Зарождение и развитие систем компьютерной алгебры

У истоков рождения систем компьютерной алгебры

Эру создания компьютерной символьной математики принято отсчитывать с начала 60-х годов. Именно тогда в вычислительной технике возникла новая ветвь компьютерной математики, не совсем точно, но зато броско названная компьютерной алгеброй. Речь шла о возможности создания компьютерных систем, способных осуществлять типовые алгебраические преобразования: подстановки в выражениях, упрощение выражений, операции со степенными многочленами (полиномами), решение линейных и нелинейных уравнений и их систем, вычисление их корней и т. д. При этом предполагалась возможность получения аналитических (символьных) результатов везде, где это только возможно.

К сожалению, книги по этому направлению были способны лишь отпугнуть обычного читателя и пользователя компьютера от изучения возможностей компьютерной алгебры в силу перенасыщенности их узкоспециальным теоретическим материалом и весьма специфического

языка описания. Материал таких книг, возможно, интересен математикам, занимающимся разработкой систем компьютерной алгебры, но отнюдь не основной массе их пользователей.

Большинство же пользователей заинтересовано в том, чтобы правильно выполнить конкретные аналитические преобразования, вычислить в символьном виде производную или первообразную заданной функции, разложить ее в ряд Тейлора или Фурье, провести аппроксимацию и т. д., а вовсе не в детальном и сложном математическом и логическом описании того, как это делается компьютером (или, точнее, его программистом). Здесь та же ситуация, что и с телевизором, радиоприемником или факсом: большинство из нас пользуются этими аппаратами, вовсе не интересуясь тем, как именно они выполняют свои довольно сложные функции.

Поняв эту истину, многие западные фирмы приступили к созданию компьютерных систем символьной математики, ориентированных на широкие круги пользователей, не являющихся профессионалами в компьютерной алгебре. Учитывая невероятно большую сложность автоматизации решения задач в аналитическом виде (число математических преобразований и соотношений весьма велико, и некоторые из них неоднозначны в истолковании), первые подобные системы удалось создать лишь для больших ЭВМ. Но затем появились и системы, доступные для мини-ЭВМ. Заметное развитие получили языки программирования для символьных вычислений Reduce, система muMath для малых ЭВМ, а в дальнейшем — интегрированные системы символьной математики для персональных компьютеров: Derive, MathCAD, Mathematica, Maple V и др.

В бывшем СССР большой вклад в развитие систем символьной математики внесла школа покойного академика Глушкова. В конце 70-х годов были созданы малые инженерные ЭВМ класса «Мир», способные выполнять аналитические вычисления даже на аппаратном уровне. Был разработан и успешно применялся язык символьных вычислений «Аналитик». Эти работы отчасти предвосхитили развитие систем символьной математики. К огромному сожалению, они появились слишком рано для своего времени и не соответствовали «генеральной линии» развития советской вычислительной техники в те годы. Уклон в сторону развития больших ЭВМ серии ЕС, навязанный в СССР компьютерными чиновниками, отодвинул компьютеры «Мир» на задний план, а затем этот класс компьютеров просто прекратил свое существование и развитие.

К сожалению, в отрыве от мировой науки и серьезных источников финансирования наши работы (за исключением некоторых теоретических) в области компьютерной алгебры оказались малоэффективными — отечественных систем компьютерной алгебры для персональных компьютеров, доведенных до серийного производства и мировой известности, так и не было создано (впрочем, как и конкурентоспособных ПК на нашей элементной базе). Зато множество наших специалистов — как математиков, так и программистов — эмигрировали на Запад и приняли участие, порой весьма серьезное, в разработке западных систем символьной математики. В том числе и систем класса Mathematica.

Стоимость серийных СКМ все еще чрезмерно велика для большинства наших пользователей. Поэтому не случайно, что (за редчайшим исключением) наши пользователи используют такие системы, распространяемые на CD-ROM сомнительного происхождения. Однако программные продукты на таких CD-ROM поступают без документации, а порой даже в неполном и неполноценном виде, что затрудняет их серьезное применение.

Книги, подобные этой, призваны помочь нашим пользователям эффективно использовать современные программные продукты. Хочется надеяться, что со временем это приведет к росту авторитета нашей науки и образования, повышению благосостояния ученых, педагогов и учащихся, которые, наконец, получат возможность приобретать вполне легальное программное обеспечение с полной документацией.

 

Системы символьной математики для персональных компьютеров

На Западе решающий скачок в компьютеризации общества произошел с началом массового производства и внедрения ПК. Долгое время их ограниченные возможности не позволяли реализовать на них серьезные системы символьной математики. Но к началу 90-х годов ситуация стала заметно меняться к лучшему. С одной стороны, аппаратные возможности ПК стали резко возрастать по мере быстрой смены поколений микропроцессоров. Тут надо помянуть добрым словом фирму Intel, отстаивающую честь «закона Мура» (одного из своих основателей) и каждый год удваивающую как степень интеграции своих процессоров, так и их производительность. В итоге по скорости счета и объему оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) ПК стали обходить «большие» ЭВМ класса ЕС, а сейчас оставили их далеко позади. Это создало реальные предпосылки к развертыванию работ по разработке систем компьютерной алгебры. Впрочем, надо помнить, что разрыв в производительности между новейшими ПК и многопроцессорными суперЭВМ и в наши дни остается поразительно большим!

Многие СКМ пришли в мир ПК из мира больших ЭВМ, таких как суперкомпьютеры Cray (производятся и поныне фирмой Silicon Graphics). В итоге они стали доступными не только представителям научной элиты, вполне познавшим возможности таких систем, но и рядовым пользователям, которые испытывали граничащее с шоком восхищение от созерцания обширных возможностей этих новых систем. Перейти от него к реальному применению СКМ — этому и призвана помочь данная книга.

Среди разработчиков математических систем долгое время бытовало мнение о вторичной роли пользовательского интерфейса и главенствующем значении математических возможностей таких систем. В результате в прошлом пользовательский интерфейс многих математических систем отличался ущербной простотой и архаичностью.

С переводом таких систем на ПК с графическими операционными системами класса Windows с таким подходом пришлось решительно кончать. Более того, превосходная цветная графика высокого разрешения современных ПК, о которой пользователи ЭВМ класса ЕС не могли и мечтать, резко повысила не только роль графического представления данных вычислений, но и привела к слиянию пользовательского интерфейса математических систем с интерфейсом современных графических операционных систем, таких как Windows 3.1/3.11/95/98/NT/2000. Образцом для подражания повсеместно стал интерфейс пользователя массовых офисных программ — Microsoft Office 95/97/2000.

Наибольшую известность получили три класса систем символьной математики: созданная на базе языка искусственного интеллекта Mu Lisp малая система Derive, одна из самых мощных и поныне привлекательных систем Maple V (ядро написано на языке С) и системы Mathematica 1 и 2. Позже на базе ядра системы Maple V символьные вычисления были реализованы в популярных числовых системах Mathcad - версии Mathcad 3.0/4.0/5.0/Plus 5.0/6/0/Plus 6.0/7.0/Plus 7.0/8.0/ 8.0 PRO/2000 PRO/2000 Premium имеют изумительный пользовательский интерфейс и возможности, улучшающиеся от версии к версии. Блок символьной математики на базе ядра Maple V был добавлен и в одну из самых крупных матричных систем — MATLAB.

Система Derive [15,16] и поныне привлекательна своими невзыскательными требованиями к аппаратным ресурсам ПК — это единственная система, которая работает даже на ПК класса IBM PC XT без жесткого диска. Более того, при решении задач умеренной сложности она показала более высокое быстродействие и большую надежность решения, чем первые версии систем Maple V и Mathematica. Впрочем, системе Derive трудно конкурировать с этими системами всерьез — ни по обилию функций и правил аналитических преобразований, ни по возможностям машинной графики и удобству пользовательского интерфейса. Пока Derive обречена на достаточно важную роль учебных систем компьютерной алгебры начального уровня.

Хотя новейшая версия Derive 5 под Windows уже имеет современный интерфейс, он все же во многом уступает изысканному интерфейсу своих маститых конкурентов. А по возможности графической визуализации результатов вычислений Derive все еще далеко отстает от них. То же можно сказать и о новой системе символьной математики MuPAD 1.4.

Система Maple V— патриарх в семействе систем символьной математики. И поныне это весьма привлекательная система для математика-аналитика и научного работника. Даже в среде MS-DOS Maple V имеет неплохой интерфейс и превосходно организованную обширную базу данных помощи. Полнота ядра системы, хранящего более 2700 математических функций (у последней реализации Maple 6 их уже свыше 3000!) и правил их преобразования, вполне заслуживает восторга и большого уважения. Весьма привлекательное свойство этой системы — подробная встроенная помощь и множество примеров ко всем встроенным в нее функциям и прикладным пакетам. Эти примеры легко скопировать в окно редактирования системы и тут же решить.

Достойна восхищения и математическая графика системы Maple, в частности возможность изображения пересекающихся трехмерных фигур с функциональной окраской. Новейшие системы Maple V для Windows (реализации R5 и 6) по возможностям графики стоят на одном уровне с системами Mathematica 3/4. Считается, что они несколько превосходят системы Mathematica в части символьных преобразований, но такое превосходство на сегодня уже является весьма спорным.

К сожалению, фирма Waterloo Maple, Inc. (Канада) - разработчик системы Maple V — больше блистала математической проработкой своего проекта, чем уровнем его коммерческой реализации. В силу этого система Maple V была доступна в основном узкому кругу профессионалов. Сейчас эта фирма работает совместно с более преуспевающей в коммерции и проработке пользовательского интерфейса математических систем фирмой MathSoft, Inc. — создательницей весьма популярных и массовых систем для численных расчетов Mathcad, ставших международным стандартом для технических вычислений. Пока, однако, математические возможности этих систем в области компьютерной алгебры намного уступают системам Maple V, Mathematica 2 и даже малютке Derive (не говоря уже о реализациях Mathematica 3 и 4).

Появление новых версий Mathematica 3 и 4 вновь резко поднимает планку оценки качества систем компьютерной алгебры. Наступает новый этап интеграции математических систем как друг с другом, так и с современными текстовыми и табличными процессорами, такими как Word 95/97 и Excel 95/97 из офисных пакетов Microsoft Office 95/97 (на подходе и Office 2000).

Всяческих похвал заслуживают последние реализации матричных систем MAT-LAB 5.2/5.3, но это очень громоздкая система, последняя реализация которой — MATLAB 5.3.1 - занимает на жестком диске 1500 Мбайт памяти (даже Mathematica 4 требует на порядок меньше места). Система MATLAB создана фирмой Math Works (США).

