Информационные технологии для математических вычислений на примере пакета Maple. Программы математического моделирования

3.5.1. Основные средства и использование математических пакетов

3.5.2. Базовые элементы математического пакета MathCad

3.5.3. Базовые элементы математического пакета MatLab

3.5.4. Контольные вопросы по теме «Основы работы с математическими пакетами

3.5.5. Контольные вопросы по теме «Основы работы с математическими пакетами

3.5.6. Тестовые задания по теме «Основы работы с математическими пакетами

3.5.7. Тестовые задания по теме «Основы работы с математическими пакетами

1. Основные средства и использование математических пакетов

Появление компьютеров изменило все сферы современ­ной науки и общественной, и даже личной, жизни. Появи­лась возможность проводить сложнейшие вычислительные эксперименты, что экономит не только деньги, но и время. Последнее обстоятельство особенно важно для научных ра­ботников, педагогов и студентов.

Вместе с тем появление современных систем компьютер­ной математики позволяет, не отказываясь от принципов фун­даментальности классического образования, качественно из­менить подходы и методы изложения материала, сделать его более наглядным и доступным, а, следовательно, более интерес­ным и привлекательным для основной массы обучающихся.

Сегодня нечасто вспоминают о том, что компьютеры были созданы в первую очередь для проведения научных расчетов. До сих пор научные и инженерные расчеты остаются одной из важнейших сфер приложения компьютеров. За многие годы накоплены обширные библиотеки научных и учебных подпрограмм, предназначенных для решения типовых задач (задачи линейной алгебры, интегрирование, решение дифференци­альных уравнений и других математических задач).

Между тем появление современных систем компьютер­ной математики позволяет, не отказываясь от принципов фун­даментальности классического образования, качественно из­менить подходы и методы изложения материала, сделать его более наглядным и доступным, а, следовательно, более интерес­ным и привлекательным для основной массы обучающихся.

В настоящее время появились хорошо работающие математические пакеты, такие как Maple, Mathematica, Mathcad, Matlab и некоторые другие. Все упомянутые выше системы, так же как и большинство неупомянутых, пакетов являются весьма дружественными по отношению к пользователю. Конечно же, и синтаксис языка пользователя у них различный, и библиотеки доступных функций могут меняться от нескольких сотен до тысяч, и внутренние структуры и даже используемые алгоритмы значительно отличаются друг от друга, но все они обладают общими свойствами. Таких принципиальных общих свойств значительно больше, чем различий и, таким образом, после освоения одной из систем компьютерной алгебры переход к другой системе не является сложной проблемой.

Для новичка (студента) языки систем компьютерной математики – наиболее простые для использования. Действительно, сначала ему требуется знать лишь несколько функций, которые позволят ему переписать рассматриваемую проблему в виде, очень похожем на ее математическую формулировку. Даже если переписывание выполняется некорректно, интерактивный режим позволяет после нескольких шагов быстро получить результаты, которые нельзя получить с помощью карандаша и бумаги. А для очень многих приложений этого достаточно.

Пакет Mathematica , по-видимому, является сегодня наиболее попу­лярным в научных кругах, особенно среди теоретиков. Пакет предостав­ляет широкие возможности в проведении символических (аналитиче­ских) преобразований, однако требует значительных ресурсов компью­тера. Система команд пакета во многом напоминает какой-то язык про­граммирования,

Пакет Maple также весьма популярен в научных кругах. Пользовате­ли характеризуютMaple как очень надежный и устойчиво работающийМатематический пакет . Кроме аналитических преобразований пакет в состоянии решать задачи численными методами. Характерной особенностью пакета является то, что ряд других программных продуктов используют интегриро­ванный символический процессорMaple .

Подобно упомянутым выше пакетам, пакет Matlab фактически представляет собой своеобразный язык программирования высокого уровня, ориентированный на решение научных и учебных задач. Характерной особенностью пакета является то, что он позволяет сохранять документы в формате языка программированияС .

Пакет Mathcad популярен, пожалуй, более в инженерной и учебной и учебной среде. Характерной особенностью пакета является использование привычных стандартных математических обозначений, то есть документ на экране выглядит точно так же обычный математический расчет. Для использования пакета не требуется изучать какую-либо систему команд, как, например, в случае пакетовMatLaB илиMaple . Пакет ориен­тирован в первую очередь на проведение численных расчетов, но имеет встроенный символический процессорMaple , что позволяет выполнять аналитические преобразования. В последних версиях предусмотрена возможность создавать связки документовMathcad с документамиMatlab . В отличие от упомянутых выше пакетов,Mathcad является средой ви­зуального программирования, то есть не требует знания специфического набора команд. Простота освоения пакета, дружественный интерфейс, относительная непритязательность к возможностям компьютера явились главными причинами того, что именно этот пакет стал наиболее популярным при обу­чении студентов. Однако, в отличие от алгоритмических языков программирования, в которых синтаксические тонкости требуют тщательного изучения, в то время как принципы работы компилятора можно полностью игнорировать, здесь пользователь должен разобираться, «как это работает», в частности, как представляются и обрабатываются данные.

В действительности, хотя обычно трудно предсказать время вычисления и размер результатов, знание принципов работы может дать представление о порядке их величины и при необходимости оптимизировать их. Эти оценки в действительности существенны: для большинства математических вычислений результаты получаются почти моментально, и все идет отлично. Но если это не так, то требуемое время и память возрастают обычно экспоненциально. Таким образом, выполнимость данных вычислений не всегда очевидна, и глупо жертвовать значительными ресурсами, когда неудачу можно предсказать заранее.

Поэтому владение эффективным стилем программирования и способность предвидеть размер вычислений являются здесь значительно более весомыми, чем в численных расчетах, где возрастание обычно бывает линейным. К сожалению, это в значительной степени приобретается с опытом.

В последнее время просматривается тенденция к сближению и ин­теграции различных пакетов. Например, последние выпуски пакетов Mathematica иMaple имеют хорошие возможности для визуального про­граммирования; вMatlab включена библиотека аналитических преобра­зованийMaple ;Mathcad позволяет работать совместно сMatlab .

