Введение

Предисловие

Настоящее пособие составлено на основе спецкурсов, читавшихся автором на механико-математическом факультете в течение более 10 лет. Выбор материала в значительной мере определялся пристрастиями автора. Наряду с классическими результатами компьютерной алгебры в этих спецкурсах (и в настоящем пособии) нашли отражение исследования нашего коллектива. Прежде всего, это относится к теории дифференциальной размерности. Теорией дифференциальной размерности мы начали заниматься по инициативе, под руководством и при активном участии А.В. Михалева в конце 70-х—начале 80-х годов прошлого века [ 13 ] . Наряду с теоретическими исследованиями, нами был разработан комплекс программ на алгоритмическом языке REFAL для вычислений в дифференциальных и разностных модулях [ 11 ] . Результаты многолетних исследований, связанных с конструктивными методами в кольцах дифференциальных и разностных многочленов и теорией дифференциально-разностной размерности, опубликованы в монографии [ 20 ] . Частично эти результаты отражены в настоящем курсе. Пользуюсь случаем выразить глубокую признательность Алексадру Васильевичу Михалеву, в значительной мере благодаря которому появился этот курс. Я также очень благодарен Марине Владимировне Кондратьевой, Александру Борисовичу Левину, Андрею Витальевичу Астрелину, Олегу Дмитриевичу Голубицкому, Алексею Игоревичу Зобнину и другим коллегам, работавшим вместе с нами в области компьютерной алгебры. Исследования выполнялись в лаборатории вычислительных методов и на кафедре высшей алгебры механико-математического факультета МГУ, и я признателен коллективу лаборатории и кафедры за очень доброжелательное отношение к нашей группе.

Преподавание компьютерной алгебры я начинал с двух полугодовых спецкурсов, по материалам которых были опубликованы учебные пособия [ 15 ] и [ 14 ] . В дальнейшем конспекты курса компьютерной алгебры были выложены на сайт и активно использовались студентами и аспирантами при подготовке к экзамену по компьютерной алгебре. Размещение конспектов на сайте позволило оперативно исправлять опечатки, замеченные студентами в процессе подготовки к экзамену, и вносить изменения в изложение материала. Всем внимательным читателям данного курса я выражаю глубокую благодарность.

Компьютерная алгебра активно развивается, пополняется новыми результатами. Данное пособие охватывает только малую ее часть. Надеюсь, что в ближайшем будущем появятся новые, более полные учебники по компьютерной алгебре, в создании которых мне хотелось бы принять посильное участие.

Введение

Что такое компьютерная алгебра. Компьютерная алгебра — область математики, лежащая на стыке алгебры и вычислительных методов. Для нее, как и для любой области, лежащей на стыке различных наук, трудно определить четкие границы. Часто говорят, что к компьютерной алгебре относятся вопросы слишком алгебраические, чтобы содержаться в учебниках по вычислительной математике, и слишком вычислительные, чтобы содержаться в учебниках по алгебре. При этом ответ на вопрос о том, относится ли конкретная задача к компьютерной алгебре, часто зависит от склонностей специалиста.

Термин "компьютерная алгебра" возник как синоним терминов "символьные вычисления" , "аналитические вычисления", "аналитические преобразования" и т. д. Даже в настоящее время этот термин на французском языке дословно означает "формальные вычисления ".

В чем основные отличия символьных вычислений от численных и почему возник термин "компьютерная алгебра" ?

Когда мы говорим о вычислительных методах, то считаем, что все вычисления выполняются в поле вещественных или комплексных чисел. В действительности же всякая программа для ЭВМ имеет дело только с конечным набором рациональных чисел, поскольку только такие числа представляются в компьютере. Для записи целого числа отводится обычно 16 или 32 двоичных символа (бита), для вещественного—32 или 64 бита. Это множество не замкнуто относительно арифметических операций, что может выражаться в различных переполнениях, например, при умножении достаточно больших чисел или при делении на маленькое число. Еще более существенной особенностью вычислительной математики является то, что арифметические операции над этими числами, выполняемые компьютером, отличаются от арифметических операций в поле рациональных чисел,—более того, для компьютерных операций не выполняются основные аксиомы поля (ассоциативности, дистрибутивности). Эти особенности компьютерных вычислений оцениваются в терминах погрешности или точности вычислений. Оценка погрешности представляет одну из основных проблем вычислительной математики. Каждую задачу требуется решить с использованием имеющихся ресурсов ЭВМ, за обозримое время, с заданной точностью.

Набор объектов, применяемых в символьных вычислениях, весьма разнообразен, в частности, в них используется значительно большее множество рациональных чисел. Это множество все равно остается конечным, но ограничения на допустимые размеры числа (количество знаков в его записи) связаны обычно с размерами оперативной памяти ЭВМ, что позволяет пользоваться практически любыми рациональными числами, операции над которыми выполняются за приемлемое время. При этом компьютерные операции над рациональными числами совпадают с соответствующими операциями в поле рациональных чисел. Таким образом, снимается одна из основных проблем вычислительных методов — оценка погрешности вычислений.

