高效率科研神器——数据图表三剑客Mathematica、Excel、Origin

科研工作中数据处理和图表绘制是必不可少的,常用的是Office系列的Excel、Word和PowerPoint以及Origin。这里,笔者引入另一个强大的符号计算软件Mathematica,想通过连接各个软件,使它们能够紧密协作,从而极大的拓展每个软件的功能,提高数据处理和图表绘制效率。

这里的每个软件都是功能十分复杂的大型软件,单个软件都有很多书籍资料来介绍他们的用法,所以这里我想侧重的是如何将各个软件相互联系起来,使它们各取所长、各补所短,发挥1+1大于2的效果。这方面的公开资料非常少,感兴趣的可以查阅以下一些链接,其中的内容后续有时间的话我会进行一些简单的介绍:

·Mathematica和Origin之间的协作

http://www.originlab.com/doc/Origin-Help/ExternalAPP-Mathematica-Link

https://originlab.jira.com/wiki/display/main/Origin+2017+Support+communicate+with+individual+instance+of+Mathematica

·Mathematica和PowerPoint之间的协作

http://reference.wolfram.com/language/howto/CreateASlideShow.html

https://mathematica.stackexchange.com/questions/61/best-way-to-give-presentations-with-mathematica

https://mathematica.stackexchange.com/questions/31511/how-to-include-mathematica-animation-in-a-powerpoint-presentation

http://originlab.com/fileExchange/details.aspx?fid=374

·Mathematica和Excel之间的协作

https://reference.wolfram.com/language/ref/format/XLSX.html

https://www.wolfram.com/products/applications/excel_link/

http://www.wolfram.com/products/applications/excel_link/features/mathematicalink.html

·Origin和PowerPoint之间的协作

http://www.originlab.com/doc/Tutorials/Send-Graphs-to-PPT

·Origin和Excel之间的协作

http://www.originlab.com/doc/Tutorials/BatchProcess-ExcelSummary

http://www.originlab.com/doc/Tutorials/Excel-Connectivity

http://www.originlab.com/doc/Tutorials/Working-with-Excel

这里,我准备首先讨论的是Mathematica和Excel之间的协作。

Mathematica与Excel——ExcelLink插件

Mathematica和Excel都是大型软件,生态丰富、功能繁多,所以这里不介绍单个软件的使用方法,而是侧重于讨论如何同时使用两个软件,以发挥各自的优点。使Mathematica和Excel协同工作的主要方式是通过ExcelLink插件。该插件同时提供一个Mathematica的Package和Excel的Add-in。这样在某一个软件中可以方便的调用另一个软件的功能。下面我们分别来看如何在Mathematica中使用Excel和在Excel中使用Mathematica。

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Excel中的ExcelLink插件

在Mathematica中使用Excel

这里不介绍具体的代码,因为这些代码在软件自带的帮助手册里都有,而且代码形式也很简单,这里只介绍能够实现的功能以及主要工作方式。

基本工作方式

在Mathematica使用ExcelLink插件时,需要先导入扩展包,然后打开Excel程序(该程序的ExcelLink工具条需处于开启状态,点击工具条中的第一个按钮确保Mathematica内核已经处于连接状态),接着我们就可以使用一系列以Excel开头的函数来处理我们打开的Excel文件。

最基本的Excel函数参数为Excel文件中的单元格位置,比如A2、B3,也可以通过冒号指定矩形区域,比如“A2:D4”。我们可以直接在Mathematica中赋值、读取,就像一个普通的符号变量一样,而对应的Excel文件中的相应位置会实时发生变化。另外,Mathematica中绘制的函数图形、数学表达式也可以通过直接赋值显示在Excel文件中,我们只需要指定图形左上角所在的单元格就行了。它们都是以图片的形式显示,可以自由调整大小、位置以及更新内容。

主要功能

·Excel文件和工作表的打开、创建、保存等基本操作

·Excel工作表中数据的获取、填充、计算

·根据预定义的模板输出格式化的Excel文件

·在Excel文件中插入Mathematica代码,可以定义成可执行的宏文件。

Tips

·获取A工作表的第二列数据:Rest@Part[ExcelRead@ExcelSheet@“A”,All,2];

需要注意的问题

·如果我们想指定Excel文件中某一单元格内容为Mathematica表达式,那么我们需要指定该单元格的格式为文本,否则Excel软件会对键入的表达式自行做一些处理。这一点我们可以通过Excel插件提供的右键菜单命令来实现,或者通过在Mathematica中使用ExcelFormat函数来指定。

·与上一点相对应的是,如果一个单元格的格式没有指定为文本格式,那么它就被认为是数据。而数据从Excel传递给Mathematica时是按照其内部存储格式——双精度浮点数,而不是按照其显示格式。

·当我们把Mathematica表达式传递给Excel时,表达式会被转化成Excel内部函数的形式,如果没有对应的内部函数,则会以InputForm字符串的形式显示。

