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.