Пакет символьной математики MATHCAD в инженерных расчетах

Министерство образования  Республики Беларусь

Учреждение образования

«Мозырский государственный  педагогический университет 

им. И.П.Шамякина»

 

кафедра информатики  и методики преподавания информатики

 

 

Курсовая работа

 

Пакет символьной математики MATHCAD в инженерных расчетах

 

 

 

 

Выполнила: 
студентка 2 курса 1 группы 
инженерно-педагогического 
факультета 
Антипенко Наталья Ивановна

 

 

 

Научный руководитель: 
Егоров Николай Николаевич

 

 

Оценка научного руководителя:  

оценка, дата сдачи, подпись

 

Оценка оформления и сроков 
представления курсовой работы:   

 

Оценка защиты работы:   

 

Итоговая оценка:   

 

 

 

Мозырь 2009

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Эффективная работа инженера в настоящее время немыслима  без персональных компьютеров (ПК) и  развитых телекоммуникационных средств. Работа самого ПК обеспечивается операционной системой (например, MS-DOS, OS/2, Linux, Windows  и др.), а для  решения прикладных задач используют специальные пакеты прикладных программ.

Естественно, квалифицированный  пользователь, владеющий в достаточной  степени одним из языков программирования (например, С, Pascal, Fortran, Lisp, Prolog  и др.), может самостоятельно разработать и отладить отдельную программу или комплекс программ, позволяющий реализовать на ПК алгоритм его задачи. Причем в ряде случаев разработанная пользователем узкоспециализированная программа может работать существенно быстрее, чем программа из программного пакета.

Однако такой подход требует, как правило, больших трудозатрат на программирование, отладку и тестирование каждой программы, значительно сокращая долю творческого труда по решению конкретной технической задачи.

Для сокращения времени  программирования создано большое количество прикладных пакетов, области использования которых в значительной степени перекрываются. Для наиболее эффективного использования вычислительной техники необходимо правильно выбрать наилучший пакет программ на самой ранней стадии решения прикладной задачи.

Широкую известность  и заслуженную популярность еще  в середине 80-х годов приобрели  интегрированные системы для  автоматизации математических расчетов класса MathCAD, разработанные фирмой MathSoft (США). С момента своего появления системы класса MathCAD имели удобный пользовательский интерфейс — совокупность средств общения с пользователем в виде масштабируемых и перемещаемых окон, клавиш и иных элементов. У этой системы есть и эффективные средства типовой научной графики, они просты в применении и интуитивно понятны. По сей день они остаются единственными математическими системами, в которых описание решения математических задач дается с помощью привычных математических формул и знаков. Такой же вид имеют и результаты вычислений. Так что системы MathCAD вполне оправдывают аббревиатуру CAD (Computer Aided Design), говорящую о принадлежности к наиболее сложным и продвинутым системам автоматического проектирования — САПР. Можно сказать, что MathCAD — своего рода САПР в математике.

MathCAD — математически  ориентированные универсальные  системы. Помимо собственно вычислений  они позволяют с блеском решать  задачи, которые с трудом поддаются  популярным текстовым редакторам или электронным таблицам. С их помощью можно не только качественно подготовить тексты статей, книг, диссертаций, научных отчетов, дипломных и курсовых проектов, облегчают набор самых сложных математических формул и дают возможность представления результатов, в графическом виде.

MathCAD совмещает в себе несколько компонентов:

• мощный текстовый редактор, позволяющий вводить, редактировать и форматировать как текст, так и математические выражения;
• вычислительный процессор, умеющий проводить расчеты по введенным формулам, используя встроенные численные методы;
• символьный процессор, позволяющий проводить аналитические вычисления и являющийся, фактически, системой искусственного интеллекта;
• огромное хранилище справочной информации, как математической, так и инженерной, оформленной в качестве интерактивной электронной книги.

Отличительной чертой Mathcad от большинства других современных  математических приложений является его  построение по принципу WYSIWYG ("What You See Is What You Get" — "что вы видите, то и получите"). Поэтому он очень прост в использовании, в частности, из-за отсутствия необходимости сначала писать программу, реализующую те или иные математические расчеты, а потом запускать ее на исполнение. Вместо этого достаточно просто вводить математические выражения с помощью встроенного редактора формул, причем в виде, максимально приближенном к общепринятому, и тут же получать результат. В соответствии с проблемами реальной жизни, математикам приходится решать одну или несколько из следующих задач:

1. ввод на компьютере разнообразных математических выражений (для дальнейших расчетов или создания документов, презентаций, Web-страниц или электронных книг);
2. проведение математических расчетов (как аналитических, так и при помощи численных методов);
3. подготовка графиков с результатами расчетов;
4. ввод исходных данных и вывод результатов в текстовые файлы или файлы с базами данных в других форматах;
5. подготовка отчетов работы в виде печатных документов;
6. подготовка Web-страниц и публикация результатов в Интернете;
7. получение различной справочной информации из области математики.

 

Со всеми этими (а  также некоторыми другими) задачами с успехом справляется MathCAD:

• математические выражения и текст вводятся с помощью формульного редактора MathCAD, который по возможностям и простоте использования не уступает, к примеру, редактору формул, встроенному в Microsoft Word;
• математические расчеты производятся немедленно, в соответствии с введенными формулами;
• графики различных типов (по выбору пользователя) с богатыми возможностями форматирования вставляются непосредственно в документы;
• возможен ввод и вывод данных в файлы различных форматов;
• документы могут быть распечатаны непосредственно в MathCAD в том виде, который пользователь видит на экране компьютера, или сохранены в формате RTF для последующего редактирования в более мощных текстовых редакторах (например, Microsoft Word);
• возможно полноценное сохранение документов MathCAD в формате RTF-документов.

