На чем написан матлаб
Matlab
Материал из MachineLearning.
Matlab — язык программирования и система научных и инженерных расчетов, построенная на основе интерпретатора этого языка. Matlab, сокращение от «Matrix Laboratory», предназначен в первую очередь для выполнения алгоритмов, использующих векторы и матрицы.
Язык программирования Matlab (иногда также называется M-code) изначально был разработан с целью упрощения работы с процедурами широко распространенной в 70-80 годы библиотеки алгоритмов линейной алгебры LINPACK. Впоследствии он развился в мощный язык с богатым набором типов данных.
Оболочка Matlab состоит из командной строки, текстового редактора со встроенным отладчиком и окнами со списком файлов, списком видимых переменных и с историей введенных команд.
Matlab имеет большое число пакетов (toolboxes) — как собственных, так и распространяемых независимыми разработчиками часто на условиях открытого кода. В Matlab включен Simulink — визуальный редактор для моделирования динамических систем.
Содержание
Краткий обзор языка Matlab
Векторы и матрицы
добавть элемент к вектору-столбцу
добавить элемент в вектору-строке
Операции
Типы данных
итератор может быть элементом вектора
или вектором-столбцом матрицы
Условный переход
оператор if использует как логические так и целочисленные переменные; можно использовать операции ‘and(a, b)’, синоним ‘a && b’ и ‘or(a, b)’, синоноим ‘a || b’
но удобнее использовать
Эффективное программирование
Matlab в своих базовых конструкциях сложнее C/C++, поэтому желательно смотреть чужой код с целью выявления удачных приемов.
Игрушечный пример для иллюстрации способов работы с функциями и векторами в среде MATLAB
Результат работы такой:
duration of the very bad method on 10000 elements Elapsed time is 0.286904 seconds.
Результаты работы этого кода:
duration time of a bit improved method on 1000000 elements Elapsed time is 0.062692 seconds.
duration of the best method on 1000000 elements Elapsed time is 0.015231 seconds.
Этот пример еще более игрушечный, чем предыдущий, но все же о нем тоже надо рассказать. MATLAB расшифровывается как matrix laboratiry, поэтому важно помнить, что MATLAB оптимизирован под вычисление произведений матрица на матрицу и матрица на стобец. Поэтому в MATLAB правильно писать операции над матрицами так, как это происходит при решении задач линейной алгебры.
То есть, если нам надо перемножить матрицы A и B, то не надо писать никаких циклов, а нужно просто написать C = A * B
Результат: Matrix multiplication time Elapsed time is 0.612797 seconds.
Важно. Практика показала, что repmat и reshape в разных версиях MATLAB могут отличаться, поэтому будьте внимательны и осторожны при их использовании.
Elapsed time is 1.596466 seconds.
Elapsed time is 0.311417 seconds.
Пусть теперь нам захотелось продублировать строки матрицы A, то есть вместо каждой строки матрицы написать две таких же строки, одну под другой. Как сделать это эффективно, то есть БЕЗ ЦИКЛОВ? Тут на помощь приходит функция reshape() (еще раз напоминаю про возможные различия в разных версиях).
Дальше ловкость рук и никакого мошенничества =)
Читателю предоставляется возможность разобраться с тем, как получилась матрица B, самостоятельно.
Скорее всего при первом прочтении предыдущий пример про дублирование строк кажется высосанным из пальца, поэтому продолжим и покажем, где в реальной жизни будет очень полезно использовать операции repmat и reshape, позволяющие не использовать циклы явно и ускорять операции в Matlab.
