Вычислительный эксперимент это в информатике кратко
Обновлено: 07.07.2024
Компьютерное моделирование – это процесс математического моделирования на компьютере, осуществляемый с целью прогнозирования поведения или результатов реальной или физической системы.
Введение
Компьютерное моделирование является одним из передовых методов научных исследований, используемым в самых разных областях человеческой деятельности. Вычислительный эксперимент считается разновидностью компьютерного моделирования.
Вычислительным экспериментом по модели является эксперимент, выполняемый при помощи компьютерной модели для прогнозирования разных состояний системы и её реакции на различные входные воздействия. Использование вычислительного эксперимента даёт возможность замены дорогостоящего натурального эксперимента вычислениями на компьютерном оборудовании. Такой эксперимент может позволить за небольшой интервал времени и при малых финансовых тратах выполнить изучение значительного количества версий проектируемого процесса или объекта в разных режимах его использования. Это позволяет существенно сократить сроки проектирования сложного объекта или процесса и их пуск в эксплуатацию. Техническим оснащением таких работ обычно выступает компьютер, поэтому данную процедуру почти всегда отождествляют с компьютерным моделированием.
Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент
Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент стали передовым инструментарием, способ научного познания, новыми технологиями из-за растущей потребности в переходе от изучения линейных системных математических моделей, для которых уже есть подробное теоретическое обоснование, к изучению математических моделей сложных систем нелинейной структуры, анализ которых никогда не бывает простым и однозначным.
Новые методы научных исследований, которыми являются компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент, предполагают совершенствование математического аппарата, применяемого при формировании математических моделей, уточнение и усложнение самих математических моделей.
Самыми перспективными направлениями для вычислительных экспериментов считаются крупные научно-технические и социально-экономические проблемы мирового сообщества, такие как, реализация проектов реакторов атомных электростанций, плотин для гидроэлектростанций, формирование сбалансированных планов для отдельных отраслей, регионов, страны в целом и другие.
Готовые работы на аналогичную тему
В отдельных процессах, в которых натурные эксперименты опасны для здоровья и даже жизни человека, вычислительные эксперименты выступают как единственно возможное средство исследований. К примеру, в термоядерном синтезе, в освоении космоса, в проектировании и исследовании химического и иных опасных производств.
При этом стандартных проблем моделирования не очень много, и для них будет создан удобный пользовательский интерфейс в границах единого универсального пакета. Формирование универсального пакета из стандартного набора модулей, ориентированных на пользователей, не обладающих глубокими познаниями в сфере программирования и численного моделирования, должны привести к тому, что компьютерное моделирование превратится в доступный инструментарий научных работников, инженеров и других специалистов.
Весь набор программных средств, предназначенных для компьютерного моделирования, может быть поделен на две группы. К первой группе относятся программные пакеты, которые предназначены для разрешения непростых производственных и научно-исследовательских проблем в больших производственных или научных коллективах. Программные пакеты этой группы принято условно называть промышленными. Данные проекты нельзя осуществить без предварительных исследовательских работ, которые выполняют отдельные учёные или проектировщики. Отправной точкой в них считается гипотеза, а главной задачей является определение степени достоверности этой гипотезы.
Промышленные пакеты являются слишком сложными и громоздкими для осуществления исследовательских работ на ранних стадиях, а тем более осуществления процессов обучения. Для этих целей требуются специализированные программные приложения. Эти программы являются второй группой пакетов, которую принято именовать универсальной. Это означает, что они могут уступать по числу специальных возможностей промышленной группе, но при этом они считаются более простыми и доступными отдельным специалистам при разрешении сравнительно простых задач фактически из любых прикладных областей.
Универсальные пакеты должны обладать разнообразными численными библиотеками, способными решить широкий спектр проблем.
С появлением пакета Simulink, универсальные, то есть не предназначенные для конкретных прикладных областей, пакеты для моделирования и исследований систем, обладающих динамическим характером, превратились в повседневную реальность.
Отличительной особенностью передовых пакетов считается использование объектно-ориентированного подхода, позволяющего без проблем пополнить и осуществить модификацию разрабатываемой библиотеки, которая представляет, как правило, очерёдность усложняющихся моделей с непрерывно требующими сравнения свойствами.
