Kapitola I. Počítačové modelovanie. Počítačová simulácia fyzikálnych procesov

Počítačový model je prirodzený. Počítačové modelovanie sa používa všade, robí návrh a výrobu reálnych systémov, strojov, mechanizmov, tovarov, produktov ekonomickými, praktickými a efektívnymi. Výsledok je vždy vopred vymodelovaný.

Človek vždy staval modely, ale s príchodom počítačovej techniky, matematických, výpočtových a softvérových metód pozdvihli nápady a technológie modelovania do mimoriadnych výšin, dosiahli široké spektrum ich aplikácií: od primitívnej technickej úrovne až po úroveň vysokého umenia a tvorivosť.

Počítačový model nie je len dokonalejšou kozmickou loďou či koncepčným systémom na pochopenie povedomia verejnosti, ale aj reálnou príležitosťou na posúdenie klimatických zmien na planéte či určenie následkov pádu kométy o niekoľko stoviek rokov.

Technické modelovanie

Dnes to máloktorý špecialista nevie a konkurenciou pre tento program je už tucet dokonalejších riešení.

Modelovanie moderného lietadla alebo bicykla si v konečnom dôsledku vyžaduje viac ako len automatizáciu výroby výkresov a prípravu dokumentácie. Modelovací program je povinný vykonať technickú časť: základom je vypracovanie výkresov a dokumentácie.

Program je tiež povinný ukázať skutočný produkt v reálnom použití v čase v trojrozmernom priestore: za letu, v pohybe, v používaní vrátane pravdepodobných havárií, výmena nosiča energie, negatívny vplyv človeka alebo prírody, korózia, vplyvom klímy alebo iných okolností.

Systémové modelovanie

Model stroja, výrobku, dopravníka je už raz vyrobený systém, ale systém jasnej štruktúry a obsahu. Každý z nich má skúsenosti, znalosti a príklady používania počítačových modelov.

Technická realita je rovnaký systém ako systém vzťahov v spoločnosti, systém reklamnej kampane, model ľudskej psychiky či jeho obehového systému.

Spoľahlivú diagnózu choroby dnes možno získať napríklad takto:

• výsledok kompetentných činností lekára;
• výstup počítačového programu, ktorý zostavil model stavu pacienta.

Tieto dve možnosti stále viac vedú k rovnakému výsledku.

Človek žije vo svete systémov a tieto systémy vyžadujú robiť rozhodnutia, ktoré si vyžadujú počiatočné údaje: pochopenie a vnímanie okolitej reality. Bez modelovania nie je možné pochopiť podstatu systémov a rozhodnúť sa.

Len počítačový matematický model umožňuje posúdiť objektivitu a úroveň pochopenia pôvodného systému, postupne približuje vytvorený virtuálny obraz k originálu.

Abstrakcia v modelovaní

Počítačové modely a modelovanie sú mimoriadne perspektívnou a dynamicky sa rozvíjajúcou oblasťou technológie. High-tech riešenia sú tu bežnou (bežnou, každodennou) udalosťou a možnosti modelov a modelingu ohromujú každú sofistikovanú fantáziu.

Človek však ešte nedospel k abstraktnému systémovému modelovaniu. Príklady použitia počítačových modelov sú skutočnými príkladmi reálnych systémov. Pre každý smer modelovania, pre každý typ modelu, každý typ výrobkov, dopravníkov atď. existuje samostatný program alebo samostatná položka v ponuke programu, ktorá poskytuje modelovanie v pomerne širokej škále systémov.

Samotný softvér je model. Výsledkom práce programátora je vždy model. Zlý program alebo dobrý, ale vždy ide o model riešenia konkrétneho problému, ktorý dostane prvotné dáta a vytvorí výsledok.

Klasické programovanie - klasické modely, žiadna abstrakcia: presný problém bez možností dynamiky po jeho dokončení. Je to ako skutočný stroj, skutočný produkt, akýkoľvek produkt s prísnymi kvantitatívnymi a kvalitatívnymi charakteristikami: hotovo – použitie v rámci toho, čo je k dispozícii, ale nič mimo toho, čo už bolo urobené.

Objektovo orientované programovanie je systémový model s nárokom na abstrakciu a dynamiku štruktúry a vlastností, teda so zameraním na vytvorenie dynamického modelu, ktorý svoj účel určuje podľa aplikačného prostredia alebo riešeného problému.

Tu môže model „žiť“ po tom, čo je v oblasti aplikácie sám bez svojho tvorcu (autora) a bude samostatne „spolupracovať“ s používateľmi.

Modelovanie: podstata procesu

Pojem počítačový model je dnes reprezentovaný rôznymi možnosťami názorov, ale všetky sa zhodujú v tom, že program funguje, a v kontexte: model sa rovná výsledku činnosti špecialistu, ktorý pracuje v špecifickom modelovacom prostredí konkrétny program.

Existujú tri typy modelov: kognitívne, pragmatické a inštrumentálne.

V prvom prípade je aspekt modelovania vyjadrený predovšetkým ako túžba získať model vo formáte prekladu vedomostí, poznania teórie a globálneho procesu. Pragmatický model - dáva predstavu o praktických činnostiach, pracovníkovi, systéme riadenia výroby, produkte, stroji. Tretia možnosť je chápaná ako prostredie pre vytváranie, analýzu a testovanie všetkých modelov vo všeobecnosti.