 

Создатели MathCAD сделали все возможное, чтобы пользователь, не обладающий специальными знаниями в программировании (а таких большинство среди ученых и инженеров), мог в полной мере приобщиться к достижениям современной вычислительной науки и компьютерных технологий. Для эффективной работы с редактором MathCAD достаточно базовых навыков пользователя. С другой стороны, профессиональные программисты (к которым относит себя и автор этих строк) могут извлечь из MathCAD намного больше, создавая различные программные решения, существенно расширяющие возможности, непосредственно заложенные в MathCAD.

К важным достоинствам новых  версий MathCAD относятся настройка под любой известный тип печатающих устройств, богатый набор шрифтов, возможность  использования всех инструментов Windows, прекрасная графика и современный многооконный интерфейс. В новые версии MathCAD включены эффективные средства оформления документов в цвете, возможность создания анимированных (движущихся) графиков и звукового сопровождения. Тут же текстовый, формульный и графический редакторы, объединенные с мощным вычислительным потенциалом. Предусмотрена и возможность объединения с другими математическими и графическими системами для решения особо сложных задач.

На сегодняшний день роль главной математической системы  для большинства пользователей  по-прежнему осталась за MathCAD. Системы этого класса отличает простота, удобный пользовательский интерфейс и тщательно продуманные, отобранные и ориентированные на нужды большинства пользователей математические возможности.

Таким образом, MathCAD является математическим редактором, позволяющим проводить разнообразные научные и инженерные расчеты, начиная от элементарной арифметики и заканчивая сложными реализациями численных методов. Ее пользователями являются студенты, ученые, инженеры, разнообразные технические специалисты и все, кому приходится проводить математические расчеты. Благодаря простоте применения, наглядности математических действий, обширной библиотеке встроенных функций и численных методов, возможности символьных вычислений, а также превосходному аппарату представления результатов (графики самых разных типов, мощных средств подготовки печатных документов и Web-страниц) MathCAD стал наиболее популярным математическим приложением.

 

 

 

 

 

Работа с  пакетом MathCAD

 

MathCAD представляет собой совокупность следующих основных компонентов:

• редактор текста (с возможностью вставки математических выражений, шаблонов графиков и текстовых комментариев);
• графический редактор (вставка графических областей двухмерных и трехмерных графиков с использованием шаблонов);
• редактор формул (вставка математических выражений);
• центр ресурсов (интегратор ресурсов системы);
• электронные книги (книги с описанием типовых расчетов в различных областях науки  и техники);
• справочная система (система для получения справочных данных);
• “быстрые” шпаргалки (короткие примеры с комментариями, описывающие применение встроенных в систему операторов и функций системы).

Документ программы MathCAD называется рабочим листом. Он содержит объекты: формулы и текстовые блоки. В ходе расчетов формулы обрабатываются последовательно, слева направо и сверху вниз, а текстовые блоки игнорируются. Ввод информации осуществляется в месте расположения курсора. Программа MathCAD использует три вида курсоров. Если ни один объект не выбран, используется крестообразный курсор, определяющий место создания следующего объекта. При вводе формул используется уголковый курсор, указывающий текущий элемент выражения. При вводе данных в текстовый блок применяется текстовый курсор в виде вертикальной черты.

Под интерфейсом  пользователя подразумевается совокупность средств графической оболочки MathCAD, обеспечивающих легкое управление системой как с клавишного пульта, так и с помощью мыши. Под управлением понимается и просто набор необходимых символов, формул, текстовых комментариев и т. д., и возможность полной подготовки в среде MathCAD документов (Worksheets) и электронных книг с последующим их запуском в реальном времени.

Пользовательский  интерфейс системы создан так, что  пользователь, имеющий элементарные навыки работы с Windows-приложениями, может сразу начать работу с MathCAD. Интерфейс системы внешне очень напоминает интерфейс широко известных текстовых процессоров Word 7. 0/8. 0 под Windows 95. Это, в частности, позволило несколько сократить описание общепринятых для Windows-приложений деталей работы с ними.

 

Редактор формул

 

Для запуска редактора  достаточно установить указатель мыши в любом свободном месте окна редактирования и щелкнуть левой  кнопкой. Курсор указывает место, с  которого можно начать набор формулы  – вычислительного блока. В области ввода формул курсор превращаться в синий уголок, указывающий направление и место ввода.

Особенности работы  Mathcad при выполнении простых вычислений:

• MathCAD отображает формулы так , как их печатают в книгах. MathCAD самостоятельно подбирает размеры дробных черт, скобок и других математических символов пропорционально написанной формуле;
• MathCAD понимает порядок действий;
• некоторые комбинированные операторы ( например, :=) вводятся одним символом (нажатием клавиши <:>);
• MathCAD вставляет пробелы до и после арифметических операторов;
• MathCAD понимает наиболее распространенные константы (например, число π=3,14159526, ускорение свободного падения g=9,8 м/с и т.п.);
• математические выражения можно редактировать внутри формульного блока, используя для этого курсор ввода и типовые приемы редактирования.

Рабочая область окна представляет собой калькулятор, т. е. формулы можно писать в любой  рабочей области. Вычисления в MathCAD можно вычислять с любой точки экрана, надо лишь щелкнуть мышью в любом месте рабочей области. В MathCAD большинство команд собрано на панели инструментов Math.

Панель инструментов позволяет  быстро вызывать команды главного меню. Каждая кнопка панели инструментов активизируется щелчком мыши по ней. Палитры инструментов можно перемещать по рабочей области в любом направлении. Размеры панелей можно изменять.