Computerphysik Benutzung der Rechner

Transkript

1 Computerphysik Benutzung der Rechner Fakultät für Physik Universität Bielefeld April

2 Inhaltsverzeichnis 1 Benutzernamen und Verzeichnisse 3 2 Grundlegende Kommandos 3 3 Der Editor 4 4 Anleitung zum Programm Gnuplot Aufruf und Hilfe Definition von Funktionen Zweidimensionale Plots, Parameter und Optionen dimensionale Plots Least Square (χ 2 ) Fits mit gnuplot Loadfiles Ausgabe der Plots Benutzung des gcc Compilers 9 Betreuer: Lukas Mazur Hauke Sandmeyer Thilo Siewert Felix Ziesché Achtung: Diese Kurzanleitung zur Benutzung des Rechners in den Übungen zur Computerphysik ist möglicherweise noch fehlerhaft und sicherlich enthält sie auch noch unklare Anweisungen. Bitte machen Sie uns auf Mängel aufmerksam. 2

3 1 Benutzernamen und Verzeichnisse Starten der Rechner: Die Computer im Seminarraum bieten beim Hochfahren die Auswahl zwischen zwei Betriebssystemen: Windows und Linux (OpenSuSE). Für die Computerphysikübungen wird unter Linux gearbeitet. Benutzername und Kennwort: In der ersten Übung erhalten Sie von Ihrem Tutor einen Benutzernamen und ein Kennwort, mit dem Sie sich an den Rechnern anmelden können. Ihr Benutzername und Ihre Daten sind über das Netzwerk an jedem der Rechner verfügbar, Sie müssen also nicht an einem bestimmten Platz sitzen. Bitte ändern Sie nach der ersten Anmeldung zunächst ihr Kennwort (wie das Kennwort geändert wird wird im Tutorium erklärt). Abmelden: Bitte vergessen Sie nicht, sich am Ende der Übung vom System abzumelden oder den Rechner herunterzufahren. Verzeichnisstruktur: /home/cps42 Home Verzeichnis von Benutzer cps42. /home/cpsdoc Dokumentation für alle Benutzer. /home/cpssrc Bereitgestellte Programme. /home/cpsdata Bereitgestellte Daten. 2 Grundlegende Kommandos Das Betriebssystem des Rechners ist LINUX. Es unterscheidet im Gegensatz zu Windows Groß- und Kleinschreibung in Dateinamen und Befehlen, also Vorsicht! Die folgende Aufstellung enthält einige der wichtigsten LINUX-Kommandos: ls mkdir prog cd prog cd.. cd mv d1 d2 cp d1 d2 more daten rm daten rmdir prog exit passwd Zeigt die Dateien im aktuellen Verzeichnis Erzeugt das Unterverzeichnis prog Wechselt in das Unterverzeichnis prog Wechselt in das übergeordnete Verzeichnis Wechselt in das eigene Home-Verzeichnis Schiebt die Datei d1 in die Datei d2 : Umbenennen der Datei ( d1 verschwindet) Kopiert die Datei d1 nach d2 ( d1 bleibt erhalten) Zeigt den Inhalt der Datei daten an; diese muß existieren Löscht die Datei daten Löscht das Unterverzeichnis prog, sofern es leer ist Schließt das aktuelle Terminal und damit auch das Fenster Änderung des Passwortes Ausführliche Hilfe zu einem LINUX Kommando bekommt man mit dem Befehl man kommando 3

