Компьютер как инструмент научной работы
Министерство образования и науки Российской Федерации
НИУ ГОУ ВПО ЮУрГУ
Кафедра “Автоматика и управления”
Реферат
по дисциплине «Информатика»
на тему «Компьютер как инструмент научной работы»
Оглавление
Введение 3
Интерфейс Mathcad 5
Назначение Mathcad 8
Графика в Mathcad 10
Функции и возможности Mathcad 12
Ввод формул 15
Аналитические вычисления 19
Решение уравнений и систем 22
Работа с комплексными числами 24
Работа с интегралами 25
Работа с матрицами 26
Заключение 29
Список литературы 30
Введение
Современные компьютеры используются для широкого круга функций во всех сферах нашей жизни. Одно из самых интересных социальных свойств компьютеров состоит в том, что компьютеры намного быстрее и шире, чем другие научно-технические средства, проникают в социальную среду. Влияние, которое компьютеры оказывают на общество, просто огромно, и сейчас они уже перестают быть достоянием только ученых и инженеров. Наступает время, когда каждый человек, а не только специалист по компьютерной технике обязан знать, как используется компьютер. Люди должны, во-первых, уметь работать на компьютере, а во-вторых, уметь сформулировать свои задачи. Кроме того, даже ученым и инженерам, работающим в области компьютерной техники, нельзя замываться в своей узкой области знаний, а нужно подходить к своей работе несколько шире. Необходимо уяснить, что развитие науки и техники в существенной мере определяется той ролью и местом, которые занимают компьютеры в нашем обществе. Долг каждого специалиста - оценить с позиций своих знаний, как следует использовать компьютер и как его не следует использовать.
Цель моей работы – раскрыть сущность компьютера как инструмента научной работы на примере программы Mathcad. Для ее достижения были поставлены следующие задачи:
- рассмотреть интерфейс программы;
- определить ее назначение и применение;
- изучить ее основные функции и возможности.
Исходя из вышесказанного, можно понять, что предметом исследования являются функции компьютера в сфере науки, а объектом – программа Mathcad.
Все это планируется
достичь с помощью анализа
учебной и научно-популярной литературы,
ресурсов Интернета и теоретических
знаний полученных из курса «Информатика».
Основная часть
Вычислительная мощь компьютера позволяет использовать его как средство автоматизации научной работы. Для решения сложных расчетных задач используют программы, написанные специально. В то же время, в научной работе встречается широкий спектр задач ограниченной сложности, для решения которых можно использовать универсальные средства.
К такого рода задачам относятся, например, следующие:
- подготовка научно-технических документов, содержащих текст и формулы, записанные в привычной для специалистов форме;
- вычисление результатов математических операций, в которых участвуют число вые константы, переменные и размерные физические величины;
- операции с векторами и матрицами;
- решение уравнений и систем уравнений (неравенств);
- статистические расчеты и анализ данных;
- построение двумерных и трехмерных графиков;
- тождественные преобразования выражений (в том числе упрощение), аналитическое решение уравнений и систем;
- дифференцирование и интегрирование, аналитическое и численное;
· решение дифференциальных уравнений;
· проведение серий расчетов с разными значениями начальных условий и других параметров.
К универсальным программам, пригодным для решения таких задач, относится, например, программа MathCad, которая представляет собой автоматизированную систему, позволяющую динамически обрабатывать данные в числовом и аналитическом (формульном) виде. Программа MathCad сочетает в себе возможности проведения расчетов и подготовки форматированных научных и технических документов.
