МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОРДОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ИМЕНИ М. Е. ЕВСЕВЬЕВА»
Факультет физико-математический
Кафедра информатики и вычислительной техники
Реферат на тему:
«Возможности математического пакета Matlab»
Выполнила: С. А. Курышова,
студентка II курса группы МДМ-114
Проверила: кан. физ-мат. наук, доцент
Кормилицына Т.В
Саранск 2016
Введение
Одним из факторов, определяющих уровень развития современного общества и его интеллектуальные возможности, является оснащенность его средствами вычислительной техники. Сфера использования ЭВМ в настоящее время настолько широка, что нет такой области, где ее применение было бы нецелесообразным.
Развитие вычислительной техники повлекло за собой создание и совершенствование языков программирования, а вследствие этого и программного обеспечения. Однако совершенствование программного обеспечения связано с увеличением его сложности. Поэтому процесс разработки программ становится трудоемким, а их модификация и сопровождение затруднительным.
Традиционная инженерная деятельность связана с решением совокупности разнообразных задач расчета, проведением экспериментов, оформление документации. Развитие современных методов и компьютерной технологии существенно изменяет деятельность специалиста.
Одна из задач в области компьютерных технологии - автоматизация интеллектуального труда и повышение эффективности научных исследований - успешно решается путем созданных универсальных пакетов, в частности, математических.
В начале 90-х гг. на смену универсальным языкам программирования пришли специализированные системы компьютерной математики (СКМ). Среди них наибольшую известность получили системы Eureka, Mercury, Mathcad, Derive, Mathematica 2/3/4, Maple V R3/R4/R5 и Maple 6 и др.
В данном реферате рассматривается система MATLAB®, прошедшая многолетний путь развития от узко специализированного матричного программного модуля, используемого только на больших ЭВМ, до универсальной интегрированной СКМ, ориентированной на массовые персональные компьютеры класса IBM PC и Macintosh и рабочие станции UNIX и имеющей мощные средства диалога, графики и комплексной визуализации. MATLAB представляет собой хорошо апробированную и надежную СКМ, рассчитанную на решение самого широкого круга математических задач с представлением данных в универсальной матричной форме, предложенной фирмой Math Works, Inc.
MATLAB — одна из старейших, тщательно проработанных и проверенных временем систем автоматизации математических расчетов, построенная на расширенном представлении и применении матричных операций. Это нашло отражение в названии системы — MATrix LABoratory — матричная лаборатория.
Области применения системы MATLAB:
- математика и вычисление;
- разработка алгоритмов;
- вычислительный эксперимент, имитационное моделирование;
- анализ данных, исследования и визуализация результатов;
- научная и инженерная графика;
- разработка приложений, включая графический интерфейс пользователя и др.
Система MATLAB является одновременно операционной средой и языком программирования. Пользователь может написать специализированные функции и программы, которые оформляются в виде М-файлов. Классифицируя по типу задач, можно сформировать их в пакеты прикладных программ (ППП). Приведем несколько систем и ППП MATLAB:
MATLAB for Windows- система инженерных и научных расчетов;
MATLAB С++ Math Library- библиотека математических функций MATLAB на языке С++;
The Stydent Edition- версия MATLAB для студентов;
Statistics Toolbox- статистика;
Optimization Toolbox- оптимизация;
Partial Differential Equations Toolbox – уравнения в частных производных;
Symbolic Math Toolbox – символьная математика;
Database Toolbox – работа с базами данных и др.
Таким образом, в зависимости от класса решаемых задач, пользователь загружает требуемую операционную среду, ППП и создает необходимую конфигурацию MATLAB.