4 wobei kommando durch das entsprechende Kommando zu ersetzen ist. Noch ein paar Bemerkungen für LINUX-Einsteiger: Anwendungsprogramme können in eigenen Fenstern gestartet werden, damit das Terminal- Fenster nicht blockiert wird. Dazu wird das Programm mit einem & aufgerufen. Zum Beispiel der Editor kate (siehe unten): kate & Terminal Fenster verfügen im Allgemeinen über eine History (Verlauf), das heißt, mit den Cursor-Up- und -Down-Tasten können Sie alte Befehle zurückholen. Last not least: LINUX hat eine eingebaute Kopierfunktion für Texte, die etwas anders als das von Windows gewohnte copy and paste bedient wird. Klicken und Ziehen mit dem linken Knopf definiert den Textbereich, der mittlere Mausknopf klebt den Text an der Cursorposition im aktuellen Fenster ein. Dieses Verfahren arbeitet mit allen Texten, auch von Fenster zu Fenster. 3 Der Editor Jeder LINUX-Rechner stellt mindestens einen Editor zur Verfügung, mit dem Sie Dateien editieren können. Z.B. stellt der Window-Manager KDE den Editor kate (Akronym für KDE Advanced Text Editor) zur Verfügung. Mit dem Befehl kate name wird die Datei mit dem Namen name in den Editor geladen. Weitere Editoren die man benutzen kann sind vi, vim oder emacs. Während emacs wie von Windows-Programmen gewohnt via Menü bedient werden kann, stehen alle Funktionen auch direkt über Tastenkombinationen zur Verfügung (einige grundlegende Befehle finden Sie in der Tabelle). Nach einiger Eingewöhnung lässt sich emacs über die Tastenkombinationen schneller bedienen als mit der Maus. Zudem funktioniert diese Art der Bedienung auch, wenn man über eine langsame Netzwerkverbindung arbeitet und deshalb keine grafische Oberfläche nutzen möchte. Ein weiterer großer Vorteil von Emacs besteht darin, dass er das Textformat gängier Programmiersprachen, wie C, Fortran, L A TEXoder auch die Makefilesyntax kennt und die Struktur überprüfen kann. Bekannte Kommandos werden dabei farbig markiert. Per Tabulator lassen sich verschiedene Ebenen automatisch richtig einrücken, wodurch Programm-Quelltext deutlich übersichtlicher wird. 4

5 <CTRL> x, <CTRL> f <CTRL> x, <CTRL> s <CTRL> x, <CTRL> w <CTRL> x, <CTRL> c <CTRL> g <CTRL> <CTRL> d <CTRL> k <CTRL> y <CTRL> <SPACE> <ESC> w <CTRL> x, i <CTRL> x, b <CTRL> x, k <CTRL> a <CTRL> e <ESC> x goto-line <CTRL> l Lädt Datei in einen Buffer Speichern des aktuellen Buffers Abspeichern des Buffers in eine Datei Verlassen des Emacs Befehl abbrechen Letzte Aktion rückgängig machen (Undo) Löscht ein Zeichen Löscht bis zum Zeilenende Einfügen des zuletzt markierten Bereichs an die Cursorposition (Yank Buffer) Markierung setzen Alles zwischen Markierung und Cursor in Buffer kopieren. Mit <CTRL> y kann dieses an eine andere Textstelle kopiert werden. File an Cursorposition setzen (Insert) Wechselt zu anderem Buffer Löscht Buffer Cursor an den Zeilenanfang Cursor an das Zeilenende Nach der Befehlsbestätigung kann die gewünschte Zeilennummer angegeben werden Texte im Buffer werden passend eingefärbt <CTRL> gedrückt halten und eine weitere Taste drücken oder <ESC> und danach eine/zwei weitere Taste drücken. Danach eventuell einzugebene Namen von Files werden dann in der untersten Zeile abgefragt. 4 Anleitung zum Programm Gnuplot 4.1 Aufruf und Hilfe Das Programm gnuplot dient zur graphischen Darstellung von Funktionen, Relationen oder Datenpunkten. Es wird mit dem Kommando gnuplot gestartet. Das Programm ist interaktiv, nach dem Start sehen Sie im Fenster die Eingabeaufforderung gnuplot > die Ihnen signalisiert, dass hier gnuplot-kommandos erwartet werden. Das Programm wird mit dem Befehl quit beendet. Gnuplot stellt zu allen Befehlen und deren Optionen eine ausführliche Hilfe zur Verfügung. Man bekommt sie mit dem Befehl help, der durch das Fragezeichen abgekürzt werden kann. Es ist sinnvoll, den problematischen Befehl direkt anzugeben, etwa help plot oder? set 5