Но фактически каждый существующий сегодня и повсеместно применяемый пакет не предназначен в полном объёме для осуществления полноформатного вычислительного эксперимента. Из всего набора нынешних пакетов моделирования следует всё-таки выделить пакеты Model Vision Studium(MVS) и Any Logic, которые являются самыми приспособленными для реализации достоверных компьютерных экспериментов.
Что такое вычислительный эксперимент, в этой статье мы будем разбираться с его этапами и отличительными чертами.
Что это?
Для начала приведем актуальные для научного мира определения вычислительного эксперимента:
- Специфическая организация исследований, при которой свойства явлений и предметов изучаются на основе математических моделей. Проигрывается поведение объектов в различных условиях, на основе чего ученые выбирают оптимальный для них режим (Самарский А. А.).
- Переход от изучения какого-либо реального предмета к изучению его математической модели. Последней предстают одно или несколько уравнений.
- Технология изучения математических моделей, основанная на их построении и последующем анализе с помощью вычислительных электронных устройств.
- Имитация некоторой реальности.
Использование вычислительных экспериментов связано с изучением таких процессов, лабораторное или натурное исследование которых было затруднено или вовсе невозможно. Например, в 40-50-е годы прошлого века советский академик Келдыш М. В. разработал математическое описание полетов в космос.
Отличительные характеристики метода
Основой вычислительного эксперимента выступает математическое моделирование. Его теоретическая база - прикладная математика, а технологическая - современные мощные ЭВМ. Кроме того, для проведения подобных исследований необходимы обширные знания по многим разделам механики, математики, физики, экологии, химии и экономики.
Вычислительный эксперимент - это работа с тремя моделями:
- Система, реальный объект.
- Имитационная модель реального объекта.
- Информационно-вычислительная система.
Вычислительные эксперименты позволяют узнать то, что не подвластно классическим (лабораторной и натурной) методикам:
- Внутренние взаимодействия различных подсистем, элементов, воздействие на их деятельность изменений внешней среды.
- Обнаружить важные особенности функционирования системы, разработать план ее совершенствования.
- Получить новые знания, располагая даже неполными сведениями о системе.
- Проработать различные методики действий и стратегий.
Лабораторный и натурный эксперименты
Модели вычислительного эксперимента - "младшие братья" других существовавших испокон веков исследований: натурного и лабораторного. Когда-то ученые обходились только этими способами для проверки своих гипотез, научных идей, технических решений, новых конструкций и устройств.
Чем же они отличны от моделирования, вычислительного эксперимента? Разницу можно осознать, ознакомившись с определениями:
- Натурный эксперимент - различные испытания, которым подвергались новые устройства и аппараты. Целью было установление их характеристик, проверка возможностей и заявленных свойств. Подобные исследования более всего характерны для технической сферы.
- Лабораторный эксперимент - создание экспериментальных установок, разработка измерительных устройств, а также методов проведения эксперимента. Подобные исследования характерны для химии, физики.
Ключевые преимущества метода
Перечислим главные достоинства вычислительного эксперимента перед другими методиками:
- Интересующий объект можно исследовать без создания реальной модели аппарата, установки.
- Возможность изучения каждого из факторов по отдельности, в то время как они действуют одновременно в реальности.
- Возможность исследования тех процессов и явлений, которые не могут существовать в настоящем мире.
Методы эксперимента
Перечислим основные методы вычислительного эксперимента:
- Распределенное и параллельное программирование.
- Создание релятивистских плазменных и электронных сгустков, последующее управление их передвижением.
- Метод частиц в ячейке (для трехмерных и двумерных плазменных процессов).
- Электромагнитное одномерное моделирование.
- Моделирование одномерных электромагнитных процессов.
- Моделирование плазменных одномерных систем.
- Модели плазмы, построенные по уравнению Власова.
- Моделирование физических систем, которые состоят из большого множества взаимодействующих частиц.
Этапы
"Проведите вычислительный эксперимент" - это задание значит, что исследователь в своей работе должен пройти несколько этапов:
- Качественный всесторонний анализ интересующего предмета. Построение его математической модели.