Пример 4, строим усеченную синусоиду, вариант 1
Пример 4, вариант 2
следует избегать циклов там, где можно использовать матричные операции;
пример 5, вариант 1
пример 5, вариант 2
Функции
функции бывают embedded, private, public, inline, см. doc; при написании желательно организовать код так, чтобы функция возвращала корректный результат независимо от того, что было подано в качестве аргумента — скаляр, вектор или матрица
пример, стандартизация вектора
функции могут включать варьируемое число входных и выходных аргументов
выполнение функций как текстовых строк в теле программы
пример, как сделать случайную k-индексную матрицу
инлайн-функции — функции задаваемые в теле программы
Мини-тест
Рекомендации программистам
Некоммерческие версии
Matlab — коммерческая программа. Существуют некоммерческие варианты, совместимые по базовым конструкциям языка, но не совместимые по библиотечным функциям. Например, Scilab, Euler Math Toolbox и Octave.
События
Несколько раз в год фирма «Софтлайн» проводит семинары, посвященные новым версиям и отдельным подсистемам Matlab. Проводится Всероссийская научная конференция «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB».
Разница между Matlab и языком C
Основное различие между языками Matlab и C состоит в том, что Matlab — это интерактивная вычислительная среда, а язык C — это язык программирования общего назначения высокого уровня. Кроме того, Matlab используется для задач науки и техники и является платным программным обеспечением, в то время как язык C является универсальным и имеет открытый исходный код.
Matlab — это среда, которая помогает выполнять математические вычисления, такие как решение дифференциальных уравнений, вычисление интегралов, решение полиномов и других задач. Matlab имеет различные команды для выполнения преобразований, таких как Фурье, Лапласа, Обратного Лапласа и для создания различных графиков. С другой стороны, C — это язык программирования общего назначения высокого уровня. Он используется для разработки встроенных систем, баз данных, операционных систем, компиляторов и сетевых драйверов.
Содержание
Что такое Matlab?
Matlab — это интерактивная среда для численных расчетов, программирования и визуализации данных. Это платный программный пакет. Р азработчиком Matlab является компания Mathworks. Matlab следует синтаксису, подобному языку C, и написан с использованием языков программирования C, C++ и Java.
Это программное обеспечение является популярным среди инженерного и научного сообщества. Оно предоставляет несколько наборов инструментов для статистического и машинного обучения, обработки сигналов, систем управления, нейронных сетей, обработки изображений и анализа текста. Matlab также популярен среди исследовательского сообщества, поскольку позволяет легко разрабатывать алгоритмы без особого программирования. В целом, Matlab помогает различным приложениям, связанным с обработкой сигналов, связью, компьютерным зрением и обработкой изображений, системами управления, машинным обучением и многими другими.
Что такое язык C?
C — это язык программирования высокого уровня. Это основной язык программирования для многих других языков, таких как Java, Python и других. Основная парадигма, которой придерживается язык C, — это структурированное программирование. Поэтому язык использует потоки управления, повторения и функции.
C — это язык, основанный на компиляторе. Таким образом, компилятор читает весь исходный код перед преобразованием его в машинный язык. Это быстрый язык по сравнению с интерпретируемыми языками, такими как Python и PHP. Он не обеспечивает автоматического управления памятью, как Java. Поэтому программист должен самостоятельно осуществлять управление памятью. Обычно язык C используется для встроенных систем, программирования сокетов и операционных систем.
В чем разница между Matlab и языком C?
Основная информация — Matlab vs язык программирования C
Различие между Matlab и языком C состоит в том, что Matlab — это интерактивная вычислительная среда, а язык C — это язык программирования общего назначения высокого уровня.
MATLAB
Программы математического моделирования
Содержание
История
MATLAB как язык программирования был разработан Кливом Моулером (англ. Cleve Moler ) в конце 1970-х годов, когда он был деканом факультета компьютерных наук в Университете Нью-Мексико. Целью разработки служила задача дать студентам факультета возможность использования программных библиотек Linpack и EISPACK без необходимости изучения Фортрана. Вскоре новый язык распространился среди других университетов и был с большим интересом встречен учёными, работающими в области прикладной математики. До сих пор в Интернете можно найти версию 1982 года, написанную на Фортране, распространяемую с открытым исходным кодом. Инженер Джон Литтл (англ. John N. (Jack) Little ) познакомился с этим языком во время визита Клива Моулера в Стэндфордский университет в 1983 году. Поняв, что новый язык обладает большим коммерческим потенциалом, он объединился с Кливом Моулером и Стивом Бангертом (англ. Steve Bangert ). Совместными усилиями они переписали MATLAB на C и основали в 1984 компанию The MathWorks для дальнейшего развития. Эти переписанные на С библиотеки долгое время были известны под именем JACKPAC. Первоначально MATLAB предназначался для проектирования систем управления (основная специальность Джона Литтла), но быстро завоевал популярность во многих других научных и инженерных областях. Он также широко использовался и в образовании, в частности, для преподавания линейной алгебры и численных методов.
