linux 科学计算器

科学界的Linux

Linux在科学界中占有举足轻重的地位也就不足为奇了。 从高性能计算集群到可视化软件的解决方案比比皆是。 甚至还有一个完整的基于Red Hat Enterprise Linux的Linux发行版，该发行版专门用于科学计算，并适当地命名为Scientific Linux。

贤哲和热情的Python发行版

本文研究了使用Linux工作站进行科学计算的两种不同方式。 第一个是Sage开源数学系统，第二个是Enthought Python发行版（EPD）。 两者都使用了许多核心的开源Python工具进行了繁重的工作。 如果要尝试使用它们，请使用Ubuntu软件管理器安装各个组件。

Sage是两者中较全面的，因为它在许多不同的基础引擎上更像是一个外壳。 在Sage命令行中，您甚至可以与诸如MATLAB或Mathematica之类的商业产品进行交互。 在Sage提示符下，您实际上可以与IPython交互以访问其所有功能。 当您开始探索Sage的功能时，还必须考虑对象和方法。 Sage包含许多不同的计算机代数系统，并允许用户从命令行与其进行交互。

重要的是要注意，Sage是基于Python的，但是会在将每个语句传递给Python解释器之前进行预解析。 当查看简单的交互式Sage命令时，这可能会引起一些混乱。 这种行为的基本原理是希望从数学意义上尽可能直观地在Sage中键入命令。 一个很好的例子是求幂的符号。 在纯Python中，您必须键入2**4才能将2提高到四次方。 在Sage中，使用向上箭头符号（^），如2^4 。 Sage还处理某些操作（例如整数除法），而不同于基本的Python。

NumPy和SciPy

Sage和EDP的基本难题中最著名的两个部分是NumPy和SciPy。 这两个项目都是从1990年代中期到后期开始的，最初是由现为Enthought的员工Travis Oliphant启动的。 NumPy提供了处理数组和矩阵的核心数值方法。 SciPy依赖于NumPy的基本数组数据结构，并且包含从线性代数到信号处理的各种模块。 Enthought是这两个项目的赞助商，并将继续为新版本做出重大贡献。

安装鼠尾草

有几个选项可用于安装Sage。 要在不进行实际安装的情况下让Sage外观，您可以使用实时CD版本。 您还可以在虚拟机（例如Oracle VM VirtualBox或VMware Player）中运行实时CD。 本文着眼于在运行最新版本Ubuntu（12.04）的物理机和虚拟机上安装Sage。

物理机

从源代码安装Sage是在Unbuntu 12.04上启动和运行的最可靠方法，因为该操作系统是最近才发布的。 下载源tarball并将其解压缩到方便的目录中。 您还需要在构建之前安装一些先决条件，您可以使用以下命令来完成这些先决条件：

sudo apt-get install build-essential gfortran
sudo apt-get install texlive xpdf evincesudo apt-get install tk8.5-dev

安装必备组件之后，就应该准备构建Sage，可以使用以下命令启动它：

make

此时，去看电影或小睡一下。 在典型的台式机上，整个构建过程可能需要几个小时。 如果一切正常，您应该会看到如图1所示的屏幕。

图1. Sage构建屏幕

虚拟机

如果您不太喜欢冒险，只想开始使用Sage，则在虚拟机上进行安装是一个不错的选择。 可在Sage站点上下载Open Virtualization Archive（OVA）软件包以及Fedora 16和Ubuntu 10.04.3。的二进制软件包。 OVA是单个软件包文件（通常是tar文件），其中包含以开放虚拟化格式（OVF）启动虚拟机所需的所有文件。

使用鼠尾草

安装了Sage之后，就可以开始数学发现和探索的旅程了。 Sage同时具有命令行和基于Web的界面。

命令行界面

要从构建Sage的目录中启动命令行版本，只需键入以下命令：

./sage

图2显示了Sage解释器的示例以及前面提到的一些数学解释。

图2. Sage命令行界面和数学解释

整数除法的差异与Python处理操作类型（整数，浮点数等）的方式有关。 在Python中，表达式2/3分配一个整数结果，该结果四舍五入为零。 Sage将除法运算符视为有理数的构造函数，这意味着您可以像在纸上一样对分数进行运算。 例如，如果在Sage提示符下键入2/3 + 2/3 ，则结果为4/3 。 如果在Python中键入相同的内容，则结果为0 。 您可以使用float()或int()隐式地强制使用文字类型， 如图2所示 。

基于Web的界面

要使用Sage Notebook，可以在启动Sage之后键入notebook()或使用以下命令：

./sage --notebook

这将启动Sage服务器，并打开默认的Web浏览器到Sage Notebook主页。 您会在笔记本中找到许多有助于操作的功能，例如将工作表保存和加载到文件中，以及常规的复制，删除和重命名功能。 Sage通过图3中的共享和发布功能促进了协作工作。

图3. Sage Notebook功能

计算机代数包

基本的Sage发行版包括许多计算机代数软件包，包括GAP，Maxima，PARI和Singular。 每个人在数学界都有自己的追随者，并提供略有不同的功能。 这里的关键是Sage在基本发行版中包括了每个软件包，这意味着您不必单独下载和安装它们。

