一文了解Java中的commons-math3架构和用途（一）

在网上搜索了下，使用Java做一些简单的数据分析的比较少，大多数都是使用Python和Scala语言引入的内置库或者第三方库。而在Java中的篇幅介绍少之又少，所以也衍生出来了想要写几篇详细的介绍，用来介绍Java区的数据分析的文章。

背景介绍

Apache Commons是Apache软件基金会的项目，曾隶属于Jakarta项目。Commons的目的是提供可重用的、开源的Java代码。他们都是隶属于Apache 基金会ASF，基金会建立和维护可重用的Java组件，使用组件可以提高开发效率和质量。在Commons项目中，有大家耳熟能详的工具包，比如BeanUtils、Collections、Compress、Crypto、Email、Exec、FileUpload、IO、Lang、Math、Net、Validator等。而今天我要讲解的是Math这个包。

Apache Commons项目的由三部分组成：

• The Commons Proper ：一个可重用的Java组件库。(已经发布过的)
• The Commons Sandbox ：Java组件开发工作区。(正在开发的项目)
• The Commons Dormant ：当前处于非活动状态的组件库。(刚启动或者已经停止维护的项目)

如何使用math

（1）math使用原则

math3可谓是轻量级自容器的数学和统计计算方法类包，包含大多数常用的数值算法。在Apache Commons 项目中，math3是一个数学库，使用原则：

1、真实世界的应用程序用例决定了开发优先级。

2、这个包强调小型、易于集成的组件，而不是具有复杂依赖项和配置的大型库。

3、所有算法都有完整的文档记录，并遵循普遍接受的最佳实践。

4、在存在多种标准算法的情况下，策略模式用于支持多种实现。

5、有限的依赖关系。除了Commons组件和核心Java平台之外，没有外部依赖关系（至少Java1.3到1.2版本的库，至少Java5从2.0版本的库开始）。

目前的稳定版本为commons-math3，测试版本为commons-math4-4.0-beta1，相关下载地址：https://commons.apache.org/math/download_math.cgi

在Maven仓库中，math3版本的从3.0开始，目前最新版本是3.6.1，在官方看到有4.0版本的介绍以及beta版本，后续可能这块还会有发力。

（2）Maven中引入

在pom.xml中引入math3包，下面就是我引入的方式，直接拷贝到XML文件中使用maven自动下载导入即可。

...
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.apache.commons/commons-math3 -->
<dependency>
    <groupId>org.apache.commons</groupId>
    <artifactId>commons-math3</artifactId>
    <version>3.6.1</version>
</dependency>
...

（3）Gradle中引入

在gradle.xml中引入math3包，下面就是我引入的方式，直接拷贝到XML文件中使用maven自动下载导入即可。

dependencies {
  	...
    // https://mvnrepository.com/artifact/org.apache.commons/commons-math3
		implementation group: 'org.apache.commons', name: 'commons-math3', version: '3.6.1'
  	...
}

（4）ivy中引入

在ivy.xml中引入math3包，下面就是我引入的方式，直接拷贝到XML文件中使用maven自动下载导入即可。

...
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.apache.commons/commons-math3 -->
<dependency org="org.apache.commons" name="commons-math3" rev="3.6.1"/>
...

（5）导入后架构

导入 Apache Commons Math 3 库后 , 就可以使用该库的功能了 , 注意配置了上述依赖后 , 确保网络通常 , Gradle 或 Maven 或 ivy 构建工具会自动从远程 Maven 中央仓库下载对应的依赖库 。当前我是在IDEA中使用Maven导入后的包。

