pmi432 / LR05 / Books / Аладьев - Основы программирования в Maple, 2006

цип решения своих задач, при котором ход решения можно пошагово верифицировать, получая в конце концов требуемое решение. Уже введя первые предложения в текущий сеанс пакета, вы начинаете работать со входным Maple-языком. В настоящей же книге рассматривается наиболее полная лингвистическая компонента пакета – встроенный Maple-язык программирования (или просто Maple-язык). Вместе с тем, все примеры применения представленных в книге средств являются типичными предложениями входного Maple-языка пакета.

Среда программирования пакета обеспечивается встроенным Maple-языком, являющимся функционально полным процедурным языком программирования четвертого поколения (4GL). Он ориентирован, прежде всего, на эффективную реализацию как системных, так и задач пользователя из различных математически-ориентированных областей, расширение сферы приложений пакета, создание библиотек программных средств и т.д. Синтаксис Maple-язы- ка наследует многие черты таких известных языков программирования как С, FORTRAN, BASIC и Pascal. Поэтому пользователю, в той или иной мере знакомому как с этими языками, так и с программированием вообще, не составит особого труда освоить и Maple-язык.

Maple-язык имеет вполне традиционные стредства структурирования программ, включает в себя все команды и функции входного языка, ему доступны все специальные операторы и функции пакета. Многие из них являются достаточно серьезными программами, например, алгебраическое дифференцирование и интегрирование, задачи линейной алгебры, графика и анимация сложных трехмерных объектов и т.д. Являясь проблемно-ориентированным языком программирования, Maple-язык характеризуется довольно развитыми средствами для описания задач математического характера, возникающих в различных прикладных областях. В соответствии с языками данного класса структуры управляющей логики и данных Maple-языка в существенной мере отражают характеристику средств, прежде всего, именно для математических приложений. Наследуя многие черты С-языка, на котором написан компилятор интерпретирующего типа, Maple-язык позволяет обеспечивать как численные вычисления с любой точностью, так и символьные вычисления, поддерживая все основные операции традиционной математики. Однако, здесь следует привести одно пояснение.

Хорошо известно, что далеко не все задачи поддаются решению в аналитическом виде и приходится применять численные методы. Несмотря на то, что Maple-язык позволяет решать и такие задачи, его программы будут выполняться медленнее, чем созданные в среде языков компилирующего типа. Так что решение задач, требующих большого объема численных вычислений, в среде Maple весьма неэффективно. Именно поэтому пакет предоставляет как средства перекодировки программ с Maple-языка на C, Java, FORTRAN, MatLab и VisualBasic, так и поддержку достаточно эффективного интерфейса с известным пакетом MatLab.

Средства Maple-языка позволяют пользователю работать в среде пакета в двух режимах: (1) на основе функциональных средств языка с использованием правил оформления и работы с Maple-документом предоставляется возможность на интерактивном уровне формировать и выполнять требуемый алгоритм вашей задачи без сколько-нибудь серьезного знания даже основ программирования, а подобно конструктору собирать из готовых функциональных компонент входного языка на основе его синтаксиса требуемый вам алгоритм, включая его выполнение, отображение результатов на экране (в обычном и/или графическом виде), в файле и в твердой копии, и (2) использовать всю мощь Maple-языка для создания развитых систем конкретного назначения, так и средств, расширяющих собственно саму среду Maple, чьи возможности определяются только вашими собственными умением и навыками. При этом, первоначальное освоение языка не предполагает предварительного серьезного знакомства с основами программирования, хотя знание их и весьма предпочтительно.

Программирование в среде Maple-языка в большинстве случаев не требует какого-то особого программистского навыка (хотя его наличие и весьма нелишне), т.к. в отличие от других языков универсального назначения и многих проблемно-ориентированных Maple-язык включает большое число математически ориентированных функций и процедур, позволяя только одним вызовом решать достаточно сложные самостоятельные задачи, например: решать си-

11

стемы дифференциальных или алгебраических уравнений, находить минимакс выражения, вычислять производные и интегралы, выводить графики сложных функций и т.д. Интерактивность языка обеспечивает простоту его освоения и удобство редактирования и отладки прикладных Maple-документов и программ. Реальная же мощь Maple-языка обеспечивается не только его управляющими структурами и структурами данных, но и всем богатством его

