Введение в программу МATLAB

В настоящее время широкое распространение получили интегрированные среды математических вычислений, позволяющие решать сложные математические задачи. Одной из наиболее распространенных систем этого типа является MATLAB. Разработка пакета была начата в 1972 году по инициативе известных американских специалистов в области вычислительной математики Дж. Форсайта и Дж. Уилкинсона. Первоначально MATLAB создавался как пакет программ, реализующих наиболее эффективные численные алгоритмы линейной алгебры. Наполнение пакета проходило также и в направлении расширения возможностей графического представления результатов вычислений, облегчения вывода результатов на печать и т. д. С появлением ПЭВМ и ОС типа Windows, разработчики MATLAB’а (фирма Mathworks) создала достаточно удобную среду.

К настоящему моменту MATLAB представляет собой интегрированную вычислительную среду включающую язык программирования высокого уровня, средства редактирования, отладки и выполнения программ. Отметим также, что язык программирования MATLAB’a с одной стороны обладает упрощенным синтаксисом, что облегчает его освоение неопытным пользователем, а с другой стороны позволяет опытному пользователю создавать законченные приложения, использующие разработанные функции на некоторых других языках программирования.

Пользователю предлагается несколько вариантов использования системы. Основным режимом является режим командной строки, при котором команды, набираемые пользователем на клавиатуре в ответ на приглашение системы, выполняются в диалоговом режиме с немедленной выдачей результата. В этом режиме легко получить решение таких задач, как вычисление определителей, обращение и перемножение матриц, решение систем линейных алгебраических уравнений и др. Для выполнения этих и других операций необходимо вызвать соответствующую функцию системы, передав ей входные параметры и, возможно, сохранить результат для последующего использования.

Ядро MATLAB содержит более тысячи функций. Помимо них доступно большое количество внешних функций, описанных в расширениях системы. В добавление к ним пользователь может создавать свои собственные функции, используя для этого специально предусмотренный язык программирования. Таким образом, MATLAB является расширяемой системой, и это одно из важных её достоинств.

Помимо режима командной строки, являющегося основным режимом работы, некоторые расширения MATLAB предлагают собственные диалоговые средства. Примером такого расширения является PDE Tool — графический интерфейс, предназначенный для решения дифференциальных уравнений в частных производных. Помимо функций, доступных из командной строки, он также предоставляет пользователю графическую среду, работающую в отдельном окне.

Выше упоминалось о том, что в MATLAB имеется язык программирования. С его помощью можно создавать и реализовывать собственные алгоритмы, используя все доступные функции системы и все основные приёмы программирования, имеющиеся в других языках, такие как подпрограммы, циклы, ветвления, рекурсии и другие. Запись алгоритма на языке программирования МАТЛАБ сохраняется в файле в текстовом формате, либо в специальном внутреннем представлении.

MATLAB обладает развитой графикой. Графическая подсистема MATLAB является объектно-ориентированной. Графики выводятся на экран в отдельных окнах, причём как сами окна, так и составные части графиков (оси, разметка, надписи, линии) являются элементами иерархического дерева объектов.

Для построения графиков в MATLAB имеется большой набор функций, позволяющих создавать множество различных типов двумерных и трёхмерных графиков, диаграмм, гистограмм и т. д., причём элементами графического окна можно управлять программно.

Как графические объекты рассматриваются также такие элементы, как кнопки, текстовые надписи, поля ввода, полосы прокрутки и т. п. Свойства и методы этих объектов доступны пользователю, что даёт возможность создавать в MATLAB Windows-приложения. Для проектирования форм имеется редактор, вызываемый по команде GUIDE.

Вдобавок к развитым графическим средствам MATLAB в качестве одного из своих расширений предоставляет пользователю Virtual Reality Toolbox — пакет для разработки и отображения сцен виртуальной реальности, для которых доступны средства анимации. Это позволяет не только моделировать динамические процессы в Simulink (Simulink — расширение MATLAB, предназначенное для моделирования динамических процессов), но и, подключив потоки выходных данных к входам спроектированной пользователем виртуальной сцены, наблюдать на мониторе анимированную динамику процесса.

Современные версии MATLAB имеют развитые средства интеграции с другими языками программирования. Непосредственно из MATLABпрограммы можно создавать и использовать объекты Java; для написания S-функций (системных функций MATLABSimulink) можно использовать языки высокого уровня C, C++, Ada, Fortran; кроме того функции системы MATLAB можно экспортировать в dll и вызывать из других программ. Также можно использовать вычислительные возможности системы, передавая запросы удалённому компьютеру по сети.

MATLAB поддерживает некоторые виды символьных вычислений. Среди них арифметические операции над числами с произвольным количеством разрядов, преобразование выражений, символьное дифференцирование, аналитическое вычисление пределов, интегралов, вычисление сумм рядов.

В MATLAB реализованы численные методы решения ряда вычислительных задач, таких как нахождение корней полиномов, решение задачи Коши для систем ОДУ, вычисление определённого интеграла, решение нелинейных уравнений.

Список возможностей MATLAB не ограничивается тем, что было перечислено выше, и меняется с выходом каждой следующей версии пакета. На сегодняшний день система MATLAB считается одной из наиболее мощных и развитых систем компьютерной математики.