科學(xué)計(jì)算語言Julia及MWORKS實(shí)踐 課件 2-Julia語言簡介

一、Julia語言及MWORKS簡介1.1科學(xué)計(jì)算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景1.2MWORKS平臺簡介1.3科學(xué)計(jì)算環(huán)境Syslab功能簡介1.4系統(tǒng)建模仿真環(huán)境Sysplorer功能簡介1.5Julia語言簡介1.5、Julia語言科學(xué)計(jì)算語言概述目前，國際上有三種商用科學(xué)計(jì)算語言最有影響：TheMathWorks公司的MATLAB語言、WolframResearch公司的Mathematica語言和WaterlooMaple公司的Maple語言。盡管MATLAB、Maple和Mathematica等語言具備強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算功能，但它們都是需要付費(fèi)的商用軟件，其內(nèi)核部分的源程序也是不可見的。1.5、Julia語言科學(xué)計(jì)算語言概述開放式科學(xué)計(jì)算語言Scilab：由法國國家計(jì)算機(jī)科學(xué)與控制研究院開發(fā)的類似于MATLAB的軟件，于1989年正式推出，其源代碼完全公開，且為免費(fèi)傳播的自由軟件。該語言的主要應(yīng)用背景是控制與信號處理。Octave：構(gòu)思于1988年，并于1993年正式推出的一種數(shù)值計(jì)算語言，其出發(fā)點(diǎn)和MATLAB一樣都是數(shù)值線性代數(shù)的計(jì)算。該語言早期的目標(biāo)是為教學(xué)提供支持，目前也是較為廣泛地應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域。Python：是一種面向?qū)ο蟮?、動態(tài)的程序設(shè)計(jì)語言，越來越適合于做科學(xué)計(jì)算、繪制高質(zhì)量的2D和3D圖形。與科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域最流行的商業(yè)軟件MATLAB相比，Python是一門通用的程序設(shè)計(jì)語言，比MATLAB所采用的腳本語言應(yīng)用范圍更廣泛，有更多的程序庫支持，但MATLAB中的許多高級功能和工具箱目前還是無法替代。1.5、Julia語言Julia語言簡介Julia語言是一個(gè)面向科學(xué)計(jì)算的高性能動態(tài)高級程序設(shè)計(jì)語言，首先定位是通用編程語言，其次是高性能計(jì)算語言，其語法與其他科學(xué)計(jì)算語言相似，在多數(shù)情況下?lián)碛心芘c編譯型語言相媲美的性能。目前Julia語言主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)科學(xué)、科學(xué)計(jì)算與并行計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化、機(jī)器學(xué)習(xí)。Julia語言特點(diǎn)采用MIT許可證，免費(fèi)又開源；用戶自定義類型的速度與兼容性和內(nèi)建類型一樣好；無需特意編寫向量化的代碼；專為并行計(jì)算和分布式計(jì)算設(shè)計(jì)；輕量級的“綠色”線程；簡潔的類型系統(tǒng)；便捷、可擴(kuò)展的類型轉(zhuǎn)換和類型提升；對Unicode的有效支持，包括但不限于UTF-8；像Lisp一樣的宏和其他元編程工具；直接調(diào)用C函數(shù)，無需封裝或調(diào)用特別的API；像Shell一樣強(qiáng)大的管理其他進(jìn)程的能力；2012.2.142013.11.192014.8.212015.10.82016.9.202017.6.192019.8.202019.1.222018.8.82021.11.302023.1.8V0.1.0V0.2.0V0.3.0V0.4.0V0.5.0V0.6.0V1.0.0V1.1.0V1.2.0V1.7.0V1.8.5重要版本發(fā)布時(shí)間1.5、Julia語言Julia語言的優(yōu)勢Julia在語言設(shè)計(jì)方面具有先進(jìn)性Julia由傳統(tǒng)動態(tài)語言的專家們設(shè)計(jì)，在語法上追求與現(xiàn)有語言的近似，在功能上吸取現(xiàn)有語言的優(yōu)勢：Julia從LISP中吸收語法宏，將傳統(tǒng)面向?qū)ο笳Z言的單分派擴(kuò)展為多重分派，運(yùn)行時(shí)引入泛型以優(yōu)化其他動態(tài)語言中無法被優(yōu)化的數(shù)據(jù)類型等。