функциональных (встроенных, библиотечных, модульных) и прикладных (Maple-документов) средств, созданных к настоящему времени пользователями из различных прикладных областей, прежде всего, математических. Важнейшим преимуществом Maple является открытость его архитектуры, что позволило в кратчайшие сроки создать широким кругом пользователей из многих областей науки, образования, техники и т.д. обширных наборов процедур и модулей, которые значительно расширили как его возможности, так и сферу приложений. К их числу можно с полным основанием отнести и представленную в [103] библиотеку, содержащую более 700 средств, дополняющих средства пакета, устраняющих ряд его недоработок, расширяющих ряд его стандартных средств и повышающих уровень совместимости релизов пакета. Представленные в [103] средства используются достаточно широко как при работе с пакетом Maple в интерактивном режиме, так и при программировании различных задач в его среде. Они представляют несомненный интерес при программировании различных задач в среде Maple, как упрощая собственно сам процесс программирования, так и делая его более прозрачным с формальной точки зрения.

Таким образом, пакет Maple – не просто высоко интеллектуальный калькулятор, способный аналитически решать многие задачи, а легко обучаемая система, вклад в обучение которой вносят как сами разработчики пакета, так и его многочисленные пользователи. Очевидно, как бы ни была совершенна система, всегда найдется много специальных задач, которые оказались за пределами интересов ее разработчиков. Освоив относительно простой, но весьма эффективный Maple-язык, пользователь может изменять уже существующие процедуры либо расширять пакет новыми, ориентированными на решение нужных ему задач. Эти процедуры можно включать в одну или несколько пользовательских библиотек, снабдить справочной базой, логически сцепить с главной библиотекой пакета, так что их средства на логическом уровне будут неотличимы от стандартных средств пакета. Именно таким образом и организована наша библиотека [103]. И последнее, Maple-язык – наименее подверженная изменениям компонента пакета, поэтому ее освоение позволит вам весьма существенно пролон- гировать эффективное использование пакета для решения тех задач, которые прямо не поддерживаются пакетом.

Поскольку Maple-язык является одновременно и языком реализации пакета, то его освоение и практическое программирование в его среде позволят не только существенно повысить ваш уровень использования предоставляемых пакетом возможностей (уровень владения пакетом), но и глубже понять как идеологию, так и внутреннюю кухню самого пакета. Учитывая же ведущие позиции Maple в современной компьютерной алгебре и во многом распространенную его идеологию в этой области, вы получаете прекрасную и пролонгированную возможность весьма эффективного использования подобных средств для своей профессиональной деятельности, прежде всего, в математике, физике, информатике и др.

В настоящей книге рассматриваются основы Maple-языка программирования в предположении, что читатель в определенной мере имеет представление о работе в среде Windows и с самим пакетом в режиме его главного меню (GUI) в пределах, например, книг [8-14,29-33,39,42- 46,54-62,103] и подобных им изданий. Представленные ниже сведения по Maple-языку в значительной мере обеспечат вас тем необходимым минимумом знаний, который позволит знакомиться со средствами главной библиотеки пакета и нашей библиотеки [103]. Данная работа, в свою очередь, даст вам определенный навык программирования, а также обеспечит вас набором полезных приемов и методов программирования (включая и нестандартные) в среде Maple-языка наряду с практически полезными средствами, упрошающими решение многих прикладных задач. Кратко охарактеризуем содержание предлагаемой книги.

12

Первая глава книги представляет базовые сведения по Maple-языку, включая рассмотрение таких вопросов, как базовые элементы языка, идентификаторы, предложения присвоения и выделения, средства языка для определения свойств переменных, типы числовых и символьных данных, базовые типы структур данных, средства тестирования типов данных, структур данных и выражений, конвертация выражений из одного типа в другой и др.

Вторая глава представляет средства Maple-языка для работы с данными и структурами символьного, строчного, списочного, множественного и табличного типов, включая средства работы с выражениями строчного и символьного типов, множествами, списками и таблицами. Рассматриваются алгебраические правила подстановок для символьных вычислений и др.

Третья глава представляет базовые управляющие структуры Maple-языка: ветвления (if-пред- ложение), организации циклических вычислений (while_do-предложение), а также специальные типы циклических управляющих структур Maple-языка.