Язык MATLAB
Описание языка
Язык MATLAB является высокоуровневым интерпретируемым языком программирования, включающим основанные на матрицах структуры данных, широкий спектр функций, интегрированную среду разработки, объектно-ориентированные возможности и интерфейсы к программам, написанным на других языках программирования.
Программы, написанные на MATLAB, бывают двух типов — функции и скрипты. Функции имеют входные и выходные аргументы, а также собственное рабочее пространство для хранения промежуточных результатов вычислений и переменных. Скрипты же используют общее рабочее пространство. Как скрипты, так и функции не компилируются в машинный код и сохраняются в виде текстовых файлов. Существует также возможность сохранять так называемые pre-parsed программы — функции и скрипты, обработанные в вид, удобный для машинного исполнения. В общем случае такие программы выполняются быстрее обычных, особенно если функция содержит команды построения графиков.
Основной особенностью языка MATLAB являются его широкие возможности по работе с матрицами, которые создатели языка выразили в лозунге «думай векторно» (англ. Think vectorized ).
Примеры
Пример кода, являющегося частью функции magic.m, генерирующего магический квадрат M для нечётных значений размера стороны n:
Пример кода, загружающего одномерный массив A значениями массива B в обратном порядке (только если вектор A определен, и число его элементов совпадает с числом элементов вектора B):
Пример кода, рисующего график sinc-функции 
:
Пример векторизации кода. Код
выполняется значительно быстрее, чем требующий больше памяти и арифметических операций код
который делает то же самое.
Применение
Математика и вычисления
MATLAB предоставляет пользователю большое количество (несколько сотен) функций для анализа данных, покрывающие практически все области математики, в частности:
Разработка алгоритмов
MATLAB предоставляет удобные средства для разработки алгоритмов, включая высокоуровневые с использованием концепций объектно-ориентированного программирования. В нём имеются все необходимые средства интегрированной среды разработки, включая отладчик и профайлер. Функции для работы с целыми типами данных облегчают создание алгоритмов для микроконтроллеров и других приложений, где это необходимо.
Визуализация данных
В составе пакета MATLAB имеется большое количество функций для построения графиков, в том числе трёхмерных, визуального анализа данных и создания анимированных роликов.
Встроенная среда разработки позволяет создавать графические интерфейсы пользователя с различными элементами управления, такими как кнопки, поля ввода и другими.
Независимые приложения
Внешние интерфейсы
Пакет MATLAB включает различные интерфейсы для получения доступа к внешним подпрограммам, написанным на других языках программирования, данным, клиентам и серверам, общающимся через технологии Component Object Model или Dynamic Data Exchange, а также периферийным устройствам, которые взаимодействуют напрямую с MATLAB. Многие из этих возможностей известны под названием MATLAB API.
Пакет MATLAB предоставляет доступ к функциям, позволяющим создавать, манипулировать и удалять COM-объекты (как клиенты, так и серверы). Поддерживается также технология ActiveX. Все COM-объекты принадлежат к специальному COM-классу пакета MATLAB. Все программы, имеющие функции контроллера автоматизации (англ. Automation controller ) могут иметь доступ к MATLAB как к серверу автоматизации (англ. Automation server ).
