Компьютерное моделирование основные понятия

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«ПОВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СОЦИАЛЬНО-ГУМАНИТАРНАЯ АКАДЕМИЯ»

Факультет математики, физики и информатики

Кафедра информатики, прикладной математики и методики их преподавания

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Компьютерное моделирование»

На тему: «Компьютерное моделирование. Основные понятия».

8 семестр

 

Выполнила

студентка  4 курса заочной формы обучения

Специальность «Информатика»

Мелентьева Е. Г.

 

 

Проверила

Мухортова Т.А.

Подпись__________________

 

 

 

 

САМАРА 2012

ВВЕДЕНИЕ

 

В 1870 г. английское Адмиралтейство спустило на воду новый броненосец “Кэптен”. Корабль вышел в море и перевернулся. Погиб корабль. Погибли 523 человека. Это было совершенно неожиданно для всех. Для всех, кроме одного человека. Им был английский ученый-кораблестроитель В.Рид, который предварительно провел исследования на модели броненосца и установил, что корабль опрокинется даже при небольшом волнении. Но ученому, проделывающему какие-то несерьезные опыты с “игрушкой”, не поверили лорды из Адмиралтейства. И случилось непоправимое...

Модели и моделирование  используются человечеством давно. С помощью моделей и модельных  отношений развились разговорные  языки, письменность, графика. Наскальные изображения наших предков, затем  картины и книги - это модельные, информационные формы передачи знаний об окружающем мире последующим поколениям.

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, то говорят о математическом моделировании, если реальный объект заменяем компьютерной программой - о компьютерном моделировании.

 

 

 

1.история  развития моделирования

 

Исторически первыми моделями, которые замещали реальные объекты, вероятно, были языковые знаки. Они возникли в ходе развития человечества и постепенно превратились в разговорный язык. Итак, слово было первой моделью реального объекта (явления).

Первые документально  зарегистрированные наскальные рисунки (петроглифы) были графическими моделями, которые изображали бытовые сцены, животных и сцены охоты. Возраст  этих рисунков оценивается величиной 200 тысяч лет.

Следующим этапом развития моделирования можно считать  возникновение числовых знаков. Сведения о результатах счета первоначально  сохранялись в виде зарубок. Постепенное совершенствование этого метода привело к изображению чисел в виде цифр как системы знаков. Можно предположить, что именно зарубки были прототипом римских цифр.

Потребность в создании и  использовании моделей связана  с тем, что исследовать многие реальные явления и объекты сложно или дорого, а порой вовсе невозможно. Например, безумно экспериментально изучать, к чему приведет мировая  термоядерная война. Опасны эксперименты с реальными реакторами на атомных  электростанциях. Неразумны опыты  с радиоаппаратурой при предельных значениях напряжения питания и  окружающей температуры.

Приведем один из ярких  примеров моделирования.

В Вычислительном центре Академии наук под руководством академика  Н.Н. Моисеева была разработана математическая модель возможных последствий ядерной  войны на планете Земля. Расчеты  показали, что людей погубит не только ударная волна, световое и  радиационное излучение, но и мороз, «ядерная зима». В результате подъема в атмосферу огромных облаков сажи и пепла, будут блокироваться солнечные лучи, и температура на Земле резко понизится.

2.Основные понятия и определения 
моделирования

 

В основе термина «модель» лежит латинское слово modulus — мера, образец. Модель – это заместитель реального объекта исследования. Модель всегда проще исследуемого объекта. При изучении сложных явлений, процессов, объектов не удается учесть полную совокупность всех элементов и связей, определяющих их свойства.

Но все элементы и связи в создаваемой модели и не следует учитывать. Нужно  лишь выделить наиболее характерные, доминирующие составляющие, которые в подавляющей  степени определяют основные свойства объекта исследования. В результате объект исследования заменяется некоторым  упрощенным подобием, но обладающим характерными, главными свойствами, аналогичными свойствам  объекта исследования. Появившийся  вследствие проведенной подмены  новый объект (или абстракция) принято  называть моделью объекта исследования.

Приведем несколько примеров моделей.

Карта — это графическая  модель местности или звездного  неба. В карте соблюдается принцип подобия: сохраняется форма контуров материков, водоемов, лесных массивов, рек, созвездий, относительное расположение объектов, относительное расстояния между объектами, угловое расстояние между звездами и т. д.

Манекен — модель человека, которая отражает его внешние  черты. Манекен подобен человеку, сохраняет его пропорции, цвет кожи и волос. Существуют макеты автомобилей, пароходов, военной техники, железных дорог, архитектурных сооружений и  т. п.

При моделировании работы одной ЭВМ с помощью ЭВМ  иной конструкции используют понятия  имитатор, симулятор и эмулятор. Под этими терминами понимаются программы или устройства, имитирующие  работу других ЭВМ.

Разработано много компьютерных симуляторов спортивных игр, полетов на космических кораблях (космические симуляторы), самолетах и вертолетах, гонок на автомобилях, игр на фондовой бирже, боевых сражений, подводного плавания. Эти симуляторы иногда называют имитаторами.

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.