6 xrange. Die Stichworte finden Sie in dieser Anleitung. Vorsicht: Die gnuplot-hilfe ist sehr ausführlich und verwendet viel Raum für Details, die für Sie nicht relevant sind. Lesen Sie quer und schauen Sie sich die Beispiele an. Beachten Sie, dass gnuplot Abkürzungen für alle Befehle und Schlüsselwörter akzeptiert, wenn sie eindeutig sind. Außerdem verfügt auch gnuplot, ebenso wie die Terminals, über eine History. 4.2 Definition von Funktionen Gnuplot kennt eine Reihe von vordefinierten Funktionen. Eine Liste hiervon erhalten Sie mit help functions. Es können aber auch neue Funktionen definiert werden, z.b. f(x) = sin(x) g(x) = exp(-x) h(x,y) = sin(x)*cos(y) 4.3 Zweidimensionale Plots, Parameter und Optionen Zweidimensionale Plots von Daten und Funktionen werden mit dem Befehl plot erzeugt: plot f(x) plot x**2 plot dateiname Das zweite Beispiel erzeugt dabei eine Parabel, der Befehl ** bedeutet potenzieren. Dateinamen müssen in Anführungszeichen gesetzt sein, damit das Programm sie von Variablen unterscheidet. Ein eng verwandter Befehl ist replot. Seine Syntax entspricht der von plot, zeichnet aber seinen Graphen auf den letzten Plot. Ohne Argumente aufgerufen, wiederholt er einfach den letzten Plot. Die vollständige Syntax sieht wie folgt aus: plot {ranges} function {title} {style} replot dateiname {modifier} {title} {style} Die Reihenfolge der Argumente ist wichtig, man darf nicht die style-optionen vor dem Titel setzen usw. Ranges: Gibt den Achsenbereich an, der gezeigt werden soll. Wird dieser Parameter weggelassen, so wählt gnuplot den Bereich automatisch aus. Ein Bereich kann folgendermaßen gewählt werden: 6

7 plot [<xmin>:<xmax>][<ymin>:<ymax>] <function> Man kann das Zeichen * benutzen, wenn ein Rand automatisch gewählt werden soll, z.b. plot [-5.5:*][*:2.3] f(x) Der replot-befehl bedarf keiner Ranges, er benutzt die des zugehörigen plot-befehls Titel: Definiert die Bezeichnung der Funktion. Ohne diesen Parameter erscheint als Titel die angegebene Definition, so wie sie im plot-befehl steht. plot sqrt(x) title Wurzelfunktion Style: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie gnuplot Funktionen und Dateien darstellen kann. Hier eine kleine Auswahl: plot f(x) with lines plot f(x) with linespoints plot f(x) with points plot f(x) with errorbars Fehlerbalken werden weiter unten erklärt, die anderen Optionen sollten klar sein. Datenfile: Wird anstatt einer Funktion eine Datei angegeben, so werden die Daten aus dieser Datei geladen und angezeigt. Jede Zeile in der Datei entspricht einem Datenpunkt. Ohne weitere Angaben definiert die erste Spalte den Wert auf der x-achse und die zweite Spalte den Wert auf der y-achse. Es können mehr Spalten gleichzeitig eingelesen werden, die Informationen über Fehler, weitere Koordinaten oder andere Funktionen enthalten. Modifier: Der Parameter using bestimmt, welche Spalten verwendet werden. Die folgenden Beispiele plotten Spalte 1 über Spalte 3 und Spalte 4 über Spalte 2, wobei Spalte 5 die Höhe der Fehlerbalken angibt. plot daten.dat using 3:1 plot daten.dat using 2:4:5 with errorbars Es gibt auch die Möglichkeit mit den Daten zu rechnen. plot daten.dat using ($1-2.5):($2+$3) plot daten.dat using (sin($1)):2 Es gibt weitere Optionen, mit denen man die Gestalt der Bilder ändern kann. Mit dem Befehl set lassen sich noch andere Parameter einstellen, z.b.: set title setzt den Titel für den Gesamtplot fest set xlabel Text und set ylabel Text setzen Achsenbezeichnungen set logscale x und unset logscale setzt und verläßt eine logarythmische Achseneinteilung. 7

