Построение и использование компьютерных моделей

           

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

на тему:

«Построение и  использование компьютерных моделей»

 

 

 

 

Студентка :

Группа:

 

 

 

 

 

 

 

 

Караганда 2013

 

 

 

 

     Оглавление

 

1. Введение
2. Построение и использование компьютерных моделей
3. Пути построения компьютерных моделей
4. Типы информационных моделей
5. Список литературы

Введение

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 корректнее определяют объект изучения.

Компьютерные модели проходят 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

!______! !_____! !____________! !______!

модел-е      прогр-е     к.эксперимент   знание

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.

Однако важно не путать компьютерную модель (моделирующую программу) с самим явлением. Модель полезна, когда она хорошо согласуется  с реальностью. Но модели могут предсказывать  и те вещи, которые не произойдут, а некоторые свойства действительности модель может и не прогнозировать. Тем не менее, полезность модели очевидна, в частности, она помогает понять, почему происходят те или иные явления.

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).

Компьютерная модель - это  модель реального процесса или явления, реализованная компьютерными средствами.

Компьютерные модели, как  правило, являются знаковыми или  информационными. К знаковым моделям  в первую очередь относятся математические модели, демонстрационные и имитационные программы.

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

Главной задачей компьютерного  моделирования выступает построение информационной модели объекта, явления.

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).

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-F_сопр 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. Вспомним модели Томсона, Резерфорда, Бора.

Технология построения модели при дедуктивном способе:

1.         Теоретический этап:

а) оценки;

б) аналогии;

в) 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:

а) умозаключение;

б) интуиция;

в) предположения;

г) гипотеза.

2.         Постановка задачи для моделирования.

3.         Оценки.Количественное и качественное описание

4.         Построение модели.

5.        

Этапы решения задачи с  помощью компьютера (построение модели — формализация модели — построение компьютерной модели — проведение компьютерного эксперимента — интерпретация  результата).

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.

Пути построения компьютерной модели

Построение алгоритма  решения задачи и его кодирование  на одном из языков программирования;

Построение компьютерной модели с использованием одного из приложений (электронных таблиц, СУБД и пр.)

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.

Метод имитационного моделирования (метод Монте-Карло)

Теоретическая основа метода была известна давно. Однако до появления  ЭВМ этот метод не мог найти  сколько-нибудь широкого применения, ибо  моделировать случайные величины вручную - очень трудоемкая работа.

Само название “Монте-Карло” происходит от города Монте-Карло в княжестве Монако, знаменитого своим игорным домом. Дело в том, что одним из механических приборов для получения случайных величин является рулетка. Для вычисления площади круга единичного радиуса проведем эксперимент.

Типы информационных моделей

     Информационные  модели отражают различные типы  систем объектов, в которых реализуются  различные структуры взаимодействия  и взаимосвязи между элементами  системы. Для отражения систем  с различными структурами используются  различные типы информационных  моделей: табличные, иерархические  и сетевые.

Табличные информационные модели

Одним из наиболее часто  используемых типов информационных моделей является прямоугольная  таблица, которая состоит из столбцов и строк. Такой тип моделей  применяется для описания ряда объектов, обладающих одинаковыми наборами свойств. С помощью таблиц могут быть построены  как статические, так и динамические информационные модели в различных  предметных областях. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и так далее.

 

В табличной информационной модели обычно перечень объектов размещен в ячейках первого столбца  таблицы, а значения их свойств - в  других столбцах. Иногда используется другой вариант размещения данных в  табличной модели, когда перечень объектов размещается в первой строке таблицы, а значения их свойств - в  последующих строках. Подобным образом  организованы таблицы истинности логических функций, рассмотренные в главе 3. Перечень логических переменных и функций  размещен в первой строке таблицы, а  их значения - в последующих строках.

         В табличной информационной модели  перечень однотипных объектов  или свойств размещен в первом  столбце (или строке) таблицы,  а значения их свойств размещаются  в следующих столбцах (или строках)  таблицы.

Построим табличную информационную модель "Цены устройств компьютера". В первом столбце таблицы будет  содержаться перечень однотипных объектов (устройств, входящих в состав компьютера), а во втором - интересующее нас свойство (например, цена) - табл. 2.1. Построенная  табличная модель позволяет оценить  долю стоимости отдельных устройств  в цене компьютера и приобрести за минимальную цену компьютер в  наиболее производительной конфигурации. Таблица 2.1. Цены устройств компьютера на конец 2001 г.

 

Наименование устройства	Цена (в у.е.)
Системная плата	80
Процессор Celeron (1 ГГц)	70
Память DIMM 128 Мб	15
Жесткий диск 40 Гб	130
Дисковод 3,5"	14
Видеоплата 16 Мб	30
Монитор 15"	180
Звуковая карта 16 битов	30
Дисковод CD-ROM x52	40
Корпус	25
Клавиатура	10

 

        Табличные  информационные модели проще  всего строить и исследовать  на компьютере с помощью электронных  таблиц и систем управления  базами данных. Визуализируем полученную  табличную модель путем построения  диаграммы в электронных таблицах.

Визуализация табличной  модели

1. Ввести наименования  устройств и их цены в столбцы  электронной таблицы.

2. Отсортировать данные  по столбцу Цена в порядке  убывания.

3. Построить круговую  диаграмму. 

Анализ модели показывает, что увеличение расходов на приобретение более быстрого процессора и увеличение объема оперативной памяти не приведут к заметному увеличению цены компьютера, но позволят существенно повысить его  производительность.

      Представление  объектов и их свойств в  форме таблицы часто используется  в научных исследованиях. Так,  на развитие химии и физики  решающее влияние оказало создание  Д. И. Менделеевым в конце  XIX века периодической системы элементов, которая представляет собой табличную информационную модель. В этой модели химические элементы располагаются в ячейках таблицы по возрастанию атомных весов, а в столбцах - по количеству валентных электронов, причем по положению в таблице можно определить некоторые физические и химические свойства элементов.