Входной язык системы MathCAD
Отличительной чертой MathCAD является работа с документами. Документы объединяют описание математического алгоритма решения задачи (или ряда задач) с текстовыми комментариями и результатами вычислений, заданными в форме символов, чисел, таблиц или графиков. В оригинале документы системы MathCAD названы английским словом "Worksheets". В научном мире длинные листы бумаги с текстами, формулами и графиками шутливо называют рабочими "простынями" – так буквально переводится слово "Worksheets".
Уникальное свойство MathCAD – возможность описания математических алгоритмов в естественной математической форме с применением общепринятой символики для математических знаков, таких, например, как квадратный корень, знак деления в виде горизонтальной черты, знак интеграла и т. д. Это делает документ, видимый на экране дисплея (см. рис. 1.5), чрезвычайно похожим на странички текста из математических книг и научных статей.
Такой подход значительно облегчает восприятие математической сущности задачи и избавляет пользователя от изучения некоторого промежуточного языка программирования (например, Фортрана, Бейсика, Паскаля и т. д.). Можно сказать, что в MathCAD идея решения математических задач без их программирования доведена до совершенства: подавляющее большинство задач требуют лишь корректного формульного описания и не нуждаются в подготовке программ в их общепринятом виде.
Разумеется, это не означает, что в системе нет своего языка программирования. В действительности он есть, но это математически ориентированный особый язык программирования сверхвысокого уровня, используемый в основном как входной язык для диалога с системой. В подавляющем большинстве расчетных задач этот язык позволяет задавать их решение в виде вводимых с помощью операторов и функций математических формул и указывать тип желаемых результатов (таблицы или графики). Специальные приемы введены лишь для задания циклического изменения переменных и создания так называемых ранжированных переменных – векторов.
Входной язык MathCAD относится к интерпретирующему типу. Это означает, что когда он опознает какой-либо объект системы, то тут же исполняет указанные в блоке операции. Языком реализации системы является язык Си++.
По существу, входной язык системы – это промежуточное звено между скрытым от пользователя языком связи документа с языком реализации системы. По мере того как пользователь создает (средствами текстового, формульного и графического редакторов) в окне редактирования объекты (тексты, формулы, таблицы и графики), система сама составляет программу на некотором промежуточном языке связи, которая хранится в ОЗУ до тех пор, пока не будет сохранена на диске в виде файла с расширением .mcd. Однако важно подчеркнуть, что от пользователя не требуется знать языки программирования (реализации и связи), достаточно освоить приближенный к естественному математическому языку входной язык системы.
В версии MathCAD 7.0 резко снижены требования даже к знанию входного языка. Практически все операторы, имеющие вид привычных математических символов, можно вводить мышью, а большинство математических функций (например, sin, cos, exp и т. д.) имеют естественную форму задания, например, sin(x) так и вводится как sin(x). К тому же есть возможность выбора из списка, имеющегося в специальном окне, что резко уменьшает вероятность ошибок при вводе функций.
Благодаря всему этому работа с системой приобрела характер визуального и объектно-ориентированного программирования. При этом решающим является задание объектов (с выбором их из соответствующей палитры наглядных знаков), а программу составляет сама система. Более того, в MathCAD эффективно решена проблема сквозной передачи данных от одного объекта к другому, например от одного математического выражения к другому, от него – к таблицам, от таблиц – к графикам и т. д. Поэтому изменение в любой формуле или в задании входных данных тут же ведет к пересчету задачи по всей цепи взаимодействия объектов (это не относится, однако, к символьным операциям, реализуемым из главного меню).
Лучшее враг хорошего! Это в полной мере можно сказать о входном языке предшествующих версий MathCAD. Этот язык был доведен до такого "совершенства", что в нем напрочь исчезли многие основополагающие средства программирования, например циклы, условные выражения, процедуры и т. д., в их привычном для программистов виде. В результате пользователь, привыкший к обычному программированию, испытывал большие неудобства от замены этих средств непривычными средствами системы MathCAD. Тем более что иногда описание задачи в общепринятом на языках программирования виде оказывается предпочтительным и более коротким.
Некоторые критики системы MathCAD, как правило, даже не работающие с нею, говорят, что реализация решения математических задач в среде MathCAD отучает пользователя от познания фундаментальных основ реализации математических численных методов обычными средствами программирования. Это обвинение абсолютно абсурдно. MathCAD как раз и позволяет описать любые алгоритмы реализации численных методов привычным для математиков языком обычных формул.
Впрочем, версии MathCAD PLUS 6.0 PRO и тем более MathCAD 7.0 избавились и от этого "недостатка". В них включены важнейшие средства программирования и предусмотрена возможность задания программных блоков – процедур с общепринятыми операторами программирования. В совокупности с иными средствами входного языка это делает его необычайно гибким, мощным и наглядным.
Как отмечалось, входной язык системы MathCAD – интерпретирующий. В интерпретаторах, например в добром старом Бейсике, листинг программы пользователя просматривается сверху вниз (а в пределах строки – слева направо), и любые указания в программе тут же выполняются. Так же просматриваются и блоки в системе MathCAD. При опознании блока система автоматически запускает внутренние подпрограммы выполнения необходимых действий, например вычисления по формуле, вывод таблицы значений вектора, построение рисунка по его шаблону и т. д. В общем, это напоминает интерпретацию высшего уровня, при которой пользователь не опускается до таких мелочей, как составление необходимых подпрограмм, хотя, как уже было сказано, теперь и это вполне возможно.
Интерпретаторы действуют медленно, поэтому не случайно пользователи, имевшие дело со старыми версиями MathCAD, отмечали медлительность систем, особенно при сложных вычислениях и при построении графиков. Медлительность является и следствием работы системы в графическом режиме, когда малейшее изменение содержания экрана требует его полной перерисовки.
В ряде предшествующих версий (и в новой) была введена экспертная система SmartMath. Она старается использовать при численных вычислениях конечные формулы, полученные в результате символьных преобразований. Порой это дает резкое ускорение вычислений в сравнении с их реализацией численными методами. Операция SmartMath (Быстрая математика) вводится оператором® и словами-директивами. Их число в версии MathCAD 7.0 PRO значительно увеличено, и для ввода операторов и директив символьной математики добавлена специальная палитра. Так что SmartMath превратилась в полноправного члена семьи MathCAD.
Начиная с версии MathCAD PLUS 5.0 в систему введена возможность ее расширения функциями, которые задаются обычными программами на языке Си или Си++. Однако это не позволяет эффективно и просто решить проблему расширения возможностей системы. На Си или Си++ хорошо программируют системные программисты, но они весьма редко разбираются в сути математических задач. Обычные пользователи, освоив возможности MathCAD, не захотят вернуться к тому, от чего уже ушли, – к программированию на достаточно сложном языке. В общем, как в расхожей фразе: "За что боролись, на то и напоролись"!
В связи с этим в версиях MathCAD PLUS 6.0/7.0 PRO появилась весьма изящная функция записи встроенных в документ программных модулей, реализующих типовые управляющие структуры и записанных в столь милом для программистов виде обычных программ.