Четвертая глава достаточно детально рассматривает одну из ключевых образующих модульного программирования – процедуры и средства их организации в среде Maple-языка. Представлены как базовые так и расширенные средства наряду с вопросами расширения функциональных средств Maple-языка. Достаточно подробно рассмотрены такие вопросы как: определения процедур и их типы, формальные и фактические аргументы, локальные и глобальные переменные, определяющие параметры и описания процедур, механизмы возврата результата вызова процедуры, средства обработки ошибочных ситуаций, расширенные средства для работы с процедурами, расширение функциональных средств Maple-языка и др.

Пятая глава рассматривает вопросы организация программных модулей Maple-языка и сохранения процедур и программных модулей в файлах входного и внутреннего форматов.

Шестая заключительная глава знакомит с вопросами создания и ведения библиотек пользователя. Рассмотрены такие вопросы как классический способ создания Maple-библиотек, специальные способы создания библиотек в среде Maple, создание пакетных модулей и др.

Подобно другим ПС, ориентированным на решение задач математического характера, пакет Maple располагает достаточно развитыми средствами, обеспечивающими решение широкого круга задач математического анализа и линейной алгебры. Эти две дисциплины представляют собой основную базовую компоненту современного математического образования естест- венно-научных специальностей и особых пояснений не требуют. Вместе с тем, следует сразу же отметить, что в дальнейшем вопросы решения задач математического анализа, линейной алгебры и других математически-ориентированных дисциплин в среде Maple (учитывая специфику настоящей книги) не рассматриваются. В принципе, сложности при освоении средств данной группы особой возникать не должно и они достаточно хорошо изложены в многочисленной литературе как зарубежной, так и отечественной [8-14,54-62]. В книгах [41-43,103] мы представили средства, функционирующие в среде пакета релизов 6 – 10 и ориентированные, прежде всего, на решение задач математического анализа. Там же представлены средства, расширяющие возможности пакета при решении задач линейной алгебры. Данные средства классифицируются относительно стандартных средств двух основных пакетных модулей, ориентированных, прежде всего, на задачи линейной алгебры, а именно: традиционный Maple-мо- дуль linalg и имплантированный модуль LinearAlgebra фирмы NAG. Представлены дополнительные средства, обеспечивающие решение ряда массовых задач линейной алгебры.

Более того, не рассматриваются здесь и такие важные средства пакета как графические и обеспечения доступа к файлам данных. Мотивировано данное решение тем, что эти средства достаточно хорошо изложены в наших предыдущих книгах, книгах других авторов и в справочной системе по пакету. В частности, в книге [12] достаточно детально рассмотрена система ввода/вывода пакета, которая не претерпела каких-либо существенных изменений вот уже на протяжении 6 релизов. Основной акцент здесь сделан на тех аспектах средств доступа, которые не нашли отражения в имеющихся на сегодня изданиях по Maple-языку, включая и фирменную литературу, стандартно поставляемую с пакетом. В целом же система ввода/вывода пакета может быть охарактеризована следующим образом.

13

Будучи языком программирования в среде пакета компьютерной алгебры, ориентированного, прежде всего, на задачи алгебраических вычислений, Maple-язык располагает относительно ограниченными возможностями при работе с данными, которые расположены во внешней памяти компьютера. Более того, в этом отношении Maple-язык существенно уступает таким традиционным языкам программирования как C, Cobol, FORTRAN, PL/1, Pascal, Ada, Basic и т. д. В то же самое время Maple-язык, ориентированный, прежде всего, на решение задач математического характера, предоставляет набор средств для доступа к файлам данных, которые могут вполне удовлетворить достаточно широкую аудиторию пользователей пакета и его физических и математических приложений. В наших книгах [41-42,103] представлен целый ряд дополнительных средств доступа к файлам данных, существенно расширяющих пакет в данном направлении. Многие из них упрощают программирование целого ряда задач, имеющих дело с доступом к файлам данных различной организации и назначения.