Počítačové modelovanie je zvyčajne činnosťou špecialistu na konštrukciu a štúdium hmotného alebo ideálneho (virtuálneho) objektu, ktorý nahrádza skúmaný systém, ale primerane odráža jeho podstatné aspekty, kvalitatívne a kvantitatívne charakteristiky.

Druhová diverzita simulovaných systémov

V oblasti modelovania, tak ako na všetkých hraniciach špičkových technológií, vedy, inžinierstva a programovania, existuje veľa názorov na klasifikáciu a definíciu druhovej diverzity modelovaných systémov.

Odborníci a špecialisti sa však vždy zhodujú na jednej veci: typy počítačových modelov možno určiť podľa objektívnych bodov:

• čas;
• spôsob prezentácie;
• povaha modelovanej strany;
• úroveň neistoty;
• možnosť implementácie.

Časovým momentom sú statické a dynamické modely. Prvé z nich môžete vylepšiť, ako chcete, ale dynamické modely sa vyvíjajú a v každom okamihu sa líšia. Prezentácia sa zvyčajne chápe ako diskrétna alebo nepretržitá. Charakter modelovanej strany je informačný, štrukturálny alebo funkčný (kybernetický).

Zavedenie parametrov neurčitosti do modelovaného systému je v mnohých prípadoch nielen opodstatnené, ale je aj dôsledkom vedeckého pokroku v príbuzných oblastiach poznania. Napríklad vytvorenie klimatického modelu v určitom geografickom regióne by nebolo reálne bez mnohých stochastických faktorov.

Moderné modelovacie nástroje

Dnešné modelovanie je obrovskou skúsenosťou mnohých desaťročí vývoja počítačového priemyslu, ktorá sa vo forme algoritmov a programov prezentovala po mnoho storočí modelovania vo všeobecnosti, a najmä matematického modelovania.

Populárne softvérové ​​nástroje sú zastúpené malou rodinou všeobecne známych produktov: AutoCAD, 3D Max, Wings 3D, Blender 3D, SketchUp. Existuje mnoho špeciálnych implementácií založených na týchto produktoch.

Okrem známych je tu významný súkromný, napríklad trh geografický, kartografický, geodetický; trh filmového a video priemyslu, ktorý predstavuje značný počet málo známych softvérových produktov. Rodiny GeoSoft, TEPLOV, Houdini atď., Vo svojej oblasti odbornosti, nie sú v kvalite, užitočnosti a efektívnosti o nič horšie.

Pri výbere najlepšieho softvérového nástroja je najlepším riešením zhodnotiť oblasť navrhovaného modelovania, prostredie pre existenciu budúceho modelu. To vám umožní určiť potrebné nástroje.

Malé a kreatívne modely

A hoci v dizajne moderného airbusu, športového auta alebo kozmickej lode „ostalo málo kreativity“, v skutočnosti sa programovanie a organizácia obchodných procesov stali predmetom najväčšej pozornosti a cieľom najdrahšieho a najkomplexnejšieho modelovania. procesy.

Moderné podnikanie nie sú len stovky zamestnancov, zariadenia, ale aj tisíce priemyselných a sociálnych väzieb v rámci firmy i mimo nej. Ide o úplne novú a neprebádanú oblasť: cloudové technológie, organizácia privilegovaného prístupu, ochrana pred škodlivými útokmi, nevhodné správanie zamestnancov.

Moderné programovanie sa stalo príliš zložitým a zmenilo sa na zvláštny druh so svojim vlastným životom. Softvérový produkt vytvorený jedným vývojovým tímom je určený na simuláciu a štúdium pre inú vývojársku spoločnosť.

Autoritatívny príklad

Môžete si predstaviť systém Windows alebo rodinu Linuxu ako predmet modelovania a prinútiť niekoho postaviť adekvátne modely. Praktický význam je tu taký nízky, že je lacnejšie jednoducho prevádzkovať a ignorovať nedostatky týchto systémov. Ich vývojár má svoju vlastnú predstavu o ceste vývoja, ktorú potrebuje, a neodvráti sa od nej.

O databázach a dynamike ich rozvoja možno povedať opak. Oracle je veľká spoločnosť. Mnoho nápadov, tisíce vývojárov, státisíce zdokonalených riešení.

Oracle je však predovšetkým základom a silným dôvodom pre modelovanie a zdá sa, že investícia do tohto procesu bude mať obrovskú návratnosť investície.

Oracle sa ujal vedenia od samého začiatku a v oblasti vytvárania databáz, zabezpečovania zodpovedného prístupu k informáciám, ich ochrany, migrácie, ukladania a pod. nebol podriadený nikomu. Na obsluhu informačných úloh je potrebný len Oracle.

Nevýhoda Oracle

Investície a práca najlepších vývojárov na vyriešenie naliehavého problému sú objektívnou nevyhnutnosťou. Počas desaťročí svojho vedenia spoločnosť Oracle dokončila stovky skutočných úloh a tisíce implementácií a aktualizácií.

