30. Обзор программного обеспечения для выполнения анализа, обработки и представления экспериментальных данных

Если вы студент технического вуза (будущий инженер или ученый), то вам, несомненно, приходилось сталкиваться с различными задачами, связанными с обработкой экспериментальных данных. И, наверное, вы не будете спорить с тем, что расчет регрессии или тем паче Фурье-преобразования - это довольно непростая задача, даже при решении ее в одной из систем программирования (не говоря о проведении подсчета на бумаге). Если у вас есть опыт обработки данных такими традиционными путями, то вы будете приятно удивлены и поражены, насколько проще и быстрее (и чаще всего качественнее) можно выполнить эту работу в Mathcad и других специализированных математических программах. Все дело в том, что среди встроенных функций программ весьма заметную часть занимают функции, реализующие основные из распространенных в науке и технике алгоритмов. И для того, чтобы, например, построить кривую показательной регрессии для некоторой выборки, вам совсем не нужно помнить сложные и громоздкие методы, вроде метода наибольшего правдоподобия или алгоритма наименьших квадратов. Вам достаточно просто ввести в маркер графической области expfit(x,y,t) и система, просчитав наиболее удачные параметры приближения, построит максимально корректную для ваших данных кривую. Все остальные типы обработки данных реализуются в Mathcad столь же просто.

Рассмотрим основные задачи, которые могут вам встретиться при обработке (и представлении) данных, и некоторые программы, которые могут помочь вам.

1. Символьные вычисления

2. Проведение статистической обработки данных (нахождение средних значений, функций распределения, ...)

3. Задачи аппроксимации, интерполяции, экстраполяции, сглаживания,...

4. Графическое представление данных

5. Написания отчетов об измерениях

30.1. Математические (символьные) вычисления

В настоящее время существует много систем для математических (символьных) расчетов, таких как Maple, MuPad, Mathematica, Maxima, Derive и некоторые другие. Все упомянутые выше системы, так же как и большинство не упомянутых, являются весьма дружественными по отношению к пользователю. Конечно же, и синтаксис языка пользователя у них различный, и библиотеки доступных функций могут меняться от нескольких сотен до тысяч, и внутренние структуры и даже используемые алгоритмы значительно отличаются друг от друга, но все они обладают общими свойствами. Таких принципиальных общих свойств значительно больше, чем различий и, таким образом, после освоения одной из систем компьютерной алгебры переход к другой системе не является сложной проблемой.

Среди математического ПО для аналитических (символьных) вычислений наиболее известно коммерческое - Maple, Mathematica. Это очень мощный инструмент для ученого или преподавателя, аспиранта или студента, позволяющий автоматизировать наиболее рутинную и требующую повышенного внимания часть работы, оперирующей при этом аналитической записью данных, т.е. фактически математическими формулами. Такую программу можно назвать средой программирования, с той разницей, что в качестве элементов языка программирования выступают привычные человеку математические обозначения.

Программа, которую я могу вам порекомендовать, работает на тех же принципах и предоставляет похожий функционал. Самое радикальное ее отличие - то, что она не является ни коммерческой, ни закрытой. Другими словами, речь идет о свободной программе. На самом деле использование свободного ПО более естественно для фундаментальной науки, нежели коммерческого, так как модель, которая используется в свободном ПО - это модель открытости и общедоступности всех наработок. Очевидно, эти же свойства присущи и результатам научной деятельности. Используя такую схожесть подходов, можно фактически рассматривать расширения функционала свободных программ или дополнительные библиотеки, которые могут расширяться для своих нужд в процессе научных исследований, как неотъемлемую часть результатов таких исследований. Эти результаты могут использоваться и распространяться на усмотрение пользования без оглядки на ограничения, налагаемые лицензиями исходного ПО.

В случае же коммерческого ПО, которое находится в собственности его производителя, такого рода свободы значительно ограничены, начиная от невозможности свободно (и законно) передавать само такое ПО вместе с наработками и вплоть до возможных патентных исков от компании-разработчика ПО в случае распространения самодельных дополнительных библиотек к нему.

С другой стороны, основное направление, кроме научных разработок, где такие программы востребованы - это высшее образование. А использование для учебных нужд именно свободного ПО - это реальная возможность и для вуза, и для студентов и преподавателей иметь в своем распоряжении легальные копии такого ПО без больших, и даже сколь-нибудь существенных, денежных затрат.

Это свободная программа аналитических вычислений Maxima. На данный момент Maxima выпускается под две платформы - Linux и MS Windows. Сама по себе Maxima - консольная программа, и все математические формулы описывает обычными текстовыми символами. В этом есть как минимум два плюса. С одной стороны, саму Maxima можно использовать как ядро, настраивая поверх нее графические интерфейсы на любой вкус. Их на сегодняшний день существует немало. С другой стороны, сама по себе Maxima весьма не требовательна к железу.

Рис. 30.1. Рабочее окно программы символьных вычислений Maxima