Построение и использование компьютерных моделей

Построение и использование компьютерных моделей

Оглавление

Введение……………

Построение и использование компьютерных моделей…………….

 

Введение

Компьютерная модель - модель, реализованная средствами программной среды.

Компьютерное моделирование начинается как обычно с объекта изучения, в качестве которого могут выступать: явления, процесс, предметная область, жизненные ситуации, задачи. После определения объекта изучения строится модель. При построении модели выделяют основные, доминирующие факторы, отбрасывая второстепенные. Выделенные факторы перекладывают на понятный машине язык. Строят алгоритм, программу.

Когда программа готова, проводят компьютерный эксперимент и анализ полученных результатов моделирования при вариации модельных параметров. И уже в зависимости от этих выводов делают нужные коррекции на одном из этапов моделирования: либо уточняют модель, либо алгоритм, либо точнее, более корректно определяют объект изучения.

Компьютерные модели претерпевают очень много изменений и доработок прежде, чем принимают свой окончательный вид. Этапы компьютерного моделирования можно представить в виде схемы:

Объект - Модель - Компьютер - Анализ - Информац. модель

В методе компьютерного моделирования присутствуют все важные элементы развивающего обучения и познания: конструирование, описание, экспериментирование и т.д. В результате добываются знания об исследуемом объекте-оригинале.

Современное компьютерное моделирование выступает как средство общения людей (обмен информационными, компьютерными моделями и программами), осмысления и познания явлений окружающего мира (компьютерные модели солнечной системы, атома и т.п.), обучения и тренировки (тренажеры), оптимизации (подбор параметров).

Компьютерные модели, как правило, являются знаковыми или информационными.[1]

 К знаковым моделям  в первую очередь относятся  математические модели, демонстрационные  и имитационные программы.

Информационная модель - набор величин, содержащий необходимую информацию об объекте, процессе, явлении.

Самое главное и сложное в компьютерном моделировании - это построение или выбор той или иной модели.

При построении компьютерной модели используют системный подход, который заключается в следующем. Рассмотрим объект - солнечную систему. Систему можно разбить на элементы - Солнце и планеты. Введем отношения между элементами, например, удаленность планет от Солнца. Теперь можно рассматривать независимо отношения между Солнцем и каждой из планет, затем обобщить эти отношения и составить общую картину солнечной системы (принципы декомпозиции и синтеза).

Некоторые характеристики моделей являются неизменными, не меняют своих значений, а некоторые изменяются по определенным законам. Если состояние системы меняется со временем, то модели называют динамическими, в противном случае - статическими.

Построение компьютерной модели. Моделирование

При построении моделей используют два принципа: дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему). [3]

При первом подходе рассматривается частный случай общеизвестной фундаментальной модели. Здесь при заданных предположениях известная модель приспосабливается к условиям моделируемого объекта. Например, можно построить модель свободно падающего тела на основе известного закона Ньютона ma = mg-Fсопр и в качестве допустимого приближения принять модель равноускоренного движения для малого промежутка времени.

Второй способ предполагает выдвижение гипотез, декомпозицию сложного объекта, анализ, затем синтез. Здесь широко используется подобие, аналогичное моделирование, умозаключение с целью формирования каких-либо закономерностей в виде предположений о поведении системы. Например, подобным способом происходит моделирование строения атома.

Технология построения модели при дедуктивном способе:

1.         Теоретический этап:

• оценки;
• аналогии;
• подобие.

2.         Знания, информация об объекте (исходные данные об объекте).

3.         Постановка задачи для целей моделирования.

4.         Выбор модели (математические формулировки, компьютерный дизайн).

Технология построения модели при индуктивном способе:

1.         Эмпирический этап:

• умозаключение;
• интуиция;
• предположения;
• гипотеза.

2.         Постановка задачи для моделирования.

3.         Оценки. Количественное и качественное описание

4.         Построение модели.

Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере:

1.         описательная информационная модель

2.         формализованная модель

3.         компьютерная модель

4.         компьютерный эксперимент

5.         Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели

1 этап - описательная информационная модель : такая модель выделяет существенные (с точки зрения целей проводимого исследования ) параметры объекта, а несущественными  параметрами пренебрегает

2 этап - Описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка. В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и пр. фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.

3 этап - компьютерная модель

Описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка.

В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и пр. фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.

4 этап – компьютерный эксперимент

 Если компьютерная  модель существует в виде программы  на одном из языков программирования, её нужно запустить на выполнение  и получить результаты.

 

  Если компьютерная  модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или  поиск данных, построить диаграмму  или график.

5 этап – анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели

 В случае различия  результатов, полученных при исследовании  информационной модели, с измеряемыми  параметрами реальных объектов  можно сделать вывод, что на  предыдущих этапах построения  модели были допущены ошибки  или неточности. Провести корректировку модели.

Некоторое соответствие различных видов информационных моделей и тех программных средств, которые их реализуют:

Модели	Программные средства
Тексты	Текстовый редактор
Рисунки	Графический редактор
Таблицы, графики, диаграммы	Электронные таблицы
Алгоритмы	Процедурные языки программирования

 

[4]

Модель позволяет научиться правильно управлять объектом, апробируя различные варианты управления на модели этого объекта. Экспериментировать в этих целях с реальным объектом в лучшем случае бывает неудобно, а зачастую просто вредно или вообще невозможно в силу ряда причин (большой продолжительности эксперимента во времени, риска привести объект в нежелательное и необратимое состояние и т.п.) 
 
Применение компьютерных моделей ( далее КМ) - неотъемлемая часть всей современной жизни. Рассмотрим лишь малую толику использования компьютерных моделей в некоторых областях жизни.

 

1. Физика. КМ очень наглядно демонстрируют различные физические опыты и явления, переходные процессы. Просмотр этих моделей учащимися делает процесс изучения физики интересным и привлекательным, а так же во многом упрощает труд преподавателя. Применение компьютерных моделей на уроках вообще и физики – в частности, в конечном счете, должно способствовать развитию познавательного интереса, овладению школьниками возможностями информационных технологий, более гармоничному развитию интеллектуальных способностей учащихся.
2. Экология. В настоящее время все большее распространение получает использование компьютерных моделей в области экологии.

Например, повышение средних температур на земном шаре может существенно изменить ход природных процессов биосферы. Ученые полагают, что, несмотря на увеличение концентрации СО2 в атмосфере в 1940-е годы, потепление сменилось похолоданием именно за счет увеличения запыленности воздуха. Учеными был сделан однозначный вывод о том, что выбросы в атмосферу, вызванные человеческой деятельностью, приводят к существенному увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере. На основе расчетов с использованием компьютерных моделей было показано, что если сохранится нынешняя скорость поступления парниковых газов в атмосферу, то всего за 30 лет температура в среднем по Земному шару повысится, примерно, на 1 градус.  [5]

3.Пищевая промышленность. Несомненная важность использования КМ   прослеживается в технологических процессах пищевых производств.

               К примеру, в рецептурах указано определённое соотношение компонентов сырья для производства изделия, что позволяет определить расход сырья для выпуска готовой продукции и спланировать себестоимость изделий. В рецептурах рассчитаны не все фазы технологического процесса, а только те, на которых происходят изменения состава сырья или влажности. На предприятиях рабочие рецептуры рассчитываются для определённого расхода сырья и полуфабрикатов для требуемого количества изделий в смену и на нагрузку с учётом ёмкости оборудования и его производительности. Такие расчеты характеризуется большими объемами исходных данных, подлежащих обработке, громоздкостью вычислительных процедур и многократным их повторением. Поэтому именно компьютерное моделирование дает возможность эффективного поиска оптимальных условий, при которых должен проходить технологический процесс, для обеспечения наилучшего качества продукта, наименьшего расхода энергии, наибольшей прибыли и т. д. Microsof Excel позволяет создать удобную в использовании компьютерную модель, которая позволяет при изменении одного параметра увидеть значения выходных параметров.

4. Химия. Неоспорима важность применения КМ в области изучения химии. Моделирование химических явлений и процессов на компьютере – необходимо, прежде всего, для изучения явлений и экспериментов, которые практически невозможно показать в  лаборатории, но они могут быть показаны с помощью компьютера. Использование компьютерных моделей позволяет раскрыть существенные связи изучаемого объекта, глубже выявить его закономерности, что, в конечном счете, ведет к лучшему усвоению материала. С помощью КМ возможно исследовать явление, изменяя параметры, сравнивать полученные результаты, анализировать их, делать выводы.
5. Биология. Задача построения полной компьютерной модели живой клетки человека, являлась самой сложной из задач, которые приходилось решать человечеству за всю историю научных исследований. Точное знание (истина) о принципах и механизмах функционирования и устройства живой человеческой клетки давало человечеству реальные рычаги переустройства мироздания. Полная компьютерная модель клетки человеческого организма содержит в себе огромный потенциал развития и предопределяет перспективу построения компьютерных моделей более высокого порядка – уровня функционирующих тканей, органов и организма в целом. Понимание законов эволюции клеточной модели давало возможность превентивно отрабатывать пока еще теоретические представления об оптимизации, улучшении живой клетки человека, а в частных случаях конструировать элементы для оптимизации тканей, функциональных систем и всего организма в целом.
6. Архитектура.  Архитекторы и студенты уже сегодня используют компьютерные модели – виртуальные, киберреальные, виртуреальные, и в ближайшем будущем следует ожидать расширения сферы их применения для решения профессиональных задач. Компьютерные модели становятся наиболее перспективными в архитектурном проектировании и обучении. 
   компьютерная визуализация, характер которой еще только складывается,  уже демонстрирует принципиально новые возможности в области формообразованияй Например, для избавления Санкт-Петербурга от постоянных наводнений, приносящих огромный ущерб, было решено возвести дамбу. При ее проектировании было построено множество моделей, в том числе и компьютерных, именно с целью предсказания последствий вмешательства в природу. [3]
7. Политика. В этой связи многие аналитики отмечают как сильные, так и слабые места электронных систем голосования, в том числе и Государственную автоматизированную систему “Выборы” в России, которая, несомненно, облегчая и ускоряя процесс обработки итогов голосования на избирательных участках, создает и определенные возможности несанкционированного оперативного использования информации о выборах, создания электронных досье на российских граждан. В компьютерных технологиях широко используются системный подход к политике и моделирование на его основе соответствующих политических процессов и явлений. Компьютерный анализ предполагает выделение в заданном объекте или субъекте политики системных качеств и построения его концептуально-математическо-компьютерной модели для соответствующего исследования. Для создания такой модели необходимо сформулировать единое теоретическое представление об объекте анализа, перевести его на математический, а затем компьютерный язык и приступить к анализу возможных вариантов развития, вводя дополнительные характеристики или изменяя необходимые параметры “вторичного компьютерного объекта”.
8. Индустрия развлечений. 3D моделирование, анимация, виртуальные миры. До недавнего времени работу по созданию спецэффектов в кинематографии выполняли в специальных павильонах с использованием физических моделей, методов прозрачной фотографии и дорогих оптических принтеров. Теперь эта проблема решена с помощью современных программ. Уже не надо тратить тысячи человеко-часов на построение моделей, например динозавров, которые нужно затем установить на сцене, осветить, отснять и скомбинировать с остальными участниками эпизода. Достаточно посадить одного человека за обычный персональный компьютер, чтобы создать спецэффекты, создающие полное ощущение реальности. Нашествию визуальных эффектов уже никто не удивляется. Эффекты в блокбастерах (боевиках) и романтических сказках, играх и мультимедийных презентациях, броские и незаметные, в кино и на телевидении, трёхмерные и мультипликационные. Всех их объединяет только одно: они созданы с помощью компьютерных моделей

Вывод.

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 определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация);
• Прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект;

Никакая модель не может заменить само явление, но при решении задачи, когда нас интересуют определенное свойство изучаемого процесса или явления, модель оказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследования, познания.

 

 

 

Список литературы:

1.Учебное пособие.  Угринович Н.Д. М.: 2004. — 183 с. (96 стр)

2. Экштайн В. «Компьютерное моделирование» М. 1995г.

3. Волынсков В. Э. « Архитектура и строительство». М.,2009, №4, С. 15-19.

4. Школьный интернет-учебник М.А. и М.В. Выграненко (тема 10)

. 5 Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие. - М.: ACADEMA, 2002. - 480с

6 Баяндин Д.В. Моделирующие системы как средство развития информационно-образовательной среды. − Пермь: ПГТУ, 2007. 330 С.

7 Кравченко Н.С., Ревинская О.Г., Стародубцев В.А. Комплекс компьютерных моделирующих работ по физике: принцип разработки и опыт применения в учебном процессе. //Физическое образование в ВУЗах - 2006. Т. 12. №2 с. 85-96.

 

Проблемы создания искусственного интеллекта

 

Вступление………….

Проблемы создания ИИ………………….

Заключение…………………………

Список использованных источников………………………………

 

Вступление

В качестве самостоятельного научного направления искусственный интеллект (ИИ) существует уже более четверти века. Мнение общества, относительно специалистов данной области, постепенно менялось от скепсиса до уважения, и понимания перспектив данной области в будущем. В передовых странах, таких как США и Япония, работы в области интеллектуальных систем поддерживаются на всех уровнях – от рядовых граждан, до правительственных органов. Существует вполне обоснованное мнение, что именно исследования в области ИИ будут определять характер нынешнего информационного общества, которое уже фактически пришло на смену индустриальной эпохи, достигшей своей высшей точки расцвета в прошлом веке.

Начиная с 80-х годов прошлого века, произошло становление ИИ как особой научной дисциплины, сформировались её концептуальные модели, накопились специфические методы и приёмы, частично устоялись фундаментальные парадигмы. У специалистов старшего поколения, стоявших у истоков новой области исследований, складывается убеждение, что период бурного, хаотического развития кончился, и теперь наступает эра академических и целенаправленных исследований, рассчитанных на длительный период. [9]