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Mathematica

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Wolfram Mathematica
Mathematica logistic bifurcation.png
開發者 沃尔夫勒姆研究公司
初始版本 1988年6月23日[1]
穩定版本 11.0.1(2016年9月28日 (2016-09-28)
编程语言 Wolfram 语言,[2] C/C++, Java 和 Mathematica[3]
操作系统 跨平台 (平台列表)
语言 英文、中文和日语
类型 计算机代数系统、数值分析软件、信息可视化、统计程序包、图形用户界面
许可协议 专有
網站 www.wolfram.com/mathematica/

Mathematica 是一款符号计算软件,有时候也被称为计算机代数系统,广泛使用于科学、工程、数学、计算等领域。

它是由英国科学家斯蒂芬·沃尔夫勒姆提出构想,并且由他所领导的沃尔夫勒姆研究公司(位于美国伊利诺伊州香槟市)开发的一款广泛使用的科学计算软件。[4][5] 它拥有强大的数值计算和符号运算能力,是目前为止使用最广泛的数学软件之一。

Wolfram 语言是用于 Mathematica 的编程语言。[6]

沃尔夫勒姆和他的工作团队于 1986 年开始 Mathematica 的研发。Mathematica 1.0 于 1988 年 1 月 23 日正式发行。2008 年 12 月发行的 Mathematica 7.0 版及之后的版本有中文版。

产品功能[编辑]

Mathematica 的功能包括:[7]

  • 各种基本数学函数库
  • 各种特殊属性函数库
  • 矩阵和数据操纵工具,包括对稀疏矩阵的处理
  • 支持复数、任意精度数、区间算术和符号运算
  • 2 维和 3 维数据以及函数的可视化和动画工具
  • 求解方程组、常微分方程偏微分方程、微分代数方程、时滞微分方程递推关系式等等
  • 离散和连续微积分的数值和符号工具
  • 多变量统计程序库,包括支持 100 多种数据分布的数据拟合、假设检验、概率和期望的运算
  • 支持删失数据、暂态数据、时间序列和有单位的数据
  • 随机过程和队列的计算及仿真
  • 为包括神经网络在内的数据、图像和声音的有监督无监督机器学习提供工具
  • 对运算和应用程序添加用户界面的各种工具包
  • 约束和无约束局部及全局最优化
  • 程序语言支持:过程式编程语言、函数式编程语言和面向对象的编程语言
  • 图像处理工具[8],包括图像识别
  • 提供用于图论中图的分析和可视化的工具
  • 分析组合问题的工具
  • 用于文本挖掘的工具
  • 数据挖掘的工具,比如聚类分析字符串对齐和模式匹配
  • 数论函数库
  • 金融运算的工具,包括期权债券、年金、衍生工具等的计算
  • 群论函数
  • 技术文本处理,包括公式编辑器和自动报告生成
  • 用于声音、图像和数据的小波分析程序库
  • 控制系统程序库
  • 连续和离散的积分变换
  • 导入和导出数据、图像、视频、GISCAD[9]等各种文件格式,并支持对生物医学类数据的输入和输出
  • 链接 Wolfram Alpha 的大量数学、科学、社会经济学类的数据集合
  • 查看并且重新使用前面的输入和输出(包括图像和文本记号)的笔记本界面
  • 和基于 DLL、SQLJava.NETC++FORTRANCUDAOpenCL 以及 http 的系统相链接的工具
  • 编写并行程序的工具
  • 当与互联网连接时,在笔记本中可同时使用“自由格式语言输入”(一个自然语言型的用户界面)[10]和 Wolfram 语言

界面[编辑]

Mathematica 分为两部分:内核和前端。内核对表达式(即 Wolfram 语言代码)进行解释,并且返回结果表达式。

Mathematica 是一款经过多年开发演化的编程语言。

前端由 Theodore Gray 设计[11],提供了一个 GUI,它使得用户可以创建并且编辑一个“笔记本文档”,该笔记本文档可以包含程序代码和其它格式化的文本(比如公式、图像、GUI 组件、表格、声音等),并且支持标准文字处理功能。所有的内容和格式都可以通过算法生成或者通过交互式方法进行编辑。支持大多数标准文字处理功能。还含有一个多语种的实时拼写检查器。

文档可以使用层次式单元进行结构化处理,这样便于对文档划分章节。文档也可以表示为幻灯片形式,便于进行演讲。笔记本与其内容均以 Mathematica 表达式的形式存储,并且可用使用 Mathematica 程序进行创建、编辑和修改,而且还可以转化为其它格式,比如 TeX 或者 XML

前端包括开发工具,比如调试器、输入自动补全、以及自动语法着色。

默认情况下,Mathematica 使用一个标准前端,不过也有其它前端可供选择,包括 Wolfram Workbench、2006 年引入的基于 EclipseIDE。它们为 Mathematica 提供了面向项目的开发工具,包括版本管理、调试、归档和测试。[12] 此外,Mathematica 还包括一个命令行前端(Mathematica Kernel)。[13]

沃尔夫勒姆研究公司已经推出一系列初学者入门视频,介绍用户界面和引擎。[14]

高性能计算[编辑]

近年来,Mathematica 系统已经开始支持高性能计算。在 Mathmatica 5.2 版本中,它已经支持自动多线程计算。[15]在 2002 年,gridMathematica 的引入使得用户级的并行编程可以在不同的集群和多处理器系统中进行[16] 在 2008 年,在所有的 Mathematcia 许可证中囊括了并行计算技术,包括支持网格技术如 Windows HPC Server 2008、Microsoft Compute Cluster Server 和 Sun Grid。2010 年,Mathematica 增加了对 CUDAOpenCL GPU 硬件的支持。另外,第 8 版还可以生成 C 代码,它可以自动由系统 C 编译器进行编译,比如 Intel C++ 编译器或者 Visual Studio 2010 编译器。

部署[编辑]

用户可以通过多种解决方案部署使用 Mathematica 编写的应用程序:

Mathematica Player Pro 是 Mathematica 的“只读”版本,它可以运行任何 Mathematica 应用程序,但是不允许编辑或者创建 Mathematica 代码。[17]此外,还有一个免费版本的 Mathematica Player 可以用来运行 CDF 格式的 Mathematica 程序;它也可以用来查看标准 Mathematica 文件,但是不能运行它们。

webMathematica 得网页浏览器可以作为远程 Mathematica 服务器的一个“前端”。它允许用户在任何平台上远程访问编写好的应用程序。但是,它不允许用户完全访问 Mathematica。

另外,第 8 版可以自动将 Mathematica 代码转换成可执行的 C 代码,这些自动生成的 C 代码可以在标准 C 编译器中进行编译,比如 Intel C++ Compiler 或者 Visual Studio 2010 的编译器。因此,从某种角度上,Mathematica 代码的执行速度可以与 C 语言代码相媲美。

与其他应用的链接[编辑]

Mathematica 通过名为 MathLink 的协议与其它应用程序链接。通过该协议,Mathematica 实现内核与前端的通讯,并且也提供了内核和其它应用程序之间的一个通用接口。

Mathematica 不但本身具有丰富的功能,而且它也提供了大量接口用以访问其它软件,从而可以方便地调用那些其它软件具有但 Mathematica 暂时不具备的功能。这样做可以进一步增强 Mathematica 的适用性。

Wolfram Research 发布了一个免费的开发工具包,该工具包允许 C programming language 编写的应用程序通过 MathLink 链接到 Mathematica 内核。[18]

使用 .NET/Link[19],任何一个 .NET 程序都可以调用 Mathematica 执行计算操作;相应地,Mathematica 程序也可以加载 .NET classes、操纵 .NET 对象并且执行方法调用。这样我们就可以从 Mathematica 内部构建 .NET 图形用户界面。类似地,Mathematica 也有 J/Link[20]顾名思义,它可以用于 Mathematica 与 Java 程序之间的交互。

SQL 数据库之间的通讯是通过内置的 JDBC 支持实现的。[21] Mathematica 也可以从一个 WSDL 描述中安装网页服务[22][23]

其它与 Mathematica 相链接的语言包括 Haskell[24]AppleScript[25]、PLT Scheme[26]Visual Basic[27]Python[28]Clojure[29]

在 Mathematica 和 OpenOffice.org Calc[30]以及 Microsoft Excel[31]之间有双向的链接。

Mathematica 也提供了与许多专门的数学软件包之间的链接,包括 MATLAB[32]R [33][34]Sage[35][36]、SINGULAR[37]、MathModelica 和 Origin [38]

Mathematica 中的数学公式也可以与其它计算或者排版软件(比如MathML)的公式进行相互转换。

Mathematica 可以通过多种方式捕获实时数据,比如与 LabVIEW 的链接[39],金融数据 feeds [40],或者直接通过 GPIB 从硬件设备(IEEE 488) [41]USB[42]以及串行接口[43]获取。

其他可用界面有 JMath,[44]它基于 GNU readline 和 MASH[45],并利用 UNIX 命令行运行内置的 Mathematica 程序(内含参数)。

