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20.3 科研和专业工具

Calibre 文档管理（epub、mobi、azw3 等格式）

用过 Kindle 的人应该对 Calibre 这款软件并不陌生。Calibre 可以在多种文档格式之间进行转换，还可以自定义 CSS 格式。

安装 Calibre

  • 使用 pkg 安装：

# pkg install calibre

  • 使用 Ports 安装：

# cd /usr/ports/deskutils/calibre/ 
# make install clean

使用 Calibre

代数学

简单的计算器 bc 和 dc，无需安装，FreeBSD 基本系统内置。其源代码在 https://github.com/freebsd/freebsd-src/tree/main/contrib/bc。

bc（Basic Calculator）简单的计算器

$ bc # 进入 bc
1+15 # 加法
16
sqrt(256) # 开方
16
5^3	 # 求立方
125
90/3 # 除法
30
10%4 # 求余数
2
quit # 退出程序

后缀表示法

我们从接触数学伊始，用的计算表达方式就是中缀表示法。如，要计算 3 和 4 的和，写作 3 + 4，操作符（本例是 +）处于操作数（即 3 和 4）的中间。

而在后缀表示法里，操作符置于操作数的后面。如上式改若用后缀表示法，则写作 3 4 +。如果有多个操作符，操作符则置于第二个操作数的后面，所以常规中缀表示法的 3 - 4 + 5 在后缀表示法里写作 3 4 - 5 + 。

乍看起来，后缀表示法十分反人类，然而这种方法更容易被计算机理解，可以利用堆栈结构减少计算机内存访问。

有一例中缀表达式 5 + ((1 + 2) * 4) - 3，改为后缀表示法为 5 1 2 + 4 * + 3 -。下表给出了从左至右求值的过程，堆栈栏给出了中间值，用于跟踪算法。

输入
操作
堆栈
注释

5

入栈

5

1

入栈

5, 1

2

入栈

5, 1, 2

+

加法运算

5, 3

1, 2 出栈，让结果 3 入栈

4

入栈

5, 3, 4

*

乘法运算

5, 12

3, 4 出栈，让结果 12 入栈

+

加法运算

17

5, 12 出栈，让结果 17 入栈

3

入栈

17, 3

-

减法运算

14

17, 3 出栈，让结果 14 入栈

计算完成时，栈内只有一个操作数，这就是表达式的结果 14。

dc（Desktop Calculator）桌面计算器

dc 是采用后缀表示法的开源计算器，传统上，采用中缀表示法的 bc 计算器程序是在 dc 之上实现的。

对于上例，我们试着用 dc 操作一番。终端输入

$ dc -e '5 1 2 + 4 * + 3 - p'

可得到 14。问题解决。

几何学

几何绘图软件 GeoGebra

安装命令：

# pkg install geogebra

或者使用 Ports 安装：

# cd /usr/ports/math/geogebra/ 
# make install clean

线性规划

安装 GLPK：

# pkg install glpk

或者

# cd /usr/ports/math/glpk/ 
# make install clean

线性规划里，我们经常会用到 单纯形法。在计算机层面，有很多软件可以解放我们的大脑，你甚至可以在 OFFICE 表格软件的“规划求解”里，得到很好的解答。这里我们简单介绍一下免费的命令行线性规划软件包 GLPK 的使用方法。希望大家可以触类旁通，举一反三。

我们先来看一个例子，取自 Hamdy A. Tara 所著的“Operations Research : An Introduction”一书，例题 2.4-1：

有一家银行计划放贷，预计最高投放 1200 万。下表显示了相关的数据。

贷款类型
利率
坏账率

个人

0.14

0.1

汽车

0.13

0.07

家用

0.12

0.03

农业

0.125

0.05

商业

0.1

0.02

坏账意味着不产生利润，本金也无法收回。为了同其它商业机构竞争，农业贷款和商业贷款之和不少于全部贷款的 40% ；为了振兴房地产业，个人贷款、家用贷款和个人贷款三项总计中，其中的个人贷款占比不少于 50% ；银行坏账率最高允许为全部贷款的 4%。

求解银行能获得最高利润的分配方式。

我们来逐步分析。先设个人、汽车、家用、农业及商业分别的贷款量为 x1、x2、x3、x4 以及 x5。

利润 = 0.14 · 0.9 x1 + 0.13 · 0.93 x2 + 0.12 · 0.97 x3 + 0.125 · 0.95 x4 + 0.1 · 0.98 x5

本金损失 = 0.1 x1 + 0.07 x2 + 0.03 x3 + 0.05 x4 + 0.02 x5

得目标函数 max z = 利润 - 本金损失;