Сейчас уже ясно, что конкурентоспособные отечественные системы символьной математики у нас, в силу известной экономической ситуации, в обозримом будущем не появятся. Это печальное положение делает особенно актуальным освоение нашими учеными, педагогами и учащимися новейших западных систем компьютерной алгебры. К таковым и относятся системы класса Mathematica — признанные мировые лидеры среди систем символьной математики, ориентированных на персональные компьютеры.

 

Математические системы Mathematica

Системы класса Mathematica 2.x

В 80-е годы возможностями символьной математики увлекся защитивший докторскую диссертацию Стивен Вольфрам (Stephen Wolfram) из США (рис. 1.1). Его интересы были столь серьезны, что он основал фирму Wolfram Research, Inc., приступившую к созданию проекта престижной математической системы Mathe-

matica. Версия Mathematica 1.0 этой системы, появившаяся в 1988 г., уже устарела, и самой известной разработкой фирмы стала версия 2.0 системы Mathematica 2, появившаяся в 1991 г. и благополучно дожившая до наших дней. У нас она впервые стала известна благодаря обзорам.

Рис. 1.1. Страница Интернет-сайта фирмы StatSoft.

Цели нового проекта были достаточно амбициозными — разработка мощного и универсального ядра системы (Kernel), способного работать на различных компьютерных платформах, создание многофункционального языка программирования, ориентированного на математические приложения, подготовка современного пользовательского интерфейса и обширного набора прикладных пакетов и расширений системы (Packages), мощного языка программирования математических преобразований и вычислений. Система приобрела свойства адаптации и обучения новым математическим законам и закономерностям.

В разработках систем Mathematica, наряду с головной фирмой Wolfram Research, Inc., принимали участие ряд других фирм и сотни специалистов высокой квалификации (в том числе математики и программисты). Среди них есть и представители пользующейся уважением и «спросом» за рубежом математической школы России. Системы Mathematica являются одними из самых крупных программных систем, они реализуют самые эффективные алгоритмы вычислений и имеют множество новинок. К их числу относится механизм контекстов, исключающий появление в программах побочных эффектов.

Система Mathematica 2 всегда рассматривалась как мировой лидер среди компьютерных систем символьной математики для ПК, обеспечивающих не только возможности выполнения сложных численных расчетов с выводом их результатов в самом изысканном графическом виде, но и проведение особо трудоемких аналитических вычислений и преобразований. Версии системы под Windows имеют современный пользовательский интерфейс и позволяют готовить документы в форме Notebooks («записных книжек»). Они объединяют исходные данные, описание алгоритмов решения задач, программ и результатов решения в самой разнообразной форме (математические формулы, числа, векторы, матрицы, графики).

Mathematica 2 была задумана как система, максимально автоматизирующая труд научных работников и математиков-аналитиков. Она заслуживала изучения как типичный представитель элитных и высокоинтеллектуальных программных продуктов высшей степени сложности. Однако куда больший интерес она представляет как мощный и гибкий математический инструментарий, который может оказать неоценимую помощь большинству научных работников, преподавателей университетов и вузов, студентов и инженеров и даже школьников.

С самого начала большое внимание уделялось графике, в том числе динамической, и даже возможностям мультимедиа — воспроизведению динамических изображений и синтезу звуков с поддержкой звуковой платы (аудиоадаптера). Набор функций графики и меняющих их действие опций и директив весьма полон. Графика всегда была козырной картой систем Mathematica и обеспечивала им лидерство среди систем компьютерной математики.

Рождение столь мощной и сложной системы, как Mathematica 2, шло не без трудностей. Первые версии Mathematica 2 для MS-DOS имели примитивный пользовательский интерфейс, заметно уступающий интерфейсу конкурирующей системы Maple V 1.0 для MS-DOS. Однако фирма Wolfram быстро сумела оценить возможности графической оболочки Windows и одной из первых создала версию своей системы для Windows. В книге приведены многие десятки недостатков версии Mathematica 2, практически устраненных в последующих версиях.

Mathematica 2 — одна из самых крупных и изощренных математических программных систем своего времени (начала 90-х годов). На протяжении ряда лет эта система модернизировалась и улучшалась. Ее расширенная версия (Mathematica 2.2.2) для IBM-совместимых ПК класса 386/486/Pentium требует ОЗУ объемом не менее 8 Мбайт. Сейчас это вряд ли ограничивает применение системы — компьютеры класса Pentium II/III и даже Pentium MMX с таким объемом памяти и частотами работы процессоров от 166 до 450 МГц можно приобрести в России по цене порой менее $300. Множество подходящих для этой системы ПК есть в системе образования и в индивидуальном владении пользователей.

Если по части графических возможностей лидерство системы Mathematica 2 не вызывало особых споров, то в части выполнения аналитических преобразований и надежности работы система неоднократно подвергалась заслуженной критике. В частности, приводились данные не только об отказе системы выполнять некоторые типы символьных вычислений, но и даже о получении при этом явно неверных результатов. Однако такие нарекания относятся лишь к версиям системы 2.1 и ниже. При этом в справедливо указывалось, что недоработки системы обусловлены ее новизной, сложностью и обширными возможностями.

Раньше грубые просчеты пользователя могли привести к зависанию системы. Однако уже в версии 2.2.2 это было практически исключено. Кроме того, оно устраняется обычным для Windows способом — одновременным нажатием клавиш Ctrl+Alt+Del При этом работа с системой Mathematica может прерваться, но общего краха системы Windows обычно не происходит. Нажатие клавиши Enter возвращает нас в менеджер программ Windows.

Тем, кто слишком щепетильно относится к возможностям ошибок в символьных вычислениях, стоит напомнить, что от неверных результатов не застрахован даже самый талантливый математик-аналитик. За рубежом (но только не у нас!) такой специалист получает в месяц заработную плату, намного превосходящую стоимость среднего ПК вместе с установленной на нем системой Mathematica. Так что стоит подумать о том, какие средства вам нужны для решения ваших задач и сколько вы готовы за них заплатить!

Несмотря на отмеченные недоделки, система быстро заняла ведущие позиции на рынке математических систем. Особенно привлекательны были обширные графические возможности системы и реализация интерфейса типа Notebook («записная книжка»), позволяющего сочетать в пределах одного документа программы и команды с данными, представленными в формульном, текстовом, табличном и графическом видах. При этом система обеспечивала динамическую связь между ячейками документов в стиле электронных таблиц даже при решении символьных задач, что принципиально и выгодно отличало ее от других систем.

 

Система Mathematica 3

У разных фирм различны подходы к обозначению новых версий своих программных продуктов. MathSoft, Inc., к примеру, за какие-то пять лет породила добрый десяток новых версий популярной системы Mathcad — 3.0, 4.0, 5.0, Plus 5.0, 6.0, Plus 6.0, 7.0, Plus 7.0, 8.0, 8.0 PRO и даже Mathcad 2000 PRO/Premium. И почти каждый раз отмечала их новой цифрой, хотя революционными отличия этих версий друг от друга назвать трудно.

Фирма Wolfram Research, Inc. (разработчик систем Mathematica) явно относится к числу тех фирм, у которых малейший намек на изменение версии означает существенную ее переработку. В итоге версии Mathematica 3 и 4 на фоне более старых Mathematica 2.0, 2.1 и 2.2 выглядят кардинально новыми системами с новым превосходным пользовательским интерфейсом и обширными математическими возможностями.

В июле 1996 г. на бета-тестирование поступила система Mathematica 3. Вскоре (середина 1997 г.) она стала серийным продуктом, начались ее поставки на рынок. Был кардинально переработан пользовательский интерфейс системы, он вобрал в себя массу новинок — от раздельного вывода на экран деталей и панелей интерфейса до мощной и прекрасно реализованной справочной системы. Устранен недостаток предшествующих версий — небольшое число примеров в справочной системе. Все примеры стали «живыми» — их в любой момент можно переиначить на свой лад и перенести в свои документы.

Продолжая линию развития универсального ядра системы, фирма Wolfram обеспечила применение этой системы на целом ряде операционных систем — Windows 95, Windows NT, Macintosh, Power Macintosh, SunOS, Solaris, HP-UX, SGI, Linux и др. Это делает систему доступной самым различным категориям пользователей и позволяет распределять решение математических задач любой сложности по оптимальным для этого компьютерным платформам.

Для системы Mathematica 3 на массовой платформе Windows установлены следующие требования к аппаратной части:

процессор Intel 80386 и выше; операционная система Windows 95 или Windows NT 3.51 и старше; дисковое пространство — минимальное 24 Мбайт, стандартное 83 Мбайт и максимальное около 120 Мбайт; запуск с жесткого диска или с CD-ROM; емкость ОЗУ — минимальная 8 Мбайт, желательная 16 Мбайт. Система поставляется на CD-ROM в комплекте с электронным учебником и документацией. Возможен запуск системы прямо с компакт-диска, что экономит пространство на жестком диске, но замедляет файловые операции. Любопытно отметить, что большую часть памяти на дисках (жестком и CD-ROM) занимает справочная база данных системы.

Из других возможностей системы Mathematica 3 можно отметить:

повышение эффективности численных методов, в частности, функций одномерной и многомерной интерполяции, решения дифференциальных уравнений, решения систем линейных уравнений и др.; введение адаптивного контроля за вычислениями численными методами; расширенный диапазон аналитических преобразований, в том числе для уравнений с частными производными; введение новой функции полного упрощения Full Simplify, способной упрощать выражения со специальными математическими функциями; расширение числа форматов файлов, в которых можно сохранять документы (в их числе популярные форматы файлов EPS, TIFF, GIF, HPML и др.); повышенное (полиграфическое) качество документов; О улучшенное использование памяти ОЗУ. Благодаря этим и другим описанным выше возможностям сферы применения системы Mathematica 3 заметно расширились. Было создано свыше двух десятков профессиональных пакетов расширения системы.

 

Система Mathematica 4

Ожидалось, что, как и предшествующие реализации 1 и 2, система Mathematica 3 даст начало многолетнему марафону постепенного усовершенствования этой системы. Но вопреки этому фирма Wolfram совершила довольно неожиданный для нее шаг — не успели пользователи разобраться с многими новациями Mathematica 3, как в июне 1999 г. на рынок была выпущена новейшая реализация системы — Mathematica 4. При этом имеющиеся данные свидетельствуют о коренном пересмотре базовых концепций, заложенных в систему. Видимо, роль в этом сыграло приближение 2000 года.

Новая система получила развитие прежде всего как система для быстрых и объемных численных вычислений при сохранении всего ее могущества в области символьной математики. Значительно повышена скорость основных численных вычислений и операций с произвольной разрядностью. Улучшена плотность упаковки массивов, введен ряд новых встроенных функций. Повышена скорость работы пользовательского интерфейса, он стал более удобным. Чего стоит, к примеру, такая мелочь, как изменение цвета элементов выражений в ходе их ввода — это облегчает устранение ошибок при вводе сложных выражений.