Mathcad относится
к системам компьютерной
алгебры, то есть средств автоматизации математи
Интерфейс Mathcad
Основное отличие Mathcad от аналогичных программ — это графический, а не текстовый режим ввода выражений. Для набора команд, функций, формул можно использовать как клавиатуру, так и кнопки на многочисленных специальных панелях инструментов. В любом случае — формулы будут иметь привычный, аналогичный книжному, вид. То есть особой подготовки для набора формул не нужно. Вычисления с введенными формулами осуществляются по желанию пользователя или мгновенно, одновременно с набором, либо по команде. Обычные формулы вычисляются слева направо и сверху вниз (подобно чтению текста). Любые переменные, формулы, параметры можно изменять, наблюдая воочию соответствующие изменения результата. Это дает возможность организации действительности интерактивных вычислительных документов.
Рисунок 1 - Интерфейс Mathcad 15
В других программах (Maple, MuPAD, Mathematica) вычисления осуществляются в режиме программного интерпретатора, который трансформирует в формулы введенные в виде текста команды. Maple своим интерфейсом ориентирован на тех пользователей, кто уже имеет навыки программирования в среде традиционных языков с введением сложных формул в текстовом режиме. Для пользования Mathcad можно вообще не быть знакомым с программированием в том или ином виде.
Mathcad задумывался как средство программирования без программирования, но, если возникает такая потребность — Mathcad имеет довольно простые для усвоения инструменты программирования, позволяющие, впрочем, строить весьма сложные алгоритмы, к чему прибегают, когда встроенных средств решения задачи не хватает, а также когда необходимо выполнять серийные расчеты.
Отдельно
следует отметить возможность использования
в расчетах Mathcad величин с размерностями,
причем можно выбрать систему единиц: СИ, СГС, МКС, английск
Назначение Mathcad
Также стоит
поговорить о назначении программы,
чтобы более тщательно изучить
ее структуру и отличия от аналогов.
Система Maple, например, предназначена главным
образом для выполнения аналитических
(символьных) вычислений и имеет для этого
один из самых мощных в своем классе арсенал
специализированных процедур и функций
(более 3000). Такая комплектация для большинства
пользователей, которые сталкиваются
с необходимостью выполнения математических
расчетов среднего уровня сложности, является
избыточным. Возможности Maple ориентирован
Тоже
самое можно сказать и о Mathem
Разработчики
Mathcad сделали ставку на расширение системы
в соответствии с потребностями
пользователя. Для этого назначены
дополнительные библиотеки и пакеты
расширения, которые можно приобрести
отдельно и которые имеют дополнительные
функции, встраиваемые в систему
при установке, а также электронные
книги с описанием методов
решения специфических задач, с
примерами действующих алгоритм
Mathcad, в отличие от Maple, изначально создавался для численного решения математических задач, он ориентирован на решение задач именно прикладной, а не теоретической математики, когда нужно получить результат без углубления в математическую суть задачи. Впрочем, для тех, кому нужны символьные вычисления и предназначено интегрированное ядро Maple (с версии 14 — MuPAD). Особенно это полезно, когда речь идет о создании документов образовательного назначения, когда необходимо продемонстрировать построение математической модели, исходя из физической картины процесса или явления. Символьное ядро Mathcad, в отличие от оригинального Maple (MuPAD) искусственно ограничено (доступно около 300 функций), но этого в большинстве случаев вполне достаточно для решения задач инженерногохарактера.
Более того, опытные пользователи Mathcad обнаружили, что в версиях до 13 включительно есть возможность не слишком сложным способом задействовать почти весь функциональный арсенал ядра Maple (так называемые «недокументированные возможности»), что приближает вычислительную мощность Mathcad к Maple.
Графика в Mathcad
Отдельно следует рассмотреть систему построения графиков и визуализации данных в Mathcad. В среде Mathcad фактически нет графиков функций в математическом понимании термина, а есть визуализация данных, находящихся в векторах и матрицах (то есть осуществляется построение как линий так и поверхностей по точкам с интерполяцией), хотя пользователь может об этом и не знать, поскольку у него есть возможность использования непосредственно функций одной или двух переменных для построения графиков или поверхностей соответственно. Так или иначе, механизм визуализации Mathcad значительно уступает таковому у Maple, где достаточно иметь только вид функции, чтобы построить график или поверхность любого уровня сложности. По сравнению с Maple, графика Mathcad имеет еще такие недостатки, как: невозможность построения поверхностей, заданных параметрически, с непрямоугольной областью определения двух параметров; создание и форматирование графиков только через меню, что ограничивает возможности программного управления параметрами графики.
