Από την Άλγεβρα των Υπολογισμών στα Υπολογιστικά Συστήματα Άλγεβρας

Transcript

1 Από την Άλγεβρα των Υπολογισμών στα Υπολογιστικά Συστήματα Άλγεβρας Νικόλαος Καραμπετάκης Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Μαθηματικών, Α.Π.Θ.

2 Περιεχόμενα Αριθμητική Ανάλυση Υπολογιστική Άλγεβρα Υπολογιστικά Συστήματα Άλγεβρας Κατηγορίες ΥΣΑ. Από τι επηρεάστηκε η εξέλιξη των ΥΣΑ; Ιστορική εξέλιξη των ΥΣΑ. Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ. Μειονεκτήματα των ΥΣΑ. Τα ΥΣΑ στην έρευνα. Τα ΥΣΑ στην εκπαίδευση. Το μέλλον των ΥΣΑ

3 Ιστορική εξέλιξη των ΗΥ

4 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΑΛΓΕΒΡΙΚΟΙ ή ΣΥΜΒΟΛΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ

5 Αριθμητική Ανάλυση Αριθμητική Ανάλυση : Κλάδος των Μαθηματικών και της Επιστήμης Υπολογιστών που ασχολείται με την δημιουργία, ανάλυση και εφαρμογή υπολογιστικών μεθόδων οι οποίες αναλύουν σύνθετους μαθηματικούς υπολογισμούς σε απλές πράξεις εκτελέσιμες από έναν Η/Υ. ΣΦΑΛΜΑ

6 Εφαρμογές Αριθμητικής Ανάλυσης Προβλήματα στα οποία δεν υπάρχει τρόπος εύρεσης της ακριβούς λύσεως π.χ. επίλυση διαφορικών εξισώσεων, υπολογισμός ολοκληρωμάτων Προβλήματα των οποίων η διάσταση είναι μεγάλη και ο χρόνος στον οποίο απαιτείται η λύση είναι κρίσιμος π.χ. επίλυση εξισώσεων σε προβλήματα μετεωρολογίας, πυρηνικής φυσικής, γεωλογίας κ.λ.π. όπου το πλήθος των μεταβλητών είναι πολύ μεγάλο.

7 Εφαρμογές Αριθμητικής Ανάλυσης Προσομοίωση τυφώνα Πρόγνωση καιρού Χαοτική κίνηση στα υγρά

8 Υπολογιστική Άλγεβρα Μαθηματικά Επιστήμη Υπολογιστών Υπολογιστική Άλγεβρα Η Υπολογιστική Άλγεβρα έχει ως στόχο την ανάπτυξη : α) συμβολικών αλγορίθμων για την επίλυση μαθηματικά τυποποιημένων προβλημάτων, β) συστημάτων (υλικό (hardware) ή λογισμικό (software)) για συμβολικές πράξεις.

9 Θέματα Υπολογιστικής Άλγεβρας α) Πλήρης ακρίβεια. β) Πολυώνυμα. γ) Γραμμική Άλγεβρα. δ) Θεωρία αριθμών. ε) Μεταθετική Άλγεβρα και Αλγεβρική Γεωμετρία. στ) Θεωρία Ομάδων. ζ) Θεωρία Αναπαράστασης. η) Αθροίσματα και ολοκληρώματα. θ) Διαφορικές εξισώσεις και εξισώσεις διαφορών. ι) Δυναμικά συστήματα. κ) Υβριδικές μέθοδοι. λ) Αλγεβρική θεωρία πολυπλοκότητας. Σχετικά με Μαθηματικά

10 Πολλαπλασιασμός μεγάλων ακεραίων αριθμών n n i i, i 0 i 0 X x B Y y B i i 2n i X Y z B, z x y i 0 i i k l k l i 2 Πολυπλοκότητα αλγορίθμου n

11 Αλγόριθμος Karatsuba X X BX, Y Y BY X , Y X Y X BX Y BY 2 X Y B X Y X Y B X Y X Y X Y X Y X Y X X Y Y X Y X Y X 1 Y 0 X 0 Y Πολυπλοκότητα αλγορίθμου n

12 Θέματα Υπολογιστικής Άλγεβρας Σχετικά με ΗΥ μ) Αναπαράσταση γνώσης και αφηρημένοι τύποι δεδομένων. ν) Σχεδιασμός υπολογιστικών συστημάτων άλγεβρας. ξ) Παράλληλα υπολογιστικά συστήματα άλγεβρας. ο) Μέσα αλληλεπίδρασης (interfaces) και προτυποποίηση. π) Υλοποίηση σε hardware των υπολογιστικών συστημάτων άλγεβρας.

13 Θέματα Υπολογιστικής Άλγεβρας Τρόποι Αναπαράστασης Ακεραίων-Ρητών Ακέραιοι d... s d 0 d 1 d l-1 d d sl d0 d1 dl Ρητοί Μειονεκτήματα : LINK1 LINK2 α) περισσότερη μνήμη, β) μικρότερη ταχύτητα σε υπολογισμούς.

14 Εφαρμογές Υπολογιστικής Άλγεβρας Φυσική Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων, Θεωρία Βαρύτητας, Διαφορική Γεωμετρία, Διαφορικές Εξισώσεις κ.α. Μαθηματικά Επιστήμη των υπολογιστών Θεωρία κωδίκων και κρυπτογραφία, σχεδιασμός VLSI κυκλωμάτων, επεξεργασία σήματος, συστήματα αναπαράστασης γνώσης στα Μαθηματικά κ.α. Μηχανική Ρομποτική, σχεδίαση και μοντελοποίηση με βοήθεια Η/Υ, ψηφιακή επεξεργασία ήχου κ.α. Εκπαίδευση Ως βοηθητικό μέσο διδασκαλίας, αλλά και ως αντικείμενο διδασκαλίας.

15 Υπολογιστικά Συστήματα Άλγεβρας Υπολογιστικά Συστήματα Άλγεβρας (ΥΣΑ) (Computer Algebra Systems) : Προγράμματα τα οποία κάνουν χρήση των μεθόδων της Υπολογιστικής Άλγεβρας.

16 Κατηγορίες Υπολογιστικών Συστημάτων Άλγεβρας Υπολογιστικά Σύστημα Άλγεβρας Γενικού Σκοπού (general purpose CAS ) Εμπεριέχουν συναρτήσεις για τα περισσότερα πεδία των Μαθηματικών Macsyma, Reduce, Maple, Mathematica, Derive, κ.α.. Ειδικού Σκοπού (special purpose CAS) Ειδικεύονται σε συγκεκριμένες περιοχές των μαθηματικών PARI (Θεωρία Αριθμών), DELiA (Διαφορικές Εξισώσεις) κ.α..

17 Από τι επηρεάστηκε η εξέλιξη των Υπολογιστικών Συστημάτων Άλγεβρας Συστήματα Ανάπτυξη γλωσσών προγραμματισμού και λογισμικού για συμβολικές πράξεις. Αλγόριθμοι Ανάπτυξη αποδοτικών μαθηματικών αλγορίθμων για τον χειρισμό πολυωνύμων, ρητών συναρτήσεων και ακόμα πιο γενικών συναρτήσεων Εφαρμογές Το πλήθος των εφαρμογών που δημιούργησε την τεράστια ώθηση στην ανάπτυξη συστημάτων και αλγορίθμων

18 Χρόνος Υπολογιστικό Σύστημα Άλγεβρας 1961 SAINT (Αόριστα Ολοκληρώματα ) ALTRAN, MATHLAB (Χειρισμός πολυωνυμικών και ρητών συναρτήσεων ) SIN (Συμβολική ολοκλήρωση ) σήμερα REDUCE (Ξεκίνησε για υπολογισμούς στην Φυσική. Επιλύει προβλήματα μεγάλης κλίμακας σε Μαθηματικά, Φυσικές Επιστήμες, και στην Επιστήμη των Μηχανικών.) 1968 MATHLAB-68 (Νέα έκδοση του Mathlab ) σήμερα MACSYMA (Γενικού σκοπού ΥΣΑ ) Τέλη 1970 s mumath 1980 MAPLE (Γενικού σκοπού ΥΣΑ ) Αρχές 1980 s DERIVE (Γενικού σκοπού ΥΣΑ, νέα έκδοση του mumath ) 1984 σήμερα SINGULAR (ΥΣΑ για πολυωνυμικούς υπολογισμούς ) 1988 σήμερα SMP, MATHEMATICA (Γεν. σκ. ΥΣΑ ) σήμερα MuPAD (Γεν. Σκ. ΥΣΑ )

19 σήμερα AXIOM (Ο διάδοχος του Stratchpad. Γενικού σκοπού ΥΣΑ, το οποίο επιτρέπει τους χρήστες να γράφουν αλγορίθμους πάνω σε γενικά πεδία ορισμού ) CAYLEY (Θεωρία ομάδων ) Τέλη 1980 s MAGMA (Γενικού σκοπού ΥΣΑ για Άλγεβρα, Θεωρία Αριθμών, Αλγεβρική Γεωμετρία, Αλγεβρική Τοπολογία, Αλγεβρική Συνδιαστική κ.α.. ) GAP, GAP 2 (2000) (Ομάδες, αλγόριθμοι και προγραμματισμός, υπολογιστική διακριτή άλγεβρα ) FORM (Υπολογισμοί σε Φυσική Υψηλών Ενεργειών ) LiE (Υπολογισμούς σε Lie άλγεβρα ) 1992 MACAULAY 2 (Αλγεβρική Γεωμετρία και Μεταθετική Άλγεβρα ) Μέσα 1980 s PARI ftp://megrez.math.u-bordeaux.fr/pub/pari (Θεωρία Αριθμών )

20 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ α) Ακριβείς Υπολογισμοί program fibonacci implicit none! Variables INTEGER * 4::f, f1, f2, i! 0L Body of fibonacci f1 = 1; f2 = 1; i = 3; f = f1 + f2; Do WhileHMod Hf, 100L= f1 = f2; f2 = f; f = f1 + f2; i = i + 1 End Do Print *, f, i end program fibonacci Integer*8 [-2^63-2^63-1] Press any key to continue Press any key to continue

21 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ α) Ακριβείς Υπολογισμοί f1 = 1; f2 = 1; i = 3; f = f1 + f2; While@Mod@f, 100D¹ 0, f1 = f2; f2 = f; f = f1 + f2; ++id; f i

22 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ α) Ακριβείς Υπολογισμοί

23 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ β) Διαδραστικότητα (interactivity)

24 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ γ) Συμβολικοί υπολογισμοί γ1) απλοποιήσεις γ2) αλλαγή μορφής εκφράσεων

25 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ γ) Συμβολικοί υπολογισμοί γ3) επίλυση γραμμικών εξισώσεων

26 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ γ) Συμβολικοί υπολογισμοί γ3) επίλυση γραμμικών εξισώσεων

27 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ γ) Συμβολικοί υπολογισμοί γ4) πράξεις πινάκων

28 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ γ) Συμβολικοί υπολογισμοί γ4) υπολογισμός ορίων

29 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ γ) Συμβολικοί υπολογισμοί γ5) υπολογισμός σειρών k 1 1 k 2 k 1 1 k

30 Υπολογισμός ορισμένου ολοκληρώματος κατά Riemann

31 Υπολογισμός ορισμένου ολοκληρώματος κατά Riemann

32 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ γ) Συμβολικοί υπολογισμοί γ6) διαφόριση και ολοκλήρωση συναρτήσεων

33 Υπολογισμός σειρών Fourier μιας συνάρτησης

34 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ γ) Συμβολικοί υπολογισμοί γ7) επίλυση διαφορικών εξισώσεων και εξισώσεων διαφορών

35 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ δ) Χρήση επιλεγμένης ακρίβειας

36 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε1) Διδιάστατα γραφικά

37 Υπολογισμός σειρών Fourier μιας συνάρτησης

38 Υπολογισμός σειρών Taylor

39 Υπολογισμός σειρών Taylor

40 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε2) Παραμετρικές εξισώσεις

41 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε3) Γραφική παράσταση μέσω επίλυσης εξισώσεων

42 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε4) Γραφική παράσταση σημείων s n n 1 2 k k 1 s, s,..., s

43 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε4) Γραφική παράσταση σημείων t n 1 k 1 k t, t,..., t n

44 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε5) Στατιστικά διαγράμματα

45 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε6) Κινούμενες γραφικές παραστάσεις

46 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε6) Κινούμενες γραφικές παραστάσεις

47 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε6) Κινούμενες γραφικές παραστάσεις

48 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε6) Κινούμενες γραφικές παραστάσεις o 5 6; PendulumMovie3D o, 0, 1, period o, 1, 30 ;

49 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ε) Γραφική αναπαράσταση αποτελεσμάτων ε7) Τριδιάστατα γραφικά

50 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ στ) Βιβλιοθήκη μαθηματικών συναρτήσεων

51 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ ζ) Αριθμητικοί υπολογισμοί

52 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ η) Γλώσσα προγραμματισμού

53 Χαρακτηριστικά των ΥΣΑ η) Γλώσσα προγραμματισμού

54 Μειονεκτήματα των ΥΣΑ Δυσκολία ορισμού του πεδίου λύσεων στο οποίο αναζητούμε λύσεις, Έχουν ιδιαιτερότητες που μαθαίνονται μόνο με την εμπειρία, Δεν καλύπτουν όλα τα υπάρχοντα επιστημονικά πεδία, Δεν δίνουν ακριβείς λύσεις σε προβλήματα για τα οποία δεν υπάρχει ακριβής λύση π.χ. λύση πεμπτοβάθμιας εξίσωσης, Δυσκολία διασύνδεσης με άλλες εφαρμογές, Δυσκολία διαχείρισης προβλημάτων μεγάλης κλίμακας λόγω της χαμηλής ταχύτητας και του μεγάλου μεγέθους μνήμης που καταναλώνουν, από τους πόρους του υπολογιστή, Πολλές φορές δίνουν γενικές απαντήσεις οι οποίες όμως στερούνται κάποιου νοήματος.

55 Αδυναμία εκτέλεσης συμβολικών υπολογισμών

56 Αδυναμία εκτέλεσης συμβολικών υπολογισμών

57 Αδυναμία αντίληψης του πεδίου ορισμού της συνάρτησης Απλοποίηση στο x=-2

58 Τα ΥΣΑ στην έρευνα Έλεγχος εικασιών για να υποστηρίξουν αλλά και να απορρίψουν εικασίες, Εκτέλεση συμβολικών υπολογισμών που θα απαιτήσει ένας νέος αλγόριθμος, Σχεδιασμός και δημιουργία νέων ΥΣΑ για νέα ερευνητικά πεδία, Προσαρμογή και βελτίωση των αλγορίθμων που έχουμε δημιουργήσει για την επίλυση ενός προβλήματος, Δημιουργία συμβολικών λύσεων σε μαθηματικά προβλήματα, οι οποίες θα μας δώσουν μια βαθύτερη γνώση για το ίδιο το πρόβλημα, Δημιουργία μαθηματικών πινάκων π.χ. πίνακες ολοκληρωμάτων, παραγώγων, ειδικών συναρτήσεων κ.λ.π.,

59 Τα ΥΣΑ στην έρευνα Παράδειγμα. Ας δούμε αν ισχύει η παρακάτω εικασία : «Ο αριθμός 2 p 1είναι πρώτος αριθμός αν ο p είναι πρώτος αριθμός.»

60 Τα ΥΣΑ στην έρευνα Το πρόβλημα των τεσσάρων χρωμάτων Η απόδειξη στηρίζεται στην ανάλυση περιπτώσεων από ΗΥ.

61 Τα ΥΣΑ στην εκπαίδευση Βοηθούν στην ενεργή συμμετοχή των μαθητών στην μάθηση, Δίνουν την δυνατότητα στους μαθητές : να ασχοληθούν περισσότερο με την κατανόηση των μαθηματικών εννοιών, να πειραματιστούν, να συμμετέχουν στην επίλυση πραγματικών προβλημάτων, να ασχοληθούν περισσότερο με την ποιοτική ανάλυση των αποτελεσμάτων, να δουν γραφικά νέες έννοιες, να αναγνωρίσουν κρυμμένα πρότυπα από την λύση προβλημάτων.

62 Τα ΥΣΑ στην εκπαίδευση Παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να υπολογίσουμε την ορίζουσα VanDermonde. 1 x x x 2 n n 1 1 x2 x2 x2 2 n 1 1, 2,..., n D x x x x x x 1 x x x 2 n 1 n n n

63 Τα ΥΣΑ στην εκπαίδευση Αυτό που θέλουμε να αποδείξουμε πιθανώς θα έχει την μορφή. 1, 2,..., 1 n n i j i j D x x x x x x x i, j i, j i j i j

64 Κρυμμένα πρότυπα x f x x?

65 Τα ΥΣΑ στην εκπαίδευση Τμήμα Μαθηματικών του Α.Π.Θ. Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών Τμήμα Μαθηματικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων Τμήμα Μαθηματικών του Πανεπιστημίου Κρήτης

66 Το μέλλον των ΥΣΑ Ενσωμάτωση νέων συναρτήσεων που θα καλύπτουν ευρύτερα πεδία έρευνας, Βελτιστοποίηση των ήδη υπαρχόντων αλγορίθμων, Προτυποποίηση του τρόπου αναπαράστασης των δεδομένων ώστε να είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών ΥΣΑ, Δυνατότητα χρήσης τους μέσω του Internet (ήδη γίνεται π.χ. WebMathematica), Δημιουργία βάσης μαθηματικών προβλημάτων στα οποία θα δοκιμάζονται οι επιδόσεις των ΥΣΑ, Ευρεία χρήση τους στην εκπαίδευση.

67 Χρήσιμα links για τα ΥΣΑ Ιστοσελίδα της ειδικής ομάδας της Association for Computing Machinery που ειδικεύεται στο θέμα αυτό Περιοδικά ACM Communications in Computer Algebra Journal of Symbolic Computation Συνέδρια International Symposium on Symbolic and Algebraic Computation (ISSAC)