Титульный лист лабораторной работы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕЧАТИ имени ИВАНА ФЕДОРОВА

Факультет Информационных технологий и медиасистем

Кафедра Автоматизации полиграфического производства

лабораторнАЯ РАБОТА №_______

«_________________________________________________________»

по дисциплине «Теория автоматического управления»

Вариант № ____________

Выполнил: _____________________ группа __________ _____

Номер зачетной книжки

_______________________________

Дата выполнения лабораторной работы_______________________

Результат защиты лабораторной работы__________________дата___________

Подпись преподавателя____________________________________

Москва 2011 Математические и статистические программые средства Обзор математических и статистических систем

Новые информационные технологии коренным образом изменили порядок решения математических задач. Теперь решение задач и выполнение, математических преобразований целесообразно делать с помощью специальных программ. Рассмотрим некоторые математические и статистические пакеты программ для ЭВМ.

Математические системы Derive, Mathematica, Matlab, Maple V и Mathcad могут быть успешно использованы при решении большого числа различных технических, экономических, статистических и научных задач.

Достоинством системы Derive является возможность выполнения аналитических преобразований математических выражений. Процедуру таких преобразований чаще всего называют компьютерной алгеброй или символьной математикой.

Derive является удобным инструментом при дифференцировании, интегрировании, разложении функции в ряды, нахождении пределов. Система имеет полный набор встроенных элементарных функций, а также множество статистических и специальных математических функций. Система позволяет работать с матрицами, выполнять операции регрессионного анализа, проводить преобразования Фурье и Лапласа. Способность системы работать с комплексными числами делает ее привлекательной для радиотехнических и электротехнических расчетов.

Система Mathematica 4.0 предоставляет возможность использовать несколько сотен команд символьной математики и формировать графики высокого качества. Порядок работы с этой системой не столь очевиден, как с другими математическими системами. Она ориентирована на решение сложных математических и научно-технических задач.

Mathematica 4.0 разработана компанией Wolfram Research Inc, основанной известным математиком и физиком Стефаном Вольфрамом. Первая версия программы, появившаяся в 1988 г., стала новым словом в автоматизации математических расчетов.

Система характеризуется охватом широкого круга задач, так как ее разработчики задались целью объединить все известные математические методы, использующиеся для решения научных задач, в унифицированном и согласованном виде, включая аналитические и численные расчеты.

Mathematica позволяет упрощать алгебраические выражения, дифференцировать, вычислять определенные и неопределенные интегралы, вычислять конечные и бесконечные суммы и произведения, решать алгебраические и дифференциальный уравнения и системы, а также разлагать функции в ряды и находить пределы.

Mathematica решаем численными методами (т. е. приближенными методами) задачи, которые не поддаются аналитическому решению. Она позволяет решать задачи оптимизации (линейного программирования, нахождения экстремумов функций), задачи математической статистики.

Система снабжена базой помощи. Имеется возможность интерактивного доступа к электронной документации, которая состоит из инструкции пользователя, справочника по стандартным дополнениям, учебника для начинающих и демонстрационных файлов.

Богатые численные и символьные возможности пакета Mathematica, мощные графические возможности (включая анимацию), встроенный язык программирования и удобные средства построения гипертекстовых связей между документами делами эту систему привлекательной как для исследовательской и практической деятельности, так и для обучения студентов.

В основу создания системы MATLAB (MATrix LABoratory— матричная лаборатория) положен принцип расширяемости, позволяющий адаптировать систему под задачи пользователя.

Сущность этого принципа заключается в том, что пользователь может создавать практически неограниченное число собственных функций, которые хранятся на жестком диске ЭВМ.

