Počítač v přírodních vědách Přehled vybraných aplikací 1

Oblasti aplikací • Vyhledávání informací a tvorba odborných textů • Analýza a prezentace dat • Výpočty a modelování • Obrazové informace • Řízení experimentu a sběr dat 2

Vyhledávání informací a tvorba odborných textů • Vyhledávání informací z oboru na Internetu • Příklady informačních databází • Tvorba odborných textů na počítači • Přehled softwarových nástrojů 3

Analýza a prezentace dat • • • Formát vstupních dat – tabulky Práce ve worksheetu – zpracování dat Prezentace dat pomocí grafu Dvourozměrné grafy 3 D grafy Přehled dostupných softwarových nástrojů pro zpracování a analýzu dat 4

Výpočty a modelování • • Modelování v přírodních vědách Typy modelů Příklady modelování v jednotlivých oborech Softwarové nástroje pro modelování a výpočty Práce s vyššími programovacími jazyky Princip tvorby programu Přehled jazyků a oblastí jejich použití 5

Obrazové informace • Formáty obrazových dat • Počítačová grafika - rastrová, digitální fotografie • Počítačová grafika - vektorová, animace. • Zpracování - videa, kodeky • Nosiče obrazových dat 6

Řízení experimentu a sběr dat • • • Počítačem podporované měření Princip řízení experimentu Sběr experimentálních dat Příklady měřicí systémů Principy senzorů a jejich kalibrace kalibrování čidel Přehled průmyslové systémů pro měření - řízený experiment 7

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Vyhledávací služba • Specializovaná služba na Internetu, ke které se lze připojit prostým zadáním příslušné adresy prohlížeči. • Služba převádí miliony hypertextových stránek do uspořádané, lehce ovladatelné a především prohledávatelné struktury. • Klade si za cíl odpovídat uživatelům na jejich dotazy, co kde hledat. • Po zadání libovolného vyhledávacího klíče obstarají v krátkém čase seznam URL stránek, které tento klíč obsahují. Přístup k databázím zajišťují vyhledávací servery. • Po přihlášení k serveru pomocí prohlížeče stačí vyplnit jednoduchý formulář a spustit vyhledávání. Po jeho dokončení obdržíme stránku s popisy a adresami všech míst, která odpovídají zadaným kritériím. 8

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Rozdělení vyhledávacích služeb • Adresáře (Directories)- Portály Hypertextové seznamy WWW míst, hierarchicky uspořádané do tématických kategorií a podkategorií (většinou je tvoří lidé). Prohledávání těchto seznamů vás dovede k odkazům na místa s hledaným tématem. • Indexy (Search engines) – Vyhledávače Počítači generované databáze obsahující strukturované informace o milionech WWW stránek. 9

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Viditelný web Veřejně přístupné a indexovatelné webových dokumentů na Internetu. Internet umožňuje přístup k obrovskému množství dalších informací, pro něž se v literatuře i na webu vžil termín „neviditelný web“ (angl. invisible web), někdy také „hluboký (skrytý) web“ (angl. deep web). 10

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Neviditelný web • Informace, jež jsou uloženy v databázích a generují se dynamicky až na základě interakce uživatele se systémem (např. online katalogy knihoven nebo bibliografické báze dat dostupné prostřednictvím speciálního rozhraní). • Přístup k informacím může být chráněn heslem a jsou dostupné jen autorizovaným uživatelům, často pouze na komerční bázi (viz např. Science Direct, tj. jejich plné texty ve formátu PDF). 11

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Přístup k neviditelnému webu • Běžné vyhledávací nástroje (vyhledávací stroje, angl. search engines) nemohou podobný typ informací ve svých databázích registrovat, buď pro technická omezení, nebo proto, že je jejich robotům (programům, které získávají informace z webových serverů) vstup do těchto zdrojů zakázán. • Vyhledávací služby vám sice poskytnou informaci o existenci podobného informačního zdroje, ale nevyhledají vám informace, které jsou v něm obsaženy. 12

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Standardní vyhledávací služby – cizí • Google www. google. com • Altavista www. altavista. com • Lycos www. lycos. com • Yahoo www. yahoo. com • Look. Smart http: //www. looksmart. com • Search. com http: //www. search. com 13

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Prohledávání databází • Complete Planet - aip. completeplanet. com • Direct serch - www. freepint. com/gary/direct. htm 14

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Fyzika Physics. Web www. physicsweb. org Meta. Phys - www. physik. uni-oldenburg. de/Meta. Phys/ Phys. Net - www. fzu. cz/Phys. Net/ 15

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Chemie Chem. Web - www. chemweb. com Chemdex - www. chemdex. org Chem. Guide - www. fiz-chemie. de Chem. Idustry - chemindustry. com Chem. Soc - www. chemsoc. org 16

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Matematika • European Mathematical Information Service - www. math. muni. cz/EMIS/ • Catalog of Mathematics Resources http: //mthwww. uwc. edu/wwwmahes/files/math 01. htm 17

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Biologie Molecular Biology Databases orion. sci. muni. cz/kgmb/bioinformat/databeses_c. htm 18

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Geografie, geologie National Geographic - www. nationalgeographic. com Geology. Net - www. geologynet. com 19

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Zdravotnictví Med. Scape - www. medscape. com Pub. Med – www. pubmedgov. com 20

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Zdravotnictví – české zdroje Med. Net - www. medicina. cz Medi. Club - www. mediclub. cz Databáze léčiv - www. aislp. cz Doktor on Line - www. doktoronline. cz Ordinace – www. ordinace. cz Anamneza – www. anamneza. cz 21

1. Vyhledávání informací z oboru na Internetu Vyhledávání v databázích vědeckých publikací – především periodika • ISI Web of Knowledge (+ Web of Science) - www. isiknowledge. com • Science Direct - www. sciencedirect. com • Scirus - www. scirus. com 22

2. Tvorba odborných textů Základní typy odborných publikací: Monografie ucelené dílo širšího rozsahu věnované jedné oblasti výzkumu v daném oboru Periodikum pravidelně (několikrát za rok) vycházející publikace (odborný časopis) sestávající z jednotlivých příspěvků (článků) jednotlivých autorů. Samozřejmě existuje řada dalších forem odborných publikací (ročenky, sborníky konferencí, studie aj. ). Výše uvedené jsou nejvýznamnější. 23

2. Tvorba odborných textů Recenze – oponentury • Jednou ze zásad při publikování vědeckých výsledků je oponentura (oponenti – lidé pracující v daném oboru prací zhodnotí, případně vyjádří své připomínky, vše na základě vědeckých metod v příslušném oboru). • V případě publikace ve formě monografie či článku v časopise hraje roli oponenta recenzent, který navrhne úpravy publikace a doporučí nebo nedoporučí dílo k publikaci. Tento postup je určitou zárukou, že publikované výsledky nejsou v rozporu s vědeckou metodou (ověření teorie experimentem, reprodukovatelnost experimentu, konzistence teorie). Není přípustný tzv. důkaz autoritou, oponent musí pracovat a publikovat v recenzovaných časopisech ve stejném oboru. Řada publikací mezi něž patří i noviny a běžné populární časopisy recenzním řízením neprochází. Totéž platí o velkém množství informací, které jsou publikovány na Internetu, v oblasti volně přístupného internetu. 24

2. Tvorba odborných textů Formální struktura odborného textu - článku • Výstižný název • Informace o autorech • Abstrakt (stručné shrnutí obsahu) • Klíčová slova • Úvod do řešené problematiky (stav poznání) • Použité metody (postupy, zařízení apod. ) • Výsledky studia • Diskuse výsledků • Závěr • Citace 25

2. Tvorba odborných textů 26

2. Tvorba odborných textů Vybrané softwarové nástroje • Microsoft Word + Editor rovnic • Mathtype • Open Office • La. Tex + editor např. Win. Shell 27

2. Tvorba odborných textů Microsoft Word +Mathtype 28

2. Tvorba odborných textů Open Office - www. openoffice. cz/ 29

2. Tvorba odborných textů Open Office + Jex 30

$2. Tvorba odborných textů La. Tex Zdrojový text $$ lim_{n rightarrow infty} left(1 +$

2. Tvorba odborných textů La. Tex Zdrojový text $$ lim_{n rightarrow infty} left(1 + {1 over n} right)^n = e $$ Výstup po překladu 31

2. Tvorba odborných textů Latex + Win. Shell 32

2. Tvorba odborných textů Odkazy - La. Te. X Stránky projektu La. Te. X České sdružení uživatelů Te. Xu Český návod k La. Te. Xu Velmi dobrý tutoriál k La. Te. Xu La. Te. X v kostce - Uvod Ne příliš stručný úvod do systému LTE X 2 ε 33

3. Analýza a prezentace dat • Získání dat z experimentu nebo z výpočtů pomocí numerických modelů (nejlépe ASCII ve formě tabulky) • Zpracování dat ve vhodném programu (přepočty, výpočty, statistika, prokládání křivek) • Vytvoření grafického výstupu – grafu (koláčové, sloupcové, 2 D, 3 D, konturové diagramy). 34

3. Analýza a prezentace dat Přehled softwarových nástrojů • Standardní součásti kancelářských balíků (např. Excel nebo tabulkový kalkulátor, který je součástí Open Office). • Rozsáhlé profesionální nástroje - umožňují náročnější zpracování i velkých souborů, více nástrojů a metod zpracování, kvalitnější grafický výstup oproti standartním nástrojům. • Specializované jednoúčelové programy – slouží ke zpracování dat z konkrétního přístroje či modelu 35

3. Analýza a prezentace dat Rozsáhlé profesionální softwarové nástroje Příklady: • Origin. Lab www. originlab. com • Axum (dodáván s Math. Cadem, info. Axum) Easy. Plot - www. amion. com/ep/eplot. html Grapher - www. goldensoftware. com GNU Plot (Unix) Statgraphix www. statgraphics. com/ ADSTAT meloun. upce. cz/adstat. html (Trilo. Byte Statistical Software, ČR) Seznam dalšího SW pro statistiku • • • 36

4. Výpočty a modelování Modelování v přírodních vědách Numerické modelování - Vytvoření matematického modelu - Popis systému pomocí rovnic (obyčejné, diferenciální) - Řešení modelu pro zadané počáteční a okrajové podmínky - Numerickou metodou (postupné aproximace ke správnému řešení) na počítači 37

4. Výpočty a modelování Algoritmus – postup popisující v jednotlivých krocích řešení problému – modelu. Nástroje k modelování můžeme rozdělit na: Programovací jazyky • kód algoritmu je napsán ve formě tzv. zdrojového textu, který se překládá do spustitelnéformy, které rozumí procesor počítače. Interaktivní nástroje • spustitelný kód se připravuje s použitím grafického uživatelského prostředí. 38

4. Výpočty a modelování Srovnání: Programovací jazyky • Náročnější na tvorbu kódu, složitá syntaxe • Flexibilnější při tvorbě specializovaných modelů Interaktivní nástroje • Rychlejší tvorba kódu • Grafické nástroje obsahují pouze předem definované typy algoritmů. • Velmi vhodné i pro dílčí výpočty. Dnes je obvyklé, že v nástrojích pro modelování se míchají oba přístupy tak aby bylo možno využít výhody obou přístupů. 39

4. Výpočty a modelování Algoritmus modelu či výpočtu sestává z posloupnosti jednotlivých kroků (příkazů, jejich skupin a vazeb mezi nimi). Spustitelný kód pak může být vytvářen a prováděn dvěma způsoby, podle toho lze nástroje dělit na: Interprety Spustitelný kód se vytváří postupně po jednotlivých krocích, které se ihned spouštějí (jsou prováděny procesorem). Kompilátory Nejdříve se vytvoří spustitelný kód celého algoritmu a tento kód je pak vykonáván. 40

4. Výpočty a modelování Srovnání: Interprety • Je možno ihned reagovat na změny provedené v kódu, aniž by se musel běh programu přerušovat. • Na počítači musíte mít neustále nástroj, který umí příkazy interpretovat. Kompilátory • Pro spuštění kódu již není nutný překladač. Kód existuje ve formě samostatného programu. • Při běhu programu se nemusí jednotlivé kroky překládat postupně či dokonce opakovaně. • Po jakékoliv změně se musí kód vytvořit znovu. Program tak nemůže za chodu doplnit řešení situací na něž nebyl projektován. 41

4. Výpočty a modelování Příklady programovacích jazyků Jazyky nízké úrovně – strojový kód nebo assembler Vyšší programovací jazyky – příklady: • Pascal – vhodný pro výuku, přehledná struktura programu • Jazyk C (C++) – jazyk rozšířený na velkém množsví platforem (různé OS a počítače). • FORTRAN – vhodný pro vědeckotechnické výpočty (práce s maticemi a komplexními čísly). • JAVA - interpret, používán pro web a mobilní telefony. 42

4. Výpočty a modelování Příklady interaktivních nástrojů pro modelování: - Hyper. Chem www. hyper. com - oblast chemických výpočtů, modely a zobrazení molekul Comsol www. comsol. com www. humusoft. cz/femlab/indexcz. htm (CZ) oblast výpočtů ve fyzice, chemii, elektrotechnice aj. Mathematica www. wolfram. com, www. mathematica. cz (CZ) (Calculation Center) výpočty a modely v matematice fyzice aj. Math. Cad www. mathsoft. com www. dtn. mathsoft. cz , www. gjwprostejov. cz/projekty/sipvz 03/mathcad. htm podobné použití jako Mathematica. 43