Со всей определенностью можно констатировать, что новые пакетные модули LibraryTools и FileTools были вдохновлены рядом наших книг по Maple-тематике [29-33,39,42-46], с которыми разработчики пакета были ознакомлены. Однако, наш набор подобных процедур является значительно более представительным и они сосредоточены на более широком практическом использовании при решении задач, имеющих дело с обработкой файлов данных. Более того, нам не известно более обстоятельное рассмотрение системы доступа к файлам, обеспечиваемой пакетом, чем в наших предыдущих книгах [8-14,29-33,39,41-43,45,46,103]. Именно в этом отношении они рекомендуются читателю, имеющему дело с подобными задачами.

В определенной мере вышесказанное можно отнести и к графическим средствам пакета. Так, в вышеуказанных книгах представлены средства, расширяющие стандартный набор графического инструментария пакета Maple релизов 6 – 10. Предлагаемые средства являются достаточно полезными процедурами, представляющими определенный прикладной интерес, что подтверждает эффективность их использования при решении целого ряда прикладных задач с использованием графических объектов. В частности, На сегодня, стандартные средства пакета, ориентированные на работу с анимируемыми графическими объектами, имеют целый ряд ограничений на динамическое обновление их характеристик. Между тем, многие задачи, имеющие дело с графическими анимируемыми объектами, предполагают возможность динамического обновления их характеристик. Представлен ряд средств в этом направлении. Заинтересованный читатель отсылается к книгам [8-14,32,78,84,86,88,55,59-62], а также к [91] с адресом сайта (Локальная копия сайта), с которого можно бесплатно загружать некоторые из наших предыдущих книг по данной тематике.

Настоящая книга носит вводный характер, представляя собой основы языка программирования Maple, что позволит читателю, не знакомому в достаточной мере с программной средой пакета, более осознанно воспринимать информацию по программным средствам пакета. По этой причине она лишь скелетно представляет Maple-язык пакета, не отвлекаясь на его тонкости, особенности и другие частности в свете основной цели настоящей книги. Следует отметить, что к сфере Maple-языка пакета мы отнесли не только синтаксис, семантику, структуры данных, управляющие структуры и т.д., но и функции и процедуры различных уровней, которые доступны собственно Maple-языку в процессе программирования в его среде программ и их последующего выполнения.

Читатель, имеющий опыт программирования в среде Maple, может вполне (быть может, за редким исключением) безболезненно опустить данный материал. Тогда как начинающий на этом поприще получит необходимый минимум сведений по Maple-языку, который позволит значительно проще совершенствоваться в этом направлении. Для более глубокого ознакомления с Maple-языком нами приведены полезные ссылки как на отечественные, так и на зарубежные издания. Более того, читатель, заинтересованный в освоении программной среды пакета Maple, может найти немало полезной информации как в справочной системе по пакету, литературе, поставляемой с пакетом, так и на ведущих Web-серверах и форумах, посвященных Maple-тематике. В век почти массовой компьютеризации и интернетизации лишь

14

ленивый может аппелировать к недостатку нужной информации по какому бы то ни было разделу современного знания.

По ходу настоящей книги будет приведено немало ссылок на наши издания, что следует совершенно непредвзято трактовать и вот почему. Прежде всего, в настояшей книге рассматриваются вопросы программирования в среде пакета Maple, которое является основой разработки в его среде эффективного программного обеспечения, ориентированного на те или иные приложения. В отечественной же литературе других изданий, рассматривающих столь скрупулезно данную проблематику (как, впрочем, и в англоязычной), на мой взгляд, просто нет (и это не только мое субъективное мнение). Наконец, это вполне уместно и в том потребительском контексте, что основная масса цитируемых моих изданий по Maple-тематике может быть совершенно бесплатно получена с указанного в [91] Internet-адреса Белорусского университета. Конечно, там представлены издания, ориентированные на Maple 5 – 7, однако ввиду полной приемственности по основным аспектам программной среды пакета они (с некоторыми оговорками) вполне пригодны и для последующих релизов пакета.