- Разработка вычислительных алгоритмов.
- Создание программы, способной реализовать созданный вычислительный алгоритм.
- Проведение необходимых расчетов на электронно-вычислительных машинах.
- Обработка полученных результатов, анализ исследования, формирование выводов.
Проведение вычислительного эксперимента, как и любого другого исследования, начинается с постановки целей последующей работы:
- Рабочие гипотезы, нуждающиеся в проверке.
- Вопросы, нуждающиеся в ответах.
- Управляющие действия, нуждающиеся в ответах.
А теперь предлагаем вам подробно разобрать каждый из этапов исследования.
Первый этап
Здесь первой главной задачей для ученого становится выбор из всего многообразия свойств объекта исследования тех, которые действительно необходимо изучить во время проведения эксперимента.
Далее для исследуемого процесса обязательно строится вычислительная (математическая) модель. Она создается так, что способна разделять все факторы, влияющие на объект эксперимента, на две группы:
- Главные. Обязательно учитываются.
- Второстепенные. Те, которые можно отбросить.
Затем обязательно сформировать рамки применимости модели, до которых считаются справедливыми полученные результаты.
Второй этап
На следующем этапе вычислительного эксперимента разрабатывается метод расчета сформированной исследователем математической задачи. В данном случае - вычислительного алгоритма. По факту он будет представлять из себя некую совокупность алгебраических формул (по ним будут вестись расчеты) и логических условий (они будут помогать установить нужную последовательность применения формул).
Третий этап
На этом шаге компьютерного вычислительного эксперимента создается программа, позволяющая реализовать составленный алгоритм. Это этап программирования для электронно-вычислительных устройств.
Фактически здесь создается проект подготовки кода, составленного на языке высокого уровня. Он будет реализацией алгоритма численного решения задач.
Здесь перед учеными возникают следующие проблемные вопросы:
- Оправдание сложности вычислительной модели. Желательны такие математические модели, которые могли бы дать наиболее полное представление о функционировании системы, но в то же время не требовали бы сложных вычислений, программирования.
- Продолжительность проведения вычислений на компьютере. Эксперимент должен занимать разумный промежуток времени.
- Адекватность созданной модели имитационной реальности. Насколько ценна составленная модель? Насколько полезен имитационный эксперимент?
Четвертый этап
На этой ступени проводятся расчеты непосредственно на ЭВМ. Надо сказать, данный этап во многом напоминает осуществление лабораторного эксперимента. Различие лишь одно: если в лаборатории ученые с помощью специально созданной установки задают свои вопросы природе, то здесь при помощи ЭВМ вопросы задаются уже математической модели.
Пятый этап
Вот мы и подошли к завершению вычислительного эксперимента. Здесь важно получить результаты расчета, представленные некоторой цифровой информацией, которая в дальнейшем нуждается в расшифровке.
Ученые переходят к проведению расчетов и анализу полученных результатов. Это требует не только значительных интеллектуальных усилий, но и достаточных навыков по представлению, обработке и переосмыслению имеющихся выводов:
- Управляем ли исследуемый фактор?
- Наблюдаемы ли его значения?
- Является ли влияние фактора предметом для изучения?
- Уровни фактора по своей природе являются качественными или количественными?
- Выявленный фактор случайный или фиксированный?
На этом мы закончим знакомство с новейшим видом эксперимента - вычислительным. Его главное отличие от натурного и лабораторного в том, что ученые здесь занимаются изучением не самой реальности, а ее математической модели, имитации. Этот эксперимент также имеет собственные методики, специфический алгоритм проведения исследований в пять основных шагов. Возможно, в будущем он обретет более инновационного преемника.
Современным инструментом для информационного моделирования является компьютер. На компьютере можно писать тексты (строить вербальные модели), рисовать карты и схемы (графические модели), строить таблицы (табличные модели), но при таком использовании компьютера в моделировании его возможности проявляются не в полной мере.
Главное преимущество компьютера перед человеком — способность к быстрому счету. Современные компьютеры считают со скоростями в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды операций в секунду!