4. Výpočty a modelování Hyper. Chem www. hyper. com Příklad: umožňuje provádět výpočty struktur molekul a jejich zobrazení. Odkaz na galerii dalších příkladů 44

4. Výpočty a modelování Comsol www. comsol. com , Humusoft (CZ) Nástroj pro řešení parciálních diferenciálních rovnic metodou konečných prvků. Odkaz na galerii modelů 45

4. Výpočty a modelování Mathematica www. wolfram. com, www. mathematica. cz (CZ) Pro trénink práce v systému je vhodnější produkt Calculation. Center Symbolické a numerické výpočty. Vyhodnocování výrazů a řešení rovnic. Galerie aplikací 46

4. Výpočty a modelování Math. Cad www. mathsoft. com, www. dtn. mathsoft. cz , (inf. CZ) Opět symbolické i numerické výpočty. Tvorba interaktivních dokumentů Ukázky - Flash. Player 47

Výpočty a modelování Příklady modelování • Sestavíme jednoduchý model procesů vzniku, šíření a odeznívání epidemií. • Budeme se přitom zabývat tzv. modely bez vitální dynamiky, tj. budeme uvažovat, že celkový počet jedinců v populace se nemění v čase. • K tomu budeme uvažovat, že choroba má krátké inkubační období a doba mezi nákazou jedince a jeho onemocněním je zanedbatelná. • V tomto případě je možno populaci rozdělit do tří skupin. 48

Výpočty a modelování Příklad modelování Skupina S: (angl. susceptible) obsahuje tu část populace, které je náchylná k onemocnění. Tito jedinci netrpí chorobou, mohou však být infikováni při styku s nemocnými. Skupina I: (angl. infected) obsahuje část populace tvořenou infikovanými jedinci. Tito jedinci vykazují známky onemocnění a rozšiřují nemoc mezi členy skupiny S. Skupina R: (angl. removed) obsahuje tu část populace, která je tvořena jedinci, kteří byli dříve infikováni, ale nyní již nemohou šířit chorobu. Jsou zde obsaženi jedinci, kteří se uzdravili a zůstali trvale imunní, jedince, kteří byli trvale izolováni a dokonce, v případě smrtelné nemoci, jedinci, kteří uhynuli. 49

Výpočty a modelování Příklad modelování Veličiny S, I, R jsou obecně funkcemi času. V libovolném časovém okamžiku t platí S(t) + I(t) + R(t) = N 50

Výpočty a modelování Příklad modelování Pro vývoj epidemie přijmeme následující předpoklady. • Rychlost, s jakou nově infikovaní jedinci přecházejí ze skupiny S do skupiny I je úměrná počtu setkání infikovaných jedinců s jedinci, náchylnými k onemocnění. Tato rychlost je tedy úměrná součinu SI. • Rychlost, s jakou jedinci ze skupiny I přecházejí do skupiny R je úměrná počtu infikovaných jedinců I. • Jedinci, kteří se ocitli ve skupině R v této skupině trvale zůstávají 51

Výpočty a modelování Příklad modelování Uvedené požadavky je možno matematicky vyjádřit soustavou diferenciálních rovnic (Kermack-Mc. Kendrik(1927)) s počátečními podmínkami S(0) = S 0 > 0, I(0) = I 0 > 0, R(0) = 0, S 0 + I 0 = N. 52

Výpočty a modelování Příklad modelování • • • Řešením rovnic lze zjistit časový vývoj počtu jedinců jednotlivých skupin. Pro rozvoj epidemie je přitom podstatný růst I s časem. Funkce S(t) je klesající pro všechna t > 0. Funkce I(t) je klesající (resp. rostoucí), pokud je menší (resp. větší) než 0. Pokud pro t = 0 bude hodnota větší než 0, funkce I bude zpočátku rostoucí a epidemie se vůbec začne v populaci šířit. Při dostatečně nízkých hodnotách S 0 se epidemie nerozšíří prahový efekt. V průběhu času pak roste až může dosáhnout maximální hodnoty a poté začne klesat. Pro omezení šíření nákazy je nutné snížit koeficient alfa (snížení rizika přenosu, např. dodržováním hygienických pravidel). 53