Модели и моделирование

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Основы системного анализа»

по теме «Модели и моделирование»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

 

Введение 3

Понятие модели и моделирования 4

Способы воплощения моделей 5

Особенности моделей 8

Моделирование в научном  исследовании 11

Цели моделирования 12

Заключение 13

Литература. 14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Целью написания этого  реферата является изучение моделей  и моделирования системы.

Задачами реферата являются:

- анализ понятия модели  и моделирования;

- изучение способов воплощения  моделей;

- исследование особенностей моделей;

- изучение моделирования в научном исследовании;

- цели моделирования.

Тема реферата является актуальной , так как с помощью моделирования  мы можем исследовать объекты  окружающего мира, представленные в  виде , удобном для анализа, а с  другой для их хранения  передачи в пространстве или времени.  В связи с этим в познавательной и практической деятельности человека большую, если не ведущую, роль играют модели и моделирование. Особенно незаменимо моделирование при работе со сложными объектами. Все это делает моделирование важнейшим инструментом системного анализа. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Понятие модели и моделирования

Понятие модели играет важную роль в проведении системных исследований любой направленности. Модель - это упрощенное подобие объекта, которое воспроизводит интересующие нас свойства и характеристики объекта-оригинала или объекта проектирования.

Понятие модели стало пониматься широко лишь в XX в. Вначале модель стала  осознаваться как нечто универсальное  в научных дисциплинах информационного, кибернетического, системного направлений, а позднее эта идея распространилась на всю науку. При этом понятие  абстрактной модели не сводится к  математическим моделям, а относится  к любым знаниям и представлениям о мире.

Под моделью будем понимать вещественный или мысленно представляемый аналог определенного оригинала, подобный ему в существенных для конкретного  исследования чертах. По сути модель является неким «заместителем» оригинала в познании и практике. Основные функции моделей - фиксация знаний и получение информации. Они служат для хранения и расширения знания или, как иногда говорят, информации об оригинале, конструирования оригинала, преобразования и управления им.

Под моделированием будем  понимать исследование каких-либо явлений, процессов или систем путем построения и изучения их моделей, а также использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов. 
Моделирование - одна из основных категорий теории познания. На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования. 

Моделирование является важным этапом целенаправленной деятельности, так как она ориентирована  на реализацию образа желаемого будущего, т.е. модели состояния. Например, земледелец возделывает почву для того, чтобы  произвести продукты питания; студент  учится для того, чтобы приобрести профессию; ученые изучают природу  для того, чтобы получить знания об окружающем мире. Любая деятельность осуществляется по определенному плану (алгоритму), который является образом будущей деятельности, т.е. ее моделью. При этом приходится оценивать текущий результат предыдущих действий и выбирать следующий шаг из многих возможных, в связи с чем необходимо сравнивать последствия всех возможных шагов, не выполняя их реально, другими словами, изучать их на модели. Кроме того, сама модель является целевым отображением, причем не самого по себе объекта-оригинала, а того, что в нем нас интересует, т.е. то, что соответствует поставленной цели. Поскольку модель - это целевое отображение, можно говорить о множественности моделей одного и того же объекта: для разных целей, как правило, требуются разные модели.

Способы воплощения моделей

 

В зависимости от направленности моделирования (теоретическая или  практическая) модели можно разделить  на познавательные и прагматические. 