Теперь уже окончательно ясно — разработчики системы продолжают интенсивно работать над ней и превратили Mathematica 4 в мощную универсальную СКМ. И первые данные о новой версии системы, которые читатель найдет в этой книге, ясно говорят о том, что разработчики систем этого класса отнюдь не намерены уступать первенство в создании наиболее сложных и продвинутых систем компьютерной алгебры. Возможности новой системы весьма впечатляют!

Важно отметить, что весьма обширные новые возможности Mathematica 4 относятся почти исключительно к количественным показателям системы и никоим образом не влияют на статический вид интерфейса систем (в сравнении с Mathematica 3) и на вид готовящихся документов-блокнотов (notebooks). Поэтому в дальнейшем мы под системой Mathematica будем иметь в виду одновременно обе версии — ставшую у нас хорошо известной Mathematica 3 и новейшую Mathematica 4. Указание на конкретную версию будет делаться только в том случае, если описываются ее специфические возможности. Многочисленные внутренние отличия системы Mathematica 4 от Mathematica 3 будут рассмотрены по ходу дела.

Работа с системами Mathematica 3 и Mathematica 4 происходит практически одинаково. Небольшое ускорение при ряде манипуляций с интерфейсом Mathematica 4 внешне не сказывается на такой работе. Поэтому, за редкими (и оговоренными) исключениями, все, что описано применительно к системе Mathematica 4, применимо и к Mathematica 3. Однако отличия ранних версий Mathematica 2.x от описанных в книге версий нового поколения достаточно серьезны, поэтому их пользователям описание пользовательского интерфейса Mathematica 3/4 не подходит, хотя набор операторов и функций ранних версий является сокращенным набором этих средств, описанных в данной книге.

 

Структура систем Mathematica и их идеология

Структура систем Mathematica

Следует отметить, что скромные (в смысле аппаратных требований) версии системы Mathematica 2.2.2 по сей день производятся фирмой Wolfram и используются в основном в системе образования. Они продаются по ценам в несколько раз меньшим, чем последующие реализации 3 и 4. Сейчас версии системы для IBM-совместимых ПК Mathematica 2, 3 и 4 распространяются в России на оптических дисках. Это намного повышает их доступность, хотя нередки случаи поставки не вполне работоспособных систем на дисках сомнительного происхождения.

Общая структура систем Mathematica (всех версий) представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структура системы Mathematica

Центральное место в системах класса Mathematica занимает машинно-независимое ядро математических операций — Kernel. Для ориентации системы на конкретную машинную платформу служит программный интерфейсный процессор Front End. Именно он определяет, какой вид имеет пользовательский интерфейс системы. В этой главе далее будет описан интерфейсный процессор для ПК с массовыми операционными системами Windows 95/98/NT. Разумеется, интерфейсные процессоры систем Mathematica для других платформ могут иметь свои нюансы, но особых различий с описанным интерфейсным процессором у них нет.

Любопытны данные об объеме ядра разных реализаций системы Mathematica, приведенные в книге Стивена Вольфрама:

Увеличение объема ядра в системе Mathematica 4 позволило перенести в ядро ряд функций из пакетов расширения. Ядро системы тщательно оптимизировано, что повысило скорость выполнения большинства команд.

Ядро сделано достаточно компактным с тем, чтобы любая функция из него вызывалась достаточно быстро. Для расширения набора функций служит библиотека (Library) и набор пакетов расширения (Add-on Packages). Пакеты расширений готовятся на собственном языке программирования систем Mathematica и являются главным средством расширения возможностей системы и их адаптации к решению конкретных классов задач пользователя. Кроме того, системы имеют встроенную электронную справочную систему — Help. Она содержит шесть электронных книг с «живыми» примерами, включая упомянутые во введении книги.

Ядро систем Mathematica 3/4 сделано независимым от компьютерной платформы, на которой может устанавливаться и работать система. Это гарантирует идентичность операторов и функций, используемых в системах Mathematica, устанавливаемых на разных ЭВМ — от ПК до суперкомпьютеров. Поэтому большая часть материалов данной книги, посвященных математическим возможностям и даже интерфейсу систем Mathematica 3/4, относится к компьютерам самого разного класса — от платформы Windows до Macintosh и UNIX.

 

Идеология систем Mathematica

Идеология систем Mathematica базируется на двух, казалось бы, взаимно исключающих друг друга положениях:

решение большинства математических задач в системе может производиться в диалоговом режиме без традиционного программирования; входной язык общения системы является одним из самых мощных языков функционального программирования, ориентированных на решение различных задач (в том числе математических). Противоречивость этих положений кажущаяся. На самом деле Mathematica — типичная система программирования с проблемно-ориентированным языком программирования сверхвысокого уровня . Его можно отнести к классу интерпретаторов. Как известно, языки такого типа последовательно анализируют (интерпретируют) каждое выражение и тут же исполняют его. Таким образом, работа с системой происходит явно в диалоговом режиме — пользователь задает системе задание, а она тут же выполняет его. Разумеется, Mathematica содержит достаточный набор управляющих структур для создания условных выражений, ветвления в программах, циклов и т. д.

На первый взгляд может показаться, что система ведет диалог на куда более примитивном уровне, чем хорошо известный язык программирования Бейсик (тоже относящийся к интерпретирующему типу). И в самом деле, работа с системой Mathematica напоминает работу с Бейсиком в режиме непосредственного исполнения команд — в ответ на каждый вопрос тут же следует результат вычислений. Более того, сохранился такой архаизм (впрочем, при необходимости отключаемый), как нумерация строк (ячеек).

Однако первое впечатление часто бывает обманчивым. Помимо того что Mathematica даже в ходе такого элементарного диалога предоставляет пользователю средства сверхвысокого уровня (например, аналитическое вычисление производных или интегралов, что Бейсику абсолютно недоступно), система имеет все возможности для создания практически любых управляющих структур , организации ввода/вывода, работы с системными функциями, обслуживания любых периферийных устройств и т. д. Другое дело, что рядовому пользователю эти средства программирования могут и не понадобиться — его вполне удовлетворят встроенные математические функции системы, поражающие своим обилием и многообразием даже опытных математиков.

Можно сказать, что для решения математических задач система содержит готовые рецепты почти на любой «вкус и цвет». Однако с помощью пакетов расширения (Add-ons) имеется возможность постоянно готовить новые «блюда», подстраивая «кухню» (то есть возможности) системы под запросы любого ее пользователя.

К идеологии систем Mathematica надо отнести и комплексную визуализацию всех этапов вычислений, начиная с легко понятного и естественного ввода текстов и формул и кончая наглядным выводом результатов в разнообразных формах представления. Особое место при этом играет полная визуализация результатов вычислений, включающая в себя построение огромного числа графиков самого различного вида, в том числе средства анимации изображений и синтеза звуков.

 

Знакомство с символьными вычислениями

Особенности систем компьютерной математики

Недостатки численных расчетов

Большинство первых CKM (Eureka, Mercury, Excel, Lotus-123, Mathcad для MS-DOS, PC MATLAB и др.) предназначались для численных расчетов. Они как бы превращали компьютер в большой программируемый калькулятор, способный быстро и автоматически (по введенной программе) выполнять арифметические и логические операции над числами или массивами чисел. Их результат всегда конкретен — это или число, или набор чисел, представляющих таблицы, матрицы или точки графиков. Разумеется, компьютер позволяет выполнять такие вычисления с немыслимой ранее скоростью, педантичностью и даже точностью, выводя результаты в виде хорошо оформленных таблиц или графиков.

Однако результаты вычислений редко бывают абсолютно точными в математическом смысле: как правило, при операциях с вещественными числами происходит их округление, обусловленное принципиальным ограничением разрядной сетки компьютера при хранении чисел в памяти. Реализация большинства численных методов (например, решения нелинейных или дифференциальных уравнений) также базируется на заведомо приближенных алгоритмах. Часто из-за накопления погрешностей эти методы теряют вычислительную устойчивость и расходятся, давая неверные решения или даже ведя к полному краху работы вычислительной системы — вплоть до злополучного «зависания».

Условия, при которых это наступает, не всегда известны — их оценка довольно сложна в теоретическом отношении и трудоемка на практике. Поэтому рядовой пользователь, сталкиваясь с такой ситуацией, зачастую становится в тупик или, что намного хуже, неверно истолковывает явно ошибочные результаты вычислений, «любезно» предоставленные ему компьютером. Трудно подсчитать, сколько «открытий» на компьютере было отвергнуто из-за того, что наблюдаемые колебания, выбросы на графиках или асимптоты ошибочно вычисленных функций неверно истолковывались как новые физические закономерности моделируемых устройств и систем, тогда как на деле были лишь грубыми погрешностями численных методов решения вычислительных задач.

Многие ученые справедливо критиковали численные математические системы и программы реализации численных методов за частный характер получаемых с их помощью результатов. Они не давали возможности получить общие формулы, описывающие решение задач. Как правило, из результатов численных вычислений невозможно было сделать какие-либо общие теоретические, а подчас и практические выводы. Поэтому, прежде чем использовать такие системы в реализации серьезных научных проектов, приходилось прибегать к дорогой и недостаточно оперативной помощи математиков-аналитиков. Именно они решали нужные задачи в аналитическом виде и предлагали более или менее приемлемые методы их численного решения на компьютерах.

Понятие о символьных (аналитических) вычислениях

Символьные операции — это как раз то, что кардинально отличает систему Mathematica (и подобные ей символьные математические системы) от систем для выполнения численных расчетов. При символьных операциях, называемых также аналитическими, задания на вычисление составляются в виде символьных (формульных) выражений, и результаты вычислений также получаются в символьном виде. Численные результаты при этом являются частными случаями символьных.

Выражения, представленные в символьном виде, отличаются высокой степенью общности. К примеру, тождество sin(x) ² + соs(x) ² = 1 справедливо при любых значениях аргумента х. Если результат символьной операции равен, к примеру, sin(1), то он и будет выведен как sin(1) — конкретное вещественное число, приближенно представляющее или аппроксимирующее sin(1), вычисляться не будет, ибо носит частный характер.

Результат вычисления sin(х) ² + cos(x) ² можно проверить с помощью систем для численных расчетов, задав ряд конкретных значений х и вычислив сумму квадратов синуса и косинуса. Однако всякий раз мы будем получать частный результат, не имея никакой гарантии того, что он действительно справедлив при любом значении х. К тому же этот результат нередко может оказаться равным 0,9999999 или 1,0000001, так что лишь наша фантазия округляет его до точной единицы. Между тем это как раз то, что абсолютно недопустимо в действиях профессионала — математика-аналитика. Его приведет в ужас малейшее отличие указанного выражения от единицы! Ведь почтенные классики математики давно уже доказали, что этот результат равен в точности единице!