К сожалению, существует настоящая пропасть между теми численными методами, которые описаны в учебниках,м учебных пособиях для студентов и теми, которые применяются на практике. В замечательной, хотя и недоступной для большинства студентов кни­ге «Numerical Recipes in C », авторы замечают: «Увы, времена меняются; ... классические формулы почти абсолютно бесполезны. Они являются музейными экспонатами, хотя и прекрасными», В данной статье делается попытка перебросить мостик через эту пропасть.

Обычно, начиная работать с любой из математических пакетов, студент достаточно легко решает небольшие и несложные примеры и задачи из учебника. Однако, приступая к решению настоящих (реальных) задач, пользователь сталкивается с рядом проблем: то компьютер слишком долго считает, то не хватает памяти, то в ответе получается формула на 5-10 страниц, а то машина выдает и вообще неправильный ответ. После этого встает вопрос – «Стоит ли тратить время на детальное изучение таких "игрушечных" систем и не лучше ли потратить это время на написание самих формул?».

Бездумное применение пользователем математических пакетов таит в себе большие проблемы.

Необходимо отметить, что пользователи пакетов компьютерной математики должны иметь представление об основных численных методах. Вообще говоря, появление современных вычислительных систем значительно облегчает доступ к компьютеру непрофессионалам в области программирования, и поддерживает постоянное стремление к их усовершенствованию и освоению новых компьютерных технологий.

Системы компьютерной математики представлены разработками различных фирм (MathSoft, MathWorks, Maple, Wolfram и др.). Прежде чем начать изучение конкретных систем, оценивая их достоинства и недостатки, мы познакомимся со структурой, принципами работы и элементами, которые характерны для всех систем компьютерной математики.

Довольно условно структура СКМ показана на рис. 5.1.1-1.

Рис. 5.1.1-1.Структура универсальных систем компьютерной математики

Ядро системы содержит коды множества быстро исполняемых функций и процедур,

обеспечивающих достаточно представительный набор встроенных функций и операторов системы. Их число в ядре современных СКМ может достигать многих тысяч. Например, ядро системы Mathematica содержит данные о более чем 5000 одних только интегралов, хотя для интегрирования используются только несколько встроенных функций.

Интерфейс современных СКМ характерный для всех Windows -приложений, обеспечивает присущие им удобства работы и дает пользователю возможность обращаться к ядру со своими запросами и получать результат решения на экране.

Библиотеки содержат процедуры и функции, которые используются более редко. Это связано с тем, что функции и процедуры, включенные в ядро, выполняются быстро, если их не слишком много, и поэтому объем ядра ограничивают Общее число доступных пользователю функций ядра и библиотек достигает нескольких тысяч.

Пакеты расширения кардинально расширяют возможностей систем и их адаптацию к решаемым конкретными пользователями. Эти пакеты (нередко и библиотеки) пишутся на собственном языке программирования той или иной СКМ, что делает возможным их подготовку обычными пользователями. Наращивание возможностей систем с помощью пакетов расширения практически ничем не ограничено.

Справочная система стала нормой для сопровождения компьютерных математических систем. Справочная система обычно поддерживает следующие возможности доступа к справочным данным: оперативная; всплывающая подсказка по элементам интерфейса, получаемая наведением на них указателя мыши; оперативная справка по операторам и функциям, получаемая нажатием клавиши F1 при курсоре ввода, установленном на операторе или в имени функции; оперативная справка, получаемая вводом символа? или слова help, после которого указывается имя объекта, по которому требуется справка; и др.

Рекордсменом по обилию справочных материалов является система MatLab . Объем только описаний системы в формате файлов RTF достигает более200 Мбайт – это соответствует десяткам книг обычного формата. По существу, с системой поставляется уникальная справочная информация по всем вопросам применения математики. И эта электронная документация является лишь частью полных справочных материалов. В их числе сотни эффективных примеров применения системы. Здесь особо надо отметить систему Maple – в ее справочной системе около десятка тысяч примеров.

К сожалению, справочные системы англоязычные, что резко снижает их ценность для русскоязычных пользователей. Тем не менее, именно справочные системы содержат детальное описание интерфейса, операторов и функций, которое трудно найти в книгах и руководствах пользователя.

Необходимо отметить, что ядро, библиотеки, пакеты расширения и справочная система современных СКМ аккумулируют знания в области математики, накопленные за тысячелетия ее развития. Поэтому СКМ относят к интеллектуальным программным продуктам, одно из назначений которых – предоставление пользователю знаний в области численных методов расчета и моделирования, аналитической математики и современной графики.

информатики
		Математические пакеты или
		системы компьютерной
		математики
		CAD\CAM\CAE системы
информатики
Символьная, или, как еще говорят, компьютерная, математика либо
	компьютерная алгебра, - большой раздел математического
	моделирования. В принципе, программы такого рода можно отнести к
	инженерным программам автоматизированного проектирования. Таким
	образом, в области инженерного проектирования выделяют три
	основных раздела:
CAD - Computer Aided Design;
CAM - Computer Aided Manufacturing;
CAE - Computer Aided Engeneering.
Сегодня серьезное конструирование, градостроительство и архитектура,
	электротехника и масса смежных с ними отраслей, а также учебные
	заведения технической направленности уже не могут обойтись без
	систем автоматизированного проектирования (САПР), производства и
	расчетов.
Математические пакеты являются составной частью мира CAE-систем, но
	некоторые задачи вообще невозможно решить без помощи
	компьютера. Более того, к системам символьной математики сегодня
	прибегают даже теоретики (так называемые чистые, а не прикладные
	математики), например для проверки своих гипотез.

информатики

Спектр задач, решаемых CAE системами:

проведение математических исследований, требующих вычислений и аналитических выкладок;

разработка и анализ алгоритмов;

математическое моделирование и компьютерный эксперимент;

анализ и обработка данных;

визуализация, научная и инженерная графика;

разработка графических и расчетных приложений.

