Великолепная семёрка MathCAD.
Но не только этим хороша размерность в задачах. Главное то , что она автоматически позволяет отслеживать физические ошибки.
Если, к примеру, пользователь сложит секунды с метрами, то MathCAD заругается и выдаст протестующее сообщение incompatible units (несовместимые единицы).
Элегантность решения системы уравнений в среде MathCAD, не требующая кодирования алгоритма или поиска соответствующей внешней процедуры, имеет и обратную сторону : у пользователя возникают естественные в правильности решения. Протестировать нужно не только компьютер, но и пользователя : правильно ли он составил исходную схему ?
Сравнивая тип переменной с размерностью физической величины, мы тем самым провели аналогию между пакетом MathCAD и языком BASIK. Продолжим её. Повторяем : знак : = в среде MathCAD соответствует операторам Input и Let на языке BASIK, а знак = - оператору Print.
В среде MathCAD слева от знака := пользователь может написать переменную ( простую, с индексом, матрицу, вектор), а справа - выражение с переменными и функциями , определёнными выше и левее или встроенными в пакет MathCAD. Слева от знака = разрешено писать переменную или выражение, правая же часть - это область, всецело принадлежащая среде MathCAD, куда выводятся рассчитанные значения.
1 Это свойство дало пакету MathCAD второе название - суперкалькулятор : пользователь набрал сложнейшую формулу, нажал на клавишу равно - и ответ готов. А вот жирного знака равно, разделяющего левую и правую части MathCAD - выражений, на языке BASIK, к сожалению, нет а почему!?
В языках QBASIK, Quick BASIK и Visual BASIK от фирмы Microsoft есть конструкции, обладающие свойством, которое с некоторой долей условности можно назвать полиморфизмом. Одно и то же ключевое слово меняет свой смысл в различных программных сюжетах.
Так, упоминавшийся знак = - это и символ в операторе присвоения ( где Let давно уже не пишут ), и символ в булевом выражении. Другой пример - ключевые слова Mid$ и Time$, которые согласно документации по языку отмечают и встроенную функцию, и оператор языка:
A$ = Mid$(COMPUTER, 3, 3) Здесь Mid$ - функция
Mid$(A$, 2,1) =$$$ Здесь Mid$ - оператор
StartTime$ = Time$ Здесь Time$ - функция
Time$ = 12:30 Здесь Time$ - оператор
Когда ключевое слово Mid$ стоит в правой части оператора присвоения, оно означает встроенную функцию. Перенос же Mid$ в левую часть превращает его в оператор.
Второй пример не совсем правомерен : Time$ правильнее назвать не функцией и не оператором, а системной переменной. Системные переменные есть и в среде MathCAD.
Пакету MathCAD не грех перенять из языка BASIC некоторые полезные вещи. Ему в частности, очень не хватает цикла Do...Loop, в тело которого вставляется условие прерывания If...Then Exit Do. В среде MathCAD нельзя, например, в автоматическом режиме реализовывать метод последовательных приближений. Без цикла этот метод допустим только в полуавтоматическом режиме: пользователь задаёт первое приближение искомой переменной, а затем цепочкой формул, где фигурирует данная переменная, получает её новое значение.
Расчёт повторяется в цикле с ручным переносом до тех пор, пока новая пара значений не удовлетворит пользователя. Можно поступить ещё проще - не переносить новое значение переменной в головку блока выражений, а продублировать блок нужное число раз.
Если в таком алгоритме сходимости нет, то его всё равно используют, называя при этом методом научного тыка. Именно ему адресован полуавтоматический цикл.
Кроме того, нужно помнить, что более - менее сложная система нелинейных уравнений окажется не по зубам не только пакету MathCAD, но и другим мощным пакетам - Mathemateca, Maple, Gauss и др. MathCAD в такой ситуации выдаст сообщение Did not find solution (Решение не найдено), заставляя пользователя переходить к полуавтоматическому режиму - менять значения начального приближения и (или) величину точности TOL (TOLerance - точность, погрешность). Функция Find решает систему так, чтобы левые и правые части входящих в неё уравнений отличались на величину, не превышающую значения TOL. Это ещё одна предопределённая (системная) переменная среды MathCAD, хранящая по умолчанию значение 0.001, которое можно изменить, записав в MathCAD - документе выражение TOL : = 0.00000001, например.
Но и это часто не помогает. Только при строго определённых начальных условиях пакет MathCAD находит правильное решение. Шаг влево, шаг вправо - расстрел!