Rozsah informácií v kontexte počítačových aplikácií sa od 80. rokov minulého storočia nezmenil. Koncepčne sú to databázy začiatku počítačovej éry a dnes sú to dvojičky s rozdielom v úrovni zabezpečenia a implementovanej funkcionality.

Na dosiahnutie modernej úrovne „zabezpečenia a implementovanej funkcionality“ Oracle vykonal najmä:

• kompatibilita veľkých tokov heterogénnych informácií;
• migrácia a transformácia údajov;
• overovanie a testovanie aplikácií;
• zovšeobecnená relačná funkčnosť univerzálneho prístupu;
• migrácia dát / špecialistov;
• transformácia základov podnikových databáz do distribuovaného internetového prostredia;
• maximálna integrácia, agregátory, systematizácia;
• stanovenie spektra realizovateľnosti, odstránenie duplicitných procesov.

Toto je len malý zlomok tém, ktoré tvoria viaczväzkové popisy operačných softvérových produktov od spoločnosti Oracle. V skutočnosti je rozsah vyrábaných riešení oveľa širší a výkonnejší. Všetky sú podporované podporou Oracle a tisíckami kvalifikovaných odborníkov.

Príjmový model

Ak by Oracle v 80. rokoch prešiel skôr modelovaním ako konkrétnym budovaním kapacít vo forme reálnych, kompletných riešení, situácia by sa vyvíjala výrazne inak. Vo všeobecnosti človek alebo podnik nepotrebuje od počítačového informačného systému tak veľa. Štúdium počítačového modelu tu nie je zaujímavé.

Vždy potrebujete získať len riešenie vzniknutého problému. Ako sa toto riešenie získa, spotrebiteľa nikdy nezaujíma. Vôbec ho nezaujíma, čo je migrácia dát alebo ako otestovať kód aplikácie, aby fungoval na akýchkoľvek dátach a v prípade nepredvídanej situácie to môže pokojne nahlásiť a nie robiť modrú obrazovku alebo potichu visieť.

Programovým modelovaním ďalšej potreby a nie investovaním do ďalšieho špecialistu, ktorý uplatní svoju myseľ a znalosti na vytvorenie ďalšej časti kódu, môžete dosiahnuť viac.

Akýkoľvek, najlepší špecialista je predovšetkým statický kód, je to fixácia najlepších znalostí vo formáte pamätníka autorovi. Toto je len kód. Výsledok práce tých najlepších sa nevyvíja, ale pre svoj vývoj si vyžaduje nových vývojárov, nových autorov.

Pravdepodobnosť realizácie príjmového modelu

Vývojári a IT priemysel vo všeobecnosti už prestali zaobchádzať s dynamikou, znalosťami a umelou inteligenciou s nadšením, ktoré sprevádzalo vlny záujmu minulých rokov.

Čisto formálne mnohí spájajú svoje produkty alebo oblasti práce s témou umelej inteligencie, ale v skutočnosti sa zaoberajú implementáciou striktne definovaných algoritmov, cloudových riešení, prikladajú dôležitosť bezpečnosti a ochrane pred všetkými druhmi hrozieb.

Medzitým je počítačový model dynamika. Počítačová simulácia je jej dôsledkom. Táto objektívna okolnosť ešte nebola zrušená. Je úplne nemožné ho zrušiť. Príklad Oracle je najlepším a najodhalujúcim príkladom iných, ktorý ukazuje, aké prácne, drahé a neefektívne je zapojiť sa do núteného modelovania, keď musíte zostaviť skutočne fungujúce modely prácou mnohých tisícov špecialistov a nie automaticky prostriedkami. samotného navrhovaného informačného systému - model v dynamike v reálnej praxi!

Začnime definíciou slova modelovanie.

Modelovanie je proces vytvárania a používania modelu. Model je chápaný ako taký materiálny alebo abstraktný objekt, ktorý v procese štúdia nahrádza pôvodný objekt, pričom si zachováva svoje vlastnosti dôležité pre toto štúdium.

Počítačové modelovanie ako metóda poznávania je založené na matematickom modelovaní. Matematický model je systém matematických vzťahov (vzorcov, rovníc, nerovníc a znamienkových logických výrazov), ktoré odrážajú podstatné vlastnosti skúmaného objektu alebo javu.

Veľmi zriedkavo je možné použiť matematický model na špecifické výpočty bez použitia výpočtovej techniky, čo si nevyhnutne vyžaduje vytvorenie nejakého počítačového modelu.

Pozrime sa podrobnejšie na proces počítačového modelovania.

2.2. Pochopenie počítačového modelovania

Počítačová simulácia je jednou z najúčinnejších metód na štúdium zložitých systémov. Počítačové modely sa ľahšie a pohodlnejšie skúmajú vďaka ich schopnosti vykonávať výpočtové experimenty v prípadoch, keď sú skutočné experimenty náročné z dôvodu finančných alebo fyzických prekážok alebo môžu poskytnúť nepredvídateľné výsledky. Konzistentnosť počítačových modelov umožňuje identifikovať hlavné faktory, ktoré určujú vlastnosti pôvodného skúmaného objektu (alebo celej triedy objektov), ​​najmä študovať odozvu simulovaného fyzikálneho systému na zmeny jeho parametrov a počiatočné podmienky.