Julia兼具建模語言的表現(xiàn)力和開發(fā)語音的高性能兩種特性在Julia中可以很容易地將代碼優(yōu)化到非常高的性能，而不需要涉及“兩語言”工作流問題，即在一門高級語言上進(jìn)行建模，然后將性能瓶頸轉(zhuǎn)移到一門低級語言上重新實(shí)現(xiàn)后進(jìn)行接口封裝。Julia是最適合構(gòu)建數(shù)字物理系統(tǒng)的語言Julia語言是一種與系統(tǒng)建模和數(shù)字孿生技術(shù)緊密融合的計(jì)算機(jī)語言，相比通用編程語言，Julia為功能模型的表示和仿真提供了高級抽象；相比專用商業(yè)工具或文件格式，Julia更具開放性和靈活性。1.5、Julia語言語言本質(zhì)差異—與MATLAB語言相比開源性質(zhì)：Julia是一種完全開源的語言，任何人都可以查看和修改它的源代碼。動態(tài)編譯性質(zhì)：Julia是一種動態(tài)編譯語言，它在運(yùn)行時(shí)會將代碼編譯成機(jī)器碼，從而實(shí)現(xiàn)高效的執(zhí)行速度。而MATLAB則是一種解釋型語言，它會逐行解釋代碼并執(zhí)行，因此在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)可能會比Julia慢一些。多重分派特性：Julia語言可根據(jù)不同參數(shù)類型選擇不同的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，使得Julia可以方便地處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)和科學(xué)計(jì)算問題。MATLAB則是一種傳統(tǒng)的函數(shù)式編程語言，不支持多重分派。并行計(jì)算：Julia對并行計(jì)算提供了更好的支持，可以方便地實(shí)現(xiàn)多線程和分布式計(jì)算。MATLAB也支持并行計(jì)算，但需要用戶手動編寫并行代碼。Julia和MATLAB都是面向科學(xué)計(jì)算和數(shù)值分析的高級語言，但它們之間的差異在于Julia更加現(xiàn)代化和高效，而MATLAB則更加成熟和穩(wěn)定。Julia與其他科學(xué)計(jì)算語言的差異Julia語言與其他科學(xué)計(jì)算語言MATLAB、R、Python等語言的差異主要表現(xiàn)在語言的本質(zhì)、語言的表層語法和語言的生態(tài)等方面的差異。1.5、Julia語言語言本質(zhì)差異—與R語言相比設(shè)計(jì)理念：Julia語言旨在提供一種高性能、高效率的科學(xué)計(jì)算語言，強(qiáng)調(diào)代碼的可讀性和可維護(hù)性。R語言則是一種專門為統(tǒng)計(jì)計(jì)算而設(shè)計(jì)的語言，具有很多專門的統(tǒng)計(jì)計(jì)算函數(shù)和庫。性能：Julia語言具有非常高的性能，特別是在數(shù)值計(jì)算和科學(xué)計(jì)算方面，比R語言更快。這是因?yàn)镴ulia語言采用即時(shí)編譯技術(shù)，能夠動態(tài)生成高效的機(jī)器碼，而R語言則是解釋執(zhí)行的。代碼復(fù)雜度：Julia語言相對來說更加簡潔，代碼復(fù)雜度較低，這是為了提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。相比之下，R語言的代碼復(fù)雜度較高，這是為了方便數(shù)據(jù)分析人員快速實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算任務(wù)。庫和生態(tài)系統(tǒng)：R語言具有非常豐富的統(tǒng)計(jì)計(jì)算函數(shù)和庫，以及龐大的生態(tài)系統(tǒng)，非常適合數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算。Julia語言相對來說庫和生態(tài)系統(tǒng)較小，但在數(shù)值計(jì)算和科學(xué)計(jì)算方面有非常強(qiáng)大的庫和工具支持。