лекция компьютерное моделирование. Лекция.Компьютерное моделирование. Биологи. Лекция. Компьютерное моделирование. Цель Узнать подробней о дисциплине, ее основных понятиях, а также о видах моделирования План
 Скачать 49.67 Kb.
|
|
Лекция. Компьютерное моделирование. Цель: Узнать подробней о дисциплине, ее основных понятиях, а также о видах моделирования План: Понятие модели Моделирование и его виды Компьютерное моделирование Этапы компьютерного моделирования Понятие модели Модель - объект (возможно программа), позволяющий исследовать свойства других объектов и явлений. К модели предъявляются следующие требования: модель должна по возможности отображать все основные факторы и взаимосвязи, характеризующие реальные ситуации, критерии и ограничения; модель должна быть достаточно универсальной, чтобы по возможности описывать близкие по назначению объекты; модель должна быть достаточно простой, чтобы позволить выполнить необходимые исследования с разумными затратами. Компьютерная модель - модель, реализованная с использванием средств вычислительной техники и программной среды. Моделирование и его виды Моделирование - это один из основных методов познания, является формой отражения действительности и заключается в выяснении или воспроизведении тех или иных свойств реальных объектов, предметов и явлений с помощью других объектов, процессов, явлений, либо с помощью абстрактного описания в виде изображения, плана, карты, совокупности уравнений, алгоритмов и программ. концептуальное моделирование, при котором совокупность уже известных фактов или представлений относительно исследуемого объекта или системы истолковывается с помощью некоторых специальных знаков, символов, операций над ними или с помощью естественного или искусственного языков; физическое моделирование, при котором модель и моделируемый объект представляют собой реальные объекты или процессы единой или различной физической природы, причем между процессами в объекте-оригинале и в модели выполняются некоторые соотношения подобия, вытекающие из схожести физических явлений; структурно-функциональное моделирование, при котором моделями являются схемы (блок-схемы), графики, чертежи, диаграммы, таблицы, рисунки, дополненные специальными правилами их объединения и преобразования; математическое моделирование, при котором моделирование, включая построение модели, осуществляется средствами математики и логики; имитационное (программное) моделирование, при котором логикоматематическая модель исследуемого объекта представляет собой алгоритм функционирования объекта, реализованный в виде программного комплекса для компьютера. Компьютерное моделирование Компьютерное моделирование - метод решения задачи исследования системы на основе использования ее компьютерной модели. Компьютерное моделирование, возникшее как одно из направлений математического моделирования с развитием информационных компьютерных технологий стало самостоятельной и важной областью применения компьютеров. В настоящее время компьютерное моделирование в научных и практических исследованиях является одним из основных методов познания. Без компьютерного моделирования сейчас невозможно решение крупных научных и экономических задач. Выработана технология исследования сложных проблем, основанная на построении и анализе с помощью вычислительной техники математической модели изучаемого объекта. Такой метод исследования называется вычислительным экспериментом. Вычислительный эксперимент применяется практически во всех отраслях науки - в физике, химии, астрономии, биологии, экологии, даже в таких сугубо гуманитарных науках как психология, лингвистика и филология, кроме научных областей вычислительные эксперименты широко применяются в экономике, в социологии, в промышленности, в управлении. Проведение вычислительного эксперимента имеет ряд преимуществ перед так называемым натурным экспериментом. для вычислительного эксперимента не требуется сложного лабораторного оборудования; существенное сокращение временных затрат на эксперимент; возможность свободного управления параметрами, произвольного их изменения, вплоть до придания им нереальных, неправдоподобных значений; возможность проведения вычислительного эксперимента там, где натурный эксперимент невозможен из-за удаленности исследуемого явления в пространстве (астрономия), либо из-за его значительной растянутости во времени (биология), либо из-за возможности внесения необратимых изменений в изучаемый процесс. В этих случаях и используется КМ. Также широко используется КМ в образовательных и учебных целях. КМ - наиболее адекватный подход при изучении предметов естественнонаучного цикла, изучение КМ открывает широкие возможности для осознания связи информатики с математикой и другими науками - естественными и социальными. Понятие моделирования - это очень широкое понятие, оно не ограничивается только математическим моделированием. Элементы моделирования часто присутствуют в детских играх, любимое занятие детей - моделировать подручными средствами предметы и отношения из жизни взрослых. Взрослеют дети, взрослеет человечество. Человечество познает окружающий мир, модели становятся более абстрактными, теряют внешнее сходство с реальными объектами. В моделях отражаются глубинные закономерности, установленные в результате целенаправленных исследований. В роли моделей могут выступать самые разнообразные объекты: изображения, схемы, карты, графики, компьютерные программы, математические формулы и т.