	Математические пакеты
информатики

Математические пакеты или системы компьютерной математики

(СКМ) - это программы (пакеты программ), обладающие средствами выполнения различных численных и аналитических (символьных) математических расчетов, от простых арифметических вычислений, до решения уравнений в частных производных, решения задач оптимизации, проверки статистических гипотез, средствами конструирования математических моделей и другими инструментами, необходимыми для проведения разнообразных технических расчетов.

Все они имеют развитые средства научной графики, удобную справочную систему, а также средства оформления отчетов. К системам компьютерной математики (СКМ) или математическим пакетам можно отнести системы, среды, языки типа Mathematica, Maple, MatLAB, Mathcad, а также семейство систем статистического анализа данных - таких как SPSS, Statistica, Statgraphics, Stadia и др.

информатики

Разработчик -Компания Wolfram Reseach, Inc.

процессор Pentium II или выше;

400-550 Мбайт дискового пространства;

операционные системы: Windows 98/Me/ NT 4.0/2000/2003 Server/2003x64/XP/XP x64.

Пакет Mathematica повсеместно применяется при расчетах в современных научных исследованиях и получил широкую известность в научной и образовательной среде.

Система Mathematica является одной из самых крупных программных систем и реализует наиболее эффективные алгоритмы вычислений. К их числу, например, относится механизм контекстов, исключающий появление в программах побочных эффектов.

информатики

Система позволяет решать широкий круг задач. В ней объединены все известные математические методы, использующиеся для решения научных задач, включая аналитические и численные расчеты.

Система Mathematica позволяет упрощать алгебраические выражения, дифференцировать, вычислять определенные и неопределенные интегралы, вычислять конечные и бесконечные суммы и произведения, решать алгебраические и дифференциальные уравнения и системы, а также раскладывать функции в ряды и находить пределы.

Mathematica решает численными методами (т. е. приближенными методами) задачи, которые не поддаются аналитическому решению. Она позволяет решать задачи оптимизации (линейного программирования, нахождения экстремумов функций), задачи математической статистики.

Система снабжена базой помощи.

Богатые численные и символьные возможности системы Mathematica, мощные графические возможности (включая анимацию), встроенный язык программирования и удобные средства построения гипертекстовых связей между документами делают эту систему привлекательной как для исследовательской и практической деятельности, так и для обучения студентов.

информатики
		Центральное место в системах класса
		Mathematica занимает машинно-
		независимое ядро математических
		операций, которое позволяет переносить
		систему на различные компьютерные
		платформы. Для переноса системы на
		другую компьютерную платформу
		используется программный
		интерфейсный процессор Front End.
		Именно он определяет, какой вид имеет
		пользовательский интерфейс системы.
		Ядро сделано достаточно компактным
		для того, чтобы можно было очень
		быстро вызвать из него любую функцию.
		Для расширения набора функций служат
		библиотека (Library) и набор пакетов
		расширения (Add-on Packages). Пакеты
		расширений готовятся на собственном
		языке программирования систем
		Mathematica и являются главным
К недостаткам системы Mathematica следует отнести разве		средством для развития возможностей
что весьма необычный язык программирования, обращение к		системы и их адаптации к решению
которому облегчает подробная система помощи		конкретных классов задач пользователя.
	Maxima и Kalamaris
информатики
	Maxima - это некоммерческий
	проект с открытым кодом. В
	программе Maxima для
	математической работы
	используется язык, сходный с
	языком в пакете Mathematica, а
	графический интерфейс
	построен по тем же принципам.
	Изначально программа
	называлась Xmaxima и
	создавалась для UNIX-систем.
Сейчас у системы Maxima есть еще более мощный, эффективный и
дружественный кроссплатформенный графический интерфейс, который
называется Wxmaxima

	Maxima и Kalamaris
информатики
Kalamaris, это проект, который имеет подход и идеологию, схожие с
системой Mathematica. Проект является неплохой бесплатной
альтернативой такому коммерческому продукту, как Mathematica.
информатики
	Минимальные требования
		к системе:
		процессор Pentium III
		128 Мбайт оперативной
		256 Мбайт);
		400 Мбайт дискового
		пространства;
		операционные системы:
		(SP5)/98/ME/2000/2003
		Server/XP Pro/XP Home
	Это наиболее удачно
	сбалансированная система и
	бесспорный лидер по возможностям
	символьных вычислений для
	математики и может быть
	использована как для небольших
	задач, так и для серьезных
	проектов.

информатики
Символьный анализатор программы Maple является наиболее
	сильной частью этого ПО, поэтому именно он был позаимствован
	и включен в ряд других CAE-пакетов, таких как MathCad и MatLab,
	а также в состав пакетов для подготовки научных публикаций
	Scientific WorkPlace и Math Office for Word.
Пакет Maple - совместная разработка Университета Ватерлоо (шт.
Онтарио, Канада) и Высшей технической школы (ETHZ, Цюрих,
Швейцария). Для его продажи была создана специальная компания -
Waterloo Maple, Inc., которая, к сожалению, больше прославилась
математической проработкой своего проекта, чем уровнем его
коммерческой реализации. В результате система Maple ранее была
доступна преимущественно узкому кругу профессионалов. Сейчас эта
компания работает совместно с более преуспевающей в коммерции и
в проработке пользовательского интерфейса математических систем
фирмой MathSoft, Inc.
информатики
Данный продукт часто называют системой символьных вычислений или
системой компьютерной алгебры.
Maple позволяет выполнять как численные, так и аналитические расчеты
с возможностью редактирования текста и формул на рабочем листе.
Благодаря представлению формул в полиграфическом формате,
великолепной двух- и трехмерной графике и анимации Maple является
одновременно и мощным научным графическим редактором.
Простой и эффективный язык-интерпретатор, открытая архитектура,
возможность преобразования кодов Maple в коды C делает его очень
эффективным средством создания новых алгоритмов.
Обладающий интуитивно понятным интерфейсом, простыми правилами
работы и широким функционалом, этот продукт уже завоевал
популярность у российских математиков и инженеров.
Maple является первым универсальным математическим пакетом,
который предлагает встроенную поддержку протокола TCP/IP для
обеспечения динамического доступ к информации из других Интернет-
ресурсов, например к данным для финансового анализа в реальном
времени или к данным о погоде.