Рисунок 2 - Трехмерная модель, построенная в Mathcad
Однако следует помнить об основной области применения Mathcad — для задач инженерного характера и создание учебных интерактивных документов, возможностей визуализации вполне достаточно. Опытные пользователи Mathcad демонстрируют возможность визуализации сложнейших математических конструкций, но объективно это уже выходит за рамки назначения пакета.
Функции и возможности Mathcad
Mathcad содержит
сотни операторов и встроенных функций для решения
различных технических задач. Программа
позволяет выполнять численные и символьные
вычисления, производить операции с скалярными
величинами, векторами и матриц
Среди возможностей Mathcad можно выделить:
- Решение дифференциальных уравнений, в том числе и численными методами
- Построение двумерных и трёхмерных графиков функций (в разных системах координат, контурные, векторные и т. д.)
- Использование греческого алфавита как в уравнениях, так и в тексте
- Выполнение вычислений в символьном режиме
- Выполнение операций с векторами и матрицами
- Символьное решение систем уравнений
- Аппроксимация кривых
- Выполнение подпрограмм
- Поиск корней многочленов и функций
- Проведение статистических расч
ётов и работа с распределением вероятностей - Поиск собственных чисел и векторов
- Вычисления с единицами измерения
- Интеграция с САПР системами, использование результатов вычислений в качестве управляющих параметров
С помощью Mathcad инженеры могут документировать все вычисления в процессе их проведения.
Возможно
дополнение Mathcad новыми возможностями
с помощью специализированных пакетов
расширений и библиотек, которые
пополняют систему
- Пакет для анализа данных (англ. Data Analysis Extension Pack) — обеспечивает Mathcad необходимыми инструментами для анализа данных.
- Пакет для обработки сигналов (англ. Signal Processing Extension
Pack) — содержит более 70 встроенных функций для аналоговой и цифровой обра
ботки сигналов, анализа и представления результатов в графическом виде. - Пакет для обработки изображений (англ. Image Processing Extension Pack) — обеспечивает Mathcad необходимыми инструментами для обработки изображений, анализа ивизуализации.
- Пакет для работы с фунциями волнового преобразования (англ. Wavelets
Extension Pack) — содержит большой набор дополнительных вейвлет-функций
, которые можно добавить в библиотеку встроенных функций базового модуля Mathcad Professional. Пакет предоставляет возможность применить новый подход к анализу сигналов и изображений, статистической оценки сигналов, анализа сжатия данных, а также специальных численных методов. Функциональность включает одно- и двухмерные вейвлеты, дискретные вейвлет-преобразования, мультианализ разрешения и многое другое. Пакет объединяет более 60 функций ключевых вейвлетов. Включены ортогональные и биортогональные семейства вейвлетов, среди прочего — вейвлет Хаара, вейвлет Добеши, симлет, койфлет и B-сп лайны. Пакет также содержит обширную диалоговую документацию по основным принципам вейвлетов, приложения, примеры и таблицы ссылок. - Библиотека строительства (англ. Civil Engineering Library) — включает справочник англ. Roark's
Formulas for Stress and Strain (Формулы Роарка для расчета напряженийи деформаций
), настраиваемые шаблоны для строительного проектирования и примеры тепловых расчётов. - Электротехническая библиотека (англ. Electrical Engineering Library ) — содержит стандартные вычислительные процедуры, формулы и справочные таблицы, используемые в электротехнике. Текстовые пояснения и примеры облегчают работу с библиотекой — каждый заголовок имеет гиперссылку на оглавление и указатель, и его можно найти в системе поиска.