Так чему равна сумма квадратов синуса и косинуса?

Попытка вычислить в общем виде выражение sin(x) ² + соs(x) ² с помощью численных математических систем или программ на обычных языках программирования к успеху не приведет. Вместо ожидаемого результата появится сообщение об ошибке вида: «Переменная х не определена!». Компьютер будет ждать ввода конкретного значения для х.Так будет независимо от того, запрограммировали вы вычисления на простеньком Бейсике или на языке профессионалов-программистов C++. И лишь системы символьной математики при вычислениях дадут долгожданное и абсолютно точное значение 1 (рис. 1. 3) .

Рис. 1.3. Система Mathematical вычисляет значение sin(x) ² +cos(x) ²

Пока не стоит обращать внимание на то, как получен рис. 1.15 — это окно реально работающей системы Mathematica. Уже при рассмотрении простейшего примера, представленного на этом рисунке, можно сделать несколько характерных выводов. Прежде всего видно, что при выводе неопределенной переменной х мы получаем просто имя этой переменной. Функции sin(х) и cos(х) в системе Mathematica обозначаются как Sin [х] и Cos [х]. Само по себе выражение sin(х) ² + cos(х) ² просто повторяется, а для его вычисления используется функция Simplify (упростить), аргументом которой является знак %, означающий подстановку предшествующего выражения. Два знака % можно использовать для подстановки предшествующего предшествующему выражению и т. д. Для вычисления строки ввода надо нажимать клавиши Shift+Enter, нажатие же одной клавиши Enter просто переводит строку в области ввода, именуемой также ячейкой ввода.

Любопытно, что в начале запуска, сопровождаемого музыкальным звуком, Mathematica выводит чистое окно редактирования документа, в котором нет даже маркера ввода — характерной вертикальной черточки. Этот маркер появится, как только вы введете какой-то первый символ. После получения первого результата появляется и длинная горизонтальная черта, отделяющая выведенные ячейки от свободного поля окна редактирования под ними. Эта черта является признаком возможности ввода очередной ячейки. Ее можно перевести в уже созданную область документа, если вы захотите создать новую ячейку среди уже существующих ячеек ввода.

Обратите внимание на то, что система выделяет ячейки ввода определителем In [N], а ячейки вывода — определителем Out [N], где N — автоматически проставляемый номер строки. Кроме того, в левой части отображаются квадратные скобки с особыми признаками, которые будут описаны в позже. Далее мы, как правило, будем опускать определители ячеек и квадратные скобки и представлять документы в упрощенной и более компактной форме. Например, представленный на рис. 1.15 документ может быть записан в следующем виде:

х

x

Sin[х]^2+Соs[х]^2

Cos[x] ² +Sin[x] ²

Simplify[%]

1

Здесь входные выражения задаются жирным прямым шрифтом, а выходные — прямым шрифтом обычной насыщенности, то есть именно так, как они выглядят при настройке системы по умолчанию. При этом выходные выражения имеют обычный (в терминах системы Mathematica — стандартный) вид, присущий математическим формулам. Все такие выражения в книге представлены путем копирования ячеек ввода и вывода в текст с помощью буфера обмена (Clipboard). Технология такого копирования и ее особенности будут описаны далее.

Ячейки нумеруются по мере их использования. При этом можно с конца документа вернуться к его началу или середине и, изменив содержимое ранее использованных ячеек, снова выполнить вычисления. При этом ячейки меняют номера. При загрузке файла ячейки перенумеруются в строго последовательном порядке. Таким образом, номера ячеек не являются жестко фиксированными, они представляют собой сугубо техническое средство, отражающее работу системы в текущем сеансе — сессии. Это говорит в пользу отказа от вывода определителей ячеек при записи большинства примеров.

 

Математические системы в образовании и в науке

Можно сказать, что даже самые мощные системы для численных расчетов являются полными «профанами» в символьной математике. Они начисто лишены даже задатков элементарного разума, что видно уже из приведенного примера — даже школьник знает, что сумма квадратов синуса и косинуса равна в точности единице при любом аргументе х. А что говорить о столь распространенных аналитических вычислениях, как упрощение сложных математических формул, осуществление подстановок, вычисление пределов, производных и первообразных функций, разложении их в ряды Тейлора и Фурье, вычислении корней многочленов с буквенными коэффициентами и т. д.?

Такая возможность действительно имеется, однако следует иметь в виду, что векторные графические объекты, скопированные из Mathematica через буфер обмена, не вполне корректно воспринимаются другими приложениями. При верстке данной книги это вызвало очень много проблем.

Трудно сказать, сколько слез пролито школьниками и их матерями по поводу неправильно сделанных математических преобразований на контрольных работах и экзаменах и сколько ребят восприняли математику как заклятого врага из-за первых неудач в ее изучении. Еще больший урон народному хозяйству (то бишь рынку) наносит неумение выпускников школ и вузов применять современные математические методы на практике, хотя именно это является конечной целью фундаментального математического образования. Многие студенты запоминают математические истины от силы на несколько дней во время экзаменов.

Как же найти выход из этого тупика? Одна из возможностей — применение достаточно универсальных СКМ, автоматизирующих большую часть математических вычислений. Такие системы позволяют пользователю — как студенту, так и научному работнику — быстро вспомнить полученные в вузе знания и легко использовать их на практике без этапа нудных и трудоемких рутинных вычислений и преобразований. А заодно и освоить новые для себя методы и разделы современной математики.

К сожалению, за пределами возможностей численных математических систем оказались обширные области математики, связанные с проведением аналитических расчетов — от простых подстановок и сокращений до аналитической обработки математических выражений и функций и обучения компьютера новым математическим закономерностям и соотношениям. Всей этой работой, относящейся в основном к разделам элементарной и высшей алгебры, и были вынуждены заниматься математики-аналитики.

Увы, в нашей системе образования недостаточное знакомство с современными СКМ характерно не только для студентов, но и для доцентов и профессоров вузов. Среди них хорошее владение СКМ скорее исключение, чем правило. Это серьезно препятствует решению ряда первостепенных проблем образования — повышению его фундаментальности и вхождению нашей образовательной системы в общемировую, где компьютерные системы символьной математики в последние годы нашли самое широкое применение.

Очевидно, что чем раньше пользователь ПК начнет знакомиться с СКМ, тем больше математических знаний он получит. Хотя, безусловно, желательно, чтобы такое использование шло под контролем опытного преподавателя.

К сожалению, у нас есть серьезная причина, препятствующая широкому применению СКМ в образовании, — слабость материально-технической базы школ, вузов, да и многих университетов. Классами с современными ПК многие наши образовательные учреждения не обладают. Тем не менее, это чисто техническая проблема, которая постепенно решается.

В новых стандартах образования роль СКМ наконец-то осознана всерьез. По ряду специальностей математического профиля предусмотрено изучение СКМ. Это делает книги, подобные данной, нужными для системы образования.

Разумны ли системы символьной математики?

Математика непрерывно развивается, и ни один самый способный ученик не в состоянии (и слава Богу!) вместить в извилины своего мозга все математические законы и правила, созданные за многовековую историю человечества. Сотни лет назад такие задачи, как решение квадратного уравнения в общем виде, были в числе труднейших математических задач, а сейчас их «щелкают» школьники. Даже многотомные справочники по математике не гарантируют полного описания всех ее возможностей. Так что нет ничего страшного в том, что в наш просвещенный век вычисление производных или первообразных функций в аналитическом виде берет на себя компьютер. И их применение внешне становится таким же простым, как таблица умножения.

Сейчас слова «компьютерный разум» обычно берут в кавычки, всячески подчеркивая, что компьютер сам по себе не способен дать принципиально новые результаты (то есть те, которые не были заранее заложены в него человеком, его создавшим). Для многих, что в целом справедливо, вопрос о том, разумна ли система символьной математики, подобен вопросу о том, разумен ли хороший и полный справочник по математике.

И все же применительно к современным системам символьной математики (и универсальным СКМ) такая аргументация, пожалуй, не вполне приемлема. Да, базовые формулы и правила символьных преобразований в математические системы компьютерной алгебры заложены их создателями. Поэтому принципиально новых научных данных система сама по себе вроде бы и не дает. Но разве не такова в целом и ситуация с обычным использованием математического аппарата любым математиком-аналитиком?

Между тем большинству конкретных пользователей системы символьной математики дают новые знания в виде далеко не очевидных для них математических и иных закономерностей. Результат сложных и многоэтапных рекуррентных символьных преобразований даже по известным правилам может быть действительно новым, то есть ранее не опубликованным, заранее не предсказуемым и далеко не очевидным. Этим системы символьной математики принципиально отличаются от обычных справочников по тем или иным формулам. Они дают сведения не только по жесткому набору формул, но и по тем аналитическим соотношениям, которые в такой набор не вошли.

Подобные результаты нередко могут подтолкнуть серьезного научного работника или педагога к открытию неизвестных закономерностей в исследуемых или изучаемых ими явлениях. К тому же современные системы компьютерной алгебры способны к расширению — в них можно вводить новые закономерности и связи (подчас самые смелые и безумные), а затем исследовать малоизвестные или вообще неизвестные результаты их действия, получаемые в результате сложных аналитических преобразований. Так что вполне допустимо считать такие системы в известной мере разумными и способными помочь пользователю в создании новых теоретических положений и даже научных теорий.

Немаловажный довод в пользу некоторой разумности современных систем символьной математики заключается в особом назначении примеров их применения, которых в справочной базе данных могут насчитываться тысячи. Здесь уместно упомянуть высказывание И . М. Гельфанда: «Теории приходят и уходят, а примеры остаются».

Во всех современных СКМ примеры применения «живые» — вы можете подыскать наиболее близкий к решаемой вами задаче пример и тут же перестроить его под свои нужды. Обычные книги и справочники такой возможности принципиально не дают. Обучение на примерах — один из самых эффективных методических приемов. Он широко используется в данной книге и составляет основу справочной базы данных систем Mathematica.

В свое время нас учили, что количество переходит в качество. Примеров этого в природе превеликое множество. Системы компьютерной математики по обилию встроенных в них функций, правил преобразования и конкретных примеров применения уже вышли за пределы, которые способен оценить индивидуальный пользователь, даже если он достаточно опытный математик. К примеру, ядро Mathematica 4 хранит данные о примерно 5 тысячах интегралов! Это говорит о том, что СКМ находятся уже на пороге того, что их количественные характеристики перерастут в качественные. Среди них может оказаться и разум СКМ — на сей раз без каких-либо оговорок.

Что дает компьютерная математика университетам и школам

В конечном счете, СКМ — не более чем удобный и мощный инструмент для учащегося, педагога, инженера или научного работника. Как его применять (в методическом, научном и практическом отношении), зависит уже от пользователя. Однако важно и ценно то, что системы символьной математики снимают у учащихся психологический барьер в реальном применении математики, особенно высшей.

