Математическая модель. Классификация математических моделей.

Математическая модель выражает существенные черты объекта или процесса языком уравнений и других мат. средств.

Математическое моделирование не всегда требует компьютерной поддержки. Каждый специалист, профессионально занимающийся мат. моделированием делает все возможное для исследования. Аналитическое решение (представление формулами) обычно удобнее и информативнее численных. Понятия «аналитическое решение» и «компьютерное решение» не противостоят друг другу, т.к.:

1) все чаще компьютеры при мат. моделировании используются не только для численных расчетов, но и для аналитических преобразований.

2) результат аналитического исследования мат. модели часто выражен столь сложной формулой, что при взгляде на нее не складывается восприятия, описываемого ей процесса.

Классификация мат. моделей.

1. Дескриптивные (описательные) модели.

2. Оптимизационные модели.

3. Многокритериальные модели.

4. Игровые.

5. Имитационные.

Моделируя движение кометы, вторгшейся Солнечную систему, мы описываем траекторию ее полета, расстояние, на котором она пройдет от Земли, т.е. ставим описательные цели. У нас нет никаких возможностей повлиять на движение кометы, что-то изменить.

На другом уровне процессов мы можем воздействовать на них, пытаясь добиться какой-то цели. В этом случае в модель входит один или несколько параметров, доступных нашему влиянию. Например, меняя тепловой режим в зернохранилище, мы можем стремиться подобрать такой, чтобы достичь максимальной сохранности зерна, т.е. оптимизируем процесс.

Часто приходится оптимизировать процесс по нескольким параметрам сразу, причем цели могут быть противоречивыми. Например, зная цены на продукты и потребность человека в пище, организовать питание больших групп людей как можно полезнее и дешевле, т.е. при моделировании будет несколько критериев, между которыми надо искать баланс.

Есть специальный достаточно сложный раздел современной математики – теория игр, - изучающий методы принятия решений в условиях неполной информации.

Бывает, что модель в большей мере подражает реальному процессу, т.е. имитирует его. Например, моделирование движения молекул в газе, когда каждая молекула представляется в виде шарика, создаются условия поведения этих шариков при столкновении друг с другом и со стеной, при этом не нужно использовать никаких уравнений движения. Можно сказать, что чаще всего имитационное моделирование применяется в попытке описать свойства большой системы при условии, что поведение составляющих ее объектов очень просто и четко сформулировано.

Компьютерная модель – это модель реализованная средствами программной среды.

1. Моделирование физических процессов. Физика – наука, в которой мат. моделирование является чрезвычайно важным методом исследования.

Численное моделирование (как и лабораторные эксперименты) чаще всего являются инструментом познания качественных закономерностей природы. Важнейшим его этапом, когда расчеты уже завершены, является осознание результатов, представление их в максимально наглядной и удобной для восприятия форме. Забить числами экран компьютера или получить распечатку тех же чисел не означает закончить моделирование (даже если числа эти верны). Тут на помощь приходит другая замечательная особенность компьютера, дополняющая способность к быстрому расчету – возможность визуализации абстракций. Представление результатов в виде графиков, диаграмм, траектории движения динамических объектов в силу особенностей человеческого восприятия обогащает исследователя качественной информацией.

2. Компьютерное моделирование в экологии. Цели создания мат. моделей в экологии.

1. Модели помогают выделить суть или объединить и выразить с помощью нескольких параметров важные свойства большого числа уникальных наблюдений, что облегчает экологу анализ рассматриваемого процесса или проблемы.

2. Модели выступают в качестве «общего языка», с помощью которого может быть описано каждое уникальное явление, и относительные свойства таких явлений становятся более понятными.

3. Модель может служить образцом «идеального объекта» или идеализированного поведения, при сравнении с которым можно оценивать и измерять реальные объекты и процессы.

4. Модели действительно могут пролить свет на реальный мир, несовершенными имитациями которого они являются.

При построении моделей в мат. экологии используется опыт мат. моделирования механических и физических систем, однако с учетом специфических особенностей биологических систем:

Сложности внутреннего строения каждой особи;

Зависимости условий жизнедеятельности организмов от многих факторов внешней среды;

Не замкнутости экологических систем;

Огромного диапазона внешних характеристик, при которых сохраняется жизнеспособность систем.

3. Компьютерное мат. моделирование в экономике – это мат. описание исследуемого объекта. Эта модель выражает закономерности экономического процесса в абстрактном виде с помощью мат. соотношений. Использование мат. моделирования в экономике позволяет углубить количественный экономический анализ, расширить область экономической информатики.

