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计算机在科学研究中的应用计算机科学是一个广泛而且快速发展的领域，计算机技术在各个领域中的应用越来越广泛。
特别是在科学研究领域，计算机的使用已经成为了一种基本的工具。
本文将重点探讨计算机在科学研究中的应用，包括计算机模拟与建模、数据分析和可视化、科学计算等。
一、计算机模拟与建模计算机模拟与建模作为计算科学的一个重要分支，在科学研究中起着至关重要的作用。
通过建立数学模型和使用计算机模拟软件，科学家们可以对许多现实中难以观察和控制的现象进行研究和预测。
以天体物理学为例，科学家们可以利用计算机模拟软件对宇宙的形成、星系的演化、行星轨道的稳定性等问题进行模拟和研究。
这些模拟实验不仅可以帮助科学家们理解宇宙的演化过程，还可以为探索宇宙中的其他未知问题提供线索。
在材料科学领域，计算机模拟与建模技术也发挥着重要作用。
科学家们可以通过计算机模拟分子和原子之间的相互作用，研究不同材料的性质和行为。
这些模拟实验可以为新材料的设计和开发提供指导，加快材料科学领域的进步。
二、数据分析和可视化科学研究中涉及大量的数据处理和分析，而计算机可以大大提高数据处理的效率和准确性。
科学家们可以借助计算机软件进行数据采集、整理、分析和可视化，从而挖掘数据背后的规律和趋势。
在生物医学研究中，计算机在基因测序、蛋白质结构分析、疾病模拟等方面发挥着重要作用。
通过对大规模基因数据的分析，科学家们可以发现基因与疾病之间的关联性，进而为疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。
在环境科学领域，计算机在气象预测、气候模拟、环境污染分析等方面发挥着重要作用。
科学家们可以通过分析和可视化大量的气象数据和环境监测数据，预测气候变化趋势、评估环境风险，并为环境保护和可持续发展提供决策支持。
三、科学计算科学计算是科学研究的重要组成部分，而计算机作为一种强大的计算工具，在科学计算领域中发挥着关键作用。
科学家们可以利用计算机进行复杂的数值计算、模拟实验和数据处理，以支持科学理论的验证和研究方法的改进。
1 什么是科学计算可视化科学计算可视化(简称可视化，英文是Visualization in Scientific Computing，简称ViSC)是计算机图形学的一个重要研究方向，是图形科学的新领域。
“Visualization”一词, 来自英文的“Visual”, 原意是视觉的、形象的，中文译成“图示化”可能更为贴切。
事实上，将任何抽象的事务、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。
与计算机有关的如可视化界面（Windows），可视化编程（Visual C++）等。
但作为学科术语，“可视化”一词正式出现于1987年2月美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF ）召开的一个专题研讨会上。
研讨会后发表的正式报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期研究的方向。
这标志着“科学计算可视化”作为一个学科在国际范围内已经成熟。
科学计算可视化的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图象，以直观的形式表示出来。
它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。
研究表明，人类获得的关于外在世界的信息80%以上是通过视觉通道获得的。
经过漫长的进化，人类视觉信息处理具有高速、大容量、并行工作的特点。
常言所说“百闻不如一见”，“一图胜过千言”，就是这个意思。
这些特点早已为祖先们所认识和应用。
古长城上的烽火台，显示了先民的智慧，可以将重要的信息迅速大范围传递。
作为千百年来文明载体的“图书”，“图”是在“书”前的！“河图洛书”的传说，显示出“图”在我们文明的发端及以后的发展中所起的作用。
今天，设计图是借助纸张的媒介表达创意，工程图是现代工业生产的依据。
可视化依然继续着借助形象化方法表达人类意图的传统。
我们将看到，可视化技术产生的图是一种全新的形式。
科学计算的软件和算法实现计算机科学和技术的迅猛发展，为科学计算提供了前所未有的机会和挑战。
越来越多的人们开始探索计算机技术如何帮助人类更好地理解世界，并创造更加高效的生产模式。
在这个领域中，科学计算的软件和算法实现是必不可少的一环。
这些软件和算法不仅能够提供高精度和高效率的解决方案，还可以为科学家和工程师们提供方便和灵活的工具。
一、科学计算软件的分类1.数学软件数学软件是一类专门用于解决数学问题的软件，如MATLAB、Maple、Mathematica等。
它们提供了各种数学工具和函数包，能够进行符号、数值、几何、统计等方面的计算和绘图。
这类软件广泛应用于物理、化学、生物学、金融和工程等领域。
它们的优点是数学实现的准确性高、复杂的计算可以自动化、能够进行可视化操作、以及方便的数据交互。
2.高性能计算软件高性能计算软件用于解决大规模、复杂的科学计算问题，如数值模拟、大数据分析、模式识别和优化等。
这些问题往往需要进行大规模的并行计算，需要利用超级计算机等高性能计算设备。
这类软件包括MPI、OpenMP、CUDA等。
MPI是一个基于消息传递的并行计算库，用于编写分布式内存程序。
