常用数学软件的功能及特点比较

常用数学软件的功能及特点比较

1 常用数学软件简介

从计算机发明到现在已经有50多年的时间了，随着计算机的普及，计算机技术已被广泛应用于各行各业，对科学发展起到了巨大的推动作用．伴随科学研究的不断深入，科技工作者经常需要对大量数据进行分析处理或者对复杂问题进行计算求解．为了减轻科技工作者的压力，许多数学软件被相继开发．常用的数学软件包括符号计算软件，如Mathematica、Maple等；数值计算软件，如Matlab、MathCAD等；求解最优化问题软件，如Lingo、Lindo等．

数学软件的优越性主要在于它能够进行大规模的代数运算.通常我们用笔和纸进行代数运算只能处理符号较少的算式,当算式的符号上升到百位数后,手工计算便成为可能而不可行的事,主要原因是在做大量符号运算时,我们很容易出错,并且缺乏足够的耐心.当算式的符号个数上升到四位数后,手工计算便成为不可能的事,这时用计算机代数系统进行运算就可以做到准确,快捷,有效.下面介绍三个比较常用的数学软件Mathematica、Matlab和Lingo．

1.1 Mathematica软件

Mathematica是由美国物理学家Stephen Wolfram领导的Wolfram Research公司1986年开发的数学软件，1988年发布Mathematica系统的1.0版，因为系统精致的结构和强大的计算能力而被广为流传，经过不断扩充和修改后，在1991年和1997年推出了功能更加充实和完善的Mathematica2.0版和Mathematica3.0版，1999年又推出了Mathematica4.0版，现在的最新版本是Mathematica5.2.2版．

Mathematica是一个拥有强大的符号计算和数值计算能力的软件，它将数值、符号、计算引擎、图形运算、编程语言、文字处理和与其他应用程序的高级连接等众多功能有机地结合在一起．Mathematica是一个很容易扩充和修改的系统．它提供了一套描述方法，相当于编程语言，用这个语言可以编写程序，解决各种特殊问题．Mathematica的基本系统主要是用C语言开发的，因而可以比较容易地移植到各种平台上．Mathematica还是一个交互式的计算系统，计算是在用户和Mathematica互相交换、传递数据信息的过程中完成的．Mathematica系统所接受的命令称作表达式，系统在接受了一个表达式以后就对它进行处理，然后再把计算结果返回．Mathematica是最大的单应用程序之一，它内容丰富功能强大的函数覆盖了初等数学、微积分和线性代数等众多的数学领域．Mathematica软件虽然功能强大，但它的语言非常简单，很容易学会并且熟练掌握．

1.1.1 Mathematica具有强大的运算功能

例1

1

112

2

3

14899π--⎫⎛⎫

+⨯⨯⎪

⎪⎭⎝⎭

的精确解及近似解． In[1]:= 100^(1/4)*(1/9)^(-1/2)+8^(-1/3)*(4/9)^(1/2)*Pi Out[1]= 3

103π

+ (精确解)

In[2]:= N[%]

Out[2]= 10.543 (近似解)

1.1.2 Mahematica 具有强大的绘图功能

例2 描绘函数xy z sin =在]3,3[],[-⨯-ππ上的图形． In[1]:= Plot3D[Sin[x y],{x,-Pi,Pi},{y,-3,3}]

1.1.3 Mathematica 还具有一些专用的函数，主要用来查看和设置日期、时间、目录；测试、提高表达式的计算速度等

例3 ln[1]=Date[]

Out[1]={2008,5,1,13,58,26}

输出的元素依次是当前的年、月、日、时、分、秒．

如果担心计算时间太长，还可以使用TimeConstrained[expr,t,failexpr]设置时间上限，表示当计算表达式expr 花费的时间超过t 秒后，强制中止计算，返回表达式failexpr ．

例4 ln[2]=TimeConstrained[∑=10000

1

][Pr 1

k k ime ,2,0]

Out[2]=0. 1.2 Matlab 软件

Matlab 是“MA T rix Laboratory ”的缩写，是矩阵实验室的意思．70年代中期，美国的Cleve Morler 教授在给学生开设线性代数课程时，为了让学生能使用子程序又不至于在编程上花费过多的时间便

为学生编写了使用子程序的接口程序，取名为Matlab．80年代初期，Cleve Morler教授采用C语言编写了Matlab的核心．1984年，Cleve Morle和John Little成立Math Works公司，正式把Matlab 推向市场．1992年MathWorks 公司于推出了Matlab4.0版本，1994年的4.2版本扩充了4.0版本的功能，尤其在图形界面设计方面更提供了新的方法．1997年推出的5.0版允许了更多的数据结构，如单元数据、多维矩阵、对象与类等，使其成为一种更方便编程的语言．1999年推出的Matlab 5.3版在很多方面又进一步改进了Matlab语言的功能．2000年10月底推出了其全新的Matlab6.0正式版，在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等诸多方面有了极大的改进．经过不断的改进与完善，在2007年秋季推出了Matlab的最新版本R2007b．

Matlab是集数值计算、符号计算和图形处理等功能于一体的工程计算应用软件．Matlab不仅可以处理代数问题和数值分析问题，而且还具有强大的图形处理和仿真模拟等功能．他的图形功能既包括对二维和三维数据可视化、图形处理、动画制作等高层次的绘图命令，也包括可以完全修改图形局部及编制完整图形界面的低层次绘图命令．可以从线型、边界面、色彩、渲染、光线、视角等方面把数据的特征表现出来．它的图象处理工具包是由一系列支持图象处理操作的函数组成的，所支持的图象处理操作有：几何操作、区域操作和块操作、线性滤波和滤波器设计、变换、图象分析和增强、二值图象操作等．图象处理工具包的函数，按功能可以分为以下几类：图象显示、图象文件输入与输出、几何操作、象素值和统计、图象分析与增强、图象变换、领域和块操作、二值图象操作、颜色映射和颜色空间转换、图象类型和类型转换、工具包参数获取和设置等．现在，Matlab已经成为线性代数、数理统计、数值分析、优化技术、自动控制、数字信号处理、图像处理、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具．

1.2.1 Matlab在数值计算中的应用．

Matlab语言中提供了丰富的统计函数，使用这些函数可以完成对数据的各种统计分析工作．例5 如下给出8个学生的英语、数学、物理和化学的成绩，求各科成绩总分和各科平均成绩score =

90 97 98 97 77

90 67 87 56 67

89 99 76 67 77

78 88 98 76 89

56 66 75 45 86

67 78 89 75 85

88 78 89 75 85

76 63 84 83 90