Любая модель всегда проще  реального объекта и отображает лишь часть его самых существенных черт, основных элементов и связей. По этой причине для одного объекта  исследования существует множество  различных моделей. Вид модели зависит  от выбранной цели моделирования.

Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей, т.е. исследование объектов путем построения и изучения моделей. Модель – это некоторое упрощенное подобие реального объекта, который отражает существенные особенности (свойства) изучаемого реального объекта, явления или процесса. Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который замещает объект-оригинал с целью его исследования, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные черты и свойства оригинала. Объект – это некоторая часть окружающего мира, рассматриваемого человеком как единое целое. Каждый объект имеет имя и обладает параметрами, т.е. признаками или величинами, характеризующие какое-либо свойство объекта и принимаемые различные значения. Модель должна строиться  так, чтобы она наиболее полно  воспроизводила те качества объекта, которые  необходимо изучить в соответствии с поставленной целью. Во всех отношениях модель должна быть проще объекта  и удобнее его для изучения. Таким образом, для одного и того же объекта могут существовать различные  модели, классы моделей, соответствующие  различным целям его изучения.  Процесс выделения  существенных для моделирования  свойств объекта, связей между  ними с целью их описания  называется системным анализом. Этапы моделирования: 1. Постановка задачи: описание  задачи, цель моделирования, формализация  задачи 2. Разработка модели: информационная  модель, компьютерная модель 3. Компьютерный эксперимент  – план эксперимента, проведение  исследования 4. Анализ результатов  моделирования Хорошо построенная модель, как правило, доступнее для исследования, чем реальный объект (например, такой, как экономика страны, Солнечная  система и т.п.). Другое, не менее  важное назначение модели состоит в  том, что с ее помощью выявляются наиболее существенные факторы, формирующие  те или иные свойства объекта. Модель также позволяет учиться управлять  объектом, что важно в тех случаях, когда экспериментировать с объектом бывает неудобно, трудно или невозможно (например, когда эксперимент имеет  большую продолжительность или  когда существует риск привести объект в нежелательное или необратимое  состояние). Таким образом, можно сделать  вывод, что модель необходима для того, чтобы: – понять, как устроен  конкретный объект - каковы его структура, основные свойства, законы развития и  взаимодействия с окружающим миром; – научиться управлять  объектом или процессом и определить наилучшие способы управления при  заданных целях и критериях (оптимизация); – прогнозировать прямые и  косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия  на объект, процесс.

На современном этапе  развития человечества нельзя найти  такую область знания, в которой  в той или иной мере не использовались бы модели. Науки, в которых обращение  к модельному исследованию стало  систематическим, не полагаются больше лишь на интуицию исследователя, а разрабатывают  специальные теории, выявляющие закономерности отношений между оригиналом и  моделью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Классификация моделей

 

Различают материальное и идеальное (информационное) моделирование.

Материальное моделирование, в  свою очередь, делится на физическое и аналоговое моделирование.

Физическим принято называть моделирование, при котором реальному объекту  противопоставляется его увеличенная  или уменьшенная копия, допускающая  исследование (как правило, в лабораторных условиях) с помощью последующего перенесения свойств изучаемых  процессов и явлений с модели на объект на основе теории подобия. (Примеры: в астрономии - планетарий, в архитектуре - макеты зданий, в самолетостроении - модели летательных аппаратов и т.п.)

Аналоговое моделирование основано на аналогии процессов и явлений, имеющих различную физическую природу, но одинаково описываемых формально (одними и теми же математическими  уравнениями).

От предметного моделирования  принципиально отличается идеальное (информационное) моделирование, которое основано не на материальной аналогии объекта и модели, а на аналогии идеальной, мыслимой.

Информационная модель — это описание объекта моделирования. 
Основным типом идеального моделирования является знаковое моделирование. Важнейшим видом знакового моделирования является математическое моделирование, при котором исследование объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики.

В свою очередь, информационное моделирование  делится на моделирование объектов и процессов и моделирование  знаний. Тема моделирования знаний — это тема искусственного интеллекта. Классификация моделей объектов и процессов производится по форме представления. По этому признаку модели делятся на графические, вербальные, табличные, математические и объектно-информационные. Последний тип моделей возник и развивается в компьютерных технологиях: в объектно-ориентированном программировании и современном системном и прикладном ПО.

Формализация — это замена реального объекта или процесса его формальным описанием, т. е. его информационной моделью.

Модель - неоценимый и бесспорный помощник инженеров и ученых.

Технология моделирования требует  от исследователя умения ставить корректно проблемы и задачи, прогнозировать результаты исследования, проводить разумные оценки, выделять главные и второстепенные факторы для построения моделей, выбирать аналогии и математические формулировки, решать задачи с использованием компьютерных систем, проводить анализ компьютерных экспериментов. Для успешной работы исследователю необходимо проявлять активный творческий поиск, любознательность и обладать максимумом терпения и трудолюбия.

Навыки моделирования  очень важны человеку в жизни. Они помогут разумно планировать  свой распорядок дня, учебу, труд, выбирать оптимальные варианты при наличии  выбора, разрешать удачно различные  жизненные ситуации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Компьютерное моделирование как метод научного познания

 

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 ВЭ 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.