Выбор программы для визуализации результатов научного исследования

Velichko A. V.

Master's student

Don State Technical University Russia, Rostov-on-don

THE CHOICE OF SOFTWARE FOR VISUALIZATION OF RESULTS OF SCIENTIFIC RESEARCH

Обучаясь в техническом ВУЗе на специальности с научным направлением, исследования и различной сложности вычисления являются неотъемлемой частью обучения. Все полученные аналитические результаты всегда требуют проверки и визуализации. Однако стоит отметить, что зачастую это достаточно сложная задача, из-за большого объема данных и сложности формул. Вручную провести все вычисления - очень сложный и затратный по времени процесс. Многие экспериментальные исследования и натурные наблюдения представляют собой достаточно сложную в техническом отношении и финансово затратную задачу. В связи с этим встает вопрос как провести необходимые вычисления и визуализировать результат с минимальными затратами сил, времени и средств, особенно в процессе обучения.

Самым простым, но при этом эффективным решением стало построение информационных моделей. Компьютерные модели позволяют организовать исследование так, как если бы это происходило в реальном времени. Отличие состоит лишь в том, что исследуется не сам объект, а его математическая модель, параметры которой рассчитываются с помощью специального алгоритма, реализуемого компьютером. В выбранной программе пишется код, учитывающий все условия и параметры нужного объекта или процесса. Полученный алгоритм позволяет реализовать все громоздкие вычисления, строить графики, которые наглядно демонстрируют результат, проводить различные эксперименты и сравнения характеристик. Все это особенно повышает роль программного моделирования. Но встает новый вопрос, какая программа лучше всего справится с поставленными задачами и при этом будет проста в понимании и работе с ней.

За несколько лет в университете были изучены разные программы, такие как MathCad, MatLab и Maple, использующиеся для сложных математических вычислений и графических реализаций. Данная статья посвящена анализу данных программ и выявлению наиболее экономичной, удобной и понятной в обращении.

Одной из первых изученных программ был MathCad. Это довольно простая программа. Можно даже сказать, что это продвинутый редактор математических текстов с большими возможностями символьных вычислений и прекрасным интерфейсом. MathCad не имеет языка программирования как такового, а движок символьных вычислений заимствован из пакета Maple. Зато интерфейс программы MathCad очень простой, а возможности визуализации богатые. Все вычисления здесь осуществляются в виде записи выражений в общеизвестной математической форме. Пакет имеет хорошие подсказки, целый ряд дополнительных модулей и приличную техническую поддержку производителя. Для небольшого объема несложных вычислений MathCad идеален. Здесь все можно просчитать очень быстро и эффективно, а затем просто оформить работу в привычном виде. Пакет имеет удобные возможности импорта/экспорта данных. Однако в целом математические возможности MathCad в области компьютерной алгебры сильно уступают системам Maple и MatLab. MathCad — простая и удобная программа, которую можно рекомендовать широкому кругу пользователей, особенно тем, кто только начал постигать азы компьютерной алгебры.

Следующей в нашем списке программа MatLab. Она считается одной из старейших, тщательно проработанных и проверенных временем систем автоматизации математических расчетов, построенная на расширенном представлении и применении матричных операций. Несмотря на то, что изначально MatLab предназначалась исключительно для вычислений, в процессе эволюции, в дополнение к прекрасным вычислительным средствам, у фирмы Waterloo Maple по лицензии для MatLab было приобретено ядро символьных преобразований, а также появились библиотеки, которые обеспечивают в MatLab уникальные для математических пакетов функции. Например, широко известная библиотека Simulink. Эта библиотека реализует принцип визуального программирования, позволяет построить логическую схему сложной системы управления из одних только стандартных блоков, не написав при этом ни строчки кода. Сконструировав такую схему можно детально проанализировать ее работу. Среди других библиотек системы MatLab можно также отметить System Identification Toolbox. Данная библиотека имеет набор инструментов для создания математических моделей динамических систем, основанных на наблюдаемых входных/выходных данных. Особенностью является наличие гибкого пользовательского интерфейса, позволяющего организовать данные и модели. Библиотека System Identification Toolbox поддерживает как параметрические, так и непараметрические методы. Интерфейс системы облегчает предварительную обработку данных, работу с итеративным процессом создания моделей для получения оценок и выделения наиболее значимых данных. Есть и множество других библиотек и модулей, существуют широкие возможности для программирования. Одна из его библиотек, например, является объектной и содержит свыше 300 процедур обработки данных на языке C. Однако для их реализации пользователю придется изучить язык С, так как требуется достаточно строгая формализация переменных и структура кода. К тому же, многие библиотеки необходимо подключать дополнительно, что увеличивает потребляемые объемы дискового пространства и повышает запросы на объем оперативной памяти, а также удорожает эту программу в цене.

Еще одной программой, изучаемой в ВУЗах, является Maple – система компьютерной алгебры. Эта система предназначена для символьных вычислений, имеет ряд средств для численного решения дифференциальных уравнений и нахождения интегралов, обладает развитыми графическими средствами, имеет собственный язык программирования. Данная программа предоставляет пользователю удобную интеллектуальную среду для математических исследований любого уровня и пользуется особой популярностью в научной среде. Еще раз отметим, что символьный анализатор программы Maple является наиболее сильной частью этого ПО, поэтому именно он был позаимствован и включен в ряд других пакетов, таких как MathCad и MatLab. Пакет позволяет создавать интегрированные среды с участием других систем и универсальных языков программирования высокого уровня. Когда расчеты произведены и требуется оформить результаты, то можно использовать средства этого пакета для визуализации данных. Работа проходит интерактивно – пользователь вводит команды и тут же видит на экране результаты их выполнения. При этом пакет Maple совсем не похож на традиционную среду программирования, где требуется жесткая формализация всех переменных и действий с ними. В связи с этим, написанная программа будет иметь понятную и простую структуру. Все вычисления будут выполняться сразу после ввода необходимых функций и нажатия кнопки Enter. При неправильном вводе команды выводится сообщение об ошибке. При этом возможно найти сведения о необходимых командах и функциях в help, который разбит на множество разделов. В каждом разделе описывается правильный синтаксис необходимых команд и функций, их применение и большое количество примеров. Необходимые библиотеки можно подключать специальными командами, но не нужно приобретать дополнительно, что делает Maple более экономичным по сравнению с MatLab.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что MathCad является простой в понимании программой, но с наименьшими функциональными возможностями, чем остальные программы. MatLab имеет хороший набор функций и множество полезных библиотек. Однако при работе с этой программой необходимо изучить еще и язык С, а также многие библиотеки необходимо приобретать дополнительно. Maple является удобной, понятной программой, не уступающей по функциональным возможностям MatLab, но при этом является более экономичной в финансовом плане, что играет большую роль особенно для студента. Следовательно, эта программа хорошо подойдет студентам для решения задач различной сложности в их исследованиях, а также ее можно использовать для моделирования сложных физических объектов, систем и устройств в разных сферах деятельности.