OpenMP是一种基于线程的并行计算库，可以利用多核处理器进行并行计算。
CUDA是NVIDIA公司开发的一个GPU计算框架，可以实现大规模并行计算。
二、科学计算算法的实现为了解决各种复杂的科学计算问题，需要采用各种高效的算法。
科学计算领域中有许多高效的算法，下面介绍几种常用的算法。
1.数值分析算法数字分析算法是通过数值计算来解决数学问题的算法。
应用数字分析算法的领域包括微积分、矩阵计算、信号处理等。
其中著名的算法包括Runge-Kutta方法、幸福法、迭代法、和牛顿法。
这些算法通过数值计算可以有效地解决许多实际问题。
2.预处理算法预处理算法是一种加快数值计算收敛速度的技术。
这种算法适用于求解大规模稀疏线性方程组、最小二乘问题和特征值问题等。
1.计算机辅助设计与制造CAD／CAU是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。
计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。
有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人——机交互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。
在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。
一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。
在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。
随着计算机网络的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为CAD领域最热门的课题之一。
现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程‘、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。
它要求设计团队在合理的组织结构下，采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长，并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的，协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化。
使异地设计、异地制造、异地装配成为可能，从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。
CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。
三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。
二维图纸设计在工程界中仍占有主导地位，工程上有大量的旧的透视图和投影 3 加工代码的指令。
基于 Ensight 的科学计算结果可视化薛伟伟;程长征【摘要】FORTRAN 和 C 等高级语言使用广泛，但计算结果多为数值文本。
通过编写数据接口，将 FORTRAN 边界元法程序的数值计算结果转换成 Ensight 输入文件，得出计算结果的场图像。
这种方法具备视觉效果好、开发工作量低、对硬件图形库有较好支持等特点。
同时，利用 Ensight 的功能，可进行数值观察、添加等值线等操作。
%FORTRAN and C programs are extensively used as numerical calculation tools by researchers in various fields,and the numerical results are usually output in the text format.A field image can be obtained using Ensight via establishing the data interface of the Ensight software,and converting text results of a FORTRAN boundary element method example into a Ensight input file.The advantages of this technique are good visual effect,low development effort,better graphics library for hardware sup-port and so on.In addition,observing the data and adding the equivalent line can be further accom-plished in Ensight.【期刊名称】《合肥学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(026)001【总页数】5页(P41-45)【关键词】Ensight;FORTRAN;可视化;科学计算【作者】薛伟伟;程长征【作者单位】合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009;合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TP314目前，计算机数值模拟逐渐成为解决工程和科学问题的主要手段。