Počítačové modelovanie ako nová metóda vedeckého výskumu je založené na:

1. Konštrukcia matematických modelov na opis skúmaných procesov;

2. Používanie najnovších počítačov s vysokou rýchlosťou (milióny operácií za sekundu) a schopných dialógu s osobou.

Rozlišovať analytické a imitácia modelovanie. V analytickom modelovaní sa študujú matematické (abstraktné) modely reálneho objektu vo forme algebraických, diferenciálnych a iných rovníc, ako aj zabezpečenie implementácie jednoznačného výpočtového postupu vedúceho k ich presnému riešeniu. Pri imitácii modelovania sa matematické modely skúmajú vo forme algoritmu, ktorý reprodukuje fungovanie skúmaného systému postupným vykonávaním veľkého počtu základných operácií.

2.3. Zostavenie počítačového modelu

Konštrukcia počítačového modelu je založená na abstrakcii od špecifickej povahy javu alebo študovaného pôvodného objektu a pozostáva z dvoch etáp - po prvé, vytvorenie kvalitatívneho a potom kvantitatívneho modelu. Počítačové modelovanie na druhej strane spočíva vo vykonávaní série výpočtových experimentov na počítači, ktorých účelom je analyzovať, interpretovať a porovnávať výsledky simulácie so skutočným správaním sa skúmaného objektu a v prípade potreby ďalej vylepšiť model atď.

takze hlavné fázy počítačového modelovania zahŕňajú:

1. Stanovenie problému, definícia objektu modelovania:

v tejto fáze sa zhromažďujú informácie, formuluje sa otázka, stanovujú sa ciele, prezentujú sa výsledky a opisujú sa údaje.

2. Systémová analýza a výskum:

systémová analýza, zmysluplný popis objektu, vývoj informačného modelu, analýza hardvéru a softvéru, vývoj dátových štruktúr, vývoj matematického modelu.

3. Formalizácia, teda prechod na matematický model, vytvorenie algoritmu:

výber metódy návrhu algoritmu, výber formy záznamu algoritmu, výber metódy testovania, návrh algoritmu.

4. Programovanie:

výber programovacieho jazyka alebo aplikačného prostredia pre modelovanie, objasnenie metód organizácie dát, písanie algoritmu vo vybranom programovacom jazyku (alebo v prostredí aplikácie).

5. Vykonanie série výpočtových experimentov:

ladenie syntaxe, sémantiky a logickej štruktúry, testovacie výpočty a analýza výsledkov testov, revízia programu.

6. Analýza a interpretácia výsledkov:

v prípade potreby revíziu programu alebo modelu.

Existuje mnoho softvérových systémov a prostredí, ktoré vám umožňujú vytvárať a študovať modely:

Grafické prostredia

Textové editory

Programovacie prostredia

Tabuľky

Matematické balíčky

HTML editory

2.4. Výpočtový experiment

Experiment je skúsenosť, ktorá sa vykonáva s objektom alebo modelom. Spočíva vo vykonaní niektorých akcií na určenie toho, ako experimentálna vzorka reaguje na tieto akcie. Výpočtový experiment zahŕňa vykonávanie výpočtov pomocou formalizovaného modelu.

Použitie počítačového modelu, ktorý implementuje matematický, je podobné ako vykonávanie experimentov so skutočným objektom, len namiesto skutočného experimentu s objektom sa vykonáva výpočtový experiment s jeho modelom. Zadaním konkrétneho súboru hodnôt počiatočných parametrov modelu sa ako výsledok výpočtového experimentu získa konkrétny súbor hodnôt hľadaných parametrov, skúmajú sa vlastnosti objektov alebo procesov, ich optimálne parametre a prevádzkové režimy a model je vylepšený. Napríklad, keď máme rovnicu opisujúcu priebeh konkrétneho procesu, je možné zmenou jeho koeficientov, počiatočných a okrajových podmienok skúmať, ako sa bude objekt v tomto prípade správať. Okrem toho je možné predpovedať správanie objektu za rôznych podmienok. Na štúdium správania objektu s novým súborom počiatočných údajov je potrebné vykonať nový výpočtový experiment.

Na kontrolu primeranosti matematického modelu a reálneho objektu, procesu alebo systému sa výsledky výskumu na počítači porovnávajú s výsledkami experimentu na experimentálnej vzorke v plnom rozsahu. Výsledky verifikácie slúžia na korekciu matematického modelu, prípadne sa rozhoduje o otázke použiteľnosti zostrojeného matematického modelu pri návrhu alebo štúdiu daných objektov, procesov alebo systémov.

Výpočtový experiment umožňuje nahradiť nákladný experiment v plnom rozsahu počítačovými výpočtami. Umožňuje v krátkom čase a bez výrazných materiálových nákladov naštudovať veľké množstvo možností navrhovaného objektu alebo procesu pre rôzne režimy jeho prevádzky, čo výrazne skracuje čas vývoja zložitých systémov a ich zavádzanie do výroby.