Познавательные  модели являются формой организации и представления знаний, средством соединения новых знаний с имеющимися. Поэтому при обнаружении расхождения между моделью и реальностью встает задача устранения этого расхождения путем изменения модели, так как познавательная деятельность ориентирована в основном на приближение модели к реальности, которую модель отображает. Примером здесь могут служить все усложняющиеся модели пространства и времени в естествознании. 
Прагматические модели являются средством управления и средством организации практических действий, способом представления образцовых действий или их результата. При их использовании в случае обнаружения расхождений между моделью и реальностью усилия направляют на изменение реальности так, чтобы приблизить реальность к модели. Прагматические модели носят нормативный характер, выполняя функцию стандарта, образца, под которые «подгоняются» деятельность и ее результаты. Прагматические модели - это планы, алгоритмы и программы действий (например, по преобразованию ландшафта какой-либо территории) и т.д. Следовательно, познавательные модели стремятся отражать существующее, а прагматические - желаемое.  
Модели также можно разделить на статические - модели конкретного состояния интересующего нас объекта - и динамические — когда возникает необходимость в отображении процесса изменений состояния. Например, в одних случаях нужны модели некоторого ландшафта в некоторый момент времени, а в других - модель сезонной смены его состояний; можно описать структуру кристалла алмаза, а можно рассмотреть процесс его формирования; можно характеризовать анатомию человеческого организма или построить модель его функционирования или развития.  
Наибольшее распространение получила классификация моделей на абстрактные (мысленные, идеальные) и материальные (реальные, вещественные) в зависимости от способа их воплощения или реализации или на основании использования того или иного способа передачи информации, поскольку в распоряжении человека, создающего модель, имеются средства самого сознания и средства окружающего материального мира .  
Абстрактные модели — идеальные конструкции, построенные средствами мышления, сознания. Для человеческого мозга важную роль играют неязыковые формы мышления: эмоции, бессознательное, интуиция, озарение, образное мышление, подсознание и т.п. К абстрактным моделям относятся лингвистические конструкции - продукт мышления, готовый или почти готовый для передачи другим носителям языка. Следует обратить внимание на то, что естественные языки, на которых говорят различные народы, являются своеобразными моделями мира. Язык не только обозначает объекты, воспринимаемые, представляемые или мыслимые, но он организует наше восприятие, наши представления и наше понимание мира. Говоря об объектах, процессах, явлениях мира (внешнего или внутреннего, реального или воображаемого, воспринимаемого или мыслимого), мы пропускаем его через «сита» языка. Организующая роль языка сразу становится явной, когда обнаруживается, что разные языки по-разному организуют вселенную и, соответственно, ее восприятие, представление и понимание. 
Естественные языки являются универсальным средством построения абстрактных моделей, поскольку на них можно говорить практически обо всем . Язык отражает в своей структуре определенные действительные свойства и отношения реальности. Он устроен так, как устроен реальный мир. Но мир бесконечно богаче любой своей ограниченной модели, в том числе и языка. Структура действительности имеет многие всеобщие свойства и отношения. Язык отражает в своих лингвистических значениях только некоторые из этих свойств и отношений. И человек волей-неволей начинает воспринимать и представлять реальность преимущественно в рамках этих категорий. 
Язык конкретной предметной области (ее тезаурус) также является моделью этой предметной области. Исследование этого языка стало частью системных исследований, что нашло свое воплощение в онтологическом анализе.

Многозначность слов (например, «мало», «много», «несколько») наряду с  многовариантностью их возможных соединений во фразы позволяет отобразить любую ситуацию с достаточной для обычных практических целей точностью. Для ситуаций, когда приблизительность естественного языка становится недостатком, вырабатывается специфический язык. Например, у северных народов имеется несколько десятков разных слов, обозначающих снег в различных состояниях; языковые модели различных естественнонаучных отраслей более точны и содержат больше информации, чем естественные языки. Новые знания аккумулируются в новых моделях, и если старых языковых средств для их построения не хватает, то возникают еще более специализированные языки. Одним из специальных и достаточно универсальных языков науки является математика.  
В общем случае мысленные модели, используемые в естествознании, можно разделить на образные, образно-знаковые и знаковые модели. К образным моделям относятся неформализованные мысленные представления, гипотетические построения, разного рода мод ели-аналогии и прочие модельные представления; например, утверждая, что Земля похожа на шар, мы выстраиваем образную модель; в более сложном виде — это словесное описание некоторой гипотезы, теории, концепции или парадигмы. Образно-знаковые модели - разного рода схемы, графы, чертежи, графики - широко распространены в естествознании; так, в науках о Земле и астрономии большое значение имеет такой вид образно-знаковых моделей, как карты. Знаковыми моделями называют определенным образом интерпретированные системы.

Особенности моделей

Для того чтобы модель отвечала своему назначению, необходимо существование  условий, обеспечивающих ее функционирование. Так, географическую карту можно  понять, только зная значения тех условных обозначений, которые на нее нанесены; древнеегипетская клинопись не могла  быть прочитана, пока не был найден камень, на котором текст был изображен  и на забытом древнеегипетском языке, и на древнегреческом. Следовательно, для реализации своих модельных  функций модель должна быть согласована  со средой, в которой ей предстоит  функционировать.  
Главными различиями между моделью и действительностью являются конечность, упрощенность и приближенность модели . Так, реальный мир бесконечен в своих проявлениях и связях. Однако бесконечный мир необходимо познавать конечными средствами, имеющимися в распоряжении человека. Это возможно именно в результате построения моделей. Так,       А. Розенблют и Н. Винер отмечали, что частные модели являются единственным средством, выработанным наукой для понимания мира. Конечность мысленных моделей выражается в том, что они наделяются строго фиксированным количеством свойств. В вещественных моделях из множества свойств объекта-модели выбираются и используются лишь некоторые свойства, подобные свойствам объекта-оригинала. 