Заключение представляет краткий экскурс в историю создания нашей Maple-библиотеки, которая будет неоднократно цитироваться в настоящей книге. Здесь лишь хочу предупредить, что во многом она создавалась еще в Maple релизов 5 – 7, когда нас не совсем устраивали как целый ряд базовых средств пакета, так и возможности пакета. Поэтому создавались средства как заполняющие подобный ваккуум, так и устраняющие замеченные недостатки пакета. С появлением новых релизов базовые средства пакета и его средства в целом расширялись и улучшались, поэтому ряд средств библиотеки могут, на первый взгляд, показаться устаревшими (obsolete), однако они все еще представляют интерес с учебной точки зрения, предлагая немало эффективных и полезных приемов программирования, не утративших своей актуальности и поныне. Многие же из библиотечных средств и на сегодня не имеют аналогов. В последние пару лет Maple-тематике в ее прямом смысле мы уделяли относительно немного внимания, используя, между тем, пакет в целом ряде физико-математических и инженерных приложений, а также в преподавании математических курсов для докторантов. В будущем данная тематика не планируется в числе моих активных интересов, поэтому наши публикации в этом направлении будут носить в значительной мере спорадический характер. Вот и данное издание, посвященное вопросам сугубо программирования в Maple, также в значительной мере специально не планировалось, поэтому оно не было подвержено тщательному редактированию. Однако смею надеяться, что и в таком виде оно представит определенный интерес для начинающих программистов в среде Maple, да и не только.

Литература содержит интересные и полезные как зарубежные, так и отечественные источники по Maple-тематике, которые являются вполне доступными. При этом многие из наших изданий (точнее их авторские оригинал-макеты) можно бесплатно получать с указанного в [91]

Internet-адреса Белорусского университета. Там же можно найти и массу полезных примеров.

В дальнейшем изложении нами используются следующие основные соглашения и обозначения, а также основные используемые в тексте сокращения:

-ПС – программное средство;

-ПО – программное обеспечение;

-ПК – персональный компьютер;

-альтернативные элементы разделяются символом “|“ и заключаются в фигурные скобки, например, {A|B} – A или B;

-смысл конструкции указывается в угловых скобках “< ... >“;

-под выражением “по умолчанию” понимается значение той или иной характеристики операционной среды или пакета, которое используется, если пользователем не определено для нее иное значение;

-под «регистро-зависимым (независимым)» режимом будем понимать такой режим поиска, сравнения и т.д. символов и строк, когда принимаются (не принимаются) в расчет различия между одинаковыми буквами верхнего и нижнего регистра клавиатуры.

15

В частности, все идентификаторы в программной среде Maple регистро-зависимы;

-понятия “имя УВВ, имя файла, каталог, подкаталог, цепочка каталогов, путь” соответствуют полностью соглашениям MS DOS; при кодировании пути к файлу в качестве разделителя используется, как правило, сдвоенный обратный слэш (\\);

-СФ - спецификатор файла, определяющий полный путь к нему либо имя;

-ГМП (GUI)- главное меню пакета; содержит группы основных функций его оболочки;

-hhh-файл - файл, имеющий “hhh” в качестве расширения его имени;

-под Input-параграфом в дальнейшем понимается вводимая в интерактивном режиме в текущий сеанс информация, слева идентифицируемая символом ввода «>». По умолчанию, ввод оформляется красным цветом. Тогда как под Output-параграфом понимается результат выполнения предшествующего ему Input-параграфа (выраже- ния, тексты процедур и модулей, графические объекты и т.д.). Следующий простой пример поясняет вышесказанное:

>A, V:= 2, 12: assign('G' = Int(1/x*sin(x)*cos(x), x)), G = value(G); plot(rhs(%), x = 4 .. V,

thickness = A, color = green, axesfont = [TIMES, BOLD, V], labelfont = [TIMES, BOLD, V]);

> MkDir("D:/Temp/RANS\\IAN/RAC\\REA/Test", 1); "d:\temp\rans\ian\rac\rea\test" > type(%, 'dir'), type(%, 'file'); false, true

В дальнейшем ради удобства и компактности там, где это возможно, блок из 2-х параграфов {Input, Output} будем представлять в строчном формате, а именно:

Input-параграф; Output-параграф

Остальные обозначения, понятия, сокращения и соглашения будут вводится по мере надобности по тексту книги. Тогда как с нашими последующими разработками и изданиями как по данной проблематике, так и научно-прикладной активности Балтийского отделения Международной Академии Ноосферы в целом можно периодически знакомиться на Web-странице:

http://www.aladjev.newmail.ru

На этой же странице находятся email-адреса, в которые можно отправлять все замечания, пожелания и предложения, относящиеся к материалу предлагаемой книги. Все они будут приняты с благодарностью и без нашего внимания не оставлены.