2.5. Simulácia v rôznych prostrediach

2.5.1. Modelovanie v programovacom prostredí

Modelovanie v programovacom prostredí zahŕňa hlavné fázy počítačového modelovania. Vo fáze budovania informačného modelu a algoritmu je potrebné určiť, ktoré veličiny sú vstupné parametre a ktoré výsledky, ako aj určiť typ týchto veličín. V prípade potreby je zostavený algoritmus vo forme blokového diagramu, ktorý je napísaný vo vybranom programovacom jazyku. Potom sa vykoná výpočtový experiment. Ak to chcete urobiť, musíte načítať program do pamäte RAM počítača a spustiť ho na vykonanie. Počítačový experiment nevyhnutne zahŕňa analýzu získaných výsledkov, na základe ktorej je možné opraviť všetky fázy riešenia problému (matematický model, algoritmus, program). Jednou z najdôležitejších fáz je testovanie algoritmu a programu.

Ladenie programu (anglický výraz debugging (debugging) znamená „chytanie chýb“ sa objavilo v roku 1945, keď sa nočný motýľ dostal do elektrických obvodov jedného z prvých počítačov Mark-1 a zablokoval jedno z tisícok relé) je proces zisťovania a oprava chýb v programe, sa vyrábajú podľa výsledkov výpočtového experimentu. Počas ladenia sa lokalizujú a eliminujú syntaktické chyby a zjavné chyby v kódovaní.

V moderných softvérových systémoch sa ladenie vykonáva pomocou špeciálneho softvéru nazývaného debuggery.

Testovanie je overenie správneho fungovania programu ako celku alebo jeho súčastí. Proces testovania kontroluje výkon programu, ktorý neobsahuje zjavné chyby.

Bez ohľadu na to, ako dôkladne je program odladený, rozhodujúcou fázou pri určovaní jeho vhodnosti pre prácu je kontrola programu na základe výsledkov jeho vykonávania na testovacom systéme. Program možno považovať za správny, ak sa vo všetkých prípadoch získajú správne výsledky pre zvolený systém vstupných údajov testu.

2.5.2. Simulácia v tabuľkových procesoroch

Tabuľkové modelovanie pokrýva veľmi širokú triedu problémov v rôznych tematických oblastiach. Tabuľky sú všestranným nástrojom, ktorý vám umožňuje rýchlo vykonávať namáhavú prácu pri výpočte a prepočítaní kvantitatívnych charakteristík objektu. Pri modelovaní pomocou tabuliek je algoritmus na riešenie problému trochu transformovaný a skrýva sa za potrebou vyvinúť výpočtové rozhranie. Fáza ladenia sa ukladá vrátane odstránenia chýb údajov v spojeniach medzi bunkami, vo výpočtových vzorcoch. Vznikajú aj ďalšie úlohy: práca na pohodlí prezentácie na obrazovke a ak je potrebné vytlačiť prijaté údaje na papier, na ich umiestnení na listy.

Proces modelovania v tabuľkových procesoroch sa riadi všeobecnou schémou: definujú sa ciele, identifikujú sa charakteristiky a vzťahy a zostaví sa matematický model. Charakteristiky modelu sú nevyhnutne určené ich účelom: počiatočný (ovplyvňujúci správanie modelu), stredný a to, čo sa má dosiahnuť ako výsledok. Niekedy je prezentácia objektu doplnená schémami, kresbami.

Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Uverejnené dňa http://www.allbest.ru/

Úvod

2.2. Problém 2. Modelovanie procesov autovln

Záver

Bibliografia

Úvod

Modelovanie vo vedeckom výskume sa začalo využívať už v staroveku a postupne zachytávalo nové oblasti vedeckého poznania. Každý fyzik mal túžbu „vidieť neviditeľné“, teda nahliadnuť do priebehu fyzikálneho javu a vidieť mechanizmus, aj keď je priamemu vnímaniu skrytý. A tu prišli na pomoc počítačové technológie, a to počítačové modelovanie, ktoré umožňuje vytvárať a vidieť „virtuálne“ experimenty, modely.

Metódy počítačovej simulácie sa objavili vo fyzike koncom 50. - začiatkom 60. rokov. Hlavnými sú dynamická metóda a metóda Monte Carlo. Rozvoj metód počítačovej simulácie mal silný vplyv na fyziku, pretože po prvýkrát bolo možné teoreticky študovať systémy s pomerne zložitou interakciou častíc medzi sebou. Dnes sa tieto metódy úspešne aplikujú vo fyzike pevných látok, vo fyzike fázových prechodov. Tieto metódy sa používajú na štúdium vlastností kvapalín, hustej plazmy, povrchových javov, prechodu žiarenia hmotou a iných procesov. To všetko viedlo k tomu, že v súčasnosti je zvykom deliť fyziku na experimentálnu, teoretickú a výpočtovú. Výpočtová fyzika zaujíma medzipolohu medzi experimentálnou a teoretickou: predmetom jej skúmania na jednej strane nie je skutočný experiment, na druhej strane nie je celkom teóriou, keďže modely výpočtovej fyziky obsahujú málo aproximácií a sú veľmi realistické. Preto sa v tejto súvislosti často hovorí o virtuálnom či počítačovom experimente. Do konca 80. rokov boli metódy počítačovej simulácie pre mnohých nedostupné, počítačový experiment bol dosť drahý, vyžadoval si veľa počítačového času, navyše rýchlosť počítačov a ich RAM boli pomerne malé, čo značne obmedzovalo ich grafické schopnosti plnohodnotného dialógu medzi strojom a používateľom. Počítačový boom za posledné desaťročie však splodil sériu lacných a cenovo dostupných počítačov. Prudký nárast ich výkonu spôsobil, že používanie metód strojového modelovania vo vzdelávaní bolo relevantné nielen na školenie budúcich špecialistov na tieto otázky, ale aj na vytváranie vzdelávacích fyzických modelov, ktoré by mohli používať všetci používatelia s akoukoľvek počítačovou podporou.