Пакет MATLAB содержит функции, которые позволяют ему получать доступ к другим приложениям среды Windows, равно как и этим приложениям получать доступ к данным MATLAB, посредством технологии динамического обмена данными (DDE). Каждое приложение, которое может быть DDE-сервером, имеет своё уникальное идентификационное имя. Для MATLAB это имя — Matlab.
Веб-сервисы
В MATLAB существует возможность вызывать методы веб-сервисов. Специальная функция создаёт класс, основываясь на методах API веб-сервиса.
MATLAB взаимодействует с клиентом веб-сервиса с помощью принятия от него посылок, их обработки и посылок ответа. Поддерживаются следующие технологии: Simple Object Access Protocol (SOAP) и Web Services Description Language (WSDL).
COM-порт
Интерфейс для последовательного порта пакета MATLAB обеспечивает прямой доступ к периферийным устройствам, таким как модемы, принтеры и научное оборудование, подключающееся к компьютеру через последовательный порт (COM-порт). Интерфейс работает путём создания объекта специального класса для последовательного порта. Имеющиеся методы этого класса позволяют считывать и записывать данные в последовательный порт, использовать события и обработчики событий, а также записывать информацию на диск компьютера в режиме реального времени. Это бывает необходимо при проведении экспериментов, симуляции систем реального времени и для других приложений.
MEX-файлы
Пакет MATLAB включает интерфейс взаимодействия с внешними приложениями, написанными на языках C и Фортран. Осуществляется это взаимодействие через MEX-файлы. Существует возможность вызова подпрограмм, написанных на C или Фортране из MATLAB, как будто это встроенные функции пакета. MEX-файлы представляют собой динамически подключаемые библиотеки, которые могут быть загружены и исполнены интерпретатором, встроенным в MATLAB. MEX-процедуры имеют также возможность вызывать встроенные команды MATLAB.
Интерфейс MATLAB, относящийся к общим DLL позволяет вызывать функции, находящиеся в обычных динамически подключаемых библиотеках, прямо из MATLAB. Эти функции должны иметь C-интерфейс.
Кроме того, в MATLAB имеется возможность получить доступ к его встроенным функциям через C-интерфейс, что позволяет использовать функции пакета во внешних приложениях, написанных на C. Эта технология в MATLAB называется C Engine.
Наборы инструментов
Для MATLAB имеется возможность создавать специальные наборы инструментов (англ. toolbox ), расширяющих его функциональность. Наборы инструментов представляют собой коллекции функций, написанных на языке MATLAB для решения определённого класса задач. Компания Mathworks поставляет наборы инструментов, которые используются во многих областях, включая следующие:
Помимо вышеперечисленных, существуют тысячи других наборов инструментов для MATLAB, написанных другими компаниями и энтузиастами.
Интересные факты
Альтернативные пакеты
Существует большое количество программных пакетов для решения задач численного анализа. Многие из таких пакетов являются свободным программным обеспечением.
СОДЕРЖАНИЕ
История
Происхождение
Вначале (до версии 1.0) MATLAB «не был языком программирования; это был простой интерактивный матричный калькулятор. Не было ни программ, ни наборов инструментов, ни графики. И никаких ОДУ или БПФ ».
Первая ранняя версия MATLAB была завершена в конце 1970-х годов. Программное обеспечение было впервые раскрыто общественности в феврале 1979 года в Военно-морской аспирантуре в Калифорнии. Ранние версии MATLAB были простыми матричными калькуляторами с 71 встроенной функцией. В то время MATLAB бесплатно распространялся среди университетов. Молер оставлял копии в университетах, которые он посещал, и у этого программного обеспечения появилось много поклонников на математических факультетах университетских городков.
Коммерческое развитие
К концу 1980-х несколько сотен копий MATLAB было продано университетам для использования студентами. Программное обеспечение стало популярным во многом благодаря инструментам, созданным специалистами в различных областях для выполнения специализированных математических задач. Многие из наборов инструментов были разработаны студентами Стэнфорда, которые использовали MATLAB в академических кругах, а затем принесли программное обеспечение с собой в частный сектор.