Тем не менее, многие преподаватели математики опасаются приобщения своих учеников к работе с СКМ. Бывает, что некоторые преподаватели школ и вузов при подготовке массовых заданий по алгебре, тригонометрии и геометрии сами применяют СКМ — например, для подготовки заданий по курсам математики или физики. Но это становится еще одним наивным поводом ограждать учащихся от систем символьной математики и даже запрещать их в учебном процессе. Оно и понятно — ведь школьник или студент, имеющий компьютер с системой компьютерной алгебры, прощелкает все подобные примеры за считанные минуты. Между тем учащихся, столь виртуозно владеющих системами компьютерной математики, надо лишь всячески поощрять! Увы, пока их очень мало...

Надо учитывать, что эффективное применение систем компьютерной алгебры практически невозможно без четкого понимания основ элементарной и высшей математики. Невозможно оно и без творческого участия пользователя как в постановке решения задач, так и в контроле и отборе результатов их решения. В большинстве математических систем используются специальные опции и директивы, направляющие решение в нужное русло. В какое именно — должен определить пользователь, владеющий нужными для этого математическими понятиями. Кроме того, именно пользователю необходимо проверить полученные результаты и убедиться в их достоверности.

Среди части преподавателей вузов существует в корне неверное мнение о том, что не нужно изучать сами СКМ — достаточно использовать доморощенные обучающие программы. Среди таких программ и впрямь есть интересные разработки, но, как правило, они базируются на ядре той или иной символьной СКМ, причем нередко старых версий, применяемых с целью обойти лицензионные ограничения.

По большому счету, такие обучающие системы ничего нового в процесс математических вычислений не вносят. Современные универсальные СКМ намного мощнее подобных программ, имеют более совершенный и более удобный интерфейс пользователя, а главное — только они реально применяются на месте работы будущих специалистов. Поэтому изучение современных СКМ столь же необходимо, как изучение офисных программ, например, того же текстового редактора Word 95/97. Наиболее удобной формой для этого являются спецкурсы, хотя и в ряде обязательных курсов такое изучение предусмотрено новыми учебными программами Министерства образования РФ.

В наших экономических условиях особенно велика роль систем компьютерной математики как мощных электронных справочников. Число издаваемых обычным способом справочников по математике или физике (не говоря уже о инженерных дисциплинах) в последние годы катастрофически упало. Это повышает роль справочников электронных, тем более что справочные базы данных современных систем компьютерной математики обладают рядом очевидных достоинств:

вмещают в себя объемы информации, эквивалентные порой десяткам книг; аккумулируют знания, полученные за многие тысячелетия развития математики; имеют безупречное оформление документов (цветные тексты и иллюстрации, всевозможные выделения, качественные иллюстрации и т. д.); имеют разную организацию оглавления (индексную, поиск по контексту и т. д.); О отличаются очень быстрым поиском нужной информации по ряду критериев; имеют «живые» примеры, которые можно изменять в ходе просмотра справочных данных; справочные материалы могут сопровождаться звуковыми и видеокомментариями; позволяют готовить высококачественные и наглядные уроки не только по любым разделам математики, но и по многим дисциплинам, базирующимся на применении математического аппарата; позволяют быстро размножить интересующие пользователя материалы;   обладают возможностью обновления и пополнения из сети Интернет. Современные СКМ следует рассматривать не только как электронные справочники нового поколения, но и как системы для самообучения и дистанционного обучения математике. Однако для этого они должны быть снабжены грамотно составленными (прежде всего в методическом отношении) электронными уроками или книгами. Здесь необъятный простор для творчески мыслящих педагогов! В то же время, при отсутствии таких уроков применение математических систем может иметь негативные последствия для образования — опасна подмена обучения основам математики обучением основам работы с математическими системами.

Многие виды вычислений, даже элементарных, довольно трудоемки. Например, построение трехмерной поверхности требует зачастую сотен однообразных вычислений, выполнять которые крайне муторно даже при применении калькуляторов. Современные СКМ (в том числе Mathematica) делают это за считанные секунды, а то и за доли секунды. К тому же они сразу же строят графики поверхностей с разнообразной функциональной окраской и позволяют интерактивно вращать их (Mathematica 4), добиваясь лучшей выразительности и лучшего обзора фигур.

Применение СКМ в образовании избавляет учащихся от массы рутинных вычислений и высвобождает их время для обдумывания алгоритмов решения задач, более обоснованной постановки их решения, многовариантного подхода и представления результатов в наиболее наглядной форме. Высвободившееся время можно использовать для более глубокого изучения математической или физической сущности решаемых задач и их решения различными методами. Таким образом, СКМ не только не лишают учащихся серьезных математических навыков, но, напротив, способны их расширить и углубить.

Немаловажным фактором является то, что новейшие СКМ относятся к самым серьезным программным продуктам, имеющим современный пользовательский интерфейс и мощные средства визуализации всех этапов работы — причем, в области математики более выразительные, чем те, которые дают текстовые процессоры класса Word 95/97. Так что, работая с ними, пользователь поневоле осваивает работу с компьютером и познаёт тонкости интерфейса современных программ.

Кроме того, современные СКМ позволяют готовить и распечатывать документы, затрачивая на это куда меньше времени, чем популярные у математиков системы ТеХ или LaTeX. Впрочем, Mathematica прекрасно сожительствует с ними и позволяет представлять данные в необходимом для этих систем формате. Mathematica 4 поддерживает новейший формат подготовки математических документов для Интернета — MathML.

Работать с современными СКМ просто, приятно и поучительно. Благодаря этому освоение систем Mathematica воспринимается учащимися с большим интересом, что служит побудительным мотивом к их внедрению в систему образования, причем не только высшего, но и среднего, и даже начального (последнему, как отмечалось, фирма Wolfram в последние годы уделяет большое внимание).

 

Диалог с системой и ее входной язык

Интересно отметить, что, родившись как программа для профессионалов, Mathematica в последние годы упорно позиционируется фирмой Wolfram как система, перспективная не только для высшего, но и для школьного образования. Диалог с системой идет по методу «задал вопрос — получил ответ». Не считая отдельных мелочей, такой диалог вполне понятен не только опытному математику, но и успевающему студенту и даже школьнику.

Впрочем, уже из приведенных простейших примеров видны определенные тонкости записи входных выражений, которые определяются совокупностью правил их ввода, то есть синтаксисом входного языка системы, или (более строго) языка программирования системы. Он будет рассмотрен по мере описания возможностей систем класса Mathematica. Обширные возможности этих систем в решении математических задач придают им функции не только суперкалькуляторов, но и мощных электронных справочников по математике и математическим расчетам.

Даже интуитивно ясно, что осуществление символьных операций — процесс намного более тонкий и сложный, чем реализация даже сложных численных расчетов. В какой-то степени он противен сущности вычислений, реализуемых в современных ЭВМ, — как известно, они работают с «голыми» цифрами и являются «числодробилками». Эти операции сложнее и обычных (довольно примитивных) строковых операций, используемых при обработке текстов. К тому же известно, что одни только таблицы производных, интегралов и формул преобразований занимают многие тома объемных книг. Поэтому высокая эффективность символьных операций реальна только при их реализации на современных высокопроизводительных ПК. Не случайно системы символьной математики получили серьезное развитие лишь в последний десяток лет.

Все сказанное ведет к необходимости символьного представления чисел и использования особых алгоритмов для выполнения операций с ними. Естественно, что реализация символьных операций вначале обеспечивалась за счет снижения эффективности численных расчетов. Тем более приятно, что в новейшей системе Mathematica 4 эта порочная тенденция была решительно остановлена — данная версия системы имеет не только превосходные возможности в части символьных вычислений, но и повышенную эффективность и скорость численных расчетов. Это выдвигает систему Mathematica 4 в число лучших универсальных систем компьютерной математики.

Операции с целыми числами

Продолжим знакомство с возможностями системы Mathematica 4 примерами работы с целыми числами. Несколько таких примеров приведено на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Примеры целочисленных операций

Первая из приведенных операций дает разложение целого числа на простые множители с помощью функции Factorlnteger. Они представлены списками (в фигурных скобках) из двух чисел. Первое число — это множитель, а второе — число его повторений. В считанные секунды Mathematica 4 находит десятибиллионное простое число с помощью функции Prime. Другой характерный пример целочисленных операций — вычисление факториалов (вы можете запросто получить факториал 10 000, но ради сокращения места при описании примера в нем вычислено значение 200! Последний пример показывает отсутствие ошибок при работе с большими целыми числами — и это несмотря на то, что при его выполнении и впрямь дважды вычисляется факториал числа 10 000.

Операции с целыми числами выполняются абсолютно точно. При этом число цифр не ограничено (в разумных пределах).

Арифметика произвольной точности

Арифметика произвольной точности — еще одна из областей применения систем символьной математики (рис. 1. 5).

Рис. 1.5. Примеры вычислений с большой точностью

Здесь использована одна из самых распространенных функций системы Mathematica — N[expr, n], дающая результат вычисления выражения ехр r с точностью до n знаков после десятичной точки. Константы я и е вычислены с 500 верными знаками, а новая функция Матье (MathieuC) — с точностью до 200 знаков. Однако в системе Mathematica n может достигать миллиона и более. Ограничения по разрядности чисел и их верхнему и нижнему пределам практически отсутствуют.

Примеры из математического анализа

Разумеется, роль систем символьной математики далеко не исчерпывается приведенными выше примерами. Эти системы способны преобразовывать сложнейшие алгебраические выражения, находить аналитические решения сложных систем линейных, нелинейных и дифференциальных уравнений, манипулировать со степенными многочленами, вычислять производные и интегралы, анализировать функции, находить их пределы и т. д. Это видно уже из примеров, представленных на рис. 1.6 .

Рис. 1. 6 . Примеры вычислений из области математического анализа

В этих примерах функция D (как приятное исключение из правил, обозначенная одной буквой) вычисляет производную, функция Integrate — интеграл, функция Solve решает нелинейное уравнение (в данном случае квадратное), а функция Series разлагает выражение в ряд относительно заданной переменной и при заданных начальном значении переменной и максимальной степени ряда. В фигурных скобках задаются списки некоторых входных и выходных параметров (аргументов).

