MATLAB

MATLAB vytvořil na konci sedmdesátých let profesor Cleve Moler, který v té době působil na Univerzitě v Novém Mexiku na katedře informačních technologií. Navrhl MATLAB z důvodu, aby jeho studenti mohli využívat LINPACK a EISPACK bez nutnosti se učit programovací jazyk Fortran, který se mnoho let využíval jako hlavní jazyk pro matematické výpočty. Programování ve Fortranu bylo složité a skrývalo mnoho nástrah při řešení matematických výpočtů. MATLAB se velice rychle rozšířil i na další univerzity a získal si veliké množství uživatelů a fanoušků. Široké využití našel především v aplikované matematice. V roce 1983 když byl Cleve Moler na návštěvě na Stanfordově univerzitě se o MATLAB začal zajímat Jack Little, který v softwaru uviděl ekonomický potenciál. Do této doby byl MATLAB zdarma. Jack Little přepsal MATLAB do jazyka C, přidal některé další funkce a knihovny a v roce 1984 založili Little, Moler a Steve Bergert společnost MathWorks, která dále pokračovala ve vývoji a nabídla produkt na trh.[1]

První verze pro PC XT byla vydána kolem roku 1985. Základním problémem bylo nedostatek paměti a z toho plynoucí omezení na maximální velikost matic. Po příchodu PC AT rychle následovala verze MATLABu pro tento počítač. Zde byla maximální velikost matice omezena fyzickou velikostí paměti (max 16 MiB). Vzhledem k tehdejším cenám paměti však nebylo osazení větší paměti běžné. Velké obliby doznala verze MATLAB 386, která byla určena pro PC s 32bitovým procesorem Intel 80386, která využívala virtuální paměť. Program pracující s virtuální pamětí umožňuje využívat více operační paměti, než je dostupná fyzická paměť RAM, protože dochází k odkládání dat na pevný disk počítače. Tato skutečnost sice vede k zpomalení výpočtů, ale je možné výpočty na velkých maticích vůbec provést.

Programovací jazyk Matlab je integrované prostředí, které je určené pro vědeckotechnické účely, simulace, paralelní výpočty apod. Zahrnuje výpočty, vizualizaci a programovaní do uživatelsky ovladatelného prostředí. Problémy a řešení jsou nejčastěji vyjádřeny pomocí známých matematických vztahů. Typické oblasti použití:

• inženýrské výpočty,
• tvorba algoritmů,
• modelování a simulace,
• analýza dat,
• vědecká a inženýrská grafika,
• tvorba aplikací (včetně grafického rozhraní).

Mezi základní vlastnosti lze zahrnout vlastnost, že veškeré objekty v Matlabu jsou považovány za prvky pole (matice). Tyto prvky však mohou být nejen čísla, proměnné, ale i složitější struktury jako například obrázky. Výkonnost Matlabu je rozšiřována díky navazujícímu softwaru, které tvoří především soubory programu tzv. "toolboxy", orientované zpravidla na daný problém nebo uživatelem sestavené programy, tzv. m-files (m-soubory).

MATLAB má slabou dynamickou typovou kontrolu. Což znamená, že proměnné v MATLABu nemají po deklaraci určený datový typ a mění datový typ během své existence. Je možné do jedné proměnné uložit datový typ integer a následně v kódu do té samé proměnné uložit textový řetězec, kterým přepíšeme původní hodnotu. Dynamické typování je pružnější a mnohdy pohodlnější pro programátora, ovšem je daleko náchylnější ke vzniku chyb. Programátor si typovou kontrolu musí hlídat sám a některé takto vzniklé chyb se projeví až daleko od místa svého vzniku a jsou tak jen těžko odhalitelné.

• Proměnné v Matlabu nevyžadují deklaraci, vzniknou prvním přiřazením hodnoty.
• Čtení z neexistující proměnné vyvolá chybu.
• Změny typu a velikosti proměnných probíhají automaticky.

Základním druhem proměnné je matice. Každá matice může v Matlabu obsahovat:

• čísla v různých formátech (celočíselná, s plovoucí desetinnou čárkou, komplexní),
• znaky (s vektorem znaků je zacházeno jako se řetězcem),
• struktury, které mohou obsahovat další matice nebo struktury,
• symbolické proměnné nebo speciální typy (např. přenosová funkce 'tf').

Matice může mít prakticky libovolný počet rozměrů, v každém rozměru jsou prvky označeny celými kladnými čísly od 1 do n. Matice o rozměrech 1 × 1 je označována jako skalár, matice 1 × n nebo m × 1 je označována jako vektor. Matice jsou vždy obdélníkové (nejsou možná pole polí jako např. v C++ s různými délkami druhé úrovni). Všechny prvky jedné matice musí být stejného typu ('double', 'int', 'logical', 'struct', 'sym', …).

