Возможности компьютерных моделей

М

оделирование с использованием компьютера содержит в себе неизмеримо больше возможностей, чем простое моделирование с помощью реальных предметов или материалов.

Пример 1:

Если компьютер применяется для создания выкроек из листа ткани, то удается снизить до минимума потери материала на обрез. Чтобы решить эту задачу с помощью бумажных шаблонов, потребовалось бы значи­тельно больше времени, а полученное решение не всегда было бы оптимальным.

Пример 2:

Огромные возможности предоставляет компьютер при решении математи­ческих задач. Как известно, не все задачи можно решить аналитически, то есть получить решение в виде формул.

Значительно больше задач, которые решаются только приближенно, численными методами. Реализация приближенных расчетов на компьютерах позволяет повысить точность и скорость расчетов.

На компью­терах можно не только находить, например, значения различных функций и при­ближенные решения уравнений, но и вычислять движение планет, составлять про­гнозы погоды и т.д.

Пример 3:

Кроме выполнения численных расчетов, компьютеры дают широкие возмож­ности для постановки компьютерных экспериментов.

Компьютерное моделирование позволяет воссоздать явления, которые в реальных земных условиях человеку вос­произвести не по силам. Это, например, движение материков, эффекты землетря­сений, рождение сверхновой звезды, изменение направлений морских подводных течений и т.д.

При изучении этих явлений на помощь приходят компьютеры и про­граммы, причем последние составляются квалифицированными программистами совместно с различными специалистами: физиками, географами, биологами и др.

Пример 4:

Компьютерное моделирование находит еще уникальные приложения при опи­сании и расчете экспериментов, которые выполнять в реальности не следует. Это, например, модели ядерного взрыва, пожара на предприятии, столкновения на железной дороге, военных действий и т.д.

С помощью компьютерных моделей мож­но с достаточной точностью описать детали этих катастрофических процессов.

Этапы построения компьютерной модели

П

опробуем представить, из каких этапов состоит процесс создания компью­терной модели.

Вообще говоря, моделирование - это творческий процесс, и разло­жить его на какие-либо этапы и шаги очень сложно. Многие модели и теории рождаются как соединение опыта и интуиции ученого или специалиста. Однако решение большинства конкретных задач все же можно представить поэтапно.

Этап

Моделирование, в том числе компьютерное, начинается с постановки задачи. На этом этапе формулируется задача и требования, которые предъявляются к решению. Постановка задачи заключается, прежде всего, в ее описании. Задача часто может быть описана на обыденном языке, например, в форме вопроса «что будет, если?..» или «как сделать, чтобы?..».

Математическую задачу описывают с помощью формул и знаков, а инженерная или экономическая задача может быть описана с помощью различных схем, таблиц, графиков. При постановке задачи нужно отразить (или хотя бы понять) цель или мотив создания модели.

Одни модели создаются, чтобы разобраться в устройстве и составе того или иного объекта. Другие модели направлены на изучение возмож­ностей управления объектом. Третьи модели ставят своей целью предсказать поведение объекта (задачи прогнозирования).

На этапе постановки задачи полезным оказывается предварительный анализ объекта. Расчленение объекта на составляющие, выяснение связей между состав­ляющими позволяет уточнить постановку задачи.

Поясним постановку задачи на примерах.

Пример 1:

Допустим, вам нужно построить электронную таблицу - справочник о ваших знакомых. Вы описали эту задачу, например, в виде вопроса «как получить таблицу-справочник?». Целью создания таблицы будет получение оперативной информации о ваших друзьях и знакомых. Проведя предварительный анализ сведений, которые вас интересуют, вы решили, что будущая таблица должна состоять из столбцов, содержащихФИО, адрес, теле­фон и дату рождения.

Пример 2:

Директор фирмы решает постоянную задачу увеличения дохо­дов своего предприятия. Описание задачи, которую он может поставить своим экономистам, может иметь форму вопроса: «Как повысить прибыль от производ­ства и продажи товара?». В ответ на такой вопрос они могут только пожать пле­чами, поскольку привыкли решать конкретные задачи. Директору придется задуматься, проанализировать ситуацию и добавить к общему описанию задачи более конкретные условия, например, изучить возможности повышения прибыли, когда численность сотрудников и привлекаемые денежные ресурсы неизменны. Либо дать задание выяснить зависимость прибыли от различных факторов: объема мате­риалов, количества рабочих смен, оплаты труда и т.д.

Этап

За постановкой задачи следуетэтап разработки модели.

На этом этапе пред­стоит выделить существенные факторы, то есть выяснить основные свойства опи­сываемых объектов, правильно определить связи между ними и с другими объектами окружающего мира.

Анализ информации, по возможности, должен быть разносторонним и полным. Те факторы, которые оказались несуществен­ными, могут быть отброшены.

Допустим, вы разрабатываете модель - прогноз результатов контрольной работы в вашем классе. На первом месте среди сущест­венных факторов окажутся, конечно, средние показатели успеваемости каждого ученика, психологический настрой класса.

Среди несущественных факторов будут день недели, погода в день контрольной и др. - эти факторы в первом приближении могут не учитываться.

После того как сформулированы основные свойства разрабатываемой модели, определены исходные данные и желаемый результат, наступает очень важный момент - составление алгоритма решения задачи.

Алгоритм - это описание после­довательности действий при решении поставленной задачи.

При разработке компьютерной модели весьма существенным будет выбор про­граммного обеспечения, с помощью которого выполняется моделирование. Про­граммное обеспечение должно позволять эффективно решать задачи, подобные той, которую вы рассматриваете.

Например, для создания рисунка на компьютере нужно выбрать тот или иной графический редактор (какой именно - зависит от требуемого формата файла и приемов, которые вы хотите применять при рисо­вании).

Чтобы решить систему уравнений, нужно воспользоваться языками про­граммирования Бэйсик, Паскаль или каким-либо другим. Программная среда должна быть адекватна поставленной задаче, только в этом случае задача может быть успешно решена.

Выбор программного обеспечения и составление алгоритма - это взаимосвязанные действия. Возможно, что для решения поставленной задачи придется прибегнуть к составлению программы.

Этап

Когда модель разработана, можно приступать к наиболее интересному этапу - компьютерным экспериментам. В ходе этих экспериментов проверяется работа модели, а также выполняются необходимые расчеты или преобразования, ради которых и создавалась модель. О роли компьютерных экспериментов рассказыва­лось в предыдущем пункте.

Проверка модели осуществляется обычно с помощью ее тестирования. При тестировании проверяется разработанный алгоритм функционирования модели. В качестве теста задаются исходные данные, для которых заранее известен ответ.

Если ответ, полученный при тестировании, совпадает с известным ответом, а тест составлен правильно, то считается, что модель работает корректно. В противном случае нужно искать и устранять причины расхождений.Все эти действия назы­ваются отладкой модели.

После выполнения тестирования и отладки можно непосредственно присту­пать к моделированию. Технология моделирования может заключаться в расчете модели при различных наборах входных данных, различных параметрах.

Этап

Завершается компьютерное моделированиеанализом результатов. Материа­лом для анализа являются результаты компьютерных экспериментов. Поэтому эксперименты должны быть проведены таким образом, чтобы получить досто­верный результат.