可计算数据[编辑]

Mathematica 囊括了大量可立即计算的数据。用户可以通过编程访问这些数据,并且也可以通过 Wolfram Research 数据服务器自动更新数据。[46]某些数据如股票价格和天气数据都是实时递送的。目前数据集包括:

  • 天文数据:155,000 个天体的 99 个属性
  • 化学数据:34,000 个化合物的 111 个属性,118 个化学元素的 86 个属性以及 1000 个亚原子粒子的 35 个属性
  • 地缘政治数据:237 个国家的 225 个属性,以及全世界 160,000 个城市的 14 个属性
  • 金融数据:186,000 个股票和金融工具的历史和实时属性
  • 数学数据:187 种多面体的 89个 属性,3000 种图的 258 个属性,6 种 knots 的 63 个属性,21 种晶格结构的 37个 属性,52 个测地学方案的 32 个属性
  • 语言数据:149,000 个英语单词的 37 个属性。26 个其他语言的词典
  • 生物医学数据:所有 40,000 个人类基因的 41 个数据,27,000 类蛋白质的 30 个属性
  • 天气数据:全球 17,000 个气象站的 43 个实时和历史的测量数据
  • Wolfram|Alpha 数据:来自 Wolfram Alpha 的亿万兆数据

版本历史[编辑]

Mathematica 的产生是基于 Cole 和 Wolfram 早期的符号操作程序(SMP)的创意。[47][48]

Wolfram Research 已经发布了如下 Mathematica 版本[49]

  • Mathematica 1.0(1988年6月23日)[50][51][52][53]
  • Mathematica 1.1(1989)[54]
  • Mathematica 1.2(1989年8月1日)[53][55]
  • Mathematica 2.0(1991年1月15日)[53][56]
  • Mathematica 2.1(1992年6月15日)[18][53]
  • Mathematica 2.2(1993年6月1日)[53][57]
  • Mathematica 3.0(1996年9月3日)[58]
  • Mathematica 4.0(1999年5月19日)[53][59]
  • Mathematica 4.1(2000年11月2日)[53]
  • Mathematica 4.2(2002年11月1日)[53]
  • Mathematica 5.0(2003年6月12日)[53][60]
  • Mathematica 5.1(2004年10月25日)[53][61]
  • Mathematica 5.2(2005年6月20日)[53][62]
  • Mathematica 6.0(2007年5日1日)[63][64]
  • Mathematica 6.0.1(2007年6月5日)[65](此版本以及之后版本具有中文版)
  • Mathematica 6.0.2(2008)[66]
  • Mathematica 6.0.3(2008)[66]
  • Mathematica 7.0(2008年11月18日)[67]
  • Mathematica 7.0.1(2009年3月5日)[68]
  • Mathematica 8.0(2010年11月15日)
  • Mathematica 8.0.1(2011年3月7日)
  • Mathematica 8.0.4(2011年10月24日)
  • Mathematica 9.0.0(2012年11月28日)
  • Mathematica 9.0.1(2013年1月31日)
  • Mathematica 10.0.0(2014年7月9日)
  • Mathematica 10.0.1(2014年9月17日)
  • Mathematica 10.0.2(2014年12月10日,仅有英文界面)
  • Mathematica 10.1(2015年3月30日)[69]
  • Mathematica 10.2(2015年7月14日)[70]
  • Mathematica 10.3(2015年10月15日)
  • Mathematica 10.3.1(2015年12月16日)
  • Mathematica 10.4(2016年3月2日)
  • Mathematica 10.4.1(2016年4月18日)
  • Mathematica 11.0.0(2016年8月8日)
  • Mathematica 11.0.1(2016年9月28日)

参见[编辑]

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参考文献[编辑]

  1. ^ Wolfram, Stephen, Mathematica Turns 20 Today, Wolfram, 23 Jun 2008 [16 May 2012] 
  2. ^ Celebrating Mathematica’s First Quarter Century. [11 August 2015]. 
  3. ^ The Software Engineering of Mathematica—Wolfram Mathematica 9 Documentation. Reference.wolfram.com. Retrieved on 2015-03-23.
  4. ^ Stephen Wolfram: Simple Solutions; The iconoclastic physicist's Mathematica software nails complex puzzles, BusinessWeek, October 3, 2005.
  5. ^ Contact Wolfram Research. [11 August 2015]. 
  6. ^ Slate's article Stephen Wolfram's New Programming Language: He Can Make The World Computable, March 6, 2014. Retrieved on 2014-05-14.
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外部链接[编辑]