- Библиотека машиностроения (англ. Mechanic
al Engineering Library) — включает справочник англ. Roark's Formulas for Stress and Strain (Формулы Роарка для расчета напряжений и деформаций), содержащий более пяти тысяч формул, вычислительные процедуры из справочника McGraw-Hill и мето д конечных элементов. Текстовые пояснения, поисковая система и примеры облегчают работу. В состав библиотеки включена электронная книга Дэвида Пинтура «Введение в метод конечных элементов».
Ввод формул
Формулы — основные объекты рабочего листа. Новый объект по умолчанию является формулой. Чтобы начать ввод формулы, надо установить крестообразный курсор в нужное место и начать ввод букв, цифр, знаков операций. При этом создается область формулы, в которой появляется уголковый курсор, охватывающий текущий элемент формулы, например имя переменной (функции) или число. При вводе бинарного оператора по другую сторону знака операции автоматически появляется заполнитель в виде черного прямоугольника. В это место вводят очередной операнд.
Для управления порядком операций используют скобки, которые можно вводить вручную. Уголковый курсор позволяет автоматизировать такие действия. Чтобы выделить элементы формулы, которые в рамках операции должны рассматриваться как единое целое, используют клавишу ПРОБЕЛ. При каждом ее нажатии уголковый курсор «расширяется», охватывая элементы формулы, примыкающие к данному. После ввода знака операции элементы в пределах уголкового курсора автоматически заключаются в скобки.
Элементы формул можно вводить с клавиатуры или с помощью специальных панелей управления. Панели управления (рис. 3) открывают с помощью меню View (Вид) или кнопками панели управления Math (Математика). Для ввода элементов формул предназначены следующие панели:
- панель управления Calculator (Счет) для ввода чисел, знаков типичных математических операций и наиболее часто употребляемых стандартных функций;
- панель управления Evaluation (Вычисление) для ввода операторов вычисления и знаков логических операций;
- панель управления Graph (График) для построения графиков;
- панель управления Matrix (Матрица) для ввода векторов и матриц и задания матричных операций;
- панель управления Calculus (Исчисление) для задания операций, относящихся к математическому анализу;
- панель управления Greek (Греческий алфавит) для ввода греческих букв;
- панель управления Symbolic (Аналитические вычисления) для управления аналитическими преобразованиями.
- панель управления Programming (Программирование) содержит специальные функции программирования;
- панель управления Boolean (Логические вычисления) для управления логическими выражениями;
Введенное выражение обычно вычисляют или присваивают переменной. Для вывода результата выражения используют знак вычисления, который выглядит как знак равенства и вводится при помощи кнопки Evaluate Expression (Вычислить выражение) на панели инструментов Evaluation (Вычисление).
Рисунок 3 - Панели инструментов программы MathCad для ввода формул
Знак присваивания изображается как «:=», а вводится при помощи кнопки Assign Value (Присвоить значение) на панели инструментов Evaluation (Вычисление). Слева от знака присваивания указывают имя переменной. Оно может содержать латинские и греческие буквы, цифры, символы «'», «_» и «¥», а также описательный индекс. Описательный индекс вводится с помощью символа «.» и изображается как нижний индекс, но является частью имени переменной, например Vinit. «Настоящие» индексы, определяющие отдельный элемент вектора или матрицы, задаются по-другому.
Переменную, которой присвоено значение, можно использовать далее в документе в вычисляемых выражениях. Чтобы узнать значение переменной, следует использовать оператор вычисления.
В следующем
примере вычислена площадь
r: = 2 s : = pr2 s = 12.566
Аналитические вычисления
С помощью аналитических вычислений находят аналитические или полные решения уравнений и систем, а также проводят преобразования сложных выражений (например, упрощение). Иначе говоря, при таком подходе можно получить нечисловой результат. В программе MathCad конкретные значения, присвоенные переменным, при этом игнорируются — переменные рассматриваются как неопределенные параметры. Команды для выполнения аналитических вычислений в основном сосредоточены в меню Symbolics (Аналитические вычисления).