Кафедра Альтернативные пакеты

информатики

В качестве более простых, но идеологически близких альтернатив программе Maple можно отметить такие пакеты, как Derive, Scientific WorkPlace и YaCaS

информатики

YaCaS (аббревиатура от выражения Yet Another Computer Algebra System - еще одна система компьютерной алгебры), то это бесплатная кроссплатформенная альтернатива Maple, построенная на тех же принципах. Мощный и высокоэффективный движок YaCaS полностью реализован на C++ на условиях открытой лицензии (OpenSource). Интерфейс, конечно, более бедный и простой, но довольно удобный.

информатики

информатики

Минимальные требования к системе:

процессор Pentium III, 4, Xeon, Pentium M; AMD Athlon, Athlon XP, Athlon MP;

400 Мбайт дискового пространства (только для самой системы MatLab и ее Help);

операционная система Microsoft Windows 2000 (SP3)/XP.

MatLab - одна из старейших, тщательно проработанных и проверенных временем систем автоматизации математических расчетов, построенная на расширенном представлении и применении матричных операций. Это нашло отражение и в самом названии системы - MATrix LABoratory, то есть матричная лаборатория.

В дополнение к собственным прекрасным вычислительным средствам, у фирмы Waterloo Maple по лицензии для MatLab было приобретено ядро символьных преобразований.

Позднее также появились библиотеки, которые обеспечивают в MatLab уникальные для математических пакетов функции. Например, широко известная библиотека Simulink , реализуя принцип визуального программирования, позволяет построить логическую схему сложной системы управления из одних только стандартных блоков, не написав при этом ни строчки кода. После конструирования такой схемы можно детально проанализировать ее работу.

информатики
В системе MatLab также существуют широкие возможности для программирования. Ее
библиотека C Math (компилятор MatLab) является объектной и содержит свыше 300
процедур обработки данных на языке C. Внутри пакета можно использовать как
процедуры самой MatLab, так и стандартные процедуры языка C, что делает этот
инструмент мощнейшим подспорьем при разработке приложений (используя
компилятор C Math, можно встраивать любые процедуры MatLab в готовые
приложения).
Все библиотеки MatLab отличаются высокой скоростью численных вычислений. Однако
матрицы широко применяются не только в таких математических расчетах, как решение
задач линейной алгебры и математического моделирования, обсчета статических
систем и объектов.
Они являются основой автоматического составления и решения уравнений состояния
динамических объектов и систем. Именно универсальность аппарата матричного
исчисления значительно повышает интерес к системе MatLab, вобравшей в себя
лучшие достижения в области быстрого решения матричных задач. Поэтому MatLab
давно уже вышла за рамки специализированной матричной системы, превратившись в
одну из наиболее мощных универсальных интегрированных систем компьютерной
математики.
Для визуализации моделирования система MatLab имеет библиотеку Image Processing
Toolbox, которая обеспечивает широкий спектр функций, поддерживающих
визуализацию проводимых вычислений непосредственно из среды MatLab, увеличение
и анализ, а также возможность построения алгоритмов обработки изображений.
	Octave и Scilab
информатики
Сейчас существует сразу два бесплатных аналога пакета MATLAB.
Первый из них - Scilab, который развивается французским
Институтом исследований в области информатики и автоматизации
(INRIA), а второй - проект Octave.
Программы имеют интерфейс аналогичный интерфейсу ранних
версий MATLAB, сохраняют идеологию MATLAB, и практически
повторяют его язык.
Для установки программ достаточно скачать необходимый			информатики
	информатики
Минимальные
	требования к
	процессор Pentium II
	или выше;
	оперативной памяти
	Мбайт или больше);
	200-400 Мбайт
	дискового
	пространства;
	операционные
	системы: Windows

Благодаря информационным компьютерным технологиям студенты получают возможность пользоваться современными средствами работы с информацией: системами компьютерной математики, поисковыми системами, текстовыми и графическими редакторами, электронными таблицами, базами данных и др.

Остановимся подробнее на математических пакетах. Если студент освоит какой-либо математический пакет, то он будет готов решать сложные задачи, не боясь громоздких расчетов. Он овладеет навыками представления результатов исследований в наглядной графической форме, а также будет уметь оформлять эти результаты в форме аккуратных содержательных отчетов. Использование математических пакетов позволит научить студента грамотно формулировать практическую задачу, переводить эту задачу на язык математики, интерпретировать результат ее решения на языке реальной ситуации, а также проверять соответствие полученных и опытных данных.

Вместе с тем использование математических пакетов позволит изменить традиционный подход к ведению практических заданий по высшей математике. Часть практических занятий можно будет посвящать решению типовых задач на доске, а другую часть переносить в компьютерные классы для решения определенных задач посредством математических пакетов. Например, на кафедре инженерной математики БНТУ для студентов инженерных специальностей разработан комплекс лабораторных работ с использованием пакета инженерных расчетов MATHCAD.

В компьютерные классы вынесены на изучение следующие темы: операции над векторами, вычисление пределов, производных, частных производных двух переменных, вычисление неопределенных, определенных и кратных интегралов, построение графиков функций и поверхностей в декартовых и полярных координатах; численные методы решения дифференциальных уравнений; решение систем нелинейных уравнений методом Ньютона и задачи оптимизации.

Профессиональная подготовка специалистов экономического профиля определяется умением формулировать задачи экономики, управления и прогнозирования современным производством как математические модели и применять для их решения соответствующие вычислительные методы, а также приобретением необходимых знаний и навыков по проектированию и внедрению современных информационных технологий в свою предметную область. Так, например, свободное владение основами теории математического программирования позволяет рассматривать многие экономические задачи как задачи оптимизации. Но не следует переоценивать возможности математических методов. Математика позволяет получить оптимальное решение производственной задачи при корректно выработанной экономической концепции. Начальные предпосылки должны, независимо от математики, вытекать из экономических законов народного хозяйства.

