MATLABは科学技術計算によく使われるプログラミング言語であり、理工系の学生や研究者・エンジニアには必須の技術です。MathWorks社によって開発されていて、ライセンスの購入が前提となります。数学や統計の知識に基づいた行列演算に特化しているのが特徴で、音声・画像・生体信号データの処理を得意としています。
既にプログラミング経験のある人であっても、MATLABに最適化されたプログラムを書くには、その行列演算のやり方を習得する必要があります。また、MATLABの特徴として、対話的な入力や、グラフ出力、画面を伴ったアプリケーション制作も可能な点が挙げられます。また、Simulinkというパッケージを追加して、コンピュータ・シミュレーションの実装も可能です。
理工系分野で長い歴史のあるMATLABは、そのユーザーコミュニティも大きいという利点があります。書籍や公式のチュートリアルだけではなく、オンラインのQ&Aフォーラムでも豊富な情報が得られるでしょう。
はじめてのMATLAB
初級者向け
はじめてMATLABでプログラミングをする人に適した入門書です。MATLABの特徴となるデータ構造やグラフの作成に一章ずつ割かれており、章末の演習問題を通してMATLABの世界に親しんでいきます。プログラミング未経験者のために、条件文や繰り返しといった基本構文も学べます。
MATLABではじめるプログラミング教室
実際に手を動かしながらMATLABの基本を学びます。レポートや論文に使えるグラフ表示やデータのやり取りを含むため、科学技術計算を学ぶ理工系学生に最適です。音声処理やノイズ低減、さらに、ユーザーインターフェースを持ったアプリケーション制作といった高度な内容へとつながっていく、興味深い技術書になっています。
中級者向け
最新MATLABハンドブック
理工系学生やエンジニアを対象にMATLABを適用できる幅広い分野を網羅しています。基礎のデータ構文やグラフ出力から始まるので、はじめてMATLABを扱うプログラミング経験者も満足できるでしょう。さらに、信号処理やSimulinkを使ったシミュレーションを学び、実際の研究や開発に役立てます。
使える！ MATLAB
2002年の初版から20年以上を経て、最新のMATLABに対応した2023年版が刊行されました。Excelとの連携などが取り上げられているように、実用的な内容になっているのが特徴です。また、科学技術計算にも対応できるよう、微分方程式や制御理論も取り上げられています。
MATLABクイックスタート: 数式処理から機械学習まで
東京大学出版会から出されたMATLABの入門書です。プログラミング経験のある人が、Matlabを使って基礎的な数式処理から、近年、重要さが増している機械学習までを学べるようになっています。サンプルコードで実践しながら理解を深めていけるのが利点です。
MATLABで学ぶ実践画像・音声処理入門
行列演算に特化したMATLABの醍醐味は、科学技術計算にあります。特に、時系列の波形データを取り扱うような画像処理、音声処理は、MATLABの価値を発揮できる分野だと言えます。数学的な知識を持った学生・研究者・エンジニアを対象に、本書はサンプルデータを使って画像・音声処理の実践的な習得を目指します。画像の類似度判定や幾何学的処理、音声の周波数処理、フーリエ変換、フィルタといった興味深いテーマが並んでいます。
MATLABで学ぶ生体信号処理
生体信号は、蓄積されたデータを分析して、新たな知見を得ることが大いに期待されています。脳波、心電図、筋電図などの解析方法を丁寧に解説しているのが本書です。医学部や工学部など、所属している学部によらず、プログラミングの基礎を履修済みな学生や研究者に対して、MATLABによる統計処理の基礎を確立させます。
公式ヘルプ
MATLABはMathworks社による製品なので、その言語仕様を深く知るためには、同社の公式ドキュメントを参照するのが有効です。プログラミング経験のある人であれば、必要な情報を効率よく収集することができるでしょう。
公式チュートリアル
MATLABと同様に、Simulinkも科学技術計算で頻繁に利用されてきました。Simulinkはブロックをくみ上げて開発するビジュアルプログラミング環境であり、視覚的に演算や信号処理のアルゴリズムを実装します。モデリングやシミュレーション、デジタル信号処理などに利用されるケースが多く見られます。MATLABならびにSimulinkについて理解を深めたい人に向けて、公式のチュートリアルが公開されています。
Mathworks社 関連書籍
まとめ
プログラミング経験がなくMATLABへ挑戦する人には「はじめてのMATLAB」、あるいは「MATLABではじめるプログラミング教室」が推奨されます。また、プログラミング経験はあるものの、MATLABははじめてという場合は、より専門性が高い内容が含まれている「最新MATLABハンドブック」「使える! MATLAB」「MATLABクイックスタート: 数式処理から機械学習まで」などが推奨されます。大学・大学院や企業での研究に用いる場合は、これらの書籍が必要になるケースが多いと考えられます。また、具体的なアプリケーションについて学びたいときには「MATLABで学ぶ実践画像・音声処理入門」「MATLABで学ぶ生体信号処理」といった高度な書籍が役立ちます。
筆者には、脳波やMRIデータの統計解析でMATLABを使った経験があります。具体的には、ある思考をしている際の人の脳波を取得して、コンピューターの操作を行わせるBCI（ブレイン・コンピューター・インターフェース）という研究を行っていました。複数の電極から得られる時系列データをMATLABに読み込ませた上で、統計的な処理を施し、人間の意思を抽出するのが狙いです。プログラミングを習い始めたばかりの大学院生であった自分にとって、MATLABの仕組みは新鮮なものであり、多くのものを学ぶことができました。特に他のプログラミング言語では繰り返し処理で逐次計算していく場面でも、行列演算によって一括で処理できる点は興味深いものでした。そして、データ分析で得たスキルは、就職した後も、医療ITの分野で活かしています。
MATLABは科学技術計算に強みがあるため、理工系学生や研究者にはぜひ、挑戦してほしい技術です。MATLABは行列演算というユニークな機能があるため、他のプログラミング言語の経験がある人でも、その習得は面白い経験になると思います。例えば、他のプログラミング言語であれば繰り返し処理によって多次元配列を操作する場合であっても、MATLABであれば一行で処理が書けてしまうケースもある程です。公式ドキュメントや書籍を通じて、MATLABの世界を感じてみましょう。
MATLABを扱う上では、基礎的な数学の知識があると、より効率的に学習が進むと考えられます。特に、線形代数や統計といった分野は繰り返し使うことになるので、習得しておいて損はないでしょう。MATLABを使った学習・研究を通して、データの分析・解析・可視化のスキルを身につければ、将来、研究者としてのキャリアを選んだとしても、民間でのエンジニアになったとしても、応用が利きやすいと思われます。
あらゆる業界でデータの存在が重要性を増す中、データ分析のスキルを持ったエンジニアの活躍の場も広がっていきます。MATLABでは伝統的に、制御や信号解析といった領域に強みを発揮していましたが、ロボットやバイオなど、先進的な研究でも応用することが可能です。