接下来，读者可根据题意找出约束条件。

由以上的目标函数和约束条件，我们可以给出以下数学模型：

max z = 0.026 x1 + 0.0509 x2 + 0.0864 x3 + 0.06875 x4 + 0.78 x5

s.t. x1 + x2 + x3 + x4 + x5 <= 1200,
    x4 + x5 <= 0.4 (x1 + x2 + x3 + x4 + x5),
    x3 >= 0.5 (x1 + x2 + x3),
    0.1 x1 + 0.07 x2 + 0.03 x3 + 0.05 x4 + 0.02 x5 <= 0.04 (x1 + x2 + x3 + x4 + x5),
    xi >= 0 (i = 1, 2, 3, 4, 5)

touch example 新建一个文本文件（命名为 example），输入：

var x1 >= 0;
var x2 >= 0;
var x3 >= 0;
var x4 >= 0;
var x5 >= 0;

maximize z: 0.026*x1 + 0.0509*x2 + 0.0864*x3 + 0.06875*x4 + 0.78*x5;
s.t. C1: x1 + x2 + x3 + x4 + x5 <= 1200;
s.t. C2: x4 + x5 <= 0.4*(x1 + x2 + x3 + x4 + x5);
s.t. C3: x3 >= 0.5*(x1 + x2 + x3);
s.t. C4: 0.1*x1 + 0.07*x2 + 0.03*x3 + 0.05*x4 + 0.02*x5 <= 0.04*(x1 + x2 + x3 + x4 + x5);
end;

保存后，终端输入

$ glpsol -m example -o example.out

打开 example.out 文件：

$ cat example.out
Problem:    example
Rows:       5
Columns:    5
Non-zeros:  23
Status:     OPTIMAL
Objective:  z = 436.608 (MAXimum)

   No.   Row name   St   Activity     Lower bound   Upper bound    Marginal
------ ------------ -- ------------- ------------- ------------- -------------
     1 z            B        436.608
     2 C1           NU          1200                        1200       0.36384
     3 C2           NU             0                          -0        0.6936
     4 C3           B            360            -0
     5 C4           B          -16.8                          -0

   No. Column name  St   Activity     Lower bound   Upper bound    Marginal
------ ------------ -- ------------- ------------- ------------- -------------
     1 x1           NL             0             0                     -0.0604
     2 x2           NL             0             0                     -0.0355
     3 x3           B            720             0
     4 x4           NL             0             0                    -0.71125
     5 x5           B            480             0

……省略一部分……

可查看解答值为：x3 = 720，x5 = 480，其余各项值为 0。

问题解决。

物理和化学

  • 元素周期表 GPeriodic:

使用 pkg 安装：

# pkg install gperiodic

或者

# cd /usr/ports/biology/gperiodic/ 
# make install clean

天文地理

  • 星图软件 Stellarium：

使用 pkg 安装：

# pkg install stellarium

或者使用 Ports 安装：

# cd /usr/ports/astro/stellarium/ 
# make install clean

技巧

默认会进入全屏模式，按 F11 可退出全屏模式以退出软件。

  • Gnome 地图：

使用 pkg 安装：

# pkg install gnome-maps

或者使用 Ports 安装：

# cd /usr/ports/deskutils/gnome-maps/ 
# make install clean

看起来地图数据不算太旧。但是街道细节都看不到。

艺术

音乐

  • MIDI 编曲软件 LMMS：

使用 pkg 安装：

# pkg install lmms

或使用 Ports 安装：

# cd /usr/ports/audio/lmms/ 
# make install clean

软件支持中文，设置后需要重启一下才能使用中文。

  • 制谱软件 MuseScore：

使用 pkg 安装：

# pkg install musescore

或者使用 Ports 安装：

# cd /usr/ports/audio/musescore/ 
# make install clean

三维图像

  • 3D 建模 Blender：

使用 pkg 安装：

# pkg install blender

或者使用 Ports 安装：

# cd /usr/ports/graphics/blender/
# make install clean

支持简体中文。如果看不见先设置繁体，再设置简体。

绘画

  • Krita:

使用 pkg 安装：

 # pkg install krita

或者使用 Ports 安装：

# cd /usr/ports/graphics/krita/ 
# make install clean

工具与软件

  • 科学计算软件 GNU Octave：

使用 pkg 安装：

# pkg install octave

或者使用 Ports 安装：

# cd /usr/ports/math/octave/ 
# make install clean

统筹学

  • 计算机代数系统 wxMaxima：

使用 pkg 安装：

# pkg install wxmaxima

或：

# cd /usr/ports/math/wxmaxima/
# make install clean

上一节我们使用 GLPK 求解线性规划问题，本节我们使用性能更加强大的 wxMaxima 来解决问题。以下代码仅供参考，如果想深入了解，可查看 官方文档。

load("simplex")$
maximize_lp(0.026 * x1 + 0.0509 * x2 + 0.0864 * x3 + 0.06875 * x4 + 0.78 * x5,
[x1 + x2 + x3 + x4 + x5 <= 1200,
x4 + x5 <= 0.4 * (x1 + x2 + x3 + x4 + x5),
x3 >= 0.5 * (x1 + x2 + x3),
0.1 * x1 + 0.07 * x2 + 0.03 * x3 + 0.05 * x4 + 0.02 * x5 <= 0.04 * (x1 + x2 + x3 + x4 + x5)]),
epsilon_lp = 0, nonnegative_lp = true;

按红框位置可执行指令，软件给出的解答为：[436.608,[x5=480.0,x4=0,x3=720.0,x2=0,x1=0]]，可知与 GLPK 求得的答案相同。问题解决。

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