科学可视化科学可视化（英语：scientific visualization或scientific visualisation）是科学之中的一个跨学科研究与应用领域，主要关注的是三维现象的可视化，如建筑学、气象学、医学或生物学方面的各种系统。
重点在于对体、面以及光源等等的逼真渲染，或许甚至还包括某种动态（时间）成分。
科学可视化侧重于利用计算机图形学来创建视觉图像，从而帮助人们理解那些采取错综复杂而又往往规模庞大的数字呈现形式的科学概念或结果。
概述美国计算机科学家布鲁斯·麦考梅克在其1987年关于科学可视化的定义之中，首次阐述了科学可视化的目标和范围：“利用计算机图形学来创建视觉图像，帮助人们理解科学技术概念或结果的那些错综复杂而又往往规模庞大的数字表现形式。
此类数字型表现形式或数据集可能会是液体流型（fluid flow）或分子动力学（molecular dynamics）之类计算机模拟的输出，或者经验数据（如利用地理学、气象学或天体物理学设备所获得的记录）。
就医学数据（CT、MRI、PET等），常常听说的一条术语就是“医学可视化（medical visualization）。
科学可视化本身并不是最终目的，而是许多科学技术工作的一个构成要素。
这些工作之中通常会包括对于科学技术数据和模型的解释、操作与处理。
科学工作者对数据加以可视化，旨在寻找其中的种种模式、特点、关系以及异常情况；换句话说，也就是为了帮助理解。
因此，应当把可视化看作是任务驱动型，而不是数据驱动型。
历史科学的可视化与科学本身一样历史悠久。
传说，阿基米德被害时正在沙子上绘制几何图形。
就像其中包含等值线（isolines）的地磁图（magnetic charts）以及表示海上主要风向的箭头图那样，天象图（astronomical charts）也产生于中世纪。
很久以前，人们就已经理解了视知觉在理解数据方面的作用。
作为一个利用计算机手段的学科，科学可视化领域如今依然还属于新事物。
1.计算机辅助设计与制造CAD／CAU是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。
计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。
有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人——机交互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。
在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。
一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。
在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。
随着计算机网络的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为CAD领域最热门的课题之一。
现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程‘、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。
它要求设计团队在合理的组织结构下，采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长，并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的，协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化。
使异地设计、异地制造、异地装配成为可能，从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。
CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。
三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。
二维图纸设计在工程界中仍占有主导地位，工程上有大量的旧的透视图和投影 3 加工代码的指令。
能源与环境系统2013级科学计算可视化考试
格式要求：1：引言（500字）2：采用算法（500字）3:程序4：可视化结果截图并讨论
5：结论（300字）6：参考文献（5篇以上，注意格式）
1.引言
随着科学技术的发展,计算机网络已是人们生活中无法离去的工具,故信息化彻底改变了人们的生活方式。
数字图像处理也随之成为图像处理领域的首要之选。
目前,MATLAB由于计算功能强大既支持数值运算又支持矩阵运算且便于用户二次开发,简单易学灵活性强,在数字图像处理领域的研究中成为了使用较为广泛的应用软件之一。
MATLAB（矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是由美国The MathWorks 公司开发，用于数据分析、数据可视化、算法开发以及数值计算的交互式环境和高级计算语言[1]。
除了数据图像/绘制函数、矩阵运算等常用功能外，MATLAB还可以创建图形界面用户程序——GUI，以及面向对象编程和与其它语言（包括VC++、Java）混合编写的程序。