Julia語言適合需要高性能、高效率的科學(xué)計(jì)算任務(wù)，而R語言適合數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算任務(wù)。選擇哪種語言主要取決于具體的應(yīng)用場景和需求。1.5、Julia語言語言本質(zhì)差異—與Python語言相比設(shè)計(jì)目的：Julia是一種專注于高性能科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)科學(xué)的編程語言，它的設(shè)計(jì)目的是為了提高數(shù)值計(jì)算和科學(xué)計(jì)算的效率和速度。Python則是一種通用編程語言，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。類型系統(tǒng)：Julia是一種動態(tài)類型語言，但是它具有靜態(tài)類型語言的優(yōu)點(diǎn)，它使用類型推斷來提高程序的性能。Python也是一種動態(tài)類型語言，但是類型推斷在Python不重要。性能：Julia的執(zhí)行速度通常比Python快，可以在運(yùn)行時(shí)優(yōu)化代碼。Python通常使用解釋器，通常比編譯語言運(yùn)行慢。生態(tài)系統(tǒng)：Python有一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)，擁有豐富的庫和框架，適用于各種應(yīng)用。Julia的生態(tài)系統(tǒng)相對較小，但是它正在快速增長，擁有一些出色的科學(xué)計(jì)算庫和工具。Julia和Python都是出色的編程語言，各有優(yōu)缺點(diǎn)。如果需要高性能和數(shù)值計(jì)算能力，Julia更適合，如果需要通用編程和廣泛的生態(tài)系統(tǒng)，Python更適合。1.5、Julia語言語言的表層差異語法表層的差異指的是在代碼書寫方式、關(guān)鍵字、語句表達(dá)方式和注釋方式等方面各個(gè)變成語言的不同。具體項(xiàng)JuliaMATLABRPython變量作用域全局/局部作用域全局作用域全局/局部作用域全局/局部作用域延續(xù)代碼行方法不完整的表達(dá)式自動延續(xù)符號...續(xù)行符號+續(xù)行反斜杠\續(xù)行字符串構(gòu)造符號雙引號/三引號單引號單引號/雙引號單引號/雙引號數(shù)組索引使用方括號A[i,j]使用圓括號A(i,j)使用方括號A[i,j]使用方括號A[i,j]索引整行x[2:end]x(2:)x[2,]x[2:]虛數(shù)單位表示imi或jij冪表示符號^^^**注釋符號#%##這些差異需要在學(xué)習(xí)新語言時(shí)重新適應(yīng)，但也使得每種語言都有不同的優(yōu)勢和適用性。上表中列出的是部分差異，具體使用時(shí)還需自行學(xué)習(xí)并適應(yīng)。1.5、Julia語言語言的生態(tài)差異語言生態(tài)的差異是指在定義和使用函數(shù)時(shí)，不同編程語言采用的語法、規(guī)則和約定的不同之處。這些差異可以涉及函數(shù)參數(shù)傳遞方式、參數(shù)類型、返回值類型等方面，同時(shí)也可能涉及函數(shù)命名、作用域、遞歸等方面的規(guī)定和約束。JuliaMATLABRPython主要優(yōu)勢在于速度和易用性。Julia語言具有動態(tài)類型、高效的JIT編譯器和基于多重派發(fā)機(jī)制，這使得它能夠在計(jì)算密集型應(yīng)用中表現(xiàn)出色。Julia語言的生態(tài)系統(tǒng)雖然較為年輕，但已經(jīng)有了許多非常好的包和庫，包括DataFrames.jl、Distributions.jl、Plots.jl和JuMP.jl等。主要優(yōu)勢在于易用性和廣泛的功能。MATLAB語言有很多內(nèi)置的函數(shù)和工具箱，可以用于數(shù)據(jù)可視化、圖像處理、信號處理、人工智能和控制系統(tǒng)等方面。MATLAB語言的生態(tài)系統(tǒng)非常成熟，有大量的第三方工具箱可供選擇。除此之外，MATLAB語言還擁有龐大和活躍的社區(qū)。專為統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)可視化而設(shè)計(jì)的語言。它的主要優(yōu)勢在于統(tǒng)計(jì)分析和圖形繪制方面的豐富功能。R語言的生態(tài)系統(tǒng)