Для чего нужны математические модели
Многие процессы, происходящие в природе, в технике, в экономических и социальных системах, описываются сложными математическими соотношениями. Это могут быть уравнения, системы уравнений, системы неравенств и пр., которые являются математическими моделями описываемых процессов.
Математическая модель — это описание моделируемого процесса на языке математики.
Компьютерная математическая модель
Появление компьютеров сняло эти проблемы. Стало возможным проводить расчеты сложных математических моделей за приемлемое время. Например, рассчитать погоду на завтрашний день до его наступления. Ученые перестали себя ограничивать в сложности создаваемых математических моделей, полагаясь на быстродействие компьютеров.
Компьютерная математическая модель — это программа, реализующая расчеты состояния моделируемой системы по ее математической модели.
Что такое вычислительный эксперимент
Вычислительный эксперимент - использование компьютерной математической модели для исследования поведения объекта моделирования.
Вычислительный эксперимент в некоторых случаях может заменить реальный физический эксперимент.
Важным свойством компьютерных математических моделей является возможность визуализации результатов расчетов. Этим целям служит использование компьютерной графики.
Представление результатов в наглядном виде — важнейшее условие для их лучшего понимания. Например, результаты расчетов распределения температуры в некотором объекте представляются в виде его разноцветного изображения: участки с самой высокой температурой окрашиваются в красный цвет, а в самой холодной — в синий. Участки с промежуточными значениями температуры окрашиваются в цвета спектра, равномерно переходящие от красного к синему (рис.2.7).
Для изображения изменяющихся со временем (динамических) результатов используют графическую анимацию.
Информационное моделирование на компьютере
Основное преимущество компьютера перед человеком
Современным инструментом для информационного моделирования является компьютер. На компьютере можно писать тексты (строить вербальные модели), рисовать карты и схемы (графические модели), строить таблицы (табличные модели), но при таком использовании компьютера в моделировании его возможности проявляются не в полной мере.
Главное преимущество компьютера перед человеком — способность к быстрому счету. Современные компьютеры считают со скоростями в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды операций в секунду!
Для чего нужны математические модели
Многие процессы, происходящие в природе, в технике, в экономических и социальных системах, описываются сложными математическими соотношениями. Это могут быть уравнения, системы уравнений, системы неравенств и пр., которые являются математическими моделями описываемых процессов.
Математическая модель — это описание моделируемого процесса на языке математики.
Компьютерная математическая модель
Появление компьютеров сняло эти проблемы. Стало возможным проводить расчеты сложных математических моделей за приемлемое время. Например, рассчитать погоду на завтрашний день до его наступления. Ученые перестали себя ограничивать в сложности создаваемых математических моделей, полагаясь на быстродействие компьютеров.
Компьютерная математическая модель — это программа, реализующая расчеты состояния моделируемой системы по ее математической модели.
Что такое вычислительный эксперимент
Вычислительный эксперимент - использование компьютерной математической модели для исследования поведения объекта моделирования.
Вычислительный эксперимент в некоторых случаях может заменить реальный физический эксперимент.
Важным свойством компьютерных математических моделей является возможность визуализации результатов расчетов. Этим целям служит использование компьютерной графики.
Представление результатов в наглядном виде — важнейшее условие для их лучшего понимания. Например, результаты расчетов распределения температуры в некотором объекте представляются в виде его разноцветного изображения: участки с самой высокой температурой окрашиваются в красный цвет, а в самой холодной — в синий. Участки с промежуточными значениями температуры окрашиваются в цвета спектра, равномерно переходящие от красного к синему (рис.2.7).
Для изображения изменяющихся со временем (динамических) результатов используют графическую анимацию.
Учебник по Информатике 8 класс Семакин
of your page -->
Задание 1. Что такое математическая модель?
Математическая модель – информационная модель объекта, выраженная математическими средствами (формулами, уравнениями и т.д.).
Задание 2. Что такое вычислительный эксперимент?
Вычислительный эксперимент – это расчеты с помощью компьютерной математической модели с целью прогноза поведения какой-то системы, с целью выяснения вопроса о том, как изменение одних характеристик системы отражается на других.
Читайте также: