Julia. Знакомство / Хабр

Ода Джулии

Очень трудно передать весь восторг, который сопутствовал запуску первых программ и исправлению первых ошибок с использованием этого языка. Прост и красив как Python, немножко похож на Fortran, удобная работа с массивами и графиками, а также возможность осуществлять лютую оптимизацию и распараллеливание даже для таких чайников, как я мои одногруппники. Можно работать на разных уровнях абстракции: от высокоуровневого программирования с динамической типизацией можно спуститься до ассемблерных команд, то есть, тут вам и питонская общедоступность и скорость выполнения фортрановских считалок. Не могу отделаться от ощущения, что Mathcad, Scilab и даже, прости Господи, C++ начинают в моем сердце уходить на второй план.

Узнал про язык случайно наткнувшись на хабровскую публикацию, и, как полагается впечатлительному студенту, стал искать руководства, да желательно на русском. Так как язык в течение шести лет постоянно развивался, и без того скудные источники информации устаревали, и азарт начал убывать. Но вот с началом нового лабораторного курса по моделированию физических явлений со свободным выбором языка программирования, таки появилась мотивация начать знакомство с Джулией. К тому же, в августе язык "допекли 1.0".

Нижепредставленный материал планировался как введение в язык, на котором в дальнейшем были написаны все лабораторные и собрана методичка.

Julia — высокоуровневый, высокопроизводительный язык программирования с динамической типизацией для математических вычислений. Синтаксис похож на матлабово семейство, язык написан на Си, С++ и Scheme, есть возможность вызова Сишных библиотек

Установка

Под спойлером

На официальном сайте можно найти новости, видеоуроки и загрузить дистрибутив. После установки можно приступать к работе, но всё будет происходить в режиме интерпритатора.
На сайте https://juliacomputing.com доступны продукты, основой для которых послужил этот язык:

JuliaDB — для работы с аналитикой баз данных и аналитикой временных рядов, основанными на богатой экосистеме Джулии, а также располагающими встроенным параллелизмом и масштабируемостью.
JuliaBOX — Запустите Julia без установки из вашего браузера в ноутбуках Jupyter. Популярна в университетах и среди начинающих пользователей. Для полноценной работы нужно оформлять платную подписку. В бесплатном же режиме некоторые опции будут ограничены, и для доступа к вычислительным ядрам нужно ждать в очереди
JuliaRun — Запускайте приложения Julia в публичном или частном облаке. Масштабируемое развертывание в производстве для анализа в реальном времени и для крупномасштабных параллельных симуляций.
JuliaFin — Для работы в сфере финансов. Включает в себя все инструменты, необходимые для бэктестинга и торговли: Excel, Bloomberg, моделирование контрактов и JuliaDB.
JuliaPro — Бесплатная версия для ученых и исследователей данных. Установите в Windows, Mac или Linux. Доступна расширенная коммерческая лицензия.

Выбираем последний вариант. На момент написания руководства доступна версия 0.6.4.1. После регистрации будет доступно бесплатное скачивание. Пользователи Windows 7/Windows Server 2012 также должны установить:

TLS easy_fix Чтоб узнать детали смотрите Discourse thread.
Windows Management Framework 3.0 or later.

Скачав фиксер, лучше обеспечьте ограничение на выход в интернет, а уж потом обновляйте, не то все узнают какая у вас недействительная копия Windows. Это обновление нужно, чтоб предотвратить проблемы с системой контроля версий git, иначе не будет возможности докачивать дополнительные пакеты, а без них будет тяжко.

Ну вот, всё наконец-таки установилось, теперь в нашем распоряжении:

JuliaPRO Command Prompt — все Юлины умения прямо из интерпретатора.
Juno — красивая IDE с окошком для графиков и рабочим пространством, где можно смотреть содержимое всех объектов
Jupyter — запускает вычислительное ядро в консоли, а выполнять код можно прямо в браузере. (Помимо Джулии присутствует еще и Питон)

Посмотрим, что умеет этот калькулятор… Поддержка Юникода — можно использовать кириллицу, иероглифы и назвать pi греческой буквой. А еще можно явно не указывать умножение между числом и переменной (именно в таком порядке и без пробела):

x = 5+8
2x - 3x + 2x^2
Out: 325

Все нужные знаки тоже на месте: +=, *=, >>= и т.д. (Знак ">>" (битовый сдвиг вправо). Знаки сравнения: >, >=, <, <=, ==, !=. Неравенства можно объединять в цепочки:

y = 5
y += 2
4 <= y < 8
Out: true

Комплексные числа в наличии:

(2-1im)*(4+3im)
Out: 11 + 2im

И функции для работы с ними:

real(z) — действительная часть,
imag(z) — мнимая часть,
conj(z) — комплексно сопряжённое число,
abs(z) — модуль,
abs2(z) — квадрат модуля,
angle(z) — аргумент комплексного числа.

Можно пользоваться рациональными числами используя "//" и соответствующими функциями:

num(x) — числитель,
den(x) — знаменатель,
float(x) — преобразует к десятичной дроби

x = 4//6+5//7
Out: 29//21
float(x)
Out: 1.380952380952381

В Julia есть возможность управлять внутренним представлением данных:

typeof(obj) — тип объекта
typemax(obj) — максимальное число этого типа
typemin(obj) — мимимальное
eps() — машинный ноль
BigInt — большое целое
BigFloat — большое с плавающей точкой

q = 3
typemax(q)
Out: 9223372036854775807
typeof(q)
Out: Int64
BigFloat(2.3^45/6)
Out: 3.159376405019356000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000e+15

Функции

Комплект особоупотребительных функций

abs(x) — модуль числа,
abs2(x) — квадрат модуля,
sqrt(x) — квадратный корень,
cbrt(x) — кубический корень,
exp(x) — экспонента числа,
log(x) — натуральный логарифм,
log10(x) — десятичный логарифм,
log(b,x) — логарифм x по основанию b.
А также тригонометрические, гиперболические, Эйри, Бессель и еще много всяких других.

Пользовательские функции:

function имя(аргументы)
    #тело функции
end

Функция возвращает результат последнего выражения (Икнул пользователь Mathcad).

function cube(x)
    x^3
end
cube(4)
Out: 64

Ну, или укажем явно:

function myabs(x)
    if x>=0
        return x
    else
        return -x
    end
end
myabs(-12)
Out: 12

Возвращаемые значения можно собрать в кортеж:

function cubeandsquare(x)
    x^3,x^2
end
a,b = cubeandsquare(3)
print("a = $a, b = $b")
Out: a = 27, b = 9

Функции могут принимать кортежи, значения по-умолчанию, ключевые слова. Если после имени функции отсутствуют скобки, оно рассматривается как переменная и может быть присвоено другой переменной или передано в функцию как параметр. Еще Julia поддерживает и функциональный стиль написания программ (привет Lisp`у)

function mysin(t;A=1,ω=1,φ=0) # поддержка Юникода - можно использовать греческие символы
    A*sin(ω*t + φ)
end
x1 = mysin(pi) # синус Пи = 0
x2 = mysin(pi*0.5,A = 2) # увеличиваем амплитуду в два раза
x3 = mysin(pi*0.5,ω = 0.5) # уменьшаем в два раза частоту
print("x1 = $x1, x2 = $x2, x3 = $x3")
Out: x1 = 1.2246467991473532e-16, x2 = 2.0, x3 = 0.7071067811865475

Массивы

Я как пользователь Scilab даже не заметил подмены: можно задать массив с помощью функции:

Array{T}(undef, dims...) — Массив типа Т и размерности dims
zeros(T, dims...) — Массив нулей
ones(T, dims...)- или единиц
Индексация начинается с единицы, вместо $ — end, а также определены все необходимые операции для матриц (для того чтоб осуществить, скажем, поэлементное сложение или умножение, перед опер��тором нужно ставить точку).

(Теперь понятно как картинки вставлять, но ладно уж...)