Relevantnosť práce v kurze. V súvislosti s masívnym vybavovaním škôl počítačmi podľa celoruského informatizačného programu sa prehĺbil záujem o využívanie počítačov vo vyučovaní predmetov. Počítač ako technický nástroj otvára veľké možnosti na skvalitnenie vzdelávacieho procesu. Používanie počítača vo vyučovaní predmetov, najmä fyziky, však nie je rozšírené a je obmedzené. Na jednej strane je to spôsobené nedostatočným metodickým vývojom softvéru a školiacich programov. Identifikáciu tejto problematiky sleduje dizertačný výskum A.M. Korotková, L.Yu. Kravčenko, E.A. Loktyushina, N.A. Gomulina, A.S. Kamenev, Sh.D. Machmudova. Na druhej strane, počítačové programy vo fyzike ponúkané vývojármi sú do značnej miery pre používateľa uzavreté: obsahujú hotovú banku problémov, testov, teórie a ukážok, ktoré nie sú vždy kombinované s metodikou vyučovania učiteľa a často sú organizačne ani metodicky nesúvisiace so vzdelávacím procesom. Programy, ktoré umožňujú dosiahnuť otvorenosť voči používateľovi, väčšinou nepodporujú riešenie fyzikálnych problémov alebo sú pri zaškolení dosť ťažkopádne, vyžadujú znalosť programovacích jazykov - Pascal, C++, Delphi alebo numerických metód - Mathcad, Excel. Preto zostáva aktuálne hľadať spoločné prístupy a metódy, ktoré zvyšujú efektivitu výučby fyziky pomocou počítača. Predovšetkým je naliehavý problém vytvoriť také prostredie, v ktorom sa organicky spájajú tradičné a počítačové metódy výučby. Jednou z efektívnych vyučovacích metód na riešenie fyzikálnych problémov je metóda počítačového modelovania, ktorá integruje didaktické schopnosti do vyučovania riešenia problémov a je prostriedkom rozvoja rozumových a tvorivých schopností žiakov. A zavádzanie nových vzdelávacích technológií do vzdelávacieho procesu umožňuje spolu s tradičnými metódami riešenia problémov aplikovať modelovanie.

Cieľom predmetovej práce je štúdium a štúdium vlastností počítačového modelovania v oblasti fyziky.

Na základe cieľa sú stanovené nasledovné úlohy predmetovej práce: študovať základné pojmy počítačového modelovania; systematizovať materiál o počítačovom modelovaní v oblasti fyziky; zvážiť počítačové modelovanie na príklade riešenia konkrétnych problémov.

Štruktúra práce v kurze. Práca sa skladá z obsahu, úvodu, dvoch kapitol, záveru a bibliografie.

1. Teoretická časť. Počítačové modelovanie

1.1 Pojem počítačového modelovania

S rozvojom výpočtovej techniky sa úloha počítačového modelovania pri riešení aplikovaných a vedeckých problémov stáva čoraz dôležitejšou. Na realizáciu počítačových experimentov sa vytvorí vhodný matematický model a vyberú sa vhodné nástroje na vývoj softvéru. Voľba programovacieho jazyka má obrovský vplyv na implementáciu výsledného modelu.

Tradične sa simulácia na počítači chápala len ako simulácia. Je však vidieť, že v iných typoch modelovania môže byť počítač mimoriadne užitočný, snáď s výnimkou fyzického modelovania, kde sa počítač môže v skutočnosti tiež použiť, ale skôr na účely riadenia procesu modelovania. Napríklad v matematickom modelovaní je v súčasnosti bez počítača jednoducho nemysliteľná realizácia jednej z hlavných etáp – konštrukcia matematických modelov z experimentálnych údajov. V posledných rokoch, vďaka vývoju grafického rozhrania a grafických balíkov, dosiahlo počítačové, štrukturálne a funkčné modelovanie široký rozvoj. Začiatok používania počítača aj v konceptuálnom modelovaní, kde sa využíva napríklad pri konštrukcii systémov umelej inteligencie.

Vidíme teda, že pojem „počítačové modelovanie“ je oveľa širší ako tradičný pojem „počítačové modelovanie“ a je potrebné ho objasniť s prihliadnutím na dnešnú realitu.

Začnime pojmom „počítačový model“.