В 2000 году MathWorks добавила основанную на Fortran библиотеку для линейной алгебры в MATLAB 6, заменив исходные подпрограммы LINPACK и EISPACK программного обеспечения, которые были в C. Parallel Computing Toolbox MATLAB был выпущен на конференции Supercomputing 2004 и поддерживает графические процессоры (GPU). был добавлен к нему в 2010 году.
Недавняя история
Некоторые особенно большие изменения в программное обеспечение были внесены в версии 8 в 2012 году. Пользовательский интерфейс был переработан, а функциональные возможности Simulink были расширены. К 2016 году MATLAB представил несколько технических улучшений и улучшений пользовательского интерфейса, включая записную книжку MATLAB Live Editor и другие функции.
Синтаксис
Приложение MATLAB построено на языке программирования MATLAB. Обычное использование приложения MATLAB включает использование «Командного окна» в качестве интерактивной математической оболочки или выполнение текстовых файлов, содержащих код MATLAB.
Переменные
Векторы и матрицы
Приращение значение может фактически быть исключено из этого синтаксиса (наряду с одним из двоеточия), чтобы использовать значение по умолчанию 1.
присваивает переменной с именем ari массив со значениями 1, 2, 3, 4 и 5, поскольку значение по умолчанию 1 используется в качестве приращения.
Индексирование основано на единице, что является обычным соглашением для матриц в математике, в отличие от индексации с отсчетом от нуля, обычно используемой в других языках программирования, таких как C, C ++ и Java.
Транспонирование вектора или матрицы выполняется либо функцией, transpose либо добавлением точки с простыми числами после матрицы (без точки штрих будет выполнять сопряженное транспонирование для сложных массивов):
Структуры
MATLAB поддерживает типы данных структуры. Поскольку все переменные в MATLAB являются массивами, более адекватным названием является «массив структур», где каждый элемент массива имеет одинаковые имена полей. Кроме того, MATLAB поддерживает имена динамических полей (поиск полей по имени, манипуляции с полями и т. Д.).
Функции
При создании функции MATLAB имя файла должно совпадать с именем первой функции в файле. Допустимые имена функций начинаются с буквенного символа и могут содержать буквы, цифры или символы подчеркивания. Переменные и функции чувствительны к регистру.
Ручки функций
Классы и объектно-ориентированное программирование
Поведение вызова метода различается между классами значений и ссылочными классами. Например, вызов метода:
может изменить любой член объекта, только если объект является экземпляром ссылочного класса, в противном случае методы класса значений должны возвращать новый экземпляр, если ему необходимо изменить объект.
Ниже приведен пример простого класса:
При помещении в файл с именем hello.m это можно выполнить с помощью следующих команд:
Программирование графики и графического пользовательского интерфейса
MATLAB также поддерживает трехмерную графику:
MATLAB и другие языки
Выход из Китая
В 2020 году китайские государственные СМИ сообщили, что MATLAB отозвала услуги из двух китайских университетов в результате санкций США, и заявили, что на это ответят более широкое использование альтернатив с открытым исходным кодом и разработка национальных альтернатив.
История выпуска
MATLAB обновляется дважды в год. В дополнение к новым функциям и другим улучшениям, каждый выпуск содержит новые исправления ошибок и небольшие изменения.
MATLAB: инструмент будущего или дорогая игрушка
Использование
Что касается цены, то в верхней границы почти нет, а вот нижняя находится в район 99$. Чтобы урвать столь мощный продукт за относительно небольшие деньги, вам необходимо быть студентом ВУЗа. И конечно же вы получите довольно ограниченный продукт.
Особенности языка
Медленный и перегруженный операторами, командами, функциями язык, основной целью которого является улучшение визуального восприятия.
Узконаправленный. Нет никакой больше программной платформы, где бы MATLAB был полезен.