math应用实践

01 了解math3包架构

以下是math3的包结构和简单介绍，如果你想了解更多的各个包下的接口和实现，请参考Apache Commons math3 3.6.1 API文档。

math包又分为很多功能子包，例如analysis、stat、distribution、geometry、ml、optim等。

org.apache.commons.math3

org.apache.commons.math3.analysis

org.apache.commons.math3.analysis.differentiation

org.apache.commons.math3.analysis.function

org.apache.commons.math3.analysis.integration

org.apache.commons.math3.analysis.integration.gauss

org.apache.commons.math3.analysis.interpolation

org.apache.commons.math3.analysis.polynomials

org.apache.commons.math3.analysis.solvers

org.apache.commons.math3.complex

org.apache.commons.math3.dfp

org.apache.commons.math3.distribution

org.apache.commons.math3.distribution.fitting

org.apache.commons.math3.exception

org.apache.commons.math3.exception.util

org.apache.commons.math3.filter

org.apache.commons.math3.fitting

org.apache.commons.math3.fitting.leastsquares

org.apache.commons.math3.fraction

org.apache.commons.math3.genetics

org.apache.commons.math3.geometry

org.apache.commons.math3.geometry.enclosing

org.apache.commons.math3.geometry.euclidean.oned

org.apache.commons.math3.geometry.euclidean.threed

org.apache.commons.math3.geometry.euclidean.twod

org.apache.commons.math3.geometry.euclidean.twod.hull

org.apache.commons.math3.geometry.hull

org.apache.commons.math3.geometry.partitioning

org.apache.commons.math3.geometry.partitioning.utilities

org.apache.commons.math3.geometry.spherical.oned

org.apache.commons.math3.geometry.spherical.twod

org.apache.commons.math3.linear

org.apache.commons.math3.ml

org.apache.commons.math3.ml.clustering

org.apache.commons.math3.ml.clustering.evaluation

org.apache.commons.math3.ml.distance

org.apache.commons.math3.ml.neuralnet

org.apache.commons.math3.ml.neuralnet.oned

org.apache.commons.math3.ml.neuralnet.sofm

org.apache.commons.math3.ml.neuralnet.sofm.util

org.apache.commons.math3.ml.neuralnet.twod

org.apache.commons.math3.ml.neuralnet.twod.util

org.apache.commons.math3.ode

org.apache.commons.math3.ode.events

org.apache.commons.math3.ode.nonstiff

org.apache.commons.math3.ode.sampling

org.apache.commons.math3.optim

org.apache.commons.math3.optim.linear

org.apache.commons.math3.optim.nonlinear.scalar

org.apache.commons.math3.optim.nonlinear.scalar.gradient

org.apache.commons.math3.optim.nonlinear.scalar.noderiv

org.apache.commons.math3.optim.nonlinear.vector

org.apache.commons.math3.optim.nonlinear.vector.jacobian

org.apache.commons.math3.optim.univariate

org.apache.commons.math3.optimization

org.apache.commons.math3.optimization.direct

org.apache.commons.math3.optimization.fitting

org.apache.commons.math3.optimization.general

org.apache.commons.math3.optimization.linear

org.apache.commons.math3.optimization.univariate

org.apache.commons.math3.primes

org.apache.commons.math3.random

org.apache.commons.math3.special

org.apache.commons.math3.stat

org.apache.commons.math3.stat.clustering

org.apache.commons.math3.stat.correlation

org.apache.commons.math3.stat.descriptive

org.apache.commons.math3.stat.descriptive.moment

org.apache.commons.math3.stat.descriptive.rank

org.apache.commons.math3.stat.descriptive.summary

org.apache.commons.math3.stat.inference

org.apache.commons.math3.stat.interval

org.apache.commons.math3.stat.ranking

org.apache.commons.math3.stat.regression

org.apache.commons.math3.transform

org.apache.commons.math3.util

02 math3库distribution包

distribution包住要有常见离散和连续分布的实现。这个是最常用的一些算法的集合都在这个包，后续的实现也都是在这里。

03 math3库analysis包

analysis包用于常见的数值分析过程，包括根查找，功能插补和集成。

04 math3库complex包

complex包主要应用于复杂的数字类型和复杂的超越函数的实现。

05 math3库exception包

这个包就比较好理解了，都是存放的一些错误算法处理类。

06 math3库filter包

filter包也是很常用的一个过滤器。

07 math3库fitting包

fitting是曲线拟合包，他包括最小化观察和模型值之间的残差的算法。

08 math3库fraction包

fraction包主要是分数号类型和分数号格式。

09 math3库genetics包

提供遗传算法组件和实现。

10 math3库geometry包

geometry包提供几何算法，包括最小封闭球问题、1D、2D、3D、欧几里德空间中生成一组点的凸壳、凸壳问题、二进制空间分区树、多维排序功能以及几何组件。

11 math3库linear包

提供线性代数

12 math3库ml包

看到包名，其实我们应该可以猜测到，虽然没有python那么强大。机器学习算法的基础包，包括集群评估、公共距离计算、神经网络、特征图、一/二维神经网络等。

13 math3库ode包

ODE包主要用于常微分方程问题、非硬常态差分方程问题、离散事件、处理常用方程集成期间处理采样步骤等。

14 math3库optim包

optim主要是优化器、最大值、最小值问题。

15 math3库primes包

primes包包括素数相关的方法，如原始测试，因子分解。

16 math3库random包

random包包括随机数和随机数据发生器，可以从这里获取一些测试数据。

17 math3库stat包

stat包在基数科学计算中使用比较广泛，主要是一些数据存储，操纵和摘要例程。stat包包括相关性/协方差计算、摘要统计、概要统计（基于时刻、级别以及其他的摘要）、假设测试、二项式、排名等。在后面的博文中会着重介绍。

18 math3库transform包

transform包住要是一些变换方法的实现，包括快速傅里叶变换。

19 math3库util包

这个我感觉无需多介绍，主要是一些数学统计的工具，可以方便开发者使用。

其他不常用的类、包

在math3包中，上面介绍了大体的包结构和子包结构，下面介绍的这些个包我们也不是常用。

• 通用类

通用包主要是整个公共数学库中使用的常见类别

• 十进制浮点

• optimization包

此包在v3.6.1已经全部不建议使用了，所以放在这里。optimization包包括线性、拟合、曲线、最小算法等。

• special包

主要是Beta和Gamma的是使用比较多，其他的两个类很少使用。

总结

本文住要介绍了Commons项目大家族的包，具体介绍了Math包下的架构以及一些子包的分类以及用途。下一篇具体讲解包下类的使用以及注意点。

[引用]

1. Commons官方主页：https://commons.apache.org/
2. ASF官方项目主页：https://www.apache.org/index.html#projects-list
3. math3 APIs：https://commons.apache.org/proper/commons-math/javadocs/api-3.6.1/index.html

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