Эффективность применения программного обеспечения в статистике окружающей среды

В систему MATHCAD интегрированы средства символьной математики, что позволяет решать поставленные задачи или их этапы не только численно, но и аналитически. [10]

Функциональный набор системы включает в себя:

• вычислительные функции (вычисление арифметических выражений, производных, интегралов, вычисление суммы и произведения, решение уравнений, неравенств и их систем, решение дифференциальных уравнений, обработка матриц, использование символьных преобразований и др.);
• графические функции (построение двухмерных графиков в различных системах координат, построение графиков поверхностей,  векторных полей, трехмерных гистограмм, применение элементов анимации);
• функции программирования (создание программных модулей, состоящих из программных элементов, подобных конструкциям языков программирования);
• сервисные функции (ведение диалога с пользователем посредством меню, пиктограмм или команд, размещение на экране и редактирование математических, графических и текстовых конструкций, форматирование документа, печать документа и др.).

MATHCAD не только средство для решения математических задач. Это, по существу, мощная математическая САПР, позволяющая готовить на высочайшем полиграфическом уровне любые относящиеся к науке и технике материалы: документацию, научные отчеты, книги и статьи, диссертации, дипломные и курсовые проекты и т. д. При этом в них одновременно могут присутствовать тексты сложного вида, любые математические формулы, графики функций и различные иллюстративные материалы.

Все версии MATHCAD под Windows позволяют работать как с латинскими буквами, так и с кириллицей, греческим алфавитом и вообще с любыми символами, доступными Windows. Более того, благодаря применению масштабируемых TTF-шрифтов можно управлять как размером символов, так и их стилем (делая буквы прямыми или наклонными, тонкими или жирными). Все это дает возможность готовить документы и электронные книги высокого качества, как на английском, так и на русском языках. При этом такая возможность есть и в русифицированных, и в англоязычных версиях MATHCAD.

В настоящее время в арсенале пользователя имеются версии MATHCAD 7.0, MATHCAD 8.0, MATHCAD 2000 для Windows, предназначенные для выполнения инженерных и научных расчетов.

Использование всех богатейших средств и возможностей MATHCAD делает труд пользователя более эффективным. [1]

3. MATHLAB

Программа MATHLAB представляет собой высокоуровневый технический вычислительный язык и интерактивную среду для разработки алгоритмов, визуализации и анализа данных, числовых расчетов. Используя программу MATHLAB, можно решать технические вычислительные задачи гораздо быстрее, чем с помощью традиционных языков программирования. Программа содержит сотни команд для работы в области математики. MATHLAB можно использовать для построения графиков функций, решения уравнений, выполнения статистических тестов и многого другого. Можно создавать звук и анимационную графику. MATHLAB позволяет производить симуляцию и моделирование. С помощью данной программы можно подготовить материалы для экспортирования в Интернет. Программа MATHLAB – это более чем просто необычный калькулятор; эта программа является в высшей степени полезным и универсальным инструментом. В своей специальной части программа предоставляет возможность определить, с какими из сотен команд, списков справочных страниц и тысяч элементов документации необходимо познакомиться и начать быстро и эффективно их использовать. [10]

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

• математические вычисления;
• создание алгоритмов;
• моделирование;
• анализ данных, исследования и визуализация
• научная и инженерная графика
• разработка приложений, включая создание графического интерфейса.

MATHLAB – это интерактивная система, в которой основным элементом данных является массив. Это позволяет решать различные задачи, связанные с техническими вычислениями, особенно в которых используются матрицы и вектора, в несколько раз быстрее, чем при написании программ с использованием "скалярных" языков программирования.

MATHLAB развивался в течение нескольких лет, ориентируясь на различных пользователей. В университетской среде, он представлял собой стандартный инструмент для работы в различных областях математики, машиностроении и науки. В промышленности, MATHLAB – это инструмент для высокопродуктивных исследований, разработок и анализа данных.

В MATHLAB важная роль отводится специализированным группам программ, называемых toolboxes. Они очень важны для большинства пользователей MATHLAB, так как позволяют изучать и применять специализированные методы. Toolboxes– это всесторонняя коллекция функций MATHLAB (М-файлов), которые позволяют решать частные классы задач. Toolboxes применяются для обработки сигналов, систем контроля, нейронных сетей, нечеткой логики, вэйвлетов, моделирования и т.д.

Система MATHLAB состоит из пяти основных частей.

Язык MATHLAB. Язык матриц высокого уровня с управлением потоками, функциями, структурами данных, вводом-выводом и особенностями объектно-ориентированного программирования. Это позволяет создавать несложные программы и большие и сложные приложения.

Среда MATHLAB. Набор инструментов и приспособлений, с которыми работает пользователь или программист MATHLAB. Она включает в себя средства для управления переменными в рабочем пространстве MATHLAB, вводом и выводом данных, а также создания, контроля и отладки М-файлов и приложений MATHLAB.

Управляемая графика. Графическая система MATHLAB, которая включает в себя команды для визуализации двух- и трехмерных данных, обработки изображений, анимации и иллюстрационной графики.

Библиотека математических функций. Обширная коллекция вычислительных алгоритмов от элементарных функций, таких как: сумма, синус, косинус, комплексная арифметика, — до более сложных, таких как: обращение матриц, нахождение собственных значений, функции Бесселя, быстрое преобразование Фурье.

Программный интерфейс. Библиотека, которая позволяет писать программы на Си и Фортране, взаимодействующие с MATHLAB. Она включает и средства для вызова программ из MATHLAB (динамическая связь).

Кроме названных основных частей, в MATHLAB имеется дополнение Simulink, представляющее собой сопутствующую программу, которая является интерактивной системой для моделирования нелинейных динамических систем. Она представляет среду, управляемую мышью, которая позволяет моделировать процесс путем перетаскивания блоков диаграмм на экране и их манипуляцией. Simulink работает с линейными, нелинейными, непрерывными, дискретными, многомерными системами.

Blocksets. Дополнения к Simulink, которые обеспечивают библиотеки блоков для специализированных приложений: связь, обработка сигналов, энергетические системы.

Real-Time-Workshop. Программа, которая позволяет генерировать код из блоков диаграмм и запускать их на выполнение на различных системах реального времени. [1]

4. STATISTICA

STATISTICA – это универсальная интегрированная система, предназначенная для статистического анализа и визуализации данных, управления базами данных и разработки пользовательских приложений, содержащая широкий набор процедур анализа для применения в научных исследованиях, технике, бизнесе, а также специальные методы добычи данных. Помимо общих статистических и графических средств в системе имеются специализированные модули, например, для проведения социологических или биомедицинских исследований, решения технических и, что очень важно, промышленных задач: карты контроля качества, анализ процессов и планирование эксперимента. Работа со всеми модулями происходит в рамках единого программного пакета, для которого можно выбирать один из нескольких предложенных интерфейсов пользователя. С помощью реализованных в системе STATISTICA мощных языков программирования, снабженных специальными средствами поддержки, легко создаются законченные пользовательские решения и встраиваются в различные другие приложения или вычислительные среды.

Система обладает следующими общепризнанными достоинствами:

• содержит полный набор классических методов анализа данных: от основных методов статистики до продвинутых методов, что позволяет гибко организовать анализ;
• является средством построения приложений в конкретных областях;
• в комплект поставки входят специально подобранные примеры, позволяющие систематически осваивать методы анализа;
• отвечает всем стандартам Windows, что позволяет сделать анализ высокоинтерактивным;
• система может быть интегрирована в Интернет;
• поддерживает web-форматы: HTML, JPEG, PNG;
• легка в освоении, и как показывает опыт, пользователи из всех областей применения быстро осваивают систему;
• данные системы STATISTICA легко конвертировать в различные базы данных и электронные таблицы;
• поддерживает высококачественную графику, позволяющую эффектно визуализировать данные и проводить графический анализ;
• является открытой системой: содержит языки программирования, которые позволяют расширять систему, запускать ее из других Windows-приложений, например, из Microsoft Excel. [5]

