرف زمان بیشتری دارید و برای آموزش‌های تکمیلی پیشنهاد می‌کنیم از آموزش برنامه نویسی متلب MATLAB فرادرس استفاده کنید.

• آموزش برنامه نویسی متلب MATLAB — کلیک کنید

سخن آخر در آموزش متلب

در آموزش متلب شما را با اصول اولیه و کار با نرم افزار متلب آشنا کردیم. لازم داشتن تخصص در یک مبحث، یادگیری مداوم و داشتن صبر و حوصله است. اگر به دنبال اجرا یا پیاده سازی یک پروژه با متلب هستید؛ نگران نباشید کار خودتان را با یادگیری مفاهیم اولیه شروع کنید و آموزش های لازم را از نت جستجو کنید درادامه خواهید دید پروژه و ایده خودتان را پیاده سازی کرده اید. پس اولین گام عملی خود را همین الان بردارید و کارتان را شروع کنید. در این آموزش هدف ما نشان دادن راه بود و طی کردن مسیر با شماست.

در سایت پی استور سورس کدهای فراوانی در زمینه برنامه نویسی متلب وجود دارد که می‌توانید از آن‌ها هم استفاده کنید. در پایان امیدواریم مقاله آموزش متلب برای شما مفید بوده باشد. موفق و پیروز باشید.