Малейший отход от начальных условий - и из слова Find вырывается пламя: красное сообщение Did not find solution в той же красной рамке. Но эта же задача с неограниченным диапазоном исходных данных прекрасно решается последовательными приближениями с поиском в цикле корня одного - единственного уравнения. Отход от лобовой атаки (от использования блока Given...Find) возможен лишь в том случае, если система уравнений не абстрактная, какие обычно приводятся в задачниках по математике, а реальная, отображающая конкретную (физическую, химическую, биологическую и т.д.) задачу.
Кроме того прикладник (физик, химик, биолог и т.д.), решая задачу может сделать разумные допущения, линеаризирующие, например, некоторые выражения или уменьшающие их число. Другое важное преимущество метода последовательных приближений состоит в том, прикладник, зная физика задачи, может менять точность расчётов при обработке выражений, входящих в систему. В блоке Given...Find, как было уже отмечено, это не допустимо.
В нём можно лишь смягчить эту проблему с другого конца - ввести в выражения балластные (нормирующие ) коэффициенты, уравнивающие их по отношению друг к другу и позволяющие им решаться с одной точностью. А это опять же потеря физики в угоду математики. Но тем не менее все перечисленные ухищрения часто остаются тщетными из - за того, что система просто ... не имеет решения, да и вся задача ориентированна не на поиск корней, а на минимизацию некоторых величин. В этом случае функция Find заменяется на функцию Minerr (MINimal ERRor).
С помощью блока Given...Minner можно решать широкий класс оптимизационных задач.
Для решения линейных алгебраических уравнений в пакете MathCAD есть особые инструменты - операторы и функции работы с матрицами и векторами. Элементы матриц и векторов в среде MathCAD должны либо иметь одинаковую размерность, либо быть безразмерными.
А это не просто ошибка пакета, а общая методологическая ошибка: элементы матрицы могут быть с разнородными размерностями.
Матрица и вектор пакета MathCAD имеют родственников на языке BASIC - двумерный и одномерный массивы. Массив же - это объединение сугубо однотипных величин. Разнотипные переменные объединяются в записи. Что бы примирить физику с математикой, достаточно разрешить в столбцах матрицы помещать величины с разнородными единицами измерений, считая матрицу не только двухмерным массивом простых переменных, но и одномерным массивом векторов.
В записи (в векторе) могут, конечно храниться и однотипные переменные - переменные с одной размерностью или вообще лишенные её. Аналог одномерного массива в MathCAD - это матрица с одним столбцом. Но такая горизонтальная матрица не выражается через переменную с индексом.
Переменная с индексом - это нормальный, вертикальный, вектор. Если допустить, что матрица - собрание (множество) величин с различной размерностью, то тогда придётся все матричные операторы и функции разделить на группы по отношению к единицам измерений. Так функции min (поиск минимального элемента в массиве ) и max (поиск максимального элемента в массиве ) не могут допустить неодинаковых размерностей в элементах матрицы - аргумента.
Оператор же определения детерминанта должен преобразовывать матрицу как массив векторов. Величины в строках здесь должны быть одной размерности.
С точки зрения математика (несмотря на отсутствие размерности, что ведёт за собой смысловую потерю физики задачи) решение в среде MathCAD системы линейных алгебраических уравнений через матрицы более оптимально, чем через блок Given...Find: отпадает необходимость в начальном приближении (у линейной системы не более одного корня - вектора). Кроме того, матричное решение задачи - точнее.
Есть и другие причины по которым приходится отказываться от размерностей. Международная система физических величин ( СИ ) базируется на семи основных единицах (длина - метр, масса - килограмм, время - секунда, сила тока - ампер, абсолютная температура - кельвин, сила света - кандела и количество вещества - моль).
Но в среде MathCAD их только пять: длина, масса, время, заряд и абсолютная температура.
Да, как это ни печально, но с единицами измерений при работе в среде MathCAD часто приходится расставаться. Вина здесь не только фирмы MathSoft, но и всей теории размерностей.
Дело в том, что эта теория какая - то незаконченная. Недаром её избегают освещать в математических справочниках. В физических же справочниках, когда дело доходит до размерностей, теряется всякая логика. Из - за этого многие научные дисциплины стараются избавиться от пут размерностей, вводя безразмерные величины (критерии): число Рейнольдца, например, если вспомнить аэродинамику.
Освобождение от размерностей подкреплено целой теорией - теорией подобия. Всё это не могло отразится на развитии пакета MathCAD: там упомянутая пятёрка размерностей (длина, масса, время, заряд и абсолютная температура) неудобоварима в психологическом и даже в парапсихологическом смыслах. Химики никак не могут понять, как концентрацию раствора можно измерять только молями, которых , кстати, в пакете MathCAD нет. Сама по себе размерность - понятие скользкое, опирающееся не только на науку, но и на привычки людей, законы искусства и даже на постулаты религии.