С развитием вычислительной техники все важнее становится роль компьютерного моделирования в решении прикладных и научных задач. Для проведения компьютерных экспериментов строится подходящая математическая модель и подбираются соответствующие средства разработки программного обеспечения. Выбор языка программирования оказывает огромное влияние на реализацию полученной модели.

Традиционно под моделированием на ЭВМ понималось лишь имитационное моделирование. Можно, однако, увидеть, что и при других видах моделирования компьютер может быть весьма полезен, за исключением разве физического моделирования, где компьютер вообще-то тоже может использоваться, но, скорее, для целей управления процессом моделирования. Например при математическом моделировании выполнение одного из основных этапов - построение математических моделей по экспериментальным данным - в настоящее время просто немыслимо без компьютера. В последние годы, благодаря развитию графического интерфейса и графических пакетов, широкое развитие получило компьютерное, структурно-функциональное моделирование, о котором подробно поговорим ниже. Положено начало использованию компьютера даже при концептуальном моделировании, где он используется, например, при построении систем искусственного интеллекта.

Таким образом, мы видим, что понятие "компьютерное моделирование" значительно шире традиционного понятия "моделирование на ЭВМ " и нуждается в уточнении, учитывающем сегодняшние реалии.
Начнем с термина "компьютерная модель " .

В настоящее время под компьютерной моделью чаще всего понимают:

• условный образ объекта или некоторой системы объектов (или процессов), описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и т. д. и отображающий структуру и взаимосвязи между элементами объекта. Компьютерные модели такого вида мы будем называть структурно-функциональными;
• отдельную программу, совокупность программ, программный комплекс, позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов, воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта, системы объектов при условии воздействия на объект различных, как правило случайных, факторов. Такие модели мы будем далее называть имитационными моделями.

Компьютерное моделирование - метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели.

Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, получаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства сложной системы: ее структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. Количественные выводы в основном носят характер прогноза некоторых будущих или объяснения прошлых значений переменных, характеризирующих систему. Компьютерное моделирование для рождения новой информации использует любую информацию, которую можно актуализировать с помощью ЭВМ.

Основные функции компьютера при моделировании:

• выполнять роль вспомогательного средства для решения задач, решаемых обычными вычислительными средствами, алгоритмами, технологиями;
• выполнять роль средства постановки и решения новых задач, не решаемых традиционными средствами, алгоритмами, технологиями;
• выполнять роль средства конструирования компьютерных обучающе - моделирующих сред;
• выполнять роль средства моделирования для получения новых знаний;
• выполнять роль "обучения" новых моделей (самообучающиеся модели).

Разновидностью компьютерного моделирования является вычислительный эксперимент.
Компьютерная модель - это модель реального процесса или явления, реализованная компьютерными средствами. Если состояние системы меняется со временем, то модели называют динамическими , в противном случае - статическими .

Процессы в системе могут протекать по-разному в зависимости от условий, в которых находится система. Следить за поведением реальной системы при различных условиях бывает трудно, а иногда и невозможно. В таких случаях, построив модель, можно многократно возвращаться к начальному состоянию и наблюдать за ее поведением. Этот метод исследования систем называется имитационным моделированием .

Примером имитационного моделирование может служить вычисление числа = 3,1415922653... методом Монте-Карло. Этот метод позволяет определять площади и объемы фигур (тел), которые сложно вычислить другими методами. Предположим, что требуется определить площадь круга. Опишем вокруг него квадрат (площадь которого, как известно, равна квадрату его стороны) и будем случайным образом бросать в квадрат точки, проверяя каждый раз, попала ли точка в круг или нет. При большом числе точек отношение площади круга к площади квадрата будет стремиться к отношению числа точек, попавших в круг, к общему числу брошенных точек.

Теоретическая основа этого метода была известна давно, однако до появления компьютеров этот метод не мог найти сколько-нибудь широкого применения, ибо моделировать случайные величины вручную - очень трудоемкая работа. Название метода происходит от города Монте-Карло в княжестве Монако, знаменитого своими игорными домами, ибо одним из механических приборов для получения случайных величин является рулетка.

Следует заметить, что данный метод вычисления площади круга будет давать корректный результат только если точки будут не просто случайно , но еще и равномерно разбросанными по всему квадрату. Для моделирования равномерно распределенных в интервале от 0 до 1 случайных чисел используется датчик случайных чисел - специальная компьютерная программа. На самом деле эти числа определяются по некоторому алгоритму и уже в силу этого они не являются вполне случайными. Получаемые таком способом числа часто называют псевдослучайными . Вопрос о качестве датчиков случайных чисел весьма непрост, однако для решения не слишком сложных задач обычно достаточно возможностей датчиков, встроенных в большинство систем программирования и электронных таблиц.

Заметим, что располагая датчиком равномерно распределенных случайных чисел, генерирующим числа r из интервала }