Таллинн, октябрь 31, 2006

16

Глава 1. Базовые сведения по Maple-языку пакета

Пакет Maple способен решать большое число, прежде всего, математически ориентированных задач вообще без программирования в общепринятом смысле. Вполне можно ограничиться лишь описанием алгоритма решения своей задачи, разбитого на отдельные последовательные этапы, для которых Maple имеет уже готовые решения. При этом, Maple располагает довольно большим набором процедур и функций, непосредственно решающих совсем не тривиальные задачи как то интегрирование, дифференциальные уравнения и др. О многочисленных приложениях Maple в виде т.н. пакетов и говорить не приходится. Тем не менее, это вовсе не означает, что Maple не предполагает программирования. Имея собственный достаточно развитый язык программирования (в дальнейшем просто Maple-язык), пакет позволяет программировать в своей среде самые разнообразные задачи из различных приложений. Обсуждение данного аспекта нашло отражение в нашей книге [103], а именно о дилетантском взгляде на вопрос программирования в Maple, да, впрочем, и в ряде других пакетов.

В среде пакета можно работать в двух основных режимах: интерактивном и автоматическом (программном). Интерактивный режим аналогичен работе с калькулятором, пусть и весьма высоко интеллектуальным – в Input-параграфе вводится требуемое Maple-выражение и в следующем за ним Output-параграфе получаем результат его вычисления. Так шаг за шагом можно решать в среде пакета достаточно сложные математические задачи, в процессе работы формируя текущий документ (ТД). Для такого режима требуется относительно небольшой объем знаний о самом пакете, а именно:

*знание общей структуры ТД и синтаксиса кодирования выражений;

*знание синтаксиса используемых функциональных конструкций;

*общие правила редактирования и сохранения текущего документа.

Таким образом, средства Maple-языка позволяют пользователю работать в среде пакета без сколько-нибудь существенного знания даже основ программирования, а подобно конструктору собирать из готовых функциональных компонент языка на основе его синтаксиса требуемый вам алгоритм, включая его выполнение, отображение результатов на экране (в обычном и/или графическом виде), в файле и в твердой копии, и (2) использовать всю мощь языка как для создания развитых систем конкретного назначения, так и средств, расширяющих собственно саму программную среду пакета, возможности которых определяются только вашими собственными умением и навыками в сфере алгоритмизации и программирования.

Программирование в среде Maple-языка в большинстве случаев не требует особого программистского навыка (хотя его наличие и весьма нелишне), ибо в отличие от языков универсального назначения и многих проблемно-ориентированных Maple-язык включает большое число математически ориентированных функций, позволяя одним вызовом функции решать достаточно сложные самостоятельные задачи, например: вычислять минимакс выражения, решать системы дифуравнений или алгебраических уравнений, вычислять производные и интегралы, выводить графики сложных функций и др. Интерактивность же языка обеспечивает не только простоту его освоения и удобство редактирования, но также в значительной мере предоставляет возможность эвристического программирования, когда методом «проб и ошибок» пользователь получает возможность запрограммировать свою задачу в полном соответствии со своими нуждами. Реальная же мощь языка обеспечивается не только его управляющими структурами и структурами данных, но и всем богатством его функциональных (встроенных, библиотечных, модульных) и прикладных (Maple-документов) средств, созданных к настоящему времени пользователями из различных прикладных областей, прежде всего физи- ко-математических и технических.

Однако для более сложной работы (выполняющейся, как правило, в программном режиме) требуется знание встроенного Maple-языка программирования, который позволяет использовать всю вычислительную мощь пакета и создавать сложные ПС, не только решающие задачи по-

17

льзователя, но и расширяющие средства самого пакета. Примеры такого типа представлены в нашей последней книге [103]. Именно поэтому далее представим элементы программирования в среде пакета Maple.