История
MATLAB как язык программирования был разработан Кливом Моулером (англ. Cleve Moler) в конце 1970-х годов, когда он был деканом факультета компьютерных наук в Университете Нью-Мексико. Целью разработки служила задача дать студентам факультета возможность использования программных библиотек Linpack и EISPACK без необходимости изучения Фортрана. Вскоре новый язык распространился среди других университетов и был с большим интересом встречен учёными, работающими в области прикладной математики. До сих пор в Интернете можно найти версию 1982 года, написанную на Фортране, распространяемую с открытым исходным кодом. Инженер Джон Литтл (англ. John N. (Jack) Little) познакомился с этим языком во время визита Клива Моулера в Стэндфордский университет в 1983 году. Поняв, что новый язык обладает большим коммерческим потенциалом, он объединился с Кливом Моулером и Стивом Бангертом (англ. Steve Bangert). Совместными усилиями они переписали MATLAB на C и основали в 1984 компанию The MathWorks для дальнейшего развития. Эти переписанные на С библиотеки долгое время были известны под именем JACKPAC. В дальнейшем были созданы версии для рабочих станций Sun, компьютеров с операционной системой UNIX и многих других типов больших и малых ЭВМ. Сейчас свыше десятка популярных компьютерных платформ могут работать с системой MATLAB. К расширению системы были привлечены крупнейшие научные школы мира в области математики, программирования и естествознания.
Описание MatLab
Возможности MATLAB весьма обширны, а по скорости выполнения задач система нередко превосходит своих конкурентов. Она применима для расчетов практически в любой области науки и техники - при математическом моделировании различного рода устройств и процессов и систем в области механики, гидродинамике, аэродинамике, акустике, энергетике, телекоммуникаций и т. д.
Этому способствует не только расширенный набор матричных и иных операций и функций, но и наличие пакетов расширения Toolbox и Simulink, специально предназначенных для решения задач блочного моделирования динамических систем и устройств, решения задач оптимизации, идентификации, обработки изображений и др.
Некоторые из них, например, Notebook (интеграция с текстовым процессором Word и подготовка «живых» электронных книг), Symbolic Math и Extended Symbolic Math (символьные вычисления с применением ядра системы Maple V R5) и Simulink (моделирование динамических систем и устройств, заданных в виде системы блоков), настолько органично интегрировались с системой MATLAB, что стали ее составными частями.
Язык MATLAB является высокоуровневым интерпретируемым языком программирования, включающим основанные на матрицах структуры данных, широкий спектр функций, интегрированную среду разработки, объектно-ориентированные возможности и интерфейсы к программам, написанным на других языках программирования.
Программы, написанные на MATLAB, бывают двух типов — функции и скрипты. Функции имеют входные и выходные аргументы, а также собственное рабочее пространство для хранения промежуточных результатов вычислений и переменных. Скрипты же используют общее рабочее пространство. Как скрипты, так и функции не компилируются в машинный код и сохраняются в виде текстовых файлов. Существует также возможность сохранять так называемые pre-parsed программы — функции и скрипты, обработанные в вид, удобный для машинного исполнения. В общем случае такие программы выполняются быстрее обычных, особенно если функция содержит команды построения графиков.
Основной особенностью языка MATLAB является его широкие возможности по работе с матрицами, которые создатели языка выразили в лозунге «думай векторно» (англ. Think vectorized).
Возможности прежних версий MATLAB
Уже первые ориентированные на Microsoft Windows версии системы (MATLAB 4.x) обладали мощными средствами.
В области математических вычислений:
— матричные, векторные, логические операторы;
— элементарные и специальные функции;
— полиномиальная арифметика;
— многомерные массивы;
— массивы записей;
— массивы ячеек.
В области реализации численных методов:
— дифференциальные уравнения;
— вычисление одномерных и двумерных квадратур;
— поиск корней нелинейных алгебраических уравнений;
— оптимизация функций нескольких переменных;
— одномерная и многомерная интерполяция.
Возможности прежних версий MATLAB 4.x
В области программирования:
— свыше 500 встроенных математических функций;
— ввод/вывод двоичных и текстовых файлов;
— применение программ, написанных на Си и ФОРТРАН;
— автоматическая перекодировка процедур MATLAB в тексты программ на языках Си и C++;
— типовые управляющие структуры.