К задачам оптимизации относятся задачи на поиск максимума или минимума функции многих переменных. Например, это задачи на поиск минимальных затрат при производстве многокомпонентных изделий, на получение максимального значения некоторого параметра, зависящего от множества других параметров. Особое место занимают задачи, в которых целевая функция линейна, а при ее оптимизации учитываются различные ограничивающие условия в виде неравенств или равенств. Эти задачи относятся к разделу линейного программирования. Они наиболее широко используются при решении экономических и организационных вопросов, например, для минимизации затрат на производство изделий, организации транспортных путей и т.д.

Решать задачи оптимизации позволяют такие универсальные системы компьютерной математики, как MATHCAD и MATHEMATICA. В MATHCAD возможен ввод ограничивающих условий при решении задач оптимизации нелинейных целевых функций. Для этого в системе MATHCAD имеются специальные функции Maximize и Minimize, которые позволяют расширить круг решаемых задач при минимальных затратах времени на подготовку средств к их решению. Обе эти функции реализованы достаточно универсальными алгоритмами оптимизации, которые не требуют вычисления производных целевой функции, что не только упрощает запись алгоритмов, но и позволяет решать задачи, у которых вычисление производных по тем или иным соображениям нежелательно.

Важным достоинством системы MATHEMATICA является наличие функций ConstrainedMax, ConstrainedMin для поиска глобального максимума и минимума аналитически заданных функций и функции LinearProgramming для решения задач линейного программирования.

На кафедрах инженерной математики в процесс обучения студентов экономических специальностей включены также средства анализа и поиска решений в среде табличного процессора EXCEL, позволяющие повысить эффективность вычислительного и прикладного аспекта методов математического программирования. Процедура анализа и поиска решений EXCEL представляет собой эффективный инструмент для решения сложных планово-производственных и экономических задач со многими неизвестными и ограничениями. К таким задачам преимущественно относятся задачи, связанные с эффективным распределением или использованием ограниченных ресурсов (сырья, рабочей силы, энергии и т.п.).

Обучение поиску решения в среде EXCEL не требует специальной математической подготовки. Исходные данные задачи должны быть представлены в виде таблицы, которая содержит формулы, отражающие зависимости между данными. Самую большую трудность для пользователя обычно представляет сама постановка задачи, т.е. выбор входных данных и ограничений, таких, чтобы EXCEL выдал достоверное решение задачи. Это позволяет упростить усвоение специалистами нематематического профиля таких дисциплин, как математическое программирование, математическая статистика, теория вероятности.

Предложенный метод обучения освобождает студентов- специалистов экономического профиля от проблемы выбора математических методов решения и изучения их особенностей и позволяет сосредоточить внимание на анализе результатов и особенностях решения экономических и прикладных задач.

Методы и формы применения компьютерных технологий в учебном процессе - актуальная методическая и организационная задача каждого преподавателя, каждого администратора школы, вуза.

При организации компьютерной поддержки образования можно выделить два направления:

• · разработка компьютерных программ учебного назначения, программ, специально предназначенных для изучения определенной дисциплины;
• · использование программного обеспечения, разработанного для профессиональной деятельности в соответствующей области знания; для большинства естественно научных дисциплин - это профессиональные математические пакеты.

Математическими пакетами здесь называются системы, среды, языки типа Mathematica, Maple V, MatLAB, Derive, Mathcad, а также семейство систем статистического анализа данных - таких как SPSS, Statistica, Statgraphics, Stadia и др. Современные математические пакеты - это программы (пакеты программ), обладающие средствами выполнения различных численных и аналитических (символьных) математических расчетов, от простых арифметических вычислений, до решения уравнений с частными производными, решения задач оптимизации, проверки статистических гипотез, средствами конструирования математических моделей и другими инструментами, необходимыми для проведения разнообразных технических расчетов. Все они имеют развитые средства научной графики, удобную справочную систему, а также средства оформления отчетов. Название "профессиональный" или "универсальный" используется как альтернатива названию "учебный пакет".

Многие годы преподаватели математики, довольно четко разделялись на приверженцев использования компьютерных программ учебного назначения ("учебных пакетов", обучающих программ) и тех, кто предпочитал использовать универсальные пакеты.

Можно выделить несколько ключевых моментов, определивших коренное изменение отношения преподавателей и студентов к использованию универсальных математических пакетов.

Компьютер стал элементом "бытовой техники". Современное представление о качественном образовании включает в качестве необходимого элемента свободное владение компьютерными технологиями и, как следствие, компьютер воспринимается как предмет если не первой, то уж второй необходимости. Большинство родителей не мыслят себе воспитание собственных детей-школьников без компьютера. Все большее число студентов имеют компьютеры дома и все чаще именно студенты выступают инициаторами использования компьютерных технологий в учебном процессе. Ими движет не "игровой" интерес, как мы говорили и видели раньше, а стремление "облегчить себе жизнь", желание приобрести полезные для будущей карьеры профессиональные навыки, готовность учиться работе на компьютере не только на специальных занятиях по информатике. Можно смело утверждать, что "домашний компьютер" - самый мощный фактор, изменивший отношение преподавателей к использованию компьютера в профессиональной деятельности. Их позиция меняется под влиянием общественного мнения, под влиянием позиции студентов, а также потому, что у многих преподавателей тоже появились дома компьютеры. Отсюда понятен интерес к универсальным пакетам - научиться работать с готовым программным обеспечением значительно проще, чем самому писать программы.

В современном мире сформировались и закрепились стандарты в организации интерфейса компьютерных программ. Одна из проблем, возникающих при использовании универсальных пакетов, - затраты учебного времени на изучение правил работы с программой (на изучение интерфейса). Однако, поскольку разработчики научного математического обеспечения и разработчики пакетов "массового потребления" придерживаются одних стандартов. Благодаря этому время на изучение интерфейса конкретного научного пакета сокращается за счет использования навыков работы с программами конторского назначения.