Стоит только вспомнить попытки заменить в метеосводках миллиметры ртутного столба на гектопаскали. Парапсихологический, если можно так выразится, аспект проблемы размерностей в среде MathCAD выражен в том, что пятёрка - число некрасивое, а значит, и неправильное.
Там должна быть семёрка, но не та, которая заложена в Международную систему, а некая другая.
Семь - число совершенное в науке, в искусстве и в религии: стоит только перечислить цвета радуги, ноты музыкальной гаммы, дни недели, чудеса света, наиболее промышленно развитые страны мира, античных мудрецов, смертные грехи... В классическом варианте языка BASIC семь структурных управляющих конструкций алгоритма (цикл с предпроверкой, цикл с постпроверкой, цикл с выходом из середины, альтернатива, функция, процедура и множественное ветвление ) и семь типов переменных (Integer, Long Integer, Single - precision Floating Point, Double - precision Floating Point, Currency, String и Type - тип, заданный пользователем).
Да и сама цифровая вычислительная техника базируется не на числе 8 (байт), как принято считать, а на числе 7. Два (бита) в степени восемь (256) - это число символов в ASCxx - таблице. Но ASCxx - таблица ни машиной, ни человеком никогда не воспринимается как единое целое, а всегда разбивается на две половины - верхнюю и нижнюю по 128 знаков в каждой.
А это два в степени семь, а не восемь.
Ещё одна базовая размерность лежит на поверхности, но почему - то напрочь отвергается учеными. Это единица измерения стоимости - рубли, доллары, марки и т.д. Из -за этого в среде MathCAD экономические расчёты лишены размерности.
Кстати, в язык BASIC размерность валюты введена косвенно через новый тип числовых переменных - Currency.
Великолепная семёрка MathCAD.
Раз мы уж залезли в мистику (в описание магических свойств числа семь), то подошла пора рассказа о великолепной семёрке MathCAD - о семи видах графиков, используемых для визуального отображения различных зависимостей. Типов графиков в MathCAD, конечно, намного больше, но на панели инструментов имеется ровно семь кнопок для создания семи типов графиков.
Мистика да и только.
Самый распространенный график: двухмерный декартов график (X-Y Plot), иллюстрирующий связи между двумя или несколькими векторами.
Декартов график строится, как правило, в три шага:
hшаг 1: задание вида функций одной переменной;
h шаг 2: формирование вектора значений аргумента;
hшаг 3: построение графика.
Третий шаг в свою очередь делится опять же на три шага
hшаг 1: рисование на экране дисплея заготовки графика - прямоугольника с чёрными квадратиками у левой и правой сторон; заготовка графика появляется в отмеченном курсором месте после того, как пользователь нажмёт одну из семи кнопок панели инструментов Графики;
hшаг 2: заполнение пользователем двух чёрных квадратиков заготовки графика (вакантных мест) именем функции и именем аргумента. Если функций больше одной, то их имена вводятся через запятую. В заготовке есть и другие чёрные квадратики, которые можно не заполнять. Среда MathCAD заполнит их сама.
График появляется на дисплее после вывода курсора из зоны графика (автоматический режим расчётов ) или после нажатия клавиши F9 (ручной или автоматический режим расчётов). Параметры графика задаются стандартами по умолчанию;
hшаг 3 необходим, если параметры графика, установленные по умолчанию не устраивают пользователя и он хочет их изменить, вызвав соответствующее меню.
Если аргумент представляет собой угол, изменяющийся от 0 до 360 градусов, то ось аргументов декартова графика целесообразно свернуть в круг и получить полярный график ( Polar Plot).
Графически отобразить функцию двух аргументов можно с помощью графика поверхности (Surface Plot), который строится, как правило, не в три, а в семь шагов:
hшаг 1: задание вида функций двух переменных;
hшаг 2: нумерация узлов сетки - поверхности по первому аргументу;
hшаг 3: формирование вектора первого аргумента;
hшаг 4: нумерация узлов сетки-поверхности по второму аргументу;
hшаг 5: формирование вектора второго аргумента;
hшаг 6: заполнение матрицы значениями функции в узлах сетки;
hшаг 7: построение и форматирование графика поверхности.
Очень часто, особенно при поиске оптимумов функции двух переменных, полезнее просмотреть не график поверхности, а карту линии уровня, которые подобны линиям на физической географической карте, охватывающим горы и впадины (минимумы и максимумы).