Для лингвистического обеспечения решения задач пакет снабжен развитым встроенным проб- лемно-ориентированным Maple-языком, поддерживающим интерактивный режим. Являясь проблеммно-ориентированным языком программирования, Maple-язык характеризуется достаточно развитыми средствами для описания задач математического характера, возникающих в различных прикладных областях. В соответствии с языками этого класса структуры управляющей логики и данных Maple-языка в существенной мере отражают специфику средств именно для математических приложений. Особую компоненту языка составляет его функци- ональная составляющая, поддерживаемая развитой библиотекой функций, покрывающих большую часть математических приложений. Наследуя многие черты С-языка, на котором был на-писан компилятор интерпретирующего типа, Maple-язык позволяет обеспечивать как численные вычисления с любой точностью, так и символьную обработку выражений и данных, поддерживая все основные операции традиционной математики [8-14].

Средства Maple-языка позволяют пользователю работать в среде пакета в двух режимах: (1) на основе функциональных средств языка с использованием правил оформления и работы с Maple-документом предоставляется возможность на интерактивном уровне формировать и выполнять требуемый алгоритм прикладной задачи без сколько-нибудь существенного знания даже основ программирования, а подобно конструктору собирать из готовых функциональных компонент языка на основе его синтаксиса требуемый вам алгоритм, включая его выполнение, отображение результатов на экране (в обычном и/или графическом виде), в файле и в твердой копии, и (2) использовать всю мощь языка как для создания развитых систем конкретного назначения, так и средств, расширяющих собственно саму среду пакета, возможности которых определяются только вашими собственными умением и навыками. При этом первоначальное освоение языка не предполагает предварительного серьезного знакомства с основами программирования, хотя знание их и весьма предпочтительно.

Программирование в среде Maple-языка в большинстве случаев не требует особого программистского навыка (хотя его наличие и весьма нелишне), ибо в отличие от языков универсального назначения и многих проблемно-ориентированных Maple-язык включает большое число математически ориентированных функций, позволяя одним вызовом функции решать достаточно сложные самостоятельные задачи, например: находить минимакс выражения, решать системы диффуравнений или алгебраических уравнений, вычислять производные и интегралы, выводить графики сложных функций и др. Интерактивность же языка обеспечивает простоту его освоения и удобство редактирования и отладки прикладных Maple-до- кументов и программ. Реальная же мощь языка обеспечивается не только его управляющими структурами и структурами данных, но и всем богатством его функциональных (встроенных, библиотечных, модульных) и прикладных (Maple-документов) средств, созданных к настоящему времени пользователями из различных прикладных областей, прежде всего математических. Тут же уместно отметить, что значительная часть функциональных средств самого пакета написана и скомпилирована именно на Maple-языке, позволившим создать достаточно эффективные относительно основных ресурсов ЭВМ загрузочные модули. Анализ этих средств является весьма неплохим подспорьем при серьезном освоении Maple-языка.

В настоящей главе рассматриваются базовые элементы Maple-языка в предположении, что читатель в определенной мере имеет представление о работе в Windows-среде и с самим пакетом в режиме его графического меню (GUI) в пределах главы 3 [12] либо, например, книг [29-33,45,46,54-62,78-89,103] и подобных им изданий.

18

1.1. Базовые элементы Maple-языка пакета

Определение Maple-языка можно условно разбить на четыре базовые составляющие, а именно: алфавит, лексемы, синтаксис и семантику. Именно две последние составляющие и определяют суть того или иного языка. Синтаксис составляют правила образования корректных предложений из слов языка, которые должны строго соблюдаться. В случае обнаружения на входе Maple-предложения с синтаксической ошибкой выводится диагностическое сообщение, сопровождаемое “^”-указателем на место возможной ошибки либо установкой в место ошибки |-курсора, как это иллюстрирует нижеследующий простой фрагмент:

>A:= sqrt(x^2+y^2+z^2); V:=x*56 |Z:= sin(x)/(a+b);

Error, missing operator or `;`

>A:= sqrt(x^2+y^2+z^2): V:= x**|*56: Z:= sin(x)/(a+b);

Error, `*` unexpected

>read `C:\\ARM_Book\\Grodno\\Academy.99`:

on line 0, syntax error, `*` unexpected:

VGS:=56***sin(x)/sqrt(Art^2+Kr^2)-98*F(x,y);

^

Error, while reading `C:\ARM_Book\Grodno\Academy.99`

При этом следует иметь в виду два обстоятельства: (1) идентифицируется только первая встреченная ошибка и (2) при наличии синтаксических ошибок (например, несогласования открывающих и закрывающих скобок) в сложных выражениях язык может затрудняться с точной их диагностикой, идентифицируя ошибочную ситуацию сообщением вида “ `;` unexpected”, носящим в целом ряде случаев весьма приблизительный характер. Maple-язык производит синтаксический контроль не только на входе конструкций в интерактивном режиме работы, но и в момент считывания их из файлов. В последнем случае синтаксическая ошибка инициирует вывод соответствующего диагностического сообщения указанного выше вида с указанием номера первой считанной строки, содержащей ошибку, и идентификацией спецификатора файла, как это иллюстрирует последний пример фрагмента. Ниже вопросы синтаксического анализа Maple-конструкций будут рассмотрены более детально.