Борьба за потребителя, стремление расширить круг пользователей, привели к тому, что сохраняя индивидуальные особенности, пакеты сближаются, становятся настолько похожими, что навыки работы с одним из них, позволяют очень быстро освоиться с работой в любом другом. Разработчики математических пакетов очень быстро оснащают свои программы всеми технологическими новшествами, быстро выпускают версии для новых платформ и операционных систем, совершенствуют командные языки, включая в них последние достижения алгоритмических языков, и т.п. Развиваются интеллектуальные возможности пакетов: добавляются новые библиотеки, модули, круг доступных исследованию задач расширяется в соответствии с модой, с появлением новых приложений, новых методов исследования и пр.

Internet - новая реалия жизни современного студента и специалиста. Благодаря глобальным компьютерным сетям, пользователь любого распространенного программного продукта получает возможность включиться в мировое сообщество потребителей этого же продукта. Он найдет в сети информацию о новинках, последние версии программы, сообщения об обнаруженных ошибках, получит консультацию специалиста, расскажет о своих находках и познакомится с хитростями других, узнает о литературе, о круге решаемых задач, часто просто найдет решение сходной задачи, и т.п.

Отдельное место занимают статистические пакеты. Сегодня математическая статистика - безусловно самый востребованный математический курс. Изученные здесь методы анализа данных широко используются в практике. Следовательно, владение приемами работы в среде универсального статистического пакета - это востребованный на рынке труда элемент качественного профессионального образования.

Математические пакеты - инструмент учебной деятельности. Студент вуза трудится, его труд - учеба. Чем совершеннее орудия труда, которые использует учащийся, тем более высоких результатов он добивается. Использование математических пакетов упрощает подготовку отчетов по лабораторным работам, помогает преодолеть технические математические трудности при решении инженерных задач, расширяет круг доступных для решения задач, помогает представить результаты вычислений в наглядной графической форме. Если уже на младших курсах, при изучении математики, физики, биологии, студент освоит приемы работы с достаточно мощным профессиональным пакетом, то он оказывается значительно лучше подготовлен к решению математических задач в различных приложениях. Он не будет бояться громоздких расчетов, будет готов решать сложные задачи, компенсируя недостаток собственных знаний использованием интеллектуальных возможностей пакета, владеет навыками представления результатов исследований в наглядной графической форме, умеет оформлять результаты исследований в форме аккуратных содержательных отчетов.

Доступность универсальных математических пакетов и их на рынке профессионального программного обеспечения. Существенным обстоятельством, которое до недавнего времени препятствовало широкому использованию профессиональных пакетов в стенах вузов, является дороговизна профессионального научного математического обеспечения. Однако в последнее время многие фирмы, разрабатывающие и распространяющие программы для науки, представляют для свободного использования (в том числе и через глобальные сети) предыдущие версии своих программ, широко используют систему скидок для учебных заведений, бесплатно распространяют демонстрационные или короткоживущие версии. Общедоступные, свободно распространяемые, версии пакетов содержат основные вычислительные и графические инструменты и, следовательно, вполне пригодны для использования в учебном процессе (модернизация математических пакетов производится, в основном, в направлении расширения круга задач, доступных для профессионального исследования, за счет добавления все более тонких вычислительных методов, расширения возможностей командных языков и адаптации к новейшим достижениям информационных технологий). С другой стороны, использование качественного программного обеспечения способствует активизации исследовательской деятельности, позволяет шире привлекать учащихся к научной работе, что, как известно, улучшает шансы научных групп при распределении грантов, и, следовательно, позволяет в последствии находить средства для приобретения более современного лицензионного программного обеспечения.

Доступность документации и справочной литературы по математическим пакетам. Если еще сравнительно недавно литературы по пакетам на русском языке практически не было, то сейчас новые версии, новые пакеты и различные руководства для пользователей по ним появляются почти одновременно. Трудно найти пакет, по которому бы не вышло на русском языке по две-три книги.

Следует заметить, что разработчики охотно предоставляют авторам для работы фирменную документацию и последние версии пакетов. Кроме того, практически все разработчики поддерживают серверы, на которых размещают описания последних новинок, информацию об обнаруженных ошибках, расширенные справочники по работе с пакетом, описания примеров решения типичных задач, и, практически всегда, информацию о пользователях в академической среде с адресами, описанием опыта и примерами использования в образовании. Можно констатировать, что сегодня справочная литература по математическим пакетам общедоступна - любой пользователь, желающий познакомиться с тем или иным пакетом и научиться работать с ним, имеет возможность получить помощь, соответствующую его личным запросам и квалификации.

Решение задач оптимизации с применением пакетов прикладных программ

дипломная работа

1.1 Современные математические пакеты

Современные математические пакеты можно использовать и как обычный калькулятор, и как средства для упрощения выражений при решении каких-либо задач, и как генератор графики или даже звука. Стандартными стали также средства взаимодействия с Интернетом, и генерация HTML-страниц выполняется теперь прямо в процессе вычислений. Теперь можно решать задачу и одновременно публиковать для коллег ход ее решения на своей домашней странице.

Рассказывать о программах математического моделирования и возможных областях их применения можно очень долго, но мы ограничимся лишь кратким обзором ведущих программ, укажем их общие черты и различия. В настоящее время практически все современные CAE-программы (Computer Aided Engineering, пакеты математического моделирования) имеют встроенные функции символьных вычислений.

Так что же делают эти программы и как они помогают математикам? С помощью описываемого ПО можно сэкономить массу времени и избежать многих ошибок при вычислениях. Отметим, что спектр задач, решаемых подобными системами, очень широк :

Проведение математических исследований, требующих вычислений и аналитических выкладок;

Разработка и анализ алгоритмов;

Математическое моделирование и компьютерный эксперимент;

Анализ и обработка данных;

Визуализация, научная и инженерная графика;

Разработка графических и расчетных приложений.

Наиболее известными и приспособленными для математических символьных вычислений считаются следующие математические пакеты:

Пакет Mathematica, представленный на рисунке 1, повсеместно применяется при расчетах в современных научных исследованиях и получил широкую известность в научной и образовательной среде.