Невысокий спрос. Несмотря на большой интерес к MATLAB практически во всех сферах, фактически и легально его используют лишь немногие.
Язык легок для изучения, обладает простым и понятным синтаксисом.
Огромные возможности. Но это скорее преимущество всего продукта в целом.
Частые обновления, как правило заметные положительные преобразования происходят не реже пары раз в год.
Программная среда позволяет преобразовывать его в “быстрый” код на С, С++.
Целевая аудитория
Разумеется, MATLAB нужен далеко не всем. Несмотря на широчайшую область применения, трудно представить, что рядовому разработчику приложений может понадобиться знание этого языка. MATLAB крайне полезен в областях, требующих особой надёжности при обработке данных, например, в системах автопилота в автомобилях или бортовых электронных системах самолёта.
То есть если вы не очень программист, но так или иначе ваша профессия связана с необходимостью программной обработки данных, то продукт MATLAB/Simulink с соответствующим языком способны сильно упростить ваши каждодневные задачи.
Литература
Завершаем обзор языка как всегда списком учебной литературы. Само-собой среди них вы не отыщите книг исключительно по языку, но от этого восприятие языка будет только проще:
Честно говоря, перечислять большое количество книг нет никакого толка, потому что все они охватывают примерно один и тот же материал, но с небольшой разницей в подаче и примерах. Но если для вас и такая разница существенно или есть желание почитать про MATLAB на более продвинутом уровне, то хорошую подборку можно найти вот на этом ресурсе: MATLAB.Exponenta.
А у вас есть опыт работы с MATLAB? И какой?
Несмотря на достаточно высокую популярность языка MATLAB, большинство разработчиков с трудом представляет, как его синтаксис, так и возможности. Всё дело в том, что язык напрямую связан с популярным программным продуктом, стоимость которого может достигать потрясающих воображение значений. Итак, главный вопрос: так ли хорош непосредственно язык Matlab? И может ли он быть полезен именно вам.
Использование
Что касается цены, то в верхней границы почти нет, а вот нижняя находится в район 99$. Чтобы урвать столь мощный продукт за относительно небольшие деньги, вам необходимо быть студентом ВУЗа. И конечно же вы получите довольно ограниченный продукт.
Особенности языка
Медленный и перегруженный операторами, командами, функциями язык, основной целью которого является улучшение визуального восприятия.
Узконаправленный. Нет никакой больше программной платформы, где бы MATLAB был полезен.
Невысокий спрос. Несмотря на большой интерес к MATLAB практически во всех сферах, фактически и легально его используют лишь немногие.
Язык легок для изучения, обладает простым и понятным синтаксисом.
Огромные возможности. Но это скорее преимущество всего продукта в целом.
Частые обновления, как правило заметные положительные преобразования происходят не реже пары раз в год.
Программная среда позволяет преобразовывать его в “быстрый” код на С, С++.
Целевая аудитория
Разумеется, MATLAB нужен далеко не всем. Несмотря на широчайшую область применения, трудно представить, что рядовому разработчику приложений может понадобиться знание этого языка. MATLAB крайне полезен в областях, требующих особой надёжности при обработке данных, например, в системах автопилота в автомобилях или бортовых электронных системах самолёта.
То есть если вы не очень программист, но так или иначе ваша профессия связана с необходимостью программной обработки данных, то продукт MATLAB/Simulink с соответствующим языком способны сильно упростить ваши каждодневные задачи.
Литература
Завершаем обзор языка как всегда списком учебной литературы. Само-собой среди них вы не отыщите книг исключительно по языку, но от этого восприятие языка будет только проще:
Честно говоря, перечислять большое количество книг нет никакого толка, потому что все они охватывают примерно один и тот же материал, но с небольшой разницей в подаче и примерах. Но если для вас и такая разница существенно или есть желание почитать про MATLAB на более продвинутом уровне, то хорошую подборку можно найти вот на этом ресурсе: MATLAB.Exponenta.
А у вас есть опыт работы с MATLAB? И какой?