8 Mit dem Befehl set parametric gelangt man in den parametrischen Modus. Dieser ist u.a. geeignet, um nicht nur Funktionen, sondern auch Relationen zu zeichnen. Geben Sie als Funktion das Paar x(t), y(t) an. set parametric zweipi = plot [0:4] sin(zweipi*t), cos(zweipi*(1.2*t+0.1)) Es ist wichtig, diesen Modus durch set noparam wieder zu verlassen, wenn Sie anschließend normal weiterarbeiten wollen dimensionale Plots Der Befehl splot zeichnet 3-dimensionale Oberflächen, also Funktionen der Gestalt z = f(x, y). Die allgemeine Syntax ist: splot {ranges} function {title} {style} splot {ranges} Datenfile {modifier} {title} {style} splot kennt im wesentlichen die Parameter des plot-befehls, dazu einige weitere, die Projektion und Darstellung des 3-dimensionalen Objektes festlegen. Lesen Sie hierzu die Hilfe- Funktionen. Einige Einstellungen wie Blickrichtung, Struktur der Oberfläche, etc., können durch folgende Befehle variiert werden. set view <rot x> {,{<rot z>}{,{<scale>}{,<scale z>}}} set surface, set nosurface set set contour cntrparam Auch bei 3-dimensionalen Plots gibt es den parametrischen Modus. Die Funktion wird gegeben als x(u, v), y(u, v), z(u, v). Das folgende Beispiel zeichnet eine Kugeloberfläche: set param splot [0:2*pi] [0:2*pi] cos(u)*sin(v), sin(u)*sin(v), cos(v) 4.5 Least Square (χ 2 ) Fits mit gnuplot Mit gnuplot lassen sich auch Daten mit beliebigen Funktionen fitten. Der Syntax für die fit-funktion sieht folgendermaßen aus: fit {range} function datafile {modifiers} via <var1>,<var2> Die Parameter sind im wesentlichen die gleichen wie beim plot-befehl. Sie müssen eine Funktion definieren, mit der die Daten gefittet werden sollen. Die unbekannten Variablen der 8

9 Funktion, die bestimmt werden sollen, geben Sie hinter dem Argument via an. 4.6 Loadfiles Mit Hilfe des Loadkommandos lassen sich auch Dateien mit vorgefertigten Befehlen laden und ausführen. Das vereinfacht die Handhabung bei der wiederholten Verwendung von mehreren plot und replot Befehlen. Syntax ist: load Dateiname 4.7 Ausgabe der Plots Um erzeugte Plots direkt zu drucken, können sie als einfache Postscript (ps) Dateien gespeichert werden. Die Syntax hierfür ist: set term post color set out Dateiname.ps plot / replot Sollen die Bilder in L A TEXeingebunden werden, müssen sie als eps (Encapsulated PostScript) gespeichert werden: set term post eps color solid enhanced size 10cm,8cm set out Dateiname.eps plot... Mit der size-angabe kann man die Größe der Plots einstellen und muss diese nicht mehr in L A TEXskalieren. Dadurch bleiben Schriftgrößen und Strichdicken beim Einbinden der Plots korrekt erhalten. Die size-funktion ist leider noch recht neu und steht daher nicht auf jeder gnuplot-installation zur Verfügung. Wird PDF-L A TEXverwendet, kann man die Dateo mit epstopdf noch in eine PDF-Datei umwandeln. Wird gnuplot nach der Ausgabe nicht beendet, sondern soll für weitere Plots verwendet werden, muss die Datei und das Terminal zurückgesetzt werden: set term x11 unset output 5 Benutzung des gcc Compilers Auf dem Rechner ist der C-Compiler (gcc) des GNU Consortiums installiert. 9

10 Um eine C-Programm starten zu können, muss es zunächst in ein Format übersetzt (kompiliert) werden, das vom Computer ausgeführt werden kann: gcc -Wall -o dateiname dateiname.c -lm Mit der Option -o dateiname gibt man an, wie das ausführbare Programm heißen soll und dateiname.c ist der Quellcode (Programmtext), den man übersetzen möchte. Mit der Option -Wall werden viele sinnvolle 1 Warnungen des Compilers eingeschaltet. Dies ist sehr hilfreich, um Programmierfehler zu finden und zu vermeiden. Die Option -lm (Libery Mathematics) dient dazu, die mathematischen Funktionen (z.b. sin(x), log(x), exp(x),...) einzubinden. Im Quelltext sollte sich ein passendes #include math.h befinden. Der C Compiler hat eine Vielzahl von Optionen, von denen viele für unsere Zwecke uninteressant sind. Mit man gcc finden Sie eine Beschreibung aller Optionen. 1 -Wall wird oft als Abkürzung für Warnings: all gelesen, es schaltet allerdings nicht wirklich alle verfügbaren Warnungen, sondern eine große sinnvolle Auswahl ein. 10