В базовый набор MATLAB входят арифметические, алгебраические, тригонометрические и некоторые специальные функции, функции быстрого прямого и обратного преобразования Фурье и цифровой фильтрации, векторные и матричные функции. MATLAB «умеет» выполнять операции с полиномами и комплексными числами, строить графики в декартовой и полярной системах координат, формировать изображения трехмерных поверхностей. MATLAB имеет средства для расчета и проектирования аналоговых и Цифровых фильтров, построения их частотных, импульсных и переходных характеристик и таких же характеристик для линейных электрических цепей, средства для спектрального анализа и синтеза.

Программа MATLAB6 компании MathSoft в основном предназначена. Для численного моделирования систем, однако, версии 5.0 и 5.1 уже содержат элементы универсальных математических пакетов, а именно специальный модуль MatLab Notebook, позволяющий использовать возможности Microsoft Word для оформления документов, а также приобретенный у компании Maple Waterloo модуль основной символьной библиотеки программы Maple V 4.0. Для выполнения аналитических преобразований (компьютерной алгебры).

Для решения задач моделирования программа MATLAB дополнена пакетом SIMULINK с визуально-ориентированным программированием.

Разработчики пакета Maple V называют его Symbolic Computation System (Система символьных вычислений) или Computer Algebra System (Система компьютерной алгебры). Maple V—универсальный математический пакет, предназначенный для выполнения разнообразных математических вычислений, как точных (аналитических), так и приближенных (с использованием численных методов), а также для построения двух- и трехмерных графиков.

Основное преимущество системы— всесторонняя поддержка сложных символьных вычислений, мощные графические возможности и наличие многофункционального внутреннего языка программирования. На этом секторе рынка система занимает лидирующее место. Ближайшим конкурентом является пакет Mathematica фирмы Wolfram Research.

Пакет Maple V дает возможность пользователю полностью сосредоточиться на решении его конкретной проблемы, не тратя времени на численные решения частных задач. Большое количество встроенных математических функций и детально разобранных примеров позволяют ученым, инженерам и исследователям решать сложные прикладные и теоретические задачи. Студентам и преподавателям пакет помогает глубже понять многие математические методы и проанализировать влияние различных параметров на найденное решение.

Блок символьных вычислений Maple V лицензирован и используется в системах Mathcad, MathWorks и в приложении к пакету MATLAB.

Система Mathcad очень естественно вписалась в оболочку Windows. Система имеет удобный интерфейс, хорошо развитые средства помощи и обширную справочную базу. Система позволяет проводить численные расчеты и аналитические преобразования. Многоцветные двух- и трехмерные графики строятся мгновенно и с автоматическим выбором масштаба.

Отличительной особенностью системы является использование в ней общепринятых в математике символов для обозначения операций интегрирования, дифференцирования, вычисления рядов и т. д. Возможность использования латинских, греческих букв, верхних и нижних индексов позволяет получать формулы в привычном виде. С помощью кириллицы можно делать комментарии на русском языке.

Очень просты в реализации в Mathcad многие численные методы: решение линейных и нелинейных уравнений, вычисление определенных интегралов, оптимизация, решение дифференциальных уравнений, сплайн-интерполяция и т. д.

Многие возникающие проблемы при работе с Mathcad снимаются благодаря наличию электронных учебников и возможности подключения к Интернету. Через глобальную сеть пользователь получает доступ к серверу, на котором можно найти пример решения подобной задачи.

Фирма MathSoft уделяет большое внимание развитию сетевых технологий. Для связи Mathcad с Интернетом используется браузер Microsoft Internet Explorer. Выход в глобальную сеть возможен прямо из математической системы.

Mathcad является интегрирующей системой, позволяющей создавать проекты, в которых данные циркулируют по системе MATLAB, электронным таблицам Excel и пакету научной графики Axum.