На место линий графика можно поставить маленькие стрелочки, отмечающие направление изменения функций двух переменных. Тогда получится векторное поле (Vector Field Plot).
Гибридом декартова графика и графика поверхности является так называемый трёхмерный точечный график2 (3D Scatter Plot). Его главное отличие от графиков, отображающих прямоугольные матрицы, в том, что с его помощью можно изобразить взаимосвязь трёх векторов.
Графики можно расцветить так, чтобы более высокие зоны имели тёплые цвета, а более низкие - холодные. Пакет MathCAD может раскрасить объёмные конструкции (скажем точнее, виртуальные объёмные конструкции) так, чтобы пользователь смог увидеть всё, что ему нужно.
В шестую версию MathCAD встроены средства анимации, позволяющие оживить MathCAD - документы. С анимацией связана системная переменная FRAME, которой через команды Windows-Animation-Create... в окне Create-Animation можно приказать меняться, например от 1 до 10.
При открытом окне Create-Animation нужно выделить область, визуальное изменение которой желательно проанализировать и нажать кнопку Animate.после этого появится окно Playback, где средствами Microsoft Video будет показано изменение кривой на графике в зависимости от изменения значения переменной FRAME.
Основной недостаток трёхмерной графики MathCAD и других подобных пакетов - в том, что область изменения аргументов должна быть прямоугольной.
Сортировка.
Экспериментальные данные перед дальнейшей обработкой желательно отсортировать. Это можно сделать вручную, переставив местами два первых элемента или (при объёмных массивах данных) автоматически через функцию csort, возвращающую упорядоченную матрицу по отмеченному номеру столбца.
Для этого вектора объединяются в матрицу, которая после сортировки расчленяется на те же, но уже упорядоченные векторы. Это приходится делать из-за того, что некоторые функции MathCAD отказываются иметь дело с не отсортированными векторами.
Линейная аппроксимация.
Встроенные функции intercept (to intercept по-английски - отложить отрезок на линии) и slope (наклон) решают самую простую и самую распространённую задачу регрессионного анализа - нахождение прямой, пронизывающей точки методом наименьших квадратов.
Найденные значения коэффициентов а и b аппроксимирующего уравнения y(x) = a + bx позволяют построить на графике прямую с роящимися вокруг неё точками. Подобным графиком на практике, как правило, завершают регрессионный анализ: график, во-первых, даст наглядное представление о качестве анализа, а во-вторых, поможет в случае чего отловить допущенные ошибки ввода исходных данных (пропуск десятичной точки, например). Этой цели может служить и предварительная сортировка векторов: ошибочные значения часто всплывают на концах упорядоченного вектора.
В-третьих, график сам по себе ценен. Графиком, т.е. с другого конца, можно довольно быстро решить линейную аппроксимационную задачу.
Дополнить результаты регрессионного анализа неплохо указанием точки, максимально отклонившейся от прямой. Само значение такого выброса найти несложно через функцию max3.
А вот с определением координат этой точки придётся повозиться: привлечь аппарат булевых выражений, принимающих два значения - True (в среде MathCAD - единица) и False (нуль), умножение которых на текущий индекс фиксирует искомую координату.
В пакете MathCAD PLUS 6.0 почти 300 встроенных функций. При всём богатстве встроенных функций пакету MathCAD не хватает функции определения в векторе или в матрице координат минимального (максимального) элемента. Выход из положения - это сумма (для вектора) или двойная сумма (для матрицы) произведений номера текущего элемента на булево выражение. Эту конструкцию так и хочется оформить в виде новой функции с именем imax, например и больше с такой задачей не возиться.
Но в новую функцию перекочует и будет замаскирована ошибка - не ясно, что будет возвращать новорождённая функция imax, если в аргументе-векторе (в массиве) два или более максимальных элементов. Из прозрачной формулы с суммой это понятно, а из затенённой функции imax - нет.
Все эти замечания можно отнести и к встроенным функциям intercept и slope,возвращающим значения коэффициентов линейной регрессии. Всегда остаются сомнения, а нет ли в этих функциях фактической или методологической ошибки. Последнюю можно обнаружить, если подставить в функции intercept и slope аргументы - векторы с двумя или даже одним методом. Через две точки можно всегда провести только одну прямую.
Через одну точку прямых можно провести бесчисленное множество. И в том, и в другом случае сумма квадратов отклонений двух точек (одной точки) будет нулевой и требования метода наименьших квадратов будут выполняться абсолютно.
Но в первом случае функции можно intercept и slope будут решать простую интерполяционную задачу, для которой в среде MathCAD есть особый математический аппарат. Во втором случае (X и Y - не векторы, а скаляры) функции intercept и slope должны выдавать бесчисленное множество значений, связанных ограничением Y = a + bX.