Системы символьной математики являются справочниками по многим специальным функциям. При этом они способны давать результаты вычислений в виде специальных функций, что демонстрируют следующие примеры:

Sum[1/k^9,{k,1,n}]

HarmonicNumber [n, 9]

Integrate [Log [x] *Exp [ -х^4 ], {x, 0, Infinity}]

-1/32*Gamma[ 1/4 ] ( 2 EulerGamma + л + Log[64] )

DSolve[y " [t] + y' [t] + y[t]/t = 0, y[t] , t]

{{y[t]->e^-tC[1]+e^-tC[2]Gamma[-1,-t]}}

Здесь специальные функции получаются в результате вычисления суммы, символьного интегрирования и решения в аналитическом виде дифференциального уравнения. Соответствующие функции будут более подробно описаны в дальнейшем. Обратите внимание на то, что эти примеры даны прямо в тексте книги. Мы будем часто использовать такой прием для представления небольших примеров.

Чем дальше в лес, тем больше дров!

К сожалению, в математике нередко оказывается так, что результирующие выражения быстро нарастают по сложности при, казалось бы, незначительном усложнении или просто изменении условий задачи. Покажем это на примере решения одной из самых часто встречающихся задач — поиска в аналитическом виде корней алгебраического уравнения с целыми степенями членов.

Многие из нас прекрасно помнят формулы для корней квадратного уравнения, которые нам давали еще в школе. Их в точности воспроизвела Mathematica в одном из примеров, приведенных в этом уроке чуть ранее. Это решение еще раз воспроизведено на рис. 1.7 (сверху).

Рис. 1.7. Система Mathematica решает квадратное и кубическое уравнения

Однако едва ли кто вспомнит по памяти формулы аналитического решения кубического уравнения общего вида. Зато система Mathematica играючи справляется с этой задачей с помощью функции Solve, что и показано во втором примере на рис. 1.19. Полученное выражение впечатляет даже студентов университетов, уже изучивших курс математики в полном объеме. Это блестящий пример эффективного представления справочной информации.

Можно пойти чуть дальше и убедиться в том, что Mathematica решает подобное уравнение даже четвертого порядка. Полученное при этом крайне громоздкое решение (в силу этого оно не приводится) заставит в задумчивости почесать затылок многих любителей математики. Но можно ли продолжать эти вычисления? Увы, классическая математика говорит, что нет! Подобные уравнения порядка выше четвертого современная математика в аналитическом виде не решает. Тем не менее, попытаемся вычислить корни алгебраического уравнения пятой степени в общем виде (рис. 1. 8 ).

Рис. 1.8 . Система Mathematica пытается решить алгебраическое уравнение пятой степени

А вот и сюрприз: Mathematica не только не отказалась решать эту задачу (при отказе она просто повторяет вводимое выражение), но даже подсказала путь ее решения с помощью пятикратного применения функции вычисления корней Root степенных многочленов.

В упомянутых примерах мы сталкиваемся с одной из серьезных проблем символьной математики — разбуханием результатов аналитических преобразований при порой незначительном усложнении решаемых задач. В данном случае это никоим образом не является недостатком систем компьютерной математики как таковых — просто так нарастает сложность решения данной математической задачи в соответствии с канонами абстрактной математики.

Однако нередко разбухание результатов кроется в сложности алгоритмов, особенно рекурсивных. Современные системы символьной математики способны осуществлять весьма глубокую рекурсию, и порой трудно даже предположить, к сколь громоздкому результату это в конечном счете приведет.

Научные работники и инженеры настолько привыкли к упрощению (порой весьма грубому, с точки зрения математиков), что громоздкие решения, получаемые с помощью систем символьной математики, способны их раздражать. Это в определенной мере препятствует применению систем символьной математики на практике и в наши дни.

Однако для частных случаев нередко можно получить вполне сносные по виду решения. Вот пример решения неполного алгебраического уравнения десятой степени, при котором Mathematica благополучно возвращает все десять корней довольно простого вида (рис. 1.9 ). 

Примеры такого рода можно встретить повсеместно. Есть множество нелинейных алгебраических или дифференциальных уравнений обманчиво простого вида, но имеющих сложнейшие решения или не имеющих их вовсе. Так что если система символьной математики не находит ответ, это зачастую не является признаком ее слабости — может быть, решения не существует вообще? Порой даже такой отрицательный результат избавляет пользователя от трудоемкого поиска несуществующих решений «в лоб» и направляет его на поиск обходных, порою весьма ценных и полезных методов решения.

Рис. 1.9 . Система Mathematical решает алгебраическое уравнение 10-й степени

Доверяй, но проверяй!

Ситуация с применением математических систем компьютерной алгебры осложняется тем, что они, как и люди-математики, могут давать результаты в различной форме и даже делать ошибки. Вынесенная в заголовок этого подраздела армейская поговорка как нельзя лучше характеризует правильные приемы работы с математическими системами. Если вы получили результат, который не ожидали, — не спешите считать его окончательным и тем более новым. Всегда желательно этот результат сначала проверить. Покажем, как это делается.

Пусть мы решили некоторое уравнение

eqns = х^3 - 3*х + 2 == 0

2-3х+х ³ == 0

и получили его корни

r = Solve[eqns, x]

{{х-> -2), {х^ 1}, {х-> 1}}

Для проверки решения можно использовать операцию подстановки в eqns списка корней г. Эта операция реализуется оператором / ., что иллюстрирует следующий пример:

eqns/.r

{True, True, True}

Результат этой операции — список из трех логических констант True (Истинно). Он означает, что решение верно. Кстати, с помощью этой подстановки можно получить истинный список корней:

х/.r

{-2, 1, 1}

Mathematica имеет и множество иных способов проверки полученных результатов. Но, к сожалению, очень редко встречаются ситуации, когда выданное Mathematica ошибочное или несуществующее решение при подобной проверке дает положительный результат. Как говорится, за что боролись, на то и напоролись! В таких особо каверзных случаях надо ориентироваться на свою интуицию, решение схожей тестовой задачи или решение с помощью других математических систем с иным ядром — например, Derive или Maple V.

Не стоит брезговать проверкой решений даже с помощью менее мощных систем — помните поговорки «Устами младенца глаголет истина!», «Пуля дура — штык молодец», «Мал золотник, да дорог!» и т. д.? Обращайтесь к описанным выше правилам проверки по мере освоения работы с системой Mathematica. При этом вам быстро станут понятными некоторые ее тонкости, которые пока остались «за бортом».

 

Установка систем и их особенности

Инсталляция систем Mathematica 3

Объем инсталляционных файлов Mathematica 3 и 4 превышает 100 Мбайт. Поэтому поставляются системы на CD-ROM, а компьютер, на который они устанавливаются, должен иметь устройство чтения CD-ROM. Возможна и установка систем из локальной сети, но для большинства пользователей систем эта возможность существенного интереса не представляет и потому здесь не описывается. Кроме того, мы ограничимся описанием инсталляции систем, рассчитанных на работу в среде операционных систем Windows 95/98/NT.

Для установки системы Mathematica 3, по существу, нужен современный мультимедийный компьютер, оснащенный современной видеокартой, звуковой картой (совместимой с Sound Blaster фирмы Creative Labs), микрофоном и акустическими системами. ПК должен иметь процессор Pentium и емкость ОЗУ не менее 16 Мбайт (желательно даже 24 Мбайт и более). Минимальный объем файловой системы Mathematica 3/4 составляет 40 Мбайт, максимальный — 156 Мбайт (версии для Windows 95/98/NT с полной справочной системой).

Для инсталляции системы нужно прежде всего проверить соответствие аппаратных возможностей ПК требуемым. Только после этого можно начать инсталляцию запуском файла setup.exe (установка) с инсталляционного CD-ROM (часто это делается автоматически, если ПК настроен на самозапуск CD-ROM). Процесс инсталляции показан на рис. 1.10 на примере системы Mathematica 3.

В процессе инсталляции необходимые файлы с CD-ROM переносятся на жесткий диск, формируется файловая система пакета и создается папка под него. Практически сразу после инсталляции система готова к работе.

Рис. 1.10. Инсталлятор системы Mathematica 4

После инсталляции и первого запуска системы (из меню Пуск или активизацией ярлыка на рабочем столе) появляется окно регистрации, представленное на рис. 1.11. В нем надо заполнить все пункты. Номер лицензии указывается на конверте оптического диска, а вот для задания регистрационного номера может потребоваться запрос на фирму Wolfram Research — через Интернет или по обычной почте.

Рис. 1.11. Окно регистрации системы Mathematica4

Следует предупредить читателей, что нередко копии системы Mathematica 3 (да и Mathematica 4) на «пиратских» CD-ROM просто не работоспособны — для них не указан пароль либо система просто не реагирует на пароль, генерируемый соответствующей программной утилитой. Лишь легальное приобретение системы гарантирует ее полную работоспособность и поддержку фирмы Wolfram в решении возникающих недоразумений. Пароль у каждой копии системы свой.

 

Работа с CD-ROM системы Mathematica 4

Mathematica 4 также поставляется на CD-ROM. Поскольку данная книга посвящена детальному знакомству с системой Mathematica 4, мы рассмотрим работу с CD-ROM этой системы более подробно.

Самозапуск CD-ROM системы Mathematica 4 и выбор режима работы

CD-ROM системы Mathematica 4 рассчитан на автоматический запуск, для чего в его исходной директории имеется файл autorun.inf, считывание которого обеспечивает самозапуск CD-ROM. При этом появляется окно, показанное на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Окно CD-ROM системы Mathematica 4

Из рисунка видно, что окно содержит меню выбора режима работы с CD-ROM:

Install Mathematica to a hard disk — установка (инсталляция) системы на жесткий диск; Run Mathematica off the CD-ROM - запуск Mathematica 4 с CD-ROM; Run the Mathematica kernel off the CD-ROM — запуск ядра Mathematica 4 с CD-ROM; Browse the contents off the CD-ROM - просмотр CD-ROM; Register on the web — регистрация через Интернет. Помимо обычной инсталляции системы на жесткий диск меню предусматривает работу с системой Mathematica 4 или с ядром системы непосредственно с CD-ROM. Это полезно, если работа с системой носит эпизодический характер или если на жестком диске ПК недостаточно места для установки системы Mathematica 4. Разумеется, комфортность и скорость работы с системой при ее установке на жесткий диск выше, чем при работе прямо с CD-ROM, особенно если используется устройство чтения с невысокой скоростью считывания. Впрочем, для современных CD-ROM с кратностью скоростей 32 и выше работа оказывается вполне сносной. В корневом каталоге CD-ROM содержатся три подкаталога:

PC — подкаталоги и файлы для стандартной инсталляции и работы в среде операционной системы Windows 95/98/NT; PC_8_3 — подкаталоги и файлы для инсталляции системы в случае, если устройство чтения CD-ROM не поддерживает длинные имена файлов; UNIX — подкаталоги и файлы для инсталляции в среде операционной системы UNIX. Подкаталог PC содержит обычные (не архивированные) файлы системы Mathematica 4. Они используются как для копирования на жесткий диск при обычной инсталляции системы, так и для прямой работы с CD-ROM. Если устройство чтения CD-ROM не поддерживает считывание длинных имен файлов, то для инсталляции системы на жесткий диск используются файлы из каталога PC_8_3, которые имеют до 8 символов в имени и до 3 символов в расширении. Подкаталог UNIX содержит файлы, необходимые для инсталляции системы на компьютерах платформы UNIX.