В компьютерной алгебре вещественные и комплексные числа практически не применяются, зато широко используются алгебраические числа. Алгебраическое число задается своим минимальным многочленом, а иногда для его задания требуется указать интервал на прямой или область в комплексной плоскости, где содержится единственный корень данного многочлена. Многочлены играют в символьных вычислениях исключительно важную роль. На использовании полиномиальной арифметики основаны теоретические методы аналитической механики, они применяются во многих областях математики, физики и других наук. Кроме того, в компьютерной алгебре рассматриваются такие объекты, как дифференциальные поля (функциональные поля), допускающие показательные, логарифмические, тригонометрические функции, матричные кольца (элементы матрицы принадлежат кольцам достаточно общего вида) и другие. Даже при арифметических операциях над такими объектами происходит разбухание информации, и для записи промежуточных результатов вычислений требуется значительный объем памяти ЭВМ.

Ограничения на алгоритмы решаемых компьютерной алгеброй задач накладываются имеющимися ресурсами ЭВМ и обозримостью времени счета. Однако ограничения по времени счета и по используемой памяти в символьных вычислениях существенно более обременительны, чем в вычислительных методах.

В научных исследованиях и технических расчетах специалистам приходится гораздо больше заниматься преобразованиями формул, чем собственно численным счетом. Тем не менее, с появлением ЭВМ основное внимание уделялось автоматизации численных вычислений, хотя ЭВМ начали применяться для решения таких задач символьных преобразований, как, например, символьное дифференцирование, еще в 50-х годах прошлого века. Активная разработка систем компьютерной алгебры началась в конце 60-х годов. С тех пор создано значительное количество различных систем, получивших различную степень распространения; некоторые системы продолжают развиваться, другие отмирают, и постоянно появляются новые.

Системы компьютерной алгебры. Системы компьютерной алгебры можно условно разделить на системы общего назначения и специализированные. К системам общего назначения относятся MACSYMA, REDUCE, MATEMATICA, MAPLE, AXIOM и другие системы. В 80-е годы прошлого века широкое распространение в СССР получила система REDUCE. Она первоначально предназначалась для решения физических задач, разрабатывалась на наиболее широко распространенных компьютерах, разработка до определенного времени не носила коммерческого характера (система до конца 80-х годов распространялась бесплатно), открытый характер системы позволил привлечь к ее разработке огромную армию пользователей, обогативших систему многочисленными пакетами для решения отдельных задач. MACSYMA, так же, как и REDUCE, является "старой" системой. В отличие от системы REDUCE, MACSYMA разрабатывалась с самого начала как коммерческий продукт. В ней более тщательно проработаны алгоритмические вопросы, ее эффективность существенно выше, но меньшее ее распространение можно объяснить двумя обстоятельствами: длительное время она была реализована только на малом числе "экзотических" компьютеров и распространялась только на коммерческой основе. Система MAPLE, созданная в 80-х годах прошлого века в Канаде, с самого начала была задумана как система для персональных компьютеров, учитывающая их особенности. Она развивается "вширь и вглубь" , даже ее ядро переписывалось с одного алгоритмического языка на другой. В настоящее время MAPLE широко применяется во многих странах (в частности, в США и Канаде) в учебном процессе, а также в различных областях научных и технических исследований. В конце прошлого века получила широкое распространение и сейчас быстро развивается система MATEMATICA. Ее успех в значительной степени объясняется ее широкими графическими возможностями, а также электронной документацией, которую можно рассматривать как электронную библиотеку, посвященную различным разделам математики и информатики. Особое место среди систем компьютерной алгебры занимает система AXIOM. В отличие от остальных систем, представляющих собой пакеты программ, общение с которыми осуществляется на некотором алголоподобном языке, система AXIOM, развившаяся из системы SCRATCHPAD-II, имеет дело с более привычными для математиков объектами. В частности, в ней ключевым понятием является понятие категории: здесь можно рассматривать, например, категории множеств, полугрупп, дифференциальных колец, левых модулей и т. д. Система имеет высокую степень универсальности, требует для своей реализации мощных компьютеров, распространяется за достаточно высокую плату, поэтому используется только в ограниченном числе мощных университетских и научных центров.

Специализированные системы отличаются более высокой эффективностью, но область их применения ограничена. К специализированным системам относятся такие системы, как CALEY и GAP — специализированные системы для вычислений в теории групп, MACAULEY, CoCoA, Singular — системы разной степени универсальности для вычислений в кольце многочленов, SCHOONSHIP — специализированная система для вычислений в физике высоких энергий, muMATH и ее правонаследница DERIVE — системы, широко используемые в учебном процессе (в частности, в Австрии лицензия на установку системы DERIVE приобретена для всех средних школ), и многие другие.