Несмотря на свою направленность на серьезные математические вычисления, системы класса Mathematica просты в освоении и могут использоваться довольно широкой категорией пользователей -- студентами и преподавателями вузов, инженерами, аспирантами, научными работниками и даже учащимся математических классов общеобразовательных и специальных школ. При этом широчайшие функции программы не перегружают ее интерфейс и не замедляют вычислений. Mathematica неизменно демонстрирует высокую скорость символьных преобразований и численных расчетов . Программа Mathematica из всех рассматриваемых систем наиболее полна и универсальна, однако у каждой программы есть как свои достоинства, так и недостатки.

Рисунок 1. Mathematica

Таким образом, Mathematica -- это, с одной стороны, типичная система программирования на базе одного из самых мощных проблемно-ориентированных языков функционального программирования высокого уровня, предназначенная для решения различных задач (в том числе и математических), а с другой -- интерактивная система для решения большинства математических задач в диалоговом режиме без традиционного программирования. Mathematica, как система программирования, имеет все возможности для разработки и создания практически любых управляющих структур, организации ввода-вывода, работы с системными функциями и обслуживания любых периферийных устройств, а с помощью пакетов расширения появляется возможность подстраиваться под запросы любого пользователя.

К недостаткам системы Mathematica следует отнести разве что весьма необычный язык программирования, обращение к которому, впрочем, облегчает подробная система помощи.

Программа Maple -- своего рода патриарх в семействе систем символьной математики и до сих пор является одним из лидеров среди универсальных систем символьных вычислений. Она предоставляет пользователю удобную интеллектуальную среду для математических исследований любого уровня и пользуется особой популярностью в научной среде. Отметим, что символьный анализатор программы Maple является наиболее сильной частью этого ПО, поэтому именно он был позаимствован и включен в ряд других CAE-пакетов, таких как MathCad и MATLAB, а также в состав пакетов для подготовки научных публикаций Scientific WorkPlace и Math Office for Word .

Maple предоставляет удобную среду для компьютерных экспериментов, в ходе которых пробуются различные подходы к задаче, анализируются частные решения, а при необходимости программирования отбираются требующие особой скорости фрагменты. Пакет позволяет создавать интегрированные среды с участием других систем и универсальных языков программирования высокого уровня. Когда расчеты произведены и требуется оформить результаты, то можно использовать средства этого пакета для визуализации данных и подготовки иллюстраций для публикации. Для завершения работы остается подготовить печатный материал в среде Maple, а затем можно приступать к очередному исследованию. Работа проходит интерактивно -- пользователь вводит команды и тут же видит на экране результат их выполнения (рисунок 2). При этом пакет Maple совсем не похож на традиционную среду программирования, где требуется жесткая формализация всех переменных и действий с ними. Здесь же автоматически обеспечивается выбор подходящих типов переменных и проверяется корректность выполнения операций, так что в общем случае не требуется описания переменных и строгой формализации записи.

Рисунок 2. Maple

Maple -- это удачно сбалансированная система и бесспорный лидер по возможностям символьных вычислений для математики. При этом оригинальный символьный движок сочетается здесь с легко запоминающимся структурным языком программирования, так что Maple может быть использована как для небольших задач, так и для серьезных проектов.

К недостаткам системы Maple можно отнести лишь ее некоторую «задумчивость», причем не всегда обоснованную, а также очень высокую стоимость этой программы.

Система MATLAB, представленная на рисунке 3, относится к среднему уровню продуктов, предназначенных для символьной математики, но рассчитана на широкое применение в сфере CAE.

MATLAB -- одна из старейших, тщательно проработанных и проверенных временем систем автоматизации математических расчетов, построенная на расширенном представлении и применении матричных операций. Это нашло отражение и в самом названии системы -- MATrix LABoratory, то есть матричная лаборатория. Однако синтаксис языка программирования системы продуман настолько тщательно, что данная ориентация почти не ощущается теми пользователями, которых не интересуют непосредственно матричные вычисления.

Библиотеки MATLAB отличаются высокой скоростью численных вычислений. Однако матрицы широко применяются не только в таких математических расчетах, как решение задач линейной алгебры и математического моделирования, обсчета статических и динамических систем и объектов. Они являются основой автоматического составления и решения уравнений состояния динамических объектов и систем. Именно универсальность аппарата матричного исчисления значительно повышает интерес к системе MATLAB, вобравшей в себя лучшие достижения в области быстрого решения матричных задач. Поэтому MATLAB давно уже вышла за рамки специализированной матричной системы, превратившись в одну из наиболее мощных универсальных интегрированных систем компьютерной математики.

Рисунок 3. MATLAB

Из недостатков системы MATLAB можно отметить невысокую интегрированность среды (очень много окон, с которыми лучше работать на двух мониторах), не очень внятную справочную систему (объем фирменной документации достигает почти 5 тыс. страниц, что делает ее трудно обозримой) и специфический редактор кода MATLAB-программ (рисунок 4). Сегодня система MATLAB широко используется в технике, науке и образовании, но все-таки она больше подходит для анализа данных и организации вычислений, нежели для чисто математических выкладок.

В отличие от мощного и ориентированного на высокоэффективные вычисления при анализе данных пакета MATLAB, программа MathCad -- это, скорее, простой, но продвинутый редактор математических текстов с широкими возможностями символьных вычислений и прекрасным интерфейсом. MathCad не имеет языка программирования как такового, а движок символьных вычислений заимствован из пакета Maple. Зато интерфейс программы MathCad очень простой, а возможности визуализации богатые. Все вычисления здесь осуществляются на уровне визуальной записи выражений в общеупотребительной математической форме. Пакет имеет хорошие подсказки, подробную документацию, функцию обучения использованию, целый ряд дополнительных модулей и приличную техническую поддержку производителя. Однако пока математические возможности MathCad в области компьютерной алгебры намного уступают системам Maple, Mathematica, MATLAB. Однако по программе MathCad выпущено много книг и обучающих курсов. Сегодня эта система стала международным стандартом для технических вычислений, и даже многие школьники осваивают и используют MathCad.