Базовые функции:

det(A) — вычислить определитель
A' — транспонировать матрицу
inv(A) — инвертировать матрицу
length(A) — число элементов
ndims(A) — число размерностей
size(A) — кортеж размерностей
size(A, n) — размерность в заданном направлении
copy(A) — создание копии массива
linspace(начало, конец, шаг) или
linspace(начало: шаг: конец) — создание одномерного массива

A = [1 2 3; 6 5 4; 7 8 9]
Out: 3x3 Array{Int64,2}:
 1  2  3
 6  5  4
 7  8  9
A[2,1]
Out: 6
A[end]
Out: 9
size(A) 
Out: (3, 3)

Можно выделять части массива, задавая диапазон индексов вдоль размерности знаком ": ".

m1 = rand(3,2)
m2 = reshape(1:2:11, 3,2)
Out: 3x2 Base.ReshapedArray{Int64,2,StepRange{Int64,Int64},Tuple{}}:
 1   7
 3   9
 5  11
m3 = [m1 m2] # объединение строк (вдоль первой размерности)
Out: 3x4 Array{Float64,2}:
 0.325649  0.701038  1.0   7.0
 0.513579  0.620215  3.0   9.0
 0.815242  0.805307  5.0  11.0
m5 = [m1; m2] # объединение столбцов (вдоль второй размерности)
Out: 6x2 Array{Float64,2}:
 0.325649   0.701038
 0.513579   0.620215
 0.815242   0.805307
 1.0        7.0     
 3.0        9.0     
 5.0       11.0
m3[:, 2:4]
Out: 3x3 Array{Float64,2}:
 0.701038  1.0   7.0
 0.620215  3.0   9.0
 0.805307  5.0  11.0

Здесь использовались rand(), возвращающая массив случайных чисел заданной размерности, и reshape(), изменяющая размерность массива на указанную.

for a in A
    # действия над a из массива A
end

или

for i in eachindex(A)
   # действия с учётом индекса i 
end

или

for i = 1 : size(A,n)
# n - вдоль какой размерности бежит индекс (хм.. можно упростить трехмерное ВУ)
   # действия с учётом индекса i 
end

Графики

Для использования графики нужно докачивать с репозитория пакет на выбор:

Pkg.add("Plots")
Pkg.add("PyPlot")
Pkg.add("Gadfly")
Pkg.add("Winston")

Из них наиболее популярен питоновский PyPlot. Модули подключаются командой using, например:

using PyPlot

Однако, давайте попробуем Gaston использующий Gnuplot (качается отдельно).
Загружается Gaston.jl командой

   Pkg.add("Gaston")

И сразу к делу:

using Gaston
t = 0:0.01:1
plot(t, sin.(2π*5*t))

plot(t,sin.(2π*5*t),title="A sine wave",xlabel="Time (s)",ylabel="Amplitude",grid="on",linewidth=3,color="blue",
    yrange="[-1.1:1.1]",marker="ecircle",plotstyle="linespoints",linestyle="-.-")

plot!(t,cos.(2π*5*t),color="red",linewidth=2) # добавляем во фрейм еще один график

x = y = -15:0.33:15
surf(x,y,(x,y)->sin.(sqrt.(x.*x+y.*y))./sqrt.(x.*x+y.*y),title="Sombrero",plotstyle="pm3d")

x = y = -15:0.33:15
surf(x,y,(x,y)->sin.(sqrt(x.*x+y.*y))./sqrt.(x.*x+y.*y),
    title="Edge view of a sombrero",plotstyle="pm3d",gpcom="set view 80,20")

R = [ x+y for x=0:5:120, y=0:5:120]
G = [ x+y for x=0:5:120, y=120:-5:0]
B = [ x+y for x=120:-5:0, y=0:5:120]
Z = zeros(25,25,3)
Z[:,:,1] = R
Z[:,:,2] = G
Z[:,:,3] = B
imagesc(Z,title="RGB Image",clim=[10 200])

histogram(rand(1000),bins=15,norm=1,title="Histogram",yrange="[0:1.6]")

y = 1:40
err = Gaston.ErrorCoords(rand(40))
plot(y,err=err,title="Example of error bars",plotstyle="errorbars")

Можно создавать несколько графических окон (не работает в Jupyter) используя команду h = figure() (Просто вставить между plot'ами). Чтобы сохранить график в виде файла изображения, используйте команды
set_filename("имя.png") # если не указать, выведется на экран
printfigure("png") # сохранить в файл, доступно PNG, PDF, SVG и GIF
Больше информации по пакету Gaston

Заключение

Есть еще много графических пакетов на любой вкус и покрывающих почти все потребности. Так-же вовсю развиваются вспомогательные пакеты. Тут вам и квантовые вычисления, и биоинформатика, и машинное обучение, и множество более насущных проблем вроде дифуров и производных.

В общем, Джулия красива, умна и очень перспективна, и крайне непозволительно оставлять её без должного внимания.

Julia. Знакомство