В плане выполнимости критерия наименьших квадратов здесь всё безупречно, но методология, заложенная в функции intercept и slope, приводит к тому, что при числе элементов в векторах X и Y, меньше двух, выдаётся сообщение об ошибке. Всё это слабая защита, которую пользователь может легко обойти, подсунув функциям intercept и slope более одной точки, но с повторяющимися значениями аргументов.
Резюме: играть можно не только с игровыми программами. На эту роль подходят и серьёзные математические пакеты - было бы желание у пользователя.
Дифференциальные уравнения.
В среде MathCAD до версий PLUS 5.0 дифференциальные уравнения без особых ухищрений можно было решать только методом Эйлера, у которого низкие точность и производительность (плата за простоту). Инструментарий для решения дифференциальных уравнений (систем) различного порядка и различными методами в арсенале MathCAD появился сравнительно недавно. В него входят 13 встроенных функций (Bustoer, bustoer, bvalfit, multigird, relax, Rkadapt, rkadapt, rkfixed, sbval, Stiffb, stiffb, Stiffr и stiffr). Функция rkfixed возвращает в матрицу Z с Р+1 столбцами и n строками (Р - количество уравнений или порядок уравнения) - таблицу решений системы: первый (вернее, нулевой) столбец - это значения аргумента t (их задаёт пользователь), а последующие столбцы - значения ординат решения.
В функцию rkfixed заложен широко распространённый метод Рунге - Кутта. Несмотря на то что это не самый быстрый метод, функция rkfixed почти всегда справляется с поставленной задачей.
Программирование.
Наиболее заметная изюминка шестой версии MathCAD, которую сразу оценили пользователи, - это встроенный язык программирования. В MathCAD, по сути, не встроен язык программирования, а просто снято ограничение на использование составных операторов в теле алгоритмических управляющих конструкций выбор и повторение.
Кроме того, добавлены цикл с параметром и оператор досрочного выхода break. Алгоритмические конструкции и составные операторы в среде MathCAD вводятся нажимом одной из семи кнопок панели управления:
| Add line | |
| if | while |
| for | break |
| otherwise |
Add line - добавить строку программы, тела цикла, плеча альтернативы и т.д. - знак присвоения.
While - при нажатии на эту кнопку на экране появляется заготовка цикла с предпроверкой: слово while с двумя пустыми квадратиками. В квадратик правее while нужно записать булево выражение (переменную), управляющее циклом, а во второй квадратик (ниже while ) - тело цикла.
If - позволяет вводить в программу альтернативу с одним плечом.
Otherwise - позволяет превратить неполную альтернативу в полную:
C D if A B
E F otherwise
for - кнопка для ввода в программы цикла с параметром.
Break - кнопка досрочного выхода из программы или цикла.
MathCAD или программы на языках высокого уровня? Итак система MathCAD позволяет автоматизировать множество математических, инженерных и учебных расчётов. С её помощью можно составлять библиотеки и пакеты из документов, реализующих такие расчёты. Целесообразна ли, при наличии MathCAD, подготовка программ математических расчётов на языках высокого уровня? Однозначного отрицательного ответа дать нельзя. Система основательно загружает ПК. Интерпретация формул и работа системы всегда в графическом режиме ведёт к потере скорости вычислений.
Для ПК без сопроцессоров ( класса IBM PC XT ) медлительность системы вполне ощутима. Специализированные программы на Паскале и даже на Бейсике обеспечивают намного более высокую скорость вычислений однако и требуют больше времени для подготовки программ.
Что вам важнее : потратить несколько дней (а то и недель) на разработку и отладку программы, решающей нужную задачу за десятые доли секунды, или затратить всего десяток минут на составление документа, решающего ту же задачу с помощью системы MathCAD за несколько секунд? Если последний вариант предпочтительнее - вам подходит MathCAD!
Несомненно важны и такие достоинства системы, как высокая достоверность и надёжность результатов вычислений, наглядность документов и удобные графические средства вывода результатов вычислений.
Литература :
- Мир ПК 891 стр43
2.Мир ПК 891 стр48
3.Очков В.Ф MathCAD PLUS 6.0 для студентов и инженеров. - М.: ТОО фирма Компьютер Пресс,1996.
1 Это не совсем так: пользователь MathCAD может правее числа, стоящего за знаком =, ввести другую размерность, например метры.
2 Другое название - график рассеяния.
3 Стрелка в аргументе функции max указывает на то, что он - вектор.