Установка Mathematica 4 на жесткий диск

Для серьезной работы с системой Mathematica 4 ее следует установить на жесткий диск компьютера. Перед этим надо проверить соответствие аппаратных требований реальным возможностям вашего ПК. Минимальные требования для установки системы Mathematica 4 следующие:

IBM/Intel-совместимый компьютер с процессором класса не ниже 80386; операционная система Windows 95, 98 или NT; объем ОЗУ не менее 16 Мбайт, желательно 24 Мбайт при работе с Windows 95/ 98 и 32 Мбайт при работе с Windows NT; устройство чтения CD-ROM — для считывания инсталляционного диска; видеосистема класса SVGA; звуковая карта класса Sound Blaster для работы со звуком; все файлы системы Mathematica 4 занимают 156 Мбайт. Из них лишь 40 Мбайт приходится на минимальный вариант установки — файлы ядра (Kernel), интерфейсного процессора (Front end), библиотеки (Mathlink Libraries) и шрифты математических символов (Fonts). Дополнительно могут устанавливаться стандартные пакеты расширения (Standard Add-on Packages) и необходимые для связи с ними файлы инструментария (MathLmk Developer's Kit ) — 12 Мбайт. Куда больше занимает онлайновая документация справочной системы — The Mathematica Book, Reference Guide, Standard Add Package и Additional Documentation. Для ее установки нужно еще 104 Мбайт. Для установки Mathematica 4 на жесткий диск надо активизировать кнопку с надписью Install Mathematica to a hard disk. Начнется подготовка инсталлятора системы. В ходе установки в особом каталоге создаются временные файлы, которые впоследствии автоматически уничтожаются. Однако для их установки на жестком диске необходимо иметь свободное пространство — около 200 Мбайт при полной установке системы.

После подготовки инсталлятора появляется обычное окно с вступительным сообщением. Нажав кнопку Next, можно перейти к следующему этапу инсталляции. При этом появляется окно регистрации системы (рис. 1.13). Обычно первые три поля из пяти бывают заполнены автоматически: это идентификационный номер MathID, имя компьютера и имя организации. Разумеется, вы можете их изменить. Номер лицензии обычно указывается на коробке, в которой поставляется система, и на конверте с текстами лицензионных материалов. А вот пароль дается фирмой Wolfram отдельно — по телефону, факсу, электронной почте или через Интернет (нелегальные способы получения пароля с помощью генератора номеров лицензии и пароля здесь не обсуждаются).

Рис. 1.13. Окно регистрации системы

Если все данные в окне регистрации введены, то нажатие кнопки Next обеспечивает продолжение установки системы на жесткий диск. Как обычно, в окне выбора режима инсталляции будет предложено три варианта — полный, минимальный и выборочный. Рекомендуется использовать выборочный, поскольку при этом можно прочесть наименования всех компонентов системы (рис. 1.14). Обратите внимание, что при полной установке системы она занимает на жестком диске около 170 Мбайт. Вы можете значительно уменьшить этот объем, отказавшись от установки пакетов расширений, документации и т. д. Минимальный объем памяти на диске при этом составит около 50 Мбайт. Но возможности системы будут заметно урезаны.

Рис. 1.14. Окно выбора устанавливаемых компонентов системы

Установив (или подтвердив) набор компонентов нажатием кнопки Next, можно перейти к следующему шагу установки — выбору имени системы в главном меню операционной системы Windows 95/98/NT. Окно, дающее возможность такого выбора, представлено на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Окно выбора имени позиции системы в главном меню

Осуществив выбор имени позиции меню, можно нажатием кнопки Next завершить подготовку к инсталляции. Она подтверждается появлением окна, показанного на рис. 1.16. В этом окне приводится список всех компонентов системы, намеченных к установке на жесткий диск. Если вы обнаружили, что пропустили нужный вам компонент, еще не поздно сделать шаг назад, активизировав кнопку Back.

Рис 1.16. Окно подтверждения завершения подготовки к инсталляции

Нажав кнопку Next, мы переходим к инсталляции системы Mathematica 4 на жесткий диск. Картина работы инсталлятора представлена на рис. 1.17. Окна с краткими описаниями новшеств в верхнем левом углу окна инсталлятора время от времени меняются. Полезно просмотреть их содержание, благо на этом этапе инсталляции пользователю делать больше нечего. Индикатор прогресса (внизу справа) показывает ход инсталляции и имена текущих файлов, копируемых на жесткий диск. Общую информацию дают гистограммы, расположенные в левом нижнем углу окна инсталлятора.

Инсталляция заканчивается выводом окна завершения инсталляции (рис. 1.18). Фирма Wolfram рекомендует в случае появления проблем с инсталляцией прежде всего попытаться устранить факторы, препятствующие инсталляции. Для этого надо внимательно разобраться с сообщениями о причинах сбоя. Далее следует провести инсталляцию с помощью файлов поддиректории PC_8_3 CD-ROM. Если и это не помогает, то остается предпоследнее — обратиться в службу технической поддержки фирмы Wolfram. Или последнее — сменить компьютер!

Нажатие кнопки ОК в заключительном окне завершает процесс установки системы Mathematica и стирает временные файлы инсталлятора.

Рис. 1.17. Ход инсталляции системы Mathematica 4

Рис. 1.18. Окно с подтверждением успешно проведенной установки

 

Зanycк Mathematica 4

После установки системы Mathematica 4 на жесткий диск в папке Программы главного меню операционной системы Windows появляется позиция с ярлыками системы Mathematica 4 (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Система Mathematica 4 в главном меню Windows 98

Как видно из рис. 1.19 (нижняя позиция главного меню), система Mathematica 4 представлена тремя ярлыками:

Mathematica 4 — запуск системы Mathematica 4; Mathematica 4 Kernel — запуск ядра системы Mathematica 4; Uninstall Mathematica 4 — удаление системы Mathematica 4.

Запуск Mathematica 4 выполняется, как обычно, активизацией позиции Mathematica 4 в главном меню программ. При этом появляются строка меню, чистое окно документа Untitled-1 и базовая панель ввода. Теперь можно начинать работу, как было описано ранее (рис. 1.20).

Пользовательский интерфейс создается одной из двух основных частей системы — интерфейсным процессором (Front-end); вторая основная часть — ядро системы (Kernel). После загрузки интерфейсного процессора появляется скромная панель главного меню системы и пустое окно редактирования документов. В нем можно начинать вычисления, что и показано на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Начало работы с системой Mathematica 4

В правой части экрана видна одна из палитр системы — палитра ввода математических выражений. Она появляется по умолчанию при обычной инсталляции системы. Если этой палитры нет, то для ее вывода надо исполнить команду Basic-Input в подменю Palettes меню File. При этом запускается специальный файл, выводящий данную палитру. После этого она будет выводиться всякий раз при очередном запуске системы.

Палитру можно использовать для ввода спецзнаков и операторов, например возведения в степень, вычисления производной или интеграла и т. д. Примеры применения палитры тоже показаны на рис. 1.20. Обратите внимание, к примеру, на естественный вид интеграла в строке ввода 6. Шаблон интеграла вводится с помощью палитры Basiclnput и затем заполняется. Мы не будем описывать этот процесс подробно, поскольку он вполне естественен и легко осваивается даже начинающими пользователями.

В общем случае для получения естественной формы шаблона математического выражения в строках ввода надо изменить их обычный формат InputForm (форма ввода) на формат StandardForm (стандартная форма). Для этого выберите вариант InputForm в подменю Convert То (Преобразовать в...) меню Cell.

Можно отметить некоторые отличительные, но вовсе не принципиальные признаки работы именно с системой Mathematica 4. Над строкой меню дано полное название системы — «Mathematica 4». При вводе выражений используется цветная раскраска элементов — например, незакрытые скобки имеют красный цвет и меняют его на черный после ввода завершающих скобок. Это облегчает ввод сложных выражений и их редактирование в строках ввода. Более скромным (в стиле Microsoft Office 97) стало оформление кнопок. Но главное — даже на первый взгляд заметно ускорение работы с элементами пользовательского интерфейса.

Если вы намерены часто пользоваться системой Mathematica 3/4, позаботьтесь о том, чтобы создать ярлык системы на рабочем столе Windows 95/98/NT. В этом случае запуск системы предельно упрощается — надо установить курсор мыши на ярлык и дважды быстро щелкнуть левой кнопкой мыши (пользователи Windows 98 могут настроить систему на запуск программ однократным коротким нажатием левой кнопки мыши).

 

Прямая работа с CD-ROM

Если пользователь работает с системой Mathematica 4 эпизодически, он может воспользоваться прямой работой с CD-ROM. Для этого после самозапуска CD-ROM нужно активизировать кнопку Run Mathematica off the CD-ROM. Появится окно регистрации, уже описанное ранее. После ввода данных о регистрации работа с системой ничем не отличается от обычной (при запуске с жесткого диска). Заметно лишь замедление работы при манипуляциях с пользовательским интерфейсом и файлами.

Работа с ядром системы Mathematica 4

В Mathematica 4 предусмотрена прямая работа с ядром системы в режиме командной строки. Такая работа возможна как после активизации ярлыка Mathematica 4 Kernel в папке системы, так и после выбора команды Run the Mathematica kernel off the CD-ROM при самозапуске CD-ROM. При этом работа с ядром возможна даже в MS-DOS.

При пуске ядра указанными способами появляется окно, показанное на рис. 1.21, в полностью развернутом виде. Лишь сообщения сверху окна указывают на то, что работает новейшая версия системы — Mathematica 4. В остальном работа с ядром напоминает работу в текстовом режиме системы Mathematica 1.0. Даже графики в данном случае строятся текстовыми символами, что наверняка умилит почитателей ретро в области вычислений.

При всей примитивности прямой работы с ядром она имеет ряд достоинств:

работа происходит быстро; удобно знакомиться с назначением функций системы; простой формат ввода и вывода облегчает копирование; возможна работа в MS-DOS; требуются минимальные ресурсы ПК.

Таким образом, прямая работа с ядром может быть полезна при освоении системы Mathematica.

Рис. 1.21. Пример прямой работы с ядром системы Mathematica 4

 

Отличительные особенности Mathematica 4

Ускорение численных расчетов и повышение их точности

Большинство пользователей с трудом уловят разницу между версиями Mathematiea 3 и Mathematica 4. Именно поэтому основной материал данной книги полностью относится к этим двум последним версиям. Тем не менее, различия между версиями есть, и достаточно серьезные.