图4显示了使用Maxima执行几个矩阵运算的示例。 这是使用Sage Notebook完成的，它以黑色显示用户输入，以蓝色显示输出。 前两行创建一个矩阵，其条目等于i / j，其中i和j的范围是1到4。请注意，这些是有理数（分数）。

图4. Maxima的矩阵运算

发表科学论文

发表科学论文是教育界许多人的要求。 Sage要求每个对象都具有LaTeX表示形式。 这与使用TeX语言生成具有出版质量的图形和文本的需求直接相关。 请注意，您需要完整安装TeX才能利用Sage提供的所有功能。

安装EPD

使用Python进行科学计算是作为一家公司的宗旨。 Enthought的商业产品产品和支持是支付账单的主要方式，但是它们仍然以很大的方式为开源社区做出了贡献。 他们的贡献来自直接在NumPy和SciPy代码库上的工作，并在年度PyCon会议上进行介绍并主办了SciPy会议。

您可以使用Ubuntu软件管理器来安装与IPython，NumPy和SciPy一起运行所需的各种程序，也可以简单地下载并安装EPD的免费版本，称为EPD Free。 Enthought提供了32位和64位版本的EPD Free，这些版本已在Red Hat，Ubuntu和openSUSE上进行了测试。 他们确实警告说，某些64位Linux系统不包含32位库，因此需要该软件包的64位版本。

要安装EPD Free，请先下载安装程序脚本，然后使用以下命令运行它：

bash epd_free-7-2-2-rh5-x86.sh

为了将来更容易启动EPD，您需要在Shell启动文件中添加几行（.cshrc或.bash_profile）。 Ubuntu使用bash shell作为默认设置，因此我将基于此显示代码。 对于本文，我使用了以下几行：

export PATH=/home/paul/Downloads/epd_free-7.2-2-rh5-x86_64/bin:$PATH

使用EPD

IPython是EPD和Sage之间的另一个共同点，因为它是主要的用户界面工具。 EPD既安装了命令行界面又安装了基于Web的笔记本，就像Sage一样。

命令行界面

基于Qt的控制台提供了一些增强的功能，包括使用Pygments库突出显示完整的语法。 它还提供了进行在线绘图的功能。 要获得此功能，可以使用以下命令启动IPython：

ipython --pylab

图5显示了带有嵌入式图的Qt控制台。

图5.创建一个新的PyDev项目

基于Web的界面

IPython（0.12）的最新版本包括与Sage类似的基于Web的笔记本功能。 要获得笔记本的功能，您需要安装多个依赖项，包括ZeroMQ和Tornado Web服务器。 要从命令行启动笔记本，请在终端窗口中键入以下内容：

ipython notebook

这将启动Tornado Web引擎，并启动向仪表板页面打开的默认Web浏览器。 如果然后选择默认笔记本，应该会看到一个如图6所示的新窗口。

图6. iPython Notebook

与Web笔记本不同的一件事是，要执行代码，需要使用Control-Enter 。 这样就可以输入多行代码， 如图6所示 ，并使输入框中的所有内容顺序执行。 因此，您可以轻松地将功能分解为可管理的块。

您可以使用Markdown语法注释笔记本。 如果您不熟悉Markdown，从本质上讲，它是使用纯文本创建带格式的超文本标记语言（HTML）的一种方法。 例如，在HTML中，一个井号（＃）后面加一个空格表示H1，而对H2则使用两个井号，依此类推。 这使您可以添加注释或文档以补充代码和图形。

大熊猫

Python数据分析库（或pandas）是与SciPy和NumPy有联系的另一种工具，专门为解决数据分析的任务而创建。 Pandas包含大量库以及一些标准数据模型，以提供有效处理大型数据集所需的工具。 逗号分隔值（CSV）文件代表在相关方之间分发数据的最常用方法之一。 熊猫提供了优化的库功能，可以读写多种文件格式，包括CSV和高效的HDF5格式。

read_csv模块知道如何解析第一行中带有标题信息的典型CSV文件。 它还知道如何使用内置的解析器处理带有日期或时间的文件。 Pandas包含一个datetools模块，其中包含一长串用于执行各种日期数学的操作例程。 清单1显示了pandas文档中的代码片段，展示了如何查找距另一个日期四个月零五天的日期：

清单1.熊猫日期投影示例

d = datetime(2012, 4, 20)
d + pandas.DateOffset(months=4, days=5)
datetime.datetime(2012, 8, 25, 0, 0)

在对大型数据集进行切片和切块时，Pandas确实令人眼前一亮。 在将数据导入本机数据结构之后，您便可以使用各种各样的工具来执行任何类型的操作。 您可以使用标准的Python切片语法对数据进行切片，对全部或部分数据执行操作，或使用matplotlib对其进行绘制。 如果您需要执行任何数据操作任务，那么您肯定想跟上熊猫的发展。

结语

毫无疑问，Linux具有很高的资格，可以支持您可以执行的几乎任何科学计算任务。 它在学术界得到了大力支持，并Swift吸引了新的行业用户，他们正在寻找减少软件预算的方法。 这些工具提供了足以替代其商业对手的工具，而且最重要的是，它们都是免费的。 对于寻求全面支持软件的客户，有Enthought及其EPD商业产品。 他们为所有付费客户提供全面的客户支持和培训。

翻译自: https://www.ibm.com/developerworks/opensource/library/l-science-compute/index.html

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