MAT LAB除了主要用于科学计算之外，其附加工具箱（Toolbox）也使它在不同的领域得到充分应用，例如金融建模和分析、信号处理与通讯、图像处理、控制系统设计与分析。
另外还有一个新的系统模型化图形输入与仿真工具软件包——Simulink，该软件实现了动态系统建模和仿真，使用户可以将更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言编程上。
其特点是[2-4]：
(1)简单易学:MATLAB语法规则与其他编程语言大同小异,但其自带函数较多,且功能比较完善,很多时候不用用户编写代码就能实现想实现的功能。
(2)代码短小高效:由于MATLAB将很多应用已经编写成函数,只要控件下面编写回调函数,通过鼠标的点击事件就能完成一次操作。
(3)计算功能非常强大:该软件具有强大的矩阵计算功能,利用一般的符号和函数就可以对矩阵进行加、减、乘、除运算以及转置和求逆等运算。
(4)强大的图形绘制和处理功能:科学计算要涉及到大量数据的处理,利用图形展示数据场的特征,能显著提高数据处理功能。
(5)可扩展性:用户可以自己编写M文件,,组成自己的工具箱。
2.算法--SIMULINK仿真建模
SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
它支持对线性、非线性系统；连续、离散以及混合系统模型进行仿真分析。
由于其功能强大，建模方便，作为一体化的建模与仿真环境越来越广泛地应用在各种仿真应用领域。
SIMULINK 中除了常用模块库可以用来仿真建模外，还根据不同的专业应用提供了专用模型集（BLOCKSET）或工具箱（TOOLBOX）。
利用这些模型集可以完成不同领域内的仿真建模需求。
与其它仿真软件包相比，SIMULINK 包含如下两个突出特点[5]：
1．拥有先进的仿真和分析技术提供了针对固定步长、变步长和刚性系统的 7 种积分算法；动态图形显示的交互式仿真；微调以确定稳态平衡点；线性化； 2．具备开放和可扩展体系结构使用用户自己的图标和界面，从 MATLAB、
FORTRAN 和 C 语言中建立框图和框图程序库；链接预先存在 FORTRAN 和 C 仿真程序以便保留有价值的程序；若用户购买了 SIMULINK 实时 WorkShop 硬件卡，则可根据用户模型生成 C 语言程序。
在 SIMULINK 提供的图形用户界面 GUI 上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。
它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。
从建模角度讲，这既适于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、器件），又适于自下而上（Bottom-up）逆程设计。
从分析研究角度讲，SIMULINK 模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。
3.程序
力-质量系统，要拉动一个箱子（拉力f=1N)，箱子质量为M(1kg)，箱子与地面存在摩擦力[(b=0.4N(/m/s)],其大小与车子的速度成正比。
其运动方程式为：
拉力作用时间为2s，建构的模型为：
4.可视化结果截图讨论
截图
讨论
由图可以看出，黄色线代表箱子速度，前2s时候有因有拉力存在，速度增加。
然而摩擦力一直存在，当拉力撤销之后，摩擦力会减小箱子速度，最后箱子速度变为0。
紫色线代表箱子前进的距离，前2s拉力存在时，箱子速度增大，前进速度在加快，当拉力撤销了，箱子速度就开始减小，前进速度也开始变慢。
最后，当箱子速度变为0的时候，箱子也停止了前进。
5.结论
通过学习MATLAB这门课程，我了解该软件的基本功能，也知道了该软件在我们生活中的重要地位。
初次基础MATLAB是在学习自动化控制理论的时候，那时候对它的印象就是跟C语言差不多都是要编程的，但是通过学习我发现MATLAB 要比C语言要好的多，方便的多。
而且用MATLAB来解决线性代数的问题非常方便。
MATLAB相对于其他的一些编程软件有许多的优点，它的语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富，运算符丰富。
MATLAB既具有结构化的控制语句，又有面向对象编程的特性。
语法上限制不严格，程序设计自由度大。
而起其程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号上的计算机和操作系统上运行。
虽然学习MATLAB的时间很短，但却让我了解到了它的功能和实用性的强大，
我相信学习好这门技术对我们日后会有很大的帮助，作为一名新时代的大学生，学好MTLAB是非常有用的，扩展就业方向，为我们将来就业打下良好的基础。
参考文献
[1] MATLAB 在大学物理实验仿真中的应用荆荣丽
[2] 曲伟娟,基于 MAT LAB 光学实验仿真[D],西安：西北工业大学，2004.03.01
[3] 潘哲峰等 , 仿真技术在普通物理教学中的应用 , 沈阳航空工业学院学报 ,2005,4:42-42,
[4] 代红权等,MATLAB 符号计算及其在大学物理中的应用, 荆门职业技术学院学报,2006.5:21-23
[5] 刘永文，基于通用平台的系统建模和半物理仿真及其在舰船动力装置中的应用[D]，上海交通大学，2002。