V súčasnosti sa počítačový model najčastejšie chápe ako:

§ podmienený obraz objektu alebo nejakého systému objektov (alebo procesov), popísaný pomocou vzájomne prepojených počítačových tabuliek, blokových schém, diagramov, grafov, nákresov, fragmentov animácií, hypertextu atď. a zobrazenie štruktúry a vzťahov medzi prvkami objektu. Počítačové modely tohto druhu budeme nazývať štrukturálno-funkčné;

§ samostatný program, súbor programov, softvérový balík, ktorý umožňuje pomocou postupnosti výpočtov a grafického zobrazenia ich výsledkov reprodukovať (imitovať) procesy fungovania objektu, sústavy objektov za predpokladu, že objekt je ovplyvnený rôznymi, zvyčajne náhodnými faktormi. Takéto modely budeme označovať ako simulačné modely.

Počítačové modelovanie je metóda na riešenie problému analýzy alebo syntézy komplexného systému na základe aplikácie jeho počítačového modelu.

Podstata počítačového modelovania spočíva v získavaní kvantitatívnych a kvalitatívnych výsledkov z existujúceho modelu. Kvalitatívne závery získané z výsledkov analýzy umožňujú odhaliť dovtedy neznáme vlastnosti zložitého systému: jeho štruktúru, dynamiku vývoja, stabilitu, integritu atď. Kvantitatívne závery majú najmä charakter predpovedania nejakej budúcnosti alebo vysvetľovania minulosti. hodnoty premenných, ktoré charakterizujú systém. Počítačové modelovanie využíva na vytváranie nových informácií akékoľvek informácie, ktoré je možné aktualizovať pomocou počítača.

Hlavné funkcie počítača počas simulácie:

§ hrať úlohu pomocného nástroja pri riešení problémov riešených konvenčnými výpočtovými prostriedkami, algoritmami, technológiami;

§ hrať úlohu prostriedku na nastavenie a riešenie nových problémov, ktoré nie je možné vyriešiť tradičnými prostriedkami, algoritmami, technológiami;

§ hrať úlohu prostriedku na vytváranie počítačových tréningových a modelovacích prostredí;

§ hrať úlohu modelovacieho nástroja na získavanie nových poznatkov;

§ hrať úlohu „učenia“ nových modelov (modelov samoučenia).

Jedným z typov počítačového modelovania je výpočtový experiment.

Počítačový model je počítačový model skutočného procesu alebo javu. Ak sa stav systému časom zmení, modely sa nazývajú dynamické, inak - statické.

Procesy v systéme môžu prebiehať rôznymi spôsobmi v závislosti od podmienok, v ktorých sa systém nachádza. Sledovanie správania reálneho systému v rôznych podmienkach môže byť ťažké a niekedy nemožné. V takýchto prípadoch sa po zostavení modelu môžete opakovane vrátiť do pôvodného stavu a sledovať jeho správanie. Táto metóda štúdia systémov sa nazýva simulácia.

Príkladom simulačného modelovania by bol výpočet čísla = 3,1415922653 ... metódou Monte Carlo. Táto metóda vám umožňuje nájsť oblasti a objemy tvarov (telies), ktoré je ťažké vypočítať inými metódami. Predpokladajme, že chcete určiť oblasť kruhu. Opíšme okolo neho štvorec (ktorého plocha, ako viete, sa rovná štvorcu jeho strany) a náhodne hádžeme body do štvorca a zakaždým skontrolujte, či je bod v kruhu alebo nie. Pri veľkom počte bodov bude mať pomer plochy kruhu k ploche štvorca tendenciu k pomeru počtu bodov v kruhu k celkovému počtu hodených bodov.

Teoretický základ tejto metódy bol známy už dlho, ale pred príchodom počítačov nenašla táto metóda žiadne široké využitie, keďže manuálne simulovať náhodné veličiny je veľmi prácna práca. Názov metódy pochádza z mesta Monte Carlo v Monackom kniežatstve, ktoré je známe svojimi herňami, pretože jedným z mechanických zariadení na získavanie náhodných hodnôt je ruleta.

Je potrebné poznamenať, že tento spôsob výpočtu plochy kruhu poskytne správny výsledok iba vtedy, ak body nie sú len náhodné, ale aj rovnomerne rozptýlené po celom štvorci. Na simuláciu náhodných čísel rovnomerne rozdelených v rozsahu od 0 do 1 sa používa generátor náhodných čísel - špeciálny počítačový program. V skutočnosti sú tieto čísla určené nejakým algoritmom, a preto nie sú úplne náhodné. Takto získané čísla sa často nazývajú pseudonáhodné. Otázka kvality snímačov náhodných čísel je veľmi ťažká, ale na riešenie nie príliš zložitých problémov zvyčajne postačujú možnosti snímačov zabudovaných vo väčšine programovacích systémov a tabuľkových procesorov.

Všimnite si, že mať senzor rovnomerne rozdelených náhodných čísel generujúcich čísla r z intervalu do poľa xxii [i] a počítajúci rýchlosti prvkov v čase t + Dt:

Зi (t + Дt) = Зi (t) + v2 [(оi + 1-2оi + оi-1) / h2] Дt.

ich zápis do poľa o [i].

5. Cyklus iteruje cez všetky prvky a vypočíta ich posuny podľa vzorca:

oi (t + Δt) = oi (t) + zi (t + Δt) Δt.