Пожалуй, главной отличительной особенностью системы Mathematica 4 стало кардинальное ускорение численных расчетов. Традиционно системы символьной математики проигрывали численным системам, таким как MATLAB. До сих пор скорость вычислений в системе MATLAB в 5-10 раз превышала скорость вычислений, производимых системами символьной математики. Поэтому в системе Mathematica 4 были предприняты необычные для систем символьной математики и даже беспрецедентные меры по ускорению численных расчетов. Они перечислены ниже:

Значительно ускорены все операции с матрицами, особенно большого размера. Существенно оптимизированы алгоритмы для выполнения вычислений с числами, содержащими вплоть до миллиона знаков. Ускорен ввод и вывод очень больших целых чисел. Полностью сохраняется точность при вводе и выводе приближенных действительных чисел. Обеспечивается свертка и корреляция массивов любой размерности. Применены новые оптимизированные алгоритмы для преобразований Фурье. Ускорены процедуры численного решения полиномиальных уравнений.

Рисунок 1.22. иллюстрирует некоторые простые вычисления в численном виде с фиксацией времени вычислений для систем Mathematica 3 и 4 (данные получены от разработчика).

Рис. 1.22. Сравнительные данные по скорости простых вычислений

Из примеров на рис. 1.34 видно, что скорость простых вычислений возросла в 5-10 раз.. В отдельных случаях скорость более сложных вычислений возрастала намного больше. Ниже приведены данные о выполнении некоторых операций над матрицей m большого размера (500x500).

Такое резкое ускорение скорости численных расчетов способно открыть для системы Mathematica 4 новые обширные сферы применения, например численное моделирование сложных систем, описываемых матричными алгебраическими и дифференциальными уравнениями.

Улучшение работы с массивами

Кардинально уменьшено и время обращения к памяти при записи и считывании массивов, а заодно существенно повышена плотность упаковки массивов для данных различного типа (за счет применения особой технологии упаковки массивов). Приведенные ниже сведения характеризуют это для версий Mathematica 4 и 3 для ряда типов данных — целых (Integers), вещественных (Reals) и комплексных (Complex Numbers).

Уплотнение массивов означает, что Mathematica 4 при заданном объеме свободной памяти может решать более объемные и серьезные задачи, чем это смогла бы сделать предшествующая версия системы.

Указанные достоинства системы Mathematica 4 достигнуты за счет выбора и тщательной оптимизации алгоритмов численных вычислений:

введена прямая поддержка следов матриц; изменены алгоритмы нахождения минимума (функция FindMinimum); реализован ускоренный вывод больших чисел — вплоть до миллионов цифр; введена новая технология упаковки больших массивов чисел; существенно уменьшена необходимость в повторных циклах; обеспечена абсолютная точность при целочисленных вычислениях; гарантирована заданная погрешность при вычислениях с вещественными числами; улучшено размещение переменных в памяти.

По умолчанию погрешность вычислений при целочисленных операциях в системе Mathematica 4 определена в 1 000 000 верных цифр. К примеру, чтобы выдать число n с миллионом верных знаков, системе Mathematica 4 понадобится чуть больше двух минут (разумеется, на современном компьютере)! В некоторых видах сложных целочисленных вычислений, используемых в технике кодирования информации, Mathematica 4 обеспечивает беспрецедентно малое время вычислений.

Улучшенные математические возможности

Математические возможности системы Mathematica 4 существенно пополнены и улучшены. В частности, обеспечены следующие возможности:

прямая поддержка линейной алгебры разреженных матриц; экспериментальная поддержка кванторного исключения с использованием цилиндрического алгебраического разложения; экспериментальная поддержка символьной оптимизации; быстрая свертка и корреляция для массивов любого размера и размерности; новые улучшенные алгоритмы для преобразований Фурье (рис. 1.23); ускоренное вычисление полиномиальных уравнений; новые алгоритмы для функции минимизации FindMinimum; расширение возможностей матричных преобразований; алгебраическая вычислительная поддержка для функций символьных преобразований Simplify, FunctionExpand и связанных с ними других функций; расширение возможностей функций преобразования FullSimplify и FunctionExpand; упрощение полиномиальных и других неравенств; полная улучшенная поддержка символьных преобразований Лапласа и Фурье; расширенные возможности решения трансцендентных уравнений; ускоренное неоднократное дифференцирование; поддержка ряда новых специальных функций (Дирака, Струве, обобщенных логарифмов, двумерных гипергеометрических функций Аппеля, полилогарифмов Ньелсена, гармонических функций, различных констант и т. д.); новые оптимизированные методы для оценивания е, n и других констант с очень высокой точностью; полная поддержка для непрерывных дробей и периодических цифровых последовательностей ; прямая поддержка поразрядных операций.

Рис. 1.23. Пример выполнения преобразования Фурье в среде Mathematica 4

Из рис. 1.23. видно, что на преобразование Фурье массива 500x500 элементов Mathematica 4 затратила около 2 с. Для сравнения отметим, что Mathematica 3 выполнила ту же работу за 11 с, то есть ускорение преобразования Фурье оказывается более чем пятикратным.

Рисунок 1.24. иллюстрирует возможности выполнения интегральных преобразований Лапласа и Фурье в символьном виде.

Рис. 1.24. Примеры интегральных аналитических преобразований

Некоторые другие примеры использования, характерные для системы Mathematica 4, можно найти на Интернет-странице фирмы Wolfram.

 

Улучшенная поддержка средств графики и звука

Графика всегда была козырной картой систем Mathematica. В новой версии системы также реализованы многочисленные новые возможности. Отметим наиболее существенные из них:

ускоренный вывод графических данных на дисплеи больших размеров; экспорт и импорт графики и звука во многих форматах (рис. 1.25); поддержка дискретного масштабирования уровней цвета; поддержка трехмерной динамической графики в реальном времени (только в среде Windows); ускоренная генерация и вывод на экран больших графиков; полностью согласованная поддержка безусловных опций.

Рис. 1.25. Форматы ввода и вывода изображений, поддерживаемые системой Mathematica 4

Всего Mathematica 4 поддерживает свыше 20 различных форматов файлов. Возможность импорта графического файла с высоким разрешением в формате TIFF и последующего преобразования файла в формат JPG иллюстрирует рис. 1.26.

Рис. 1.26. Пример импорта файла в одном формате и экспорта того же файла в другом формате

Средства графики Mathematica 4 позволяют использовать систему в качестве графического процессора, осуществляющего эффективные цифровые преобразования изображений, такие как стилизация (рис. 1.27), повышение и понижение контрастности и яркости, обработка цветов, фильтрация и т. д.

Рис. 1.27. Пример обработки изображения, показанного на рис. 1.26

Все это, разумеется, повышает шансы системы Mathematica 4 сохранить за собой роль мирового лидера среди систем компьютерной математики для ПК.

Вращение трехмерных графиков мышью

Следом за системами Maple V R5 и Mathcad 8 PRO Mathematica 4 приобрела возможность быстрого вращения произвольных трехмерных графиков. Пример реализации этой возможности представлен на рис. 1.28.

Данная возможность достигнута за счет существенного ускорения построения сложных трехмерных фигур с помощью команды, включенной в специальный файл и загружаемой как

<<RealTime3D`

Другая команда,

<<Default3D`

возвращает систему к стандартным возможностям трехмерной графики.

Из приведенных данных ясно, что возможности системы Mathematica 4 и скорость ее работы существенно повышены. Однако при этом сохранена практически полная совместимость по интерфейсу пользователя и базовому набору операторов и функций с предшествующей версией Mathematica 3. Так что из этой книги читатель получит достаточно полные сведения не только о новейшей версии Mathematica 4, но и о ее предшественнице — системе Mathematica 3. Значительная часть сведений и примеров полезны и пользователям версий Mathematica 2.x.

Рис. 1.28. Стоп- кадр документа, показывающего возможность вращения трехмерной фигуры в реальном времени

При выборе той или иной версии решающую роль играют финансовые соображения и аппаратные требования к компьютеру. Как уже отмечалось, новая версия Mathematica 4 для установки на компьютере с операционной системой Windows 95/98 требует объема ОЗУ 16/24 Мбайт и 40/156 Мбайт места на жестком диске (в числителе дробей минимальное значение, в знаменателе — рекомендуемое). В то же время, система Mathematica 2.2.2 требует емкости ОЗУ 8 Мбайт (версия 2.1 — даже 4 Мбайт), занимает на жестком диске 14 Мбайт и инсталлируется с 6 обычных гибких дисков.

Программирование и ядро системы

Средства программирования и ядра системы Mathematica дают ряд новых возможностей:

функции NestWhile и NestWhileList, позволяющие обобщения функции FixedPoint; функции PadLeft и PadRight; поддержку перекрытия и расширения подсписков, генерируемых функцией Partition; функции ListConvolve и ListCorrelate; обобщение функций Take, Drop и связанных с ними функций до любой размерности и любых шагов по индексу; поддержку функции All для определения частей на определенных уровнях в выражениях; расширения в функции Mod для поддержки кириллических списков; контекст Developer, предоставляющий доступ к внутренним функциям системы; контекст Experimental, предоставляющий доступ к функциям, находящимся в стадии разработки.

Операции ввода и вывода

Операции ввода и вывода в Mathematica 4 дают следующие новые возможности:

оптимизированный разрыв строк для удобства ввода выражений и программ; динамический текстовый курсор, обеспечивающий визуальную непрерывность ввода; динамические цветные подсказки при вводе ограничивающих скобок; автоматическое замещение вводимых ключевых последовательностей специальными символами или другими объектами; новый альтернативный синтаксис для извлечения частей выражений и применения функций; внедрение ячеек в текст; существенно ускоренный вывод строковых выражений.

Системный интерфейс

На уровне системного интерфейса в Mathematica 4 обеспечены:

поточный вывод табличных данных; развитая поддержка преобразования ячеек в HTML; дополнительная поддержка вывода в формате ТеХ; ускорено взаимодействие с внешними программами через MathLink; поддержка дополнительных наборов символов, включая китайские и корейские; экспериментальная поддержка вывода на экран в режиме реального времени; экспериментальная поддержка удаленных файловых систем через MathLink; экспериментальная поддержка всплывающих кнопочных палитр.

 

Что нового мы узнали

В этом уроке мы научились:

Классифицировать системы компьютерной математики. Оценивать аппаратные ресурсы, нужные для работы с системами Mathematiса 3 и 4. Использовать Интернет-сайт фирмы Wolfram Research — разработчика систем Mathematica. Использовать некоторые средства диалога с системой. Выполнять проверку некоторых решений. Выполнять инсталляцию систем Mathematica 3 и 4. Запускать системы Mathematica 3 и 4. Выполнять прямые операции с ядром систем. Распознавать многочисленные отличительные особенности Mathematica 4.

 

---

---