Чтобы упростить выражение (или часть выражения), надо выбрать его при помощи уголкового курсора и дать команду Symbolics > Simplify (Аналитические вычисления > Упростить). При этом выполняются арифметические действия, сокращаются общие множители и приводятся подобные члены, применяются тригонометрические тождества, упрощаются выражения с радикалами, а также выражения, содержащие прямую и обратную функции (типа е!пх). Некоторые действия по раскрытию скобок и упрощению сложных тригонометрических выражений требуют применения команды Symbolics > Expand (Аналитические вычисления > Раскрыть).
Команду Symbolics > Simplify (Аналитические вычисления > Упростить) применяют и в более сложных случаях. Например, с ее помощью можно:
• вычислить предел числовой последовательности, заданной общим членом;
· найти общую формулу для суммы членов числовой последовательности, заданной общим членом;
• вычислить производную данной функции;
· найти первообразную данной функции или значение определенного интеграла.
Другие возможности меню Symbolics (Аналитические вычисления) состоят в выполнении аналитических операций, ориентированных на переменную, использованную в выражении. Для этого надо выделить в выражении переменную и выбрать команду из меню Symbolics > Variable (Аналитические вычисления > Переменная). Команда Solve (Решить) ищет корни функции, заданной данным выражением, например, если выделить уголковым курсором переменную х в выражении а×х2 + b×х + с, то в результате применения команды Symbolics > Variable > Solve (Аналитические вычисления > Переменная > Решить), будут найдены все корни:
Другие
возможности использования
· аналитическое дифференцирование и интегрирование: Symbolics > Variable > Differentiate (Аналитические вычисления > Переменная > Дифференцировать) и Symbolics > Variable > Integrate (Аналитические вычисления > Переменная > Интегрировать);
замена переменной: Symbolics > Variable > Substitute (Аналитические вычисления >Переменная > Подставить) — вместо переменной подставляется содержимое буфера обмена;
разложение в ряд Тейлора: Symbolics > Variable > Expand to Series (Аналитические вычисления > Переменная > Разложить в ряд);
представление дробно-рациональной функции в виде суммы простых дробей с линейными и квадратичными знаменателями: Symbolics t Variable > Convert to Partial Fraction (Аналитические вычисления > Переменная > Преобразовать в простые дроби).
Наконец, самым мощным инструментом аналитических вычислений является оператор аналитического вычисления, который вводится с помощью кнопки Symbolic Evaluation (Вычислить аналитически) на панели инструментов Evaluation (Вычисление). Его можно, например, использовать для аналитического решения системы уравнений и неравенств. Блок решения задается точно так же, как при численном решении (хотя начальные значения переменных можно не задавать), а последняя формула блока должна выглядеть как find(х,у,...)®, где в скобках приведен список искомых величин, а далее следует знак аналитического вычисления, отображаемый в виде стрелки, направленной вправо.
Любое аналитическое вычисление можно применить с помощью ключевого слова. Для этого используют кнопку Symbolic Keyword Evaluation (Вычисление с ключевым словом) на панели инструментов Evaluation (Вычисление). Ключевые слова вводятся через панель инструментов Symbolics (Аналитические вычисления). Они полностью охватывают возможности, заключенные в меню Symbolics (Аналитические вычисления), позволяя также задавать дополнительные параметры.
Решение уравнений и систем
Для численного поиска корней уравнения в программе MathCad используется функция root. Она служит для решения уравнений вида f(x) = 0, где f(x) — выражение, корни которого нужно найти, а х — неизвестное. Для поиска корней с помощью функции root, надо присвоить искомой переменной начальное значение, а затем вычислить корень при помощи вызова функции: root(f(x),x). Здесь f(x) — функция переменной х, используемой в качестве второго параметра. Функция root возвращает значение независимой переменной, обращающее функцию f(x) в 0. Например:
х := I
root(2×sin(x) –x,x) = 1.895.