Рисунок 4. MathCad

Для небольшого объема вычислений MathCad идеален -- здесь все можно проделать очень быстро и эффективно, а затем оформить работу в привычном виде (MathCad предоставляет широкие возможности для оформления результатов, вплоть до публикации в Интернете). Пакет имеет удобные возможности импорта/экспорта данных. Например, можно работать с электронными таблицами Microsoft MS Excel прямо внутри MathCad-документа .

В общем, MathCad -- это очень простая и удобная программа, которую можно рекомендовать широкому кругу пользователей, в том числе не очень сведущих в математике, а особенно тем, кто только постигает ее азы.

В качестве более дешевых, простых, можно отметить такие пакеты, как UMS, Microsoft MS Excel.

Когда-то системы символьной математики были ориентированы исключительно на узкий круг профессионалов и работали на больших компьютерах. Но с появлением ПК эти системы были переработаны под них и доведены до уровня массовых серийных программных систем. Сейчас на рынке сосуществуют системы символьной математики самого разного калибра -- от рассчитанной на широкий круг потребителей системы MathCad до компьютерных монстров Mathematica, MATLAB и Maple, имеющих тысячи встроенных и библиотечных функций, широкие возможности графической визуализации вычислений и развитые средства для подготовки документации.

Отметим, что практически все эти системы работают не только на персональных компьютерах, оснащенных популярными операционными системами Windows, но и под управлением операционных системы Linux, UNIX, Mac OS, а также на КПК .

Перейдем к пакетам наиболее часто используемых в школах при проведении уроков математики в старших классах. К ним относятся: Universal Math Solver (UMS), Microsoft MS Excel.

Программа UMS - "Универсальный математический решатель" позволяет решать задания из многих разделов алгебры и анализа. Знания "Универсального решателя" охватывают почти весь курс по алгебре и анализу средней школы и первых курсов вузов .

В отличие от ряда мощных математических пакетов, UMS доступен для быстрого изучения благодаря простому интерфейсу и расправляется с предложенными задачами исключительно "школьными" методами, оформляя все этапы решения так, как это бы сделал учитель (рисунок 5).

Если смотреть на практическую ценность Universal Math Solver шире, то приложение с успехом сослужит службу родителям, привыкшим контролировать выполнение домашних заданий ребёнком, и учителям математики. Последние могут использовать интерактивные возможности программы в учебном процессе, возлагая объяснение решений задач на "плечи" электронного педагога.

Universal Math Solver поставляется в двух редакциях - стационарной и сетевой. Стоимость годичной лицензии за одну инсталляцию первой версии составляет 3000 тенге, цена сетевой редакции - в три раза выше .

Рисунок 5. Universal Math Solve

К сожалению, в школьной практике нет возможности использовать такие мощные математические пакеты, как Mathematica, Mathcad, MathLab, Maple из-за дороговизны их лицензионных копий. Однако офисные приложения MS Office есть в каждой школе. Применение математической оболочки офисного табличного процессора MS Excel позволяет решать математические задачи высокой сложности.

Информационные системы в экономике

Так как по числу потребителей рынок офисных пакетов является одним из самых массовых, очевидно, что у Microsoft были и остаются конкуренты - компании, предлагающие альтернативные офисные продукты. Свои офисные пакеты имеют многие крупные компании...

Время от времени производители программного обеспечения выпускают исправления к своим программным продуктам. Как правило, исправления корректируют выявленную проблему...

Клиентское программное обеспечение

Между пакетами обновления и исправлениями нет больших отличий. Как правило, в состав пакета обновления входят несколько уже протестированных исправлений. Пакеты обновления распространяются реже, чем исправления, но чаще...

Мезонинный адаптер USB 2.0

Для USB шины используются четыре типа пакетов. Пакет-маркер обозначает...

Операционная система LynxOS

LynuxWorks поставляет пакеты поддержки целевых архитектур в LynxOS 4.0 (BSPs) для широкого спектра платформ, таких, как любые AT- и CompactPCI-платы с процессором Intel, Motorola Sand-point 750, Intel XScale IQ80310, IBM 440GP, Motorola FADS-ZU, Thales VM-PC6a/c, Force PowerCore 680 G3 & G4, Motorola CompactPCI for PPC MCP750, MCPN750...

Основные этапы объектно-ориентированного проектирования

Пакет (package) -- основной способ организации элементов модели в языке UML. Каждый пакет владеет всеми своими элементами, т. е. теми элементами, которые включены в него...

Применение информационных систем в колледже

Конфигурация «Информационная система предприятия» предназначена для организации работы с корреспонденцией и внутренними документами организации, а так же для автоматизации ряда действий...

Применение пакетов прикладных программ в экономике

Одним из направлений внедрения информационных технологий в вузовское образование является применение прикладного программного обеспечения в учебном процессе...

Разработка программного продукта, оптимизирующего создание отчетов по базе данных

1) Операционная система: Microsoft Windows 7 Корпоративная. Среда разработки: Borland C++ Builder 6. Офисные пакеты: MS Office 2010. Дополнительное ПО: Mozilla Firefox 12.0, Toad for Oracle 10.6...

Разработка программной системы для автоматизации информационного обмена между страховыми медицинскими организациями

Информационный пакет - это защищенный паролем, архивный файл типа ZIP, в котором содержится фрагмент базы данных в виде набора взаимосвязанных таблиц формата DBF III (dBASE RUS cp866). Формат имени информационного пакета имеет следующий вид: NNNNNSSK.YMD...

Самым распространенным в мире офисным пакетом является Microsoft Office. По данным IDC, это приложение установлено более чем на 95% персональных компьютеров...

Экономическая эффективность внедрения информационных технологий (на примере ОАО "Сбербанк")

Для того, чтобы отправить в Банк созданные Вами документы, надо сформировать их в пакет. Для этого Вам нужно нажать кнопку «Пакеты». Вашему вниманию будет предоставлена таблица с отправленными Вами пакетами в банк...