Для автоматизации математических, инженерно-технических и научных расчётов используются разнообразные вычислительные средства – от программируемых микрокалькуляторов до сверхмощных суперЭВМ. И, тем не менее, такие расчёты для многих остаются сложным делом. Более того, применение компьютеров для расчётов внесло новые трудности: прежде чем начать расчёты, пользователь должен освоить азы алгоритмизации, изучить один или несколько языков программирования, а также численные методы расчётов.
Положение cущественно изменилось после выпуска специализированных программных комплексов для автоматизации математических и инженерно-технических расчётов.

К таким комплексам относятся пакеты программ Mathcad, MatLab, Mathematica, Maple, MuPAD, Derive и др.

1.1. Mathcad

Mathcad является интегрированной системой решения математических, инженерно-технических и научных задач. Он содержит текстовый и формульный редактор, вычислитель, средства научной и деловой графики, а также огромную базу справочной информации, как математической, так и инженерной, оформленной в виде встроенного в Mathcad справочника, справочной системы, основанной на технологии Mathcad Calculation Server, комплекта электронных книг и обычных «бумажных» книг, в том числе и на русском языке.

Текстовый редактор служит для ввода и редактирования текстов. Тексты являются комментариями, и входящие в них математические выражения не выполняются. Текст может состоять из слов, математических символов, выражений и формул.

Формульный процессор обеспечивает естественный «многоэтажный» набор формул в привычной математической нотации (деление, умножение, квадратный корень, интеграл, сумма и т.д.). Последняя версия Mathcad полностью поддерживает буквы кириллицы в комментариях, формулах и на графиках.

Вычислитель обеспечивает вычисление по сложным математическим формулам, имеет большой набор встроенных математических функций, позволяет вычислять ряды, суммы, произведения, интегралы, производные, работать с комплексными числами, решать линейные и нелинейные уравнения, а также дифференциальные уравнения и системы, проводить минимизацию и максимизацию функций, выполнять векторные и матричные операции, статистический анализ и т.д.

Можно легко менять разрядность и базу чисел (двоичная, восьмеричная, десятеричная и шестнадцатеричная), а также погрешность итерационных методов. Автоматически ведётся контроль размерностей и пересчёт в разных системах измерения.

В Mathcad встроены средства символьной математики, позволяющие решать задачи через компьютерные аналитические преобразования.

Графический процессор служит для создания графиков и диаграмм. Он сочетает простоту общения с пользователем с большими возможностями средств деловой и научной графики. Графика ориентирована на решение типичных математических задач. Возможно быстрое изменение вида и размера графиков, наложение на них текстовых надписей и перемещение их в любое место документа.

Mathcad является универсальной системой, т.е. может использоваться в любой области науки и техники – везде, где применяются математические методы. Запись команд в системе Mathcad на языке, очень близком к стандартному языку математических расчётов, упрощает постановку и решение задач.

Mathcad интегрирован со всеми другими компьютерными системами счёта.

Mathcad позволяет легко решать такие задачи как:

· ввод на компьютере разнообразных математических выражений (для дальнейших расчётов или создания документов, презентаций, Web-страниц или электронных и обычных «бумажных» книг);

· проведение математических расчётов (как аналитических, так и при помощи численных методов);

· подготовка графиков (как двумерных, так и трёхмерных) с результатами расчётов;

· ввод исходных данных и вывод результатов в текстовые файлы или файлы с базами данных в других форматах;

· подготовка отчетов работы в виде печатных документов;

· подготовка Web-страниц и публикация результатов в Интернете;

· получение различной справочной информации и многие другие задачи.

Mathcad создает удобную вычислительную среду для самых разнообразных математических расчётов и документирования результатов работы в рамках утверждённых стандартов.

Maple

Система Maple предназначена для символьных вычислений, хотя имеет ряд средств и для численного решения дифференциальных уравнений и нахождения интегралов. Обладает развитыми графическими средствами. Имеет собственный язык программирования, частично подобный Паскалю.

Maple — система компьютерной математики, рассчитанная на широкий круг пользователей. До недавнего времени ее называли системой компьютерной алгебры, Ито указывало на особую роль символьных вычислений и преобразований, которые способна осуществлять эта система. Но такое название сужает сферу применения системы. На самом деле она уже способна выполнять быстро и эффективно не только символьные, но и численные расчеты, причем сочетает это с превосходными средствами графической визуализации и подготовки электронных документов. Maple — тщательно и всесторонне продуманная система компьютерной математики. Она с равным успехом может использоваться как для простых, так и для самых сложных вычислений и выкладок. Ядро системы Maple используется в ряде других математических систем, например в MATLAB и Mathcad, для реализации в них символьных вычислений.

Maple — типичная интегрированная система. Она объединяет в себе:

· мощный язык программирования (он же язык для интерактивного общения с системой);

· редактор для подготовки и редактирования документов и программ;

· современный многооконный пользовательский интерфейс с возможностью работы в диалоговом режиме;

· мощную справочную систему со многими тысячами примеров;

· ядро алгоритмов и правил преобразования математических выражений;

· численный и символьный процессоры;

· систему диагностики;

· библиотеки встроенных и дополнительных функций;

· пакеты функций сторонних производителей и поддержку некоторых других языков программирования и программ.

Ко всем этим средствам имеется полный доступ прямо из программы. Maple — одна из самых мощных и «разумных» интегрированных систем символьной математики, созданная фирмой Waterloo Maple, Inc. (Канада).

Не случайно ядро системы Maple V используется целым рядом других мощных систем компьютерной математики, например системами класса Mathcad и MATLAB.

МАТLAB

МАТLAB - это высокопроизводительный язык для технических рассчетов. Он включает в себя вычисления, визуализацию и программирование в удобной среде, где задачи и решения выражаются в форме, близкой к математической. Типичное использование МАТLAB – это:

    - математические вычисления

    - создание алгоритмов

    - моделирование

    - анализ данных, исследования и визуализация

    - научная и инженерная графика

    - разработка приложений, включая создание графического интерфейса пользователя.

МАLAB – это интерактивная система, в которой основным элементом данных является массив. Это позволяет решать различные задачи, связанные с техническими вычислениями, особенно в которых используюся матрицы и вектора, в несколько раз быстрее, чем при написании программ с использованием «скалярных язаков программирования, таких как Си или Фортран.

Слово МАТLABозначает матричная лабаратолия (matrix laboratory), что свидетельствует о том, что МАТLAB был специально разработан для матричных вычислений.

Говоря о МАТLAB, нельзя не сказать о Simulink. Simulink, сопутствующая MATLAB программа, - это интерактивная система для моделирования нелинейных динамических систем. Она представляет собой среду, управляемую мышью, которая позволяет моделирвать процесс путем перетаскивания блоков диаграмм на экране и их манипуляций. Simulink работает с линейными, нелинейными, непрерывными, дискретными, многомерными системами.

Возникает вопрос о сравнении Maple и Matlab, так как ядро работы с символьными переменными из Maple используется в Matlab. Maple и MATLAB - принципиально разные пакеты. У них есть пересечение в символьной математике, а именно: MATLAB имеет расширение Maple, но на этом сходство заканчивается. Maple - чисто математический пакет, а MATLAB - это язык, на котором разговаривают ученые на международных симпозиумах, т. к. MATLAB используется и математиками, и химиками, и биологами, и многими, многими другими специалистами.

Mathematica

Mathematica — система компьютерной алгебры компании Wolfram Research. Содержит множество функций как для аналитических преобразований, так и для численных расчётов. Кроме того, программа поддерживает работу с графикой и звуком, включая построение дву- и трёхмерных графиков функций, рисование произвольных геометрических фигур, импорт и экспорт изображений и звука.

Mathematica объединяет в единое целое числовое и символьное вычислительное ядро, графическую систему, язык программирования, систему документации и возможность взаимодействия с другими приложениями. Mathematica имеет несколько основных особенностей и предназначена для решения широкого спектра задач. Вот некоторые классы задач, решаемых с помощью Mathematica:

Аналитические преобразования

· Решение систем полиномиальных и тригонометрических уравнений и неравенств, а также трансцендентных уравнений, сводящихся к ним.

· Решение рекуррентных уравнений.

· Упрощение выражения.

· Нахождение пределов.

· Интегрирование и дифференцирование функций.

· Нахождение конечных и бесконечных сумм и произведений.

· Решение дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных.

· Преобразования Фурье и Лапласа, а также Z-преобразование

· Преобразование функции в ряд Тейлора, операции с рядами Тейлора: сложение (математика), умножение, композиция, получение обратной функции и т. д.

Численные расчёты

· Вычисление значений функций, в том числе специальных, с произвольной точностью.

· Решение систем уравнений

· Нахождение пределов

· Интегрирование и дифференцирование

· Нахождение сумм и произведений

· Решение дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных

· Полиномиальная интерполяция функции от произвольного числа аргументов по набору известных значений

· Преобразования Фурье и Лапласа, а также Z-преобразование

Теория чисел

· Определение простого числа по его порядковому номеру, определение количества простых чисел, не превосходящих данное.

· Дискретное преобразование Фурье

· Разложение числа на простые множители, нахождение НОД и НОК.

Линейная алгебра

· Операции с матрицами: сложение, умножение, нахождение обратной матрицы, умножение на вектор, получение определителя.

· Поиск собственных значений и собственных векторов.

Графика и звук

· Построение графиков функций, в том числе параметрических кривых и поверхностей.

· Построение геометрических фигур: ломаных, кругов, прямоугольников, и т. д.

· Воспроизведение звука, график которого задаётся аналитической функцией или набором точек.

· Импорт и экспорт графики во многих растровых и векторных форматах, а также звука.

Кроме того, это интерпретируемый язык функционального программирования. Можно сказать, что система Mathematica написана на языке Mathematica, хотя некоторые функции, особенно относящиеся к линейной алгебре, в целях оптимизации были написаны на языке C.