Система STATISTICA предлагает пользователю широкий выбор методов разведочного анализа данных. Программа вычисляет практически все используемые описательные статистики общего характера: медиану, моду, квартили, заданные пользователем процентили, среднее значение и стандартное отклонение, квартильный размах, доверительные интервалы для среднего, асимметрию и эксцесс (и их стандартные ошибки), гармоническое и геометрическое среднее, а также многие специальные описательные статистики. Как и во всех других модулях системы STATISTICA, проведение разведочного анализа данных поддерживают разнообразные графики и диаграммы, в т.ч. различные виды диаграмм размаха и гистограмм, гистограммы двумерных распределений (трехмерные и категоризованные), двух- и трехмерные диаграммы рассеяния с помеченными подмножествами данных, нормальные и полунормальные вероятностные графики и графики с исключенным трендом, К-К и В-В графики и т.д. Имеется набор критериев для подгонки нормального распределения к данным (критерии Колмогорова-Смирнова, Лилиефорса и Шапиро-Уилкса). Практически все описательные статистики и графики могут быть построены для данных, категоризованных (сгруппированных) по значениям одной или нескольких группирующих переменных. Имеется возможность производить категоризацию по числовым (непрерывным) переменным. В дополнение к этому в системе имеется специализированная процедура иерархической группировки, позволяющая осуществлять категоризацию данных по многим (до шести) переменным и строить различные категоризованные графики, описательные статистики и корреляционные матрицы для подгрупп. Многочисленные возможности форматирования и расстановки меток позволяют получать таблицы и отчеты презентационного качества, содержащие длинные метки и описания переменных. При этом важно отметить, что процедура группировки выполняется для чрезвычайно больших объемов данных (например, по одной категоризующей переменной можно построить до 300 групп), а ее результаты содержат все соответствующие статистики дисперсионного анализа. Как и во всех других модулях системы STATISTICA, для достижения высокой – не имеющей аналогов в сравнении с другими пакетами – точности результатов здесь можно производить вычисления с повышенной точностью (если нужно - с четырехкратной). В дополнение к большому числу готовых статистических графиков пользователь может самостоятельно задавать различные типы визуализации исходных данных, описательных статистик, взаимосвязей между статистиками, группировок и категоризаций с помощью средств прямого доступа (point-and-click), что позволяет существенно уменьшить требуемое количество действий мышью. Средства графического разведочного анализа объединены с собственно статистичекими процедурами, что существенно облегчает визуальный анализ данных (например, в интерактивном режиме можно удалять выбросы, выделять подмножества данных, осуществлять сглаживание и подгонку функций, а богатые средства работы с кистью позволяют легко выявлять и/или выделять нужные данные). [2]

Таким образом, STATISTICA — это инструмент разработки пользовательских приложений в бизнесе, экономике, финансах, промышленности, медицине, страховании и других областях.

Преимущества и недостатки описанных выше программных средств представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Преимущества и недостатки программых средств

5. STATGRAPHICS CENTURION XV

Statgraphics Centurion XV – пакет прикладных программ использования персонального компьютера для математического и статистического анализа экономических процессов. Данный пакет популярен, благодаря легкости использования при большой функциональности. Например, в данной версии возможно реализовать более 250 различных функций с данными. STATGRAPHICS дает возможность проводить анализ информации, находящейся во внешних источниках данных; использовать расширенные графические средства; применять новые статистические процедуры для контроля качества и планирования эксперимента; использовать Мастер, помогающий пользователю в выборе подходящего метода анализа. Встроен инструмент для печати отчетов напрямую из STATGRAPHICS.