在Excel中使用Mathematica

基本工作方式

在Excel中可以像使用普通Excel函数一样使用Mathematica中定义的种类繁多的函数,方法是使用EVAL[“函数名”,参数]的形式,用一层EVAL函数来包裹Mathematica中的函数,非常方便。

对于初学者,如果不熟悉Mathematica中的函数名和赋值方式,该插件提供了一个GUI工具,可以查找函数名,选取数据区域,定义可选变量等,极大的方便了操作。

如果需要在Excel文件中插入整段代码,可以点击工具条中的Macro按钮,直接插入整段的Mathematica代码,并且可以将某单元格定义成按钮,在需要的时候点击按钮执行代码。

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插件提供的Mathematica函数查找工具

Tips

·EVAL支持Mathmematica中的虚函数,比如:EVAL(“Sum[1)x^#2,{x,#1}]”,“10”,“3”)

·可以将代码放在某一个工作表中,然后利用Excel自带的隐藏和保护工作表的功能,防止代码被修改。

·ExcelLink插件支持直接在Excel和Mathematica之间复制数据,Mathematica中List格式的数据可以直接转换成Excel中对应的矩阵。如果复制的数据格式未成功转换,可以利用Excel插件中的Clipboard按钮进一步转换。

如何各取所长

和Excel相比,Mathematica在中国的普及率算不上高。这一方面是由于Mathematica自身的原因,比如高昂的售价,生态系统不够丰富,代码速度达不到工业强度等等。但是我认为,对于理科学生来说,Mathematica的优势也是很明显的,主要有以下几点:1.完善的帮助文档,图文并茂、案例详实;2.丰富的格式支持,几乎覆盖绝大多数文档、图像和音视频格式;3.强大的可计算知识库,能够直接查询到种类丰富的知识。对于Mathematica来说,和Excel的联通好处是非常大的,因为Mathematica本身笔记本式的编程方式不利于查看数据,不像MATLAB,可以打开独立的数据窗口,因此,如果我们能够熟练的利用Excel,无意就获得了一个强大无比的数据查看和记录工具,而Excel本身比较薄弱的函数库也可以得到极大补充。

在Origin中使用Mathematica

版本说明:Origin为2017版,Mathematica为11.1版

初始设置

Origin软件自带了连接Mathematica的工具,但是使用之前我们需要做一些配置。

在Mathematica中

每次我们打开Mathematica软件时,它都会开启一个内核(Kernel),我们在前端笔记本中进行的每个运算都是通过后台的Kernel来进行的。对于单个Kernel来说,即使是在不同笔记本中定义的变量、函数也是互通的。Wolfram官方提供了一个工具,使得外部软件可以和Kernel进行通信,传递数据,以前这个工具叫做Mathlink,现在叫做WSTP。了解Mathematica的基本工作方式有助于我们理解下面的设置过程。

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在Mathematica中配置内核

首先,我们在Mathematica的“计算”菜单中打开“内核配置选项”,并添加一个新内核,新内核的设置如下图所示,其中MLOpen参数很重要,其具体内容是:-LinkModeLaunch -LinkName “C:Program FilesOriginLabOrigin2017OSequencer.exe-mathlink -noicon”。

它指向Origin程序文件夹中自带的Osequencer.exe程序,这个程序的目的就是为了和Mathematica通信,如果你的Origin安装在不同的地方,需要把引号里的路径替换为你系统里软件的路径。同时注意勾选最后一个选项。

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内核的具体设置

添加完成后,要使用该内核,我们需要在“计算”-“笔记本内核”中选择我们刚添加的内核。这样启用了该内核的笔记本可以与Origin通信。

在Origin中

Origin中的MathematicaLink工具位于“工具”选项卡最后一个。第一次打开,它会让你选择Mathematica内核的位置,即Mathematica程序文件夹的Mathkernel.exe文件。

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Origin中Mathematica连接工具的位置

Mathematica Link工具有四个选项卡:“列”、“矩阵”、“函数”、“计算”。前两个用于在Mathematica笔记本和Origin表格之间传递数据,函数选项卡用来直接利用Mathematica函数在Excel中绘图,但是看起来无法使用过于复杂的选项。最后的计算可以直接执行Mathematica代码来对Origin中的数据进行处理。

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Mathematica Link工具的界面

整个工具的使用并没有太过复杂的地方,我们填好mathematica中赋值的变量名,以及对应的Origin表格中的数据,点击按钮就可以了,可能唯一需要了解的是我们如何指定Origin中的数据,如果我们想获取Origin中“Mbook1”工作簿中“Sheet1”工作表中列A的数据,我们的指定方式为:[Mbook1]Sheet1!Col(a)。

几点注意事项:

·发送矩阵只支持ogm格式的矩阵数据文件,其他格式的数据无法作为矩阵发送到Mathematica中,只能使用发送列。

·“计算”选项卡中使用的数据需要先发送到Mathematica内核中才能调用,无法直接指定。

待续内容:Origin与Excel、Word、PowerPoint的连接及其高级自定义设置。

作者:格知物理

链接:https://www.jianshu.com/p/481f4a0bf1b7

来源:简书

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