Omezení matic na stejný typ ve všech prvcích odstraňují později zavedení proměnné 'cell', k jejímž prvkům se přistupuje pomocí složených závorek. Jednotlivé prvky 'cell' mohou mít libovolný obsah.

Soubory s koncovkou *.m, takzvané m-files, obsahují definice funkcí, skriptů nebo tříd. Sami si můžete m-files vytvářet a tak přidávat do MATLABu nové funkce a rozšiřovat tak jeho využití. Název funkce v m-filu musí být stejný jako název souboru. U funkce si nastavíte vstupní parametry a návratové hodnoty, následný komentář, slouží jako nápověda, popisující k čemu daná funkce slouží.

Jednoduchý příklad funkce uložené v m-file:

function [ x ] = linearniRovnice(a,b,c)
% lineárníRovnice - funkce pro výpočet lineární rovnice
% parametry a,b,c zastupují hodnoty z rovnice ax+b=c

if a==0
 if b==c
 x = 'Rovnice má nekonečně mnoho řešení';
 else 
 x = 'Rovnice nemá řešení';
 end;
else
 x = (c-b)/a;
end;
end

MATLAB podporuje funkce s různým počtem vstupních i výstupních parametrů. Veškerý text na řádku za znakem ' % ' je brán jako komentář. Středníky v MATLABu neslouží k ukončení řádku nebo příkazu, ale k zabránění výpisu na obrazovku. Kdybychom středníky nepoužili, na obrazovku by se vypsaly všechny kroky a jejich mezivýsledky, které funkce provádí.

MATLAB podporuje objektově-orientované programování a podle stránek MathWorks vám umožní vyvíjet komplexní aplikace rychleji než v jiných programovacích jazycích jako je Java nebo C#. V MATLABu můžete vytvářet třídy, používat dědičnost, nastavovat události a posluchače pro pozorování objektů nebo využívat návrhových vzorů používaných i v jiných objektově-orientovaných jazycích a přitom zůstat ve vysoko-úrovňovém jazyce. OOP významně zjednodušuje a zpřehledňuje tvorbu složitějších aplikací.

Definice funkce faktoriálu:

function f=fakt1(n)
% FAKT1 - vypocet faktorialu celeho cisla
% f=fakt1(n)
% n ... cislo
% f ... faktorial (f=n!)

if n<0 % kontrola vstupu
 error('faktorial neexistuje') % KONEC, nic nepocitame
end
f = 1; % priprava vysledku
while n>1 % dokud je co pridat do vysledku
 f = f*n; % pridavame do vysledku
 n = n-1; % postupne snizujeme 'n'
end
% nakonec je 'n' rovno jedne a 'f' obsahuje jeho faktorial

Definice funkce Fibonacciho posloupnost:

function f = fibonacci(n)
f = zeros(n,1);
f(1) = 1;
f(2) = 2;
for k = 3:n
f(k) = f(k-1) + f(k-2);
end

Kód pro vykreslení loga Matlabu:[3]

ax = axes('CameraPosition', [-200 -265 220], 'CameraTarget',[25 25 10], ...
 'CameraUpVector',[0 0 1], 'CameraViewAngle',10, ...
 'Position',[0 0 1 1], 'Visible','off');
surface(40*membrane(1,21), 'EdgeColor','none', ...
 'FaceColor',[0.9 0.2 0.2], 'FaceLighting','phong', ...
 'SpecularStrength',1.1, 'SpecularExponent', 7, 'parent',ax);
light('Position',[40 100 20], 'Color',[0 0.8 0.8], 'parent',ax, 'Style','local');
light('Position',[.5 -1 .4], 'Color',[0.8 0.8 0], 'parent',ax)

Na trhu se vyskytuje velké množství konkurentů pro MATLAB. Z komerčních produktů to jsou například Mathematica, Maple, IDL od společnosti ITT Visual Information Solutions nebo také Metlynx. Existují také open source alternativy k MATLABU, jako je GNU Octave, FreeMat a Scilab, které jsou s MATLABovským jazykem v lecčem srovnatelné ovšem kvality prostředí MATLABu zdaleka nedosahují. Existují také různé knihovny, které přidávají podobnou funkčnost jako má MATLAB do jiných existujících jazyků. Takovéto knihovny jsou například IT++ pro C++, Perl Data Language pro Perl nebo SciPy společně s NumPy a Matplotlib pro Python.