主要学术软件简介

所有要讲座的学术软件的介。

前言

这里所提到的是过往软件教学活动已经涉及到,今后不出意外也将开展教学的软件,因此在博客/群文件中,都有它们的下载、安装教程,以及入门资料,希望大家积极阅读这些资料,在此基础上若遇到问题也可以在群里提问。

大纲:

Mathematica:数学计算软件;在符号计算、图像处理等方面优势突出。
MATLAB:数学计算软件;在数值计算、与其它编程语言配合使用等方面优势突出。
COMSOL:物理模拟软件;界面简单,容易上手,可以用于计算许多物理问题。
LaTeX:功能强大的排版系统;打公式方便,排版简单而美观。
Chemdraw:化学绘图软件;可以用于绘制化学结构及反应式,获得相应的属性数据、系统命名及光谱数据等众多信息。

具体介绍

Mathematica(By 16级匡院马越)

Mathematica(以下简称 MMA)是一款科学计算软件,应用十分广泛。它的很多功能在众多数学软件中都处于世界领先地位。
就基础功能而言,MMA可以快速进行求导、积分等高等数学运算,并且还可以展示具体的步骤,对我们平时的高等数学学习有很大帮助。而且,利用 MMA进行数据的拟合也是十分方便的,在大物实验的数据处理中可以给我们带来很大的方便。此外,MMA的功能十分强大,它自带的帮助文档(参考资料中心)也十分详细,还可以进行许多更加高级的数学计算,比如傅里叶变换、偏微分方程求解等等。
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上面左边的这张图就展示使用 MMA 计算积分的过程。可以看出,MMA 给出了非常详细的具体步骤,而且这只要一行简单的代码就可以做到。而右边的图则是 MMA 的帮助文档,其中有非常多的教程、以及具体的例子。
再来展示一个使用 MMA进行数据拟合的例子。下面左边的这张图展示了使用 MMA 对一组数据采用直线拟合的过程。其中,ylist储存了待拟合的一组数据,ab是我们想要得到的拟合参数,而FindFit则是我们用来求ab这两个参数的一个函数。求出ab后,还可以将它们作在同一张图上。在实际进行拟合中,我们可以根据情况选择不同的形式(不一定是直线),使用更多的参数。
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最后,MMA的作图(一般称为可视化功能)是非常强大的,通俗来说就是画图的时候有很多选项(比如配色方案、透明度之类的)可以调,可以画出非常好看的图。下面来展示一个炫酷的例子:
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MATLAB(By 16级物院董家豪)

MATLAB是 Matrix 与 Laboratory 两个词的组合,意为矩阵实验室,是一款卓越的数学类科技应用软件。
MATLAB的基本数据单位是矩阵,它可以进行矩阵运算、绘制函数、处理数据、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、信号处理、图像处理、金融建模设计与分析等许多领域。
相比许多编程语言,MATLAB 较容易上手,而且用 MATLAB 来解算问题要比用 C,FORTRAN等编程语言完成相同的事情简捷得多。
使用 MATLAB,我们可以轻松解决许多数学问题,进行图像绘制、数据处理等多种操作,可以极大地方便平时的数学学习以及实验数据分析。

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MATLAB 工作界面
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图形绘制
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数据处理
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微分方程求解

COMSOL(By 16级物院罗遥)

COMSOL 是一款用来求解偏微分方程的数值模拟软件,基本方法是有限单元法(Finite Element Method)。它可以解决一些非常复杂的力学、流体力学、传热学问题,以及多种物理场同时存在的情况。解决问题的过程主要是几何建模和施加边界条件。COMSOL 是一款界面非常友好,上手很简单的有限元分析软件,案例库中有很多案例供大家学习,更多的例子可以在 COMSOL 的官网中找到。
下面的图展示了一个扳手的形变的计算结果。扳手一端受力,一端固定。
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先将扳手的形状绘制出来,然后将这两个边界条件在 COMSOL 中进行简单的设定之后,就可以得到扳手各个部位的形变大小。

LaTeX(By 16 级匡院马越)

LaTeX 是一种简单、好用而美观的排版系统。相对于 Word 等软件,它最大的优点之一是能够更好地显示各种数学公式,但同时对使用者的编程基础也并没有太高的要求。只要熟悉了 LaTeX 中的基本格式和输入数学公式的基本法则,再结合一些现有的(很容易在各大搜索引擎比如百度搜索到)模板,初学者能够很快地掌握制作出格式美观的文档的能力。
下面展示两张图片:(左侧为操作界面和输入,右侧为渲染结果。虽然看起来仿佛很复杂,但其实一两天就可以轻松上手)
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Chemdraw(By 16级匡院王石嵘)

ChemOffice是旨在满足化学家和生物学家的需求的科学智能生产力套件。ChemDraw是这个套件中的一个重要部分。
ChemOffice Professional 17 主要组件及相关功能:

  • ChemDraw:可以绘制分子结构、反应式,进行数据库查询(如 SciFinder),生成化学名称并预测理化性质及光谱数据。
  • Chem 3D:可以研究化合物的三维结构,预测化合物属性。
  • ChemFinder:管理个人数据库以及搜索、关联结构与性质信息并将这些数据转化成可视化的图表。
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