д. Если мы заменяем реальный объект математическими формулами (допустим, согласно 2 закону Ньютона, опишем движение некоторого тела системой нелинейных уравнений, или, согласно закону теплопроводности опишем процесс распространения тепла дифференциальным уравнение 2 порядка), то говорят о математическом моделировании, если реальный объект заменяем компьютерной программой - о компьютерном моделировании. Но что бы ни выступало в роли модели, постоянно прослеживается процесс замещения реального объекта с помощью объекта-модели с целью изучения реального объекта или передачи информации о свойствах реального объекта. Это процесс и называется моделированием. Замещаемый объект называется оригиналом, замещающий - моделью.  Назначение компьютерного моделирования заключается в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели, которые позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства системы: ее структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. Предметом компьютерного моделирования могут быть: технологический процесс, дизайн выпускаемого продукта, экономическая деятельность предприятия, информационно-вычислительная сеть, любой реальный объект или процесс, протекающий в природе (физический, биологический, экологический и т. д.) или обществе (экономический, политический, социологический и т. д.). Этапы компьютерного моделирования  Моделирование начинается с объекта изучения. На 1 этапе формируются законы, управляющие исследованием, происходит отделение информации от реального объекта, формируется существенная информация, отбрасывается несущественная, происходит первый шаг абстракции. Преобразование информации определяется решаемой задачей. Информация, существенная для одной задачи, может оказаться несущественной для другой. Потеря существенной информации приводит к неверному решению или не позволяет вообще получить решение. Учет несущественной информации вызывает излишние сложности, а иногда создает непреодолимые препятствия на пути к решению. Переход от реального объекта к информации о нем осмыслен только тогда, когда поставлена задача. В тоже время постановка задачи уточняется по мере изучения объекта. Т.о. на 1 этапе параллельно идут процессы целенаправленного изучения объекта и уточнения задачи. Также на этом этапе информация об объекте подготавливается к обработке на компьютере. Строится так называемая формальная модель явления, которая содержит: Набор постоянных величин, констант, которые характеризуют моделируемый объект в целом и его составные части; называемых татистическим или постоянными параметрами модели; Набор переменных величин, меняя значение которых можно управлять поведением модели, называемых динамическим или управляющими параметрами; Формулы и алгоритмы, связывающие величины в каждом из состояний моделируемого объекта; Формулы и алгоритмы, описывающие процесс смены состояний моделируемого объекта На 2 этапе формальная модель реализуется на компьютере, выбираются подходящие программные средства для этого, строиться алгоритм решения проблемы, пишется программа, реализующая этот алгоритм, затем написанная программа отлаживается и тестируется на специально подготовленных тестовых моделях. Тестирование - это процесс исполнения программы с целью выявления ошибок. Подбор тестовой модели - это своего рода искусство, хотя для этого разработаны и успешно применяются некоторые основные принципы тестирования. Тестирование - это процесс деструктивный, поэтому считается, что тест удачный, если обнаружена ошибка. Проверить компьютерную модель на соответствие оригиналу, проверить насколько хорошо или плохо отражает модель основные свойства объекта, часто удается с помощью простых модельных примеров, когда результат моделирования известен заранее. На 3 этапе, работая с компьютерной моделью мы осуществляем непосредственно вычислительный эксперимент. Исследуем, как поведет себя наша модель в том или ином случае, при тех или иных наборах динамических параметров, пытаемся прогнозировать или оптимизировать что-либо в зависимости от поставленной задачи. Результатом компьютерного эксперимента будет являться информационная модель явления, в виде графиков, зависимостей одних параметров от других, диаграмм, таблиц, демонстрации явления в реальном или виртуальном времени и т.п. |