الأدوات الرقمية لتحليل البيانات والإحصائيات – أداة “MATLAB” نموذجاً

في السنوات الأخيرة، احتلت البيانات موقع الصدارة في العلوم التجريبية وفي الدراسات الإحصائية والميدانية، حيث وأصبحت البيانات هي المحرك الأساسي لأي قرارات أو توجُّه علمي، خاصة في ظل التعقيدات والتداخلات التي تعرفها الظواهر يشكل عام، سواء الاجتماعية أو الطبيعية، ما زاد الحاجة إلى أدوات عملية وأكثر فاعلية لمعالجتها.

فلم يعد جمع البيانات وفرزها وتصنيفها هو التحدي الأكبر للباحث، بل أصبح تحليلها وتفسيرها بدقة علمية؛ هو العقبة التي تواجه المشتغلين في هذا المجال.

من هنا برزت أهمية التعريف بهذه الأدوات الرقمية المتخصصة في التحليل الإحصائي والنمذجة، ويُعد برنامج (MATLAB)؛ أحد أبرز هذه الأدوات، خاصة للباحثين في العلوم الهندسية والطبيعية.

• التعريف بـ (MATLAB) وتطوره:

(MATLAB)؛ هو اختصار لعبارة (Matrix Laboratory)، برنامج أو تطبيق رقمي، تم تطويره أواخر السبعينات على يد؛ أستاذ الرياضيات في جامعة نيو مكسيكو (كليف مولر/ Cleve Moler) بهدف تزويد طلابه بأداة لتطبيق الخوارزميات العددية، دون الحاجة لكتابة شفرة معقدة بلغة (Fortran).

تطور البرنامج لاحقا من مشروع تعليمي جامعي إلى منتج تجاري من تطوير شركة (MathWorks)، والتي تأسست عام 1984م، ليصبح اليوم أحد أكثر أدوات التحليل الرقمي استخداما في المجال التعليمي والجامعي والأكاديمي والصناعي وحتى العسكري.

يتميز(MATLAB) بكونه بيئة تطوير متكاملة (IDE) تدعم البرمجة عالية المستوى، وتُستخدم بشكل واسع في تحليل؛ البيانات، المحاكاة، التحكم، تحليل الإشارات، والذكاء الاصطناعي.

• مزايا (MATLAB) في البحث العلمي والدراسات التطبيقية والميدانية

1. التحليل العددي المتقدم

يضم (MATLAB) مكتبات متخصصة لتنفيذ عمليات رياضية متقدمة، مثل الجبر الخطي، المعادلات التفاضلية، تحليل فورييه، التحسين وتخفيض الأحجام (Optimization) ، وغيرها من الخوارزميات التي تُستخدم في تحليل بيانات ميدانية معقدة.

2. النمذجة والمحاكاة (Simulation)

توفر بيئة (MATLAB) أدوات مثل (Simulink)، وهي منصة رسومية تتيح بناء نماذج ديناميكية للأنظمة الفيزيائية، الاقتصادية، أو الاجتماعية. ويمكن للباحث إنشاء سيناريوهات تجريبية لاختبار نظرياته دون الحاجة لتجارب ميدانية مكلفة.

3. التصور البياني للبيانات

يمكن إنتاج رسوم بيانية وإحصائيات عالية الجودة ثنائية وثلاثية الأبعاد، تتضمن إمكانيات تخصيص واسعة، هذه الوظائف تُتيح عرض النتائج وتحليل الاتجاهات بشكل بصري واضح مبسط وفعّال جدا من خلال نماذج وخيارات كثيرة من النماذج المبيانية، وهو أمر بالغ الأهمية في البحوث التطبيقية والميدانية.

4. دعم التعلّم الآلي والذكاء الاصطناعي

تتضمن الإصدارات الحديثة من (MATLAB) أدوات متقدمة لتصميم نماذج التعلّم الآلي (Machine Learning)  والشبكات العصبية، مما يسمح للطلبة والباحثين والمُبرمجين باستخدام تقنيات حديثة في تحليل الأرقام والمعطيات والتعامل مع الإحصائيات والبيانات الميدانية الضخمة.

5. كفاءة وتكاملية عالية

يتكامل (MATLAB) بسهولة مع أدوات أخرى مثل (Python)، (R)، (Excel)، وغيرها من الأدوات التي سنتطرق لها بالتفصيل في المقالات القادمة من هذه السلسلة التقنية، كذلك يتوافق (MATLAB) بسهولة وفعالية مع قواعد البيانات وأنظمة الحوسبة السحابية، مما يسهل على الباحثين والتقنيين في الرقمنة والمعلوميات؛ التعامل مع مصادر بيانات متعددة.

تطبيقات واقعية في مجالات علمية مختلفة

• الهندسة: تحليل أنظمة التحكم، تصميم الدوائر، معالجة الإشارات.
• البيئة: نمذجة تغير المناخ، التصحر، الجفاف، التلوث، تحليل بيانات جودة المياه أو الهواء.
• الاقتصاد: تحليل سلاسل زمنية، بناء نماذج التنبؤ المالي، توقعات التضخم والركود الاقتصادي، استثمار المناخات والفرص الاقتصادية.
• الصحة: محاكاة انتشار الأمراض، تحليل بيانات الأجهزة الطبية، طوارئ الأوبئة، رصد التطعيم، تتبع المنحى الصحي، تعقب ورصد وتيرة استهلاك الأدوية.

التحديات والقيود

رغم القوة والفاعلية الكبيرة التي تتمتع بها أداة (MATLAB)، إلا أن استخدامها يواجه بعض التحديات:

1. التكلفة الباهظة: تُعد تراخيص (MATLAB) مرتفعة جدا، خاصة في البيئات غير الأكاديمية، ما قد يَحدُّ من انتشاره في الدول النامية أو المؤسسات ذات الموارد المحدودة.
2. الاعتماد على الواجهة الخاصة: بخلاف لغات وأدوات أخرى مثل (Python) التي تعتمد على معايير مفتوحة، فإن (MATLAB) بيئة مغلقة نسبيا، مما يقلل من مرونتها في بعض الاستخدامات المتقدمة.
3. منحنى التعلم: يحتاج (MATLAB) إلى خلفية رياضية قوية، ولا يُعد الخيار الأفضل للمبتدئين الذين لا يملكون خبرة في البرمجة أو التحليل العددي.

إجمالا؛ وعند مقارنة أبرز أدوات تحليل البيانات من حيث التكلفة، ومستوى التعقيد، والكفاءة الإحصائية، وقدرات النمذجة، تتضح لنا تباينات جوهرية تعكس خصوصية كل أداة ومدى ملاءمتها لاحتياجات الباحث، وستتضح لنا هذه الإمكانيات والتفاوتات في مقبل المقالات التي سنرصد فيها كل أداة على حدة.

• خلاصة:

يُعد (MATLAB) أداة مثالية للباحثين الذين يعملون في مجالات تتطلب تحليلا عدديا دقيقا ونمذجة رياضية معقدة. وبالرغم من وجود بدائل متنوعة مفتوحة المصدر، إلا أن قدرات (MATLAB) الفريدة تجعله خيارا استراتيجيا في الكثير من المشاريع البحثية والإحصائية والتطبيقية والميدانية.

في الأعداد القادمة من هذه السلسلة بحول الله تعالى، سنستعرض أدوات أخرى مكملة، تناسب مجالات علمية وتقنية وبحثية متنوعة، بأساليب تحليل مختلفة، سعيا منّا لتقديم خريطة تقنية متكاملة حول مُجمل وأهم هذه الأدوات؛ بما يُسهّل على الباحث اختيار الأداة الأنسب لعمله.

رابط أداة (MATLAB) من الموقع الرسمي:
https://www.mathworks.com/products/matlab.html