انجام پروژه های دانشگاهی با Fortran

Fortran (مخفف “Formula Translation”) یکی از زبان‌های برنامه‌نویسی قدیمی و قدرتمند است که به‌طور ویژه برای محاسبات عددی و علمی طراحی شده است. این زبان هنوز در بسیاری از حوزه‌های علمی و مهندسی، به‌ویژه در شبیه‌سازی‌های پیچیده، محاسبات عددی پیشرفته و مدل‌سازی‌های فیزیکی استفاده می‌شود.

اگر قصد دارید پروژه‌های دانشگاهی خود را با استفاده از Fortran انجام دهید، در اینجا مراحل و نکات کلیدی برای شروع کار با Fortran و به‌کارگیری آن در پروژه‌های دانشگاهی توضیح داده شده است.

۱. آشنایی با Fortran

Fortran زبانی است که به‌طور خاص برای محاسبات علمی و مهندسی طراحی شده و به دلیل کارایی بالا در محاسبات سنگین و کار با ماتریس‌ها و آرایه‌ها، در بسیاری از پروژه‌های محاسباتی از آن استفاده می‌شود. این زبان طی دهه‌های گذشته چندین نسخه مختلف منتشر کرده است:

Fortran 77: یکی از قدیمی‌ترین نسخه‌ها که همچنان در برخی پروژه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
Fortran 90/95: اضافه شدن ویژگی‌های مدرن‌تری مانند آرایه‌ها و برنامه‌نویسی شی‌گرا.
Fortran 2003 و بعد: اضافه شدن پشتیبانی از ویژگی‌های شی‌گرایی و ویژگی‌های بیشتر برای کار با داده‌های پیچیده.

۲. نصب کامپایلر Fortran

برای اجرای کدهای Fortran، ابتدا باید یک کامپایلر مناسب نصب کنید. چندین کامپایلر Fortran وجود دارند که می‌توانید از آن‌ها استفاده کنید:

GNU Fortran (gfortran): این یکی از محبوب‌ترین کامپایلرهای متن‌باز Fortran است که از اکثر نسخه‌های Fortran پشتیبانی می‌کند.برای نصب gfortran روی سیستم‌های لینوکس یا اوبونتو، از دستور زیر استفاده کنید:
bash

sudo apt-get install gfortran

در ویندوز و مک نیز می‌توانید از طریق بسته‌های نصب‌کننده یا مدیریت بسته‌ها (مانند Homebrew در مک) gfortran را نصب کنید.
Intel Fortran Compiler (ifort): کامپایلر تجاری اینتل که به‌ویژه برای محاسبات علمی و عملکرد بالا طراحی شده است.

۳. نوشتن اولین برنامه Fortran

ابتدا با نوشتن یک برنامه ساده برای محاسبه یک سری عملیات عددی شروع می‌کنیم.

مثال: برنامه ساده “Hello World”

ابتدایی‌ترین برنامه برای شروع کار در Fortran می‌تواند یک برنامه ساده “Hello World” باشد.

fortran

program hello

print *, "Hello, Fortran!"

end program hello

برای کامپایل و اجرای این کد با استفاده از gfortran، دستور زیر را وارد کنید:

bash

gfortran hello.f90 -o hello

./hello

این برنامه خروجی زیر را به شما نمایش خواهد داد:

Hello, Fortran!

مثال: محاسبات عددی

فرض کنید می‌خواهید برنامه‌ای بنویسید که یک ماتریس را تعریف کرده و محاسباتی بر روی آن انجام دهد. در ادامه مثالی از محاسبات ماتریسی ساده آورده شده است:

fortran

program matrix_multiplication

implicit none

integer :: i, j, k, n

parameter (n = 3)

real :: A(n,n), B(n,n), C(n,n)

! تعریف ماتریس‌ها
A = reshape( (/ 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0 /), (/n,n/) )
B = reshape( (/ 9.0, 8.0, 7.0, 6.0, 5.0, 4.0, 3.0, 2.0, 1.0 /), (/n,n/) )! محاسبه حاصل‌ضرب دو ماتریس
do i = 1, n
do j = 1, n
C(i,j) = 0.0
do k = 1, n
C(i,j) = C(i,j) + A(i,k) * B(k,j)
end do
end do
end do

! نمایش نتیجه
print *, “Result of matrix multiplication:”
do i = 1, n
print *, C(i, 🙂
end do

end program matrix_multiplication

این برنامه ابتدا دو ماتریس را تعریف می‌کند، سپس حاصل‌ضرب آن‌ها را محاسبه کرده و نتیجه را نمایش می‌دهد.

برای اجرای این برنامه:

فایل را ذخیره کنید (مثلاً با نام matrix.f90).
آن را با gfortran کامپایل کنید:
bash

gfortran matrix.f90 -o matrix ./matrix

۴. استفاده از کتابخانه‌ها در Fortran

برای انجام محاسبات پیچیده‌تر و پیشرفته‌تر در پروژه‌های دانشگاهی، می‌توانید از کتابخانه‌های آماده Fortran استفاده کنید. برخی از کتابخانه‌های معروف Fortran عبارتند از:

LAPACK: کتابخانه‌ای برای انجام محاسبات خطی (مانند حل سیستم‌های معادلات خطی، مقادیر ویژه و …).
BLAS: کتابخانه‌ای برای عملیات پایه‌ای ریاضی بر روی بردارها و ماتریس‌ها.
MPI: برای پردازش موازی و توزیع‌شده (مخصوصاً برای پروژه‌های شبیه‌سازی و محاسبات سنگین).

۵. کاربردهای رایج Fortran در پروژه‌های دانشگاهی

Fortran به‌ویژه در زمینه‌های زیر در پروژه‌های دانشگاهی استفاده می‌شود:

مهندسی مکانیک و فیزیک: برای شبیه‌سازی‌های عددی پیچیده، مانند شبیه‌سازی‌های جریان سیال (CFD)، دینامیک مولکولی و مدل‌های عددی در فیزیک.
مهندسی برق: در محاسبات میدان‌های الکترومغناطیسی، شبیه‌سازی سیستم‌های قدرت و تحلیل شبکه‌های توزیع.
ریاضیات کاربردی و محاسبات عددی: Fortran برای حل مسائل عددی پیچیده مانند حل معادلات دیفرانسیل و مسائل بهینه‌سازی استفاده می‌شود.