В области визуализации и графики:
— возможность создания двумерных и трехмерных графиков;
— осуществление визуального анализа данных.
Эти средства сочетались с открытой архитектурой систем, позволяющей изменять уже существующие функции и добавлять свои собственные. Входящая в состав MATLAB программа Simulink дает возможность имитировать реальные системы и устройства, задавая их моделями, составленными из функциональных блоков. Simulink имеет обширную и расширяемую пользователями библиотеку блоков и простые средства задания и изменения их параметров.
Возможности прежних версий MATLAB 5.x
В версиях системы MATLAB 5.x введены новые мощные средства.
Улучшенная среда программирования:
— профилировщик m-файлов для оценки времени исполнения фрагментов программ;
— редактор/отладчик m-файлов с удобным графическим интерфейсом;
— объектно-ориентированное программирование, включая переназначение функций и операторов;
— средства просмотра содержимого рабочей области и путей доступа;
— конвертирование m-файлов функций в промежуточный р-код.
Графический интерфейс пользователя (GUI - Graphic User Interface):
— интерактивное средство построения графического интерфейса пользователя — GUI;
— форма диалоговых панелей и панелей сообщений;
— многострочный режим редактирования текста;
— запоминание последовательности графических элементов управления;
— расширение параметров элементов управления;
— свойство переносимости между платформами;
— курсор, определяемый пользователем.
Новые типы данных:
— массивы структур (записей);
— массивы ячеек данных разного типа;
— массивы символов с 16-разрядной кодировкой;
— массивы с 8-разрядной кодировкой элементов.
Средства программирования:
— списки аргументов переменной длины;
— переназначение функций и операторов;
— применение локальных функций в m-файлах;
—оператор-переключатель switch...case...end;
— оператор wait for;
— функции обработки битов.
Математические вычисления и анализ данных:
— пять новых численных методов решения (solver) обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ);
— вычисление собственных значений и сингулярных чисел для матриц разреженной структуры;
— многомерная интерполяция;
—анализ и обработка многомерных массивов;
— функции обработки времени и даты.
Презентационная графика и звук:
— двойные х- и y-оси;
— легенда — пояснение в виде отрезков линий со справочными надписями, размещаемое внутри графика или около него;
— управление шрифтом текстовых объектов;
— надстрочные, подстрочные и греческие символы;
— трехмерные диаграммы, поля направлений, ленточные и стержневые графики;
— увеличенное количество стилей для маркировки линий;
— 16-битный стереозвук.
Версия MATLAB 5.3.1 (выпуск 11.1) интегрирует в своем составе 42 программных продукта, среди которых основу составляют базовая система MATLAB и новая реализация пакета расширения Simulink 3.1. В систему введен ряд новых компонентов, включая следующие:
— Data Analysis, Visualization and Application Development — анализ данных, их визуализация и применение;
— Control Design — проектирование устройств управления;
— DSP and Communications System Design — проектирование коммуникационных систем и систем цифровой обработки сигналов.
Системные требования под установку MatLab 6
Для успешной установки MATLAB необходимы следующие минимальные средства:
— компьютер с микропроцессором не ниже Pentium и математическим сопроцессором, рекомендуются процессоры Pentium PRO, Pentium II, Pentium III, Pentium IV или AMD Athlon;
— устройство считывания компакт дисков (привод CD-ROM) (для установки), мышь, 8-разрядный графический адаптер и монитор, поддерживающие не менее 256 цветов;
— операционная система Windows 95/98 (оригинальная или второе издание) / Me (Millennium Edition) /2000/ (допускается также NT4 с сервис-пакетами 5 или 6а);
— ОЗУ емкостью 64 Мбайт для минимального варианта системы (рекомендуется иметь память не менее 128 Мбайт);
— до 1500 Мбайт дискового пространства при полной установке всех расширений и всех справочных систем.
Применение
П1. Математика и вычисления
MATLAB предоставляет пользователю большое количество (несколько сотен) функций для анализа данных, покрывающие практически все области математики, в частности:
|
