Моделі і моделювання. Класифікація моделей. Комп’ютерне моделювання

Тема: Моделі і моделювання. Класифікація моделей. Комп’ютерне моделювання

Навколишній світ складається з великої кількості об'єктів (живих істот, предметів), які виконують певні дії чи над якими можна виконати дії. Інформацію про об'єкти і явища потрібно певним чином систематизувати і підготувати до опрацювання. Це роблять за допомогою моделей і моделювання. Моделювання допомагає людині приймати обґрунтовані рішення та передбачати наслідки своєї діяльності.

Моделювання — метод дослідження та демонстрації об’єктів, функцій, процесів або явищ за допомогою їх спрощеної імітації. Із поняттями моделювання й моделі людина знайомиться в дитинстві, бавлячись плюшевим ведмедиком, іграшковим автомобілем або лялькою. Коли дитина побачить у зоопарку справжнього тигра, вона впізнає його. Моделювання є обов’язковим етапом багатьох наукових досліджень, оскільки створює можливість вивчати об’єкти та процеси, які неможливо безпосередньо спостерігати або відтворити експериментально. Модель (від латин. modulus — зразок) — аналог (образ) будь-якого об’єкта, процесу або явища, що використовується як заміна оригіналу. Досліджуваний об’єкт, стосовно якого створюється модель, називають оригіналом (прототипом). Кожен об’єкт має велику кількість різних властивостей. У процесі побудови моделі виділяються головні, найбільш суттєві властивості, що відповідають темі дослідження.

Навіщо створювати моделі?оригінала на момент дослідження може не існувати (наприклад, загиблий корабель «Титанік» або зниклі назавжди предмети мистецтва,);реально цей об'єкт не можна побачити цілком (наприклад усю Сонячну систему або атом);дослідник хоче побачити об'єкт, але не має можливості потрапити на місце його знаходження (наприклад: Пізанська вежа);процес, який досліджується, небезпечний для життя (наприклад, ядерна реакція).

Залежно від мети дослідження параметрів для одного й того самого об’єкта, процесу або явища можуть бути створені різні моделі. Людина: анатомічна модель; кравецький манекен; генетичний код; манекен для краш-тестів; обліковий запис в базі даних. Фізика: механіка; термодинаміка; електростатика; електродинаміка; ядерна фізика; астрономія. Економіка: встановлення ринкової рівноваги; інфляція; безробіття; діяльність фірми; системи масового обслуговування. Соціологія: моделі  життєвого циклу; розповсюдження інновацій; моделі теорії хаосу; синергетичні моделі.

Залежно від області застосування розрізняють такі моделі: навчальні: тренажери, наглядні засоби, навчальні програми; дослідні: моделі кораблів, літаків тощо для дослідження та покращення їх характеристик;науково-технічні: наприклад, прилад для дослідження розряду блискавки або модель виверження вулкану;ігрові: ділові, економічні ігри; імітаційні: виявлення впливу нового лікарського засобу на тваринах.

Основним завданням процесу моделювання є створення моделі, яка є найбільше наближеною до оригіналу та властивості якої відповідають меті дослідження. Моделі можна класифікувати за різними ознаками: призначення, спосіб подання, стан.

Матеріальні моделі (їх ще називають предметними, фізичними) відтворюють геометричні та фізичні властивості оригіналу й завжди мають реальне втілення. Приклади: іграшковий човник, лялька, шкільний фізичний прилад для демонстрації взаємодії електромагнітних полів, макет космічного корабля, аеродинамічна труба й ін.Інформаційна модель — сукупність інформації, яка описує суттєві для розгляду властивості об’єкта і зв’язок між ними та досліджує можливий стан об’єкта в процесі зміни його властивостей. Інформаційні моделі не мають матеріального втілення й будуються лише на інформації. Оскільки інформація, яка характеризує об’єкт або процес, може мати різний обсяг і форму подання, то розрізняють такі форми подання інформаційних моделей, як вербальна та знакова.

Вербальна (від латин. verbalis — усний) модель — опис об’єкта природною мовою. Приклади: закони механіки, що сформульовані у словесній формі, правила дорожнього руху, рецепт виготовлення страви тощо. Знакова модель — інформаційна модель, виражена спеціальними знаками. Приклади: малюнки, тексти, графіки, схеми. За способом реалізації існують такі знакові моделі: графічні, математичні, комп’ютерні. Графічні моделі призначено для наочного подання об’єктів, процесів, явищ. Приклади: карта місцевості, схема електричного кола, креслення геометричних фігур, функціональна схема комп’ютера.

Математична модель — це система математичних рівнянь, формул, числових множин, які описують деякі властивості реального об’єкта, процесу або явища. Багато задач із фізики, біології, хімії розв’язуються за допомогою рівнянь і нерівностей. Комп’ютерне моделювання — процес створення інформаційних моделей комп’ютерними засобами.

Прикладом програмних засобів для реалізації інформаційних моделей є системи програмування, електронні процесори, математичні програмні засоби, системи управління базами даних, графічні редактори тощо. Комп’ютерні моделі просто й зручно досліджувати. Вони забезпечують проведення обчислювальних експериментів, які у звичайних умовах реалізувати неможливо або досить складно. Основними перевагами комп’ютерного моделювання є можливість багаторазового повторення тих самих дій; невисока вартість реалізації моделі; висока наочність візуалізації процесів, які виконуються в моделі; безпечність реалізації моделі; висока швидкість виконання дослідження; отримання результатів моделювання в зручному вигляді для аналізу. Комп’ютерне моделювання є єдиним інструментом для дослідження швидкоплинних або надповільних процесів. Їх можна досліджувати на комп’ютері, розтягуючи чи стискаючи час або навіть зупиняючи його для вивчення певних фаз процесу. моделювати й вивчати, використовуючи комп’ютерні моделі, можна й такі явища, які не відбувалися або невідомо, чи відбудуться взагалі коли-небудь у реальному житті, наприклад зустріч нашої планети з іншим небесним тілом. Системи комп’ютерного моделювання застосовуються в різних сферах людської діяльності. Особливо розповсюдженими нині є комп’ютерні симулятори, які імітують управління якимось процесом, апаратним або транспортним засобом. Комп’ютерне моделювання

Цікавий факт: Миколай Коперник (1473–1543) побудував геліоцентричну модель Всесвіту, з якої випливає, що планети рухаються навколо Сонця певними орбітами. До моделі Коперника існувала інша модель, у якій припускалося, що планети й Сонце рухаються навколо Землі. Нині вчені користуються точнішою моделлю Сонячної системи, яка дає змогу обчислювати маси й закони руху планет.

Дякую за увагу