Конечность моделей делает неизбежными их упрощенность и приближенность. Как правило, для достижения цели оказывается вполне достаточным  неполное, упрощенное отображение действительности. Степень упрощения зависит от целей моделирования. Упрощение  является важным средством для выявления  главных эффектов в исследуемом  явлении. Это видно на примере  таких моделей, как идеальный  газ, непоглощающее зеркало, абсолютно черное тело, математический маятник и т.д. Уровень упрощения обусловливается также возможностью оперирования с моделями. Так, одно дело проводить моделирование с использованием логарифмической линейки, а другое — с помощью компьютера. Более того, давно замечено, что из двух моделей, с одинаковой точностью описывающих некоторое явление, более простая будет и более успешной. Например, геоцентрическая модель Птолемея позволяла с достаточной точностью рассчитать движения планет, предсказать затмения Солнца, но требовала расчетов по очень громоздким формулам с переплетением многочисленных «циклов». На смену геоцентрической системе пришла более простая и изящная гелиоцентрическая система Н. Коперника.

Приближенность моделей  в отображении действительности также является неотъемлемым свойством  модели. Так абсолютной точной картой страны будет сама только эта страна, а абсолютно точной моделью атома  может быть сам атом. Приемлемое различие определяется целью моделирования.  Так, точность наручных часов обычно достаточна для повседневных целей  и недостаточна для многих других целей, в том числе научных.

Модель, с помощью которой  достигается поставленная цель, должна быть адекватна этой цели, т.е. требования полноты, точности и истинности должны выполняться не вообще, а лишь в той мере, которая достаточна для достижения цели. Например, геоцентрическая модель Птолемея была адекватной в смысле точности описания движения планет и не лишена истинности: относительно Земли Солнце и планеты действительно движутся; шаман, объясняющий свое успешное врачевание силами духов, предлагает адекватную, но ложную модель. В ряде случаев удается ввести меру адекватности модели, т.е. указать способ сравнения моделей по степени успешности достижения цели с их помощью. В таких случаях говорят об идентификации модели (о нахождении в заданном классе моделей наиболее адекватной), об исследовании чувствительности и устойчивости моделей (о зависимости меры адекватности модели от ее точности), об адаптации моделей (подстройке параметров модели с целью повышения адекватности) и т.п. 

Заметим, что об истинности, правильности или ложности модели самой  по себе говорить бессмысленно. Степень  истинности выявляется лишь в практическом соотнесении модели с отображаемой ею натурой, причем изменение условий, в которых ведется сравнение, весьма значимо влияет на его результат  и может привести к существованию  двух противоречивых, но одинаково  истинных моделей одного объекта. Примером этого могут являться волновая и  корпускулярная модели света или  электрона; эти модели различны, противоположны и истинны, но каждая в своих условиях. 

Любая модель явно или неявно содержит условия своей истинности, и одна из опасностей практики моделирования  состоит в применении модели без  проверки выполнения этих условий. Например, при обработке экспериментальных  данных часто употребляют статистические процедуры, не проверяя условий их применимости (скажем, нормальности или независимости). Когда это делается вынужденно (не всякое условие возможно проверить), к полученным результатам должно быть осторожное, условное отношение. Такие ситуации выдвинули перед  исследователями проблему создания моделей, применимость которых сохраняется  в некотором диапазоне условий.

Почему мы прибегаем к  использованию моделей вместо попыток  «прямого взаимодействия с реальным миром»? Можно назвать три основные причины. 
Первая причина — сложность реальных объектов. Число факторов, которые относятся к решаемой проблеме, выходит за пределы человеческих возможностей. Поэтому одним из выходов (а часто единственным) в сложившейся ситуации является упрощение ситуации с помощью моделей, в результате чего уменьшается разнообразие этих факторов до уровня восприимчивости специалиста. 
Вторая причина — необходимость проведения экспериментов. На практике встречается много ситуаций, когда экспериментальное исследование объектов ограничено высокой стоимостью или вовсе невозможно (опасно, вредно, ограниченность науки и техники на современном этапе). 
Третья причина — необходимость прогнозирования. Важное достоинство моделей состоит в том, что они позволяют «заглянуть в будущее», дать прогноз развития ситуации и определить возможные последствия принимаемых решений. 
Среди других причин можно назвать следующие: 
• исследуемый объект либо очень велик (модель Солнечной системы), либо очень мал (модель атома);  
• процесс протекает очень быстро (модель двигателя внутреннего сгорания) или очень медленно (геологические модели); 
• исследование объекта может привести к его разрушению (модель самолета, автомобиля).

Моделирование в  научном исследовании

В научных исследованиях  модель - это созданный человеком  искусственный объект или явление, отображающий основные свойства реального  объекта или явления. Исследуя свойства модели, человек получает новые знания о реальном объекте или явлении.

При обучении модель используется как средство наглядности для  получения знаний о реальном объекте, например, модели станков, механизмов, приборов и др. В строительстве  модели используются в качестве архитектурных  проектов, выполненных в определенном масштабе и используемых с древнейших времен. Стоимость модели несравненно  меньше стоимости реального строительного  объекта, однако, хорошо исполненная  модель дает прекрасное пространственное представление о предстоящем  строительном объекте, о его архитектуре  и, следовательно, о целесообразности его строительства.