В отличие от синтаксиса, определяющего правила составления корректных языковых конструкций, семантика языка определяет алгоритмы их обработки, т.е. определяет их понятийное назначение с точки зрения самого языка. Например, результатом обработки конструкции вида “W:=57*sin(19.99);” является присвоение W-переменной результата произведения целого числа “57” и значения sin-функции в точке “19.99” ее вызова. При этом определяется как собственно результат, так и его тип. В связи со сказанным наряду с синтаксическими, как правило, распознаваемыми языком, могут возникать и семантические ошибки, которые язык не распознает, если они при этом, не инициируют, в свою очередь, ошибок выполнения. Типичным примером семантических ошибок является конструкция вида “A/B*C”, трактуемая языком как “(A*C)/B”, а не как “A/(B*C)” на первый взгляд. Как правило, семантические ошибки выявляются на стадии выполнения Maple-программы или вычисления отдельных Maple-выра- жений и данная процедура относится к этапу отладки программ и процедур, рассматриваемому несколько ниже.

Синтаксис Maple-языка определяется выбранным набором базовых элементов и грамматикой, содержащей правила композиции корректных конструкций языка из базовых элементов. Рассмотрение базовых элементов начнем со входного алфавита языка, в качестве элементов которого используются следующие символы:

♦заглавные и прописные буквы латинского алфавита (A .. Z; a .. z; 52);

♦десятичные цифры (0 .. 9; 10);

♦специальные символы (` ! @ # $ % ^ & * ( ) _ + { } : “ < > ? | - = [ ] ; ‘ , . / \; 32);

♦заглавные и прописные буквы русского алфавита (кириллицы: A .. Я; a .. я; 64).

19

Синтаксис Maple-языка объединяет символы входного алфавита в лексемы, состоящие из клю- чевых (зарезервированных) слов, операторов, строк, натуральных чисел и знаков пунктуации. Рассмотрим несколько детальнее каждую из составляющих. В качестве ключевых Maple-язык использует слова, представленные в следующей табл. 1.

Так как ключевые слова несут определенную смысловую нагрузку, то они не могут использоваться в качестве переменных, в противном случае инициируется ошибка:

> local:= 64;

Error, reserved word `local` unexpected

В Maple-языке существует целый ряд других слов, имеющих специальный смысл, например идентификаторы (имена) функций и типов, однако пользователь может использовать их в программах в определенных контекстах. При этом, защита их от модификации обеспечивается совершенно иным механизмом (базирующемся на protected-механизме), рассматриваемым несколько ниже.

Операторы языка относятся к трем типам: бинарные, унарные и нульарные. Допустимые языком

унарные операторы представлены в следующей табл. 2.

Унарные операторы (+, -, not) и десятичная точка (.) имеют вполне прозрачный смысл и особых пояснений не требуют. Здесь мы кратко остановимся на операторе метки (%); при этом понятие метки в Maple-языке существенно иное, чем для традиционных языков программирования. Унарный оператор метки кодируется в виде %<целое> и служит для представления общих подвыражений большого выражения в целях более наглядного представления второго. Данный оператор используется Maple-языком для вывода выражений на экран и на принтер в удобном виде. После возвращения языком представленного в терминах %-оператора выражения к переменным %<целое> можно обращаться как к обычным определенным переменным. Для возможности использования представления выражений в терминах %-оператора используются две опции interface-переменной оболочки пакета: labelling и labelwidth, определяющих соответственно допустимость такого представления и длину меченных подвыражений. При этом, данная возможность допустима не для всех форматов Output-параграфа.

Допустимые языком базовые бинарные операторы представлены в следующей табл. 3.

20