Если
уравнение имеет несколько
Если надо решить систему уравнений (неравенств), используют так называемый блок решения, который начинается с ключевого слова given (дано) и заканчивается вызовом функции find (найти). Между ними располагают «логические утверждения», задающие ограничения на значения искомых величин, иными словами, уравнения и неравенства. Всем переменным, используемым для обозначения неизвестных величин, должны быть заранее присвоены начальные значения.
Чтобы записать уравнение, в котором утверждается, что левая и правая части равны, используется знак логического равенства — кнопка Boolean Equals (Логически равно) на панели инструментов Evaluation (Вычисление). Другие знаки логических условий также можно найти на этой панели.
Заканчивается блок решения вызовом функции find, у которой в качестве аргументов должны быть перечислены искомые величины. Эта функция возвращает вектор, содержащий вычисленные значения неизвестных. Например:
x:=0
y:=0
given
х + у=1
x2 + y2 = 4
find(x,y)=
Работа с комплексными числами
Большинство
операций в среде Mathcad по умолчанию
осуществляются над комплексными числами.
Комплексное число является суммой
действительного и мнимого
После того, как вы попробуете складывать комплексные числа, можно попробовать их перемножать, чтобы убедиться в том, что Mathcad умеет делать и это. Можете попробовать возводить комплексные числа в какую-либо степень, а также любым другим образом поиздеваться над ними. Как и следовало ожидать, Mathcad с легкостью справляется с подобными заданиями. Поэтому вы можете работать с комплексными числами фактически точно так же, как и с действительными.
Работа с интегралами
Интегрирование, как и дифференцирование, и множество других математических действий, устроено в Mathcad по принципу "как пишется, так и вводится". Чтобы вычислить определенный интеграл, следует напечатать его обычную математическую форму в документе. Делается это с помощью панели Calculus (Вычисления) нажатием кнопки со значком интеграла или вводом с клавиатуры сочетания клавиш <Shift>+<7> (или символа "&", что то же самое). Появится символ интеграла с несколькими местозаполнителями (рис. 3), в которые нужно ввести нижний и верхний интервалы интегрирования, подынтегральную функцию и переменную интегрирования.
Чтобы получить
результат интегрирования, следует
ввести знак равенства или символьного
равенства. В первом случае интегрирование
будет проведено численным
Рисунок 4 - Численное и символьное вычисление интеграла в Mathcad
Работа с матрицами
Векторы и
матрицы рассматриваются в
После щелчка на кнопке ОК в формулу вставляется матрица, содержащая вместо элементов заполнители. Вместо каждого заполнителя надо вставить число, переменную или выражение.
Для матриц определены следующие операции: сложение, умножение на число, перемножение и прочие. Допустимо использование матриц вместо скалярных выражений: в этом случае предполагается, что указанные действия должны быть применены к каждому элементу матрицы, и результат также представляется в виде матрицы. Например, выражение М+ 3, где М — матрица, означает, что к каждому элементу матрицы прибавляется число 3. Если требуется явно указать необходимость поэлементного применения операции к матрице, используют знак векторизации, для ввода которого служит кнопка Vectorize (Векторизация) на панели инструментов Matrix (Матрица). Например:

- Компьютер как исторический фактор
- Компьютер как современное техническое средство обработки информации
- Компьютер как средство автоматизации информационных процессов
- Компьютер как средство общения людей
- Компьютер как универсальное устройство обработки информации
- Компьютерлiк вирустар
- Компьютерләі вирустар
- Компьютер и здоровья
- Компьютеризированная реклама
- Компьютеризированная реклама
- Компьютеризированная реклама
- Компьютер и интернет
- Компьютер и Интернет в современной и будущей жизни
- Компьютер и окружающий мир