Для обработки экспериментальных данных разработаны специализированные статистические пакеты;

профессиональные — SAS, BMDP, IMSL (они предназначены в основном для математиков высокой квалификации);

популярные (т. е. для широкого круга пользователей) — STATGRAPHICS, SPSS, SYSTAT, STADIA, STATISTICA, Minitab. Перечисленные пакеты являются универсальными и предназначены для решения широкого круга задач. Разработаны также специальные пакеты для решения узкого круга задач или даже отдельных задач. К ним, в частности, относятся отечественные пакеты «Эвриста», «Мезозавр», «ОЛИМП», «КЛАСС-МАСТЕР», «КВАЗАР», PALMODA, STARC, Stat-Media и белорусский пакет «РОСТАН».

Универсальные пакеты содержат такие разделы математической статистики, как описательная статистика, парные критерии, анализ факторных эффектов, корреляционный анализ, регрессионный анализ, анализ временных рядов, многомерные методы, методы контроля качества и др.

Парные критерии оценивают различия между двумя совокупностями данных. Типичная задача в этом разделе — определение влияния нововведения, сделанного на предприятии, на результаты работы.

Еще одна важная задача, которую позволяют решать универсальные пакеты, — это прогнозирование, например, курса валют. Все пакеты содержат развитые средства регрессионного анализа.

Многомерные методы — дискриминантный, кластерный, факторный анализы и шкалирование — помогают понять, нет ли какой-либо закономерности или группировки в имеющемся множестве объектов. Многомерные Методы позволяют по экономическим показателям образовать группы сходных предприятий.

Универсальный пакет STATISTICA состоит из следующих основных частей:

• электронных таблиц для ввода исходных данных, а также специальных таблиц для вывода результатов анализа;

• графической системы для визуализации исходных данных и результатов статистического анализа;

• набора специализированных статистических модулей;

• встроенных языков программирования SCL (Statistic Command Language) и STATISTICA BASIC, которые позволяют пользователю расширить стандартные возможности системы

В пакете STATISTICA имеется большое количество специализированных статистических графиков: гистограмм, графиков для анализа пропущенных данных и определения выбросов, «ящиков с усами» с разнообразными опциями по выбору средней точки и т. д.

График типа «ящик с усами» позволяет увидеть положение моды, медианы, среднего значения по отношению к максимальному и минимальному значениям.

Графики можно уменьшать, увеличивать, накладывать друг на друга, вращать, определять собственную палитру цветов, добавлять в график текст, рисунки, стрелки. Графики могут автоматически изменяться при изменении связанного с ним файла данных.

Пакет STATGRAPHICS Plus for Windows включает более 250 процедур, применяющихся в бизнесе, экономике, медицине, биологии, социологии, психологии, на производстве и в других предметных областях.

Пакет имеет модульную структуру. Модуль «Контроль качества» предназначен для оценки эффективности производственного процесса. Модуль «Планирование эксперимента» помогает подобрать наилучший план измерений, за счет которого сокращается объем экспериментальных исследований и время их проведения. Модуль «Анализ временных рядов» позволяет выявить сезонные эффекты, циклические изменения, тренды (тенденции), ошибки и выбросы. Модуль «Многомерные методы» предназначен для изучения и раскрытия взаимоотношений множества факторов. С его помощью можно сортировать и группировать данные.

В пакете «Мезозавр» реализована оригинальная система экспертной оценки сложных моделей временных рядов. Пакет STADIA обладает развитой системой контекстной экранной помощи.

Специализированные пакеты посвящены решению узкого круга задач. Например, пакет ТС WIN позволяет детально проводить парный регрессионный анализ. Особенностью этого пакета является то, что математическое описание экспериментальных данных можно выполнить при помощи нескольких сотен математических моделей. Пакет позволяет исследователю самостоятельно формировать собственные математические модели. Для этого предусмотрена процедура создания функции пользователя. Пакет ТС WIN обладает широкими графическими возможностями отображения эмпирических данных и графиков выбранных моделей.

Пакет 3D ТС WIN расширяет возможности предыдущей программы и позволяет аппроксимировать двухфакторные зависимости (для функциональных зависимостей речь идет о двух аргументах).