6. V cykle sa všetky prvky vytriedia, ich predchádzajúce obrázky sa vymažú a nakreslia sa nové.

7. Návrat do prevádzky 2. Ak sa cyklus pozdĺž t skončil, opustite ho.

4. Počítačový program. Navrhovaný program simuluje prechod a odraz impulzu z „rozhrania medzi dvoma médiami“.

program PROGRAM1;

používa crt, graf;

const n = 200; h = 1; dt = 0,05;

var i, j, DriverVar,

ModeVar, ErrorCode: integer;

eta, xi, xxii: pole skutočných;

Postup Graph_Init;

začať (- Inicializácia grafiky -)

DriverVar: = Zistiť;

InitGraph (DriverVar, ModeVar, "c: \ bp \ bgi");

ErrorCode: = GraphResult;

ak ErrorCode<>grOK potom Halt (1);

Postup Raschet; (Výpočet ofsetu)

začiatok pre i: = 2 až N-1 do

Ak ja

eta [i]: = eta [i] + vv * (xi-2 * xi [i] + xi) / (h * h) * dt;

pre i: = 2 až N-1 do xi [i]: = xi [i] + eta [i] * dt;

xi [N]: = 0; (Koniec je pripnutý)

(xi [N]: = xi;) (voľné)

začať (- Výstup na obrazovku -)

setcolor (čierna);

riadok (i * 3-3 240-kolo (xxii * 50), i * 3240-kolo (xxii [i] * 50));

setcolor (biela);

čiara (i * 3-3 240 okrúhle (xi * 50), i * 3 240 okrúhle (xi [i] * 50));

ZAČIATOK (- Hlavný program -)

ak t<6.28 then xi:=2*sin(t) else xi:=0;

Raschet; Pre i: = 1 až N do Draw;

kým nestlačíte tlačidlo; CloseGraph;

Počítačový model uvažovaný vyššie umožňuje vykonať sériu numerických experimentov a študovať nasledujúce javy: 1) šírenie a odraz vlny (jediný impulz, sled) od pevného a nepevného konca elastického média; 2) interferencia vĺn (jednotlivé impulzy, vlaky) vznikajúce v dôsledku odrazu dopadajúcej vlny alebo žiarenia dvoch koherentných vĺn; 3) odraz a prenos vlny (jediný impulz, sled) cez rozhranie medzi dvoma médiami; 4) štúdium závislosti vlnovej dĺžky od frekvencie a rýchlosti šírenia; 5) pozorovanie zmeny fázy odrazenej vlny pri p pri odraze od prostredia, v ktorom je rýchlosť vlny menšia.

2.2 Problém 2. Modelovanie procesov autovln

1. Cieľ: Existuje dvojrozmerné aktívne prostredie pozostávajúce z prvkov, z ktorých každý môže byť v troch rôznych stavoch: odpočinok, vzrušenie a odolnosť. Pri absencii vonkajšieho vplyvu je prvok v pokoji. V dôsledku expozície prvok prechádza do excitovaného stavu, pričom získava schopnosť excitovať susedné prvky. Po určitom čase po vybudení sa prvok prepne do stavu žiaruvzdornosti, v ktorom ho nemožno vybudiť. Potom sa prvok sám vráti do svojho pôvodného stavu pokoja, to znamená, že opäť získa schopnosť prejsť do vzrušeného stavu. Je potrebné simulovať procesy prebiehajúce v dvojrozmernom aktívnom prostredí pri rôznych parametroch prostredia a počiatočnom rozložení excitovaných prvkov.

2. Teória. Zvážte zovšeobecnený Wiener-Rosenbluthov model. Rozdeľme mentálne obrazovku počítača na prvky určené indexmi i, j a tvoriace dvojrozmernú sieť. Nech je stav každého prvku opísaný fázou yi, j (t) a koncentráciou aktivátora uij (t), kde t je diskrétny časový okamih.

Ak je prvok v pokoji, potom budeme predpokladať, že yi, j (t) = 0. Ak v dôsledku blízkosti excitovaných prvkov koncentrácia aktivátora uij (t) dosiahne prahovú hodnotu h, potom je prvok vzrušený a prejde do stavu 1. Potom sa v ďalšom kroku prepne do stavu 2, potom do stavu 3 atď., pričom zostane vzrušený. Po dosiahnutí stavu r prvok prechádza do stavu žiaruvzdornosti. V (s - r) krokoch po vybudení sa prvok vracia do pokojového stavu.

Budeme predpokladať, že pri prechode zo stavu s do pokojového stavu 0 sa koncentrácia aktivátora rovná 0. V prítomnosti susedného prvku v excitovanom stave sa zvýši o 1. Ak je excitovaných p najbližších susedov, potom v zodpovedajúcom kroku, k predchádzajúcej hodnote koncentrácie aktivátora, počet excitovaných susedov:

uij (t + Дt) = uij (t) + p.

Môžete sa obmedziť na zohľadnenie najbližších ôsmich susedných prvkov.

3. Algoritmus. Na simuláciu autovlnových procesov v aktívnom médiu je potrebné zostaviť časový cyklus, v ktorom sa vypočítajú fázy prvkov média v nasledujúcich časoch a koncentrácia aktivátora, predchádzajúca distribúcia excitovaných prvkov sa vymaže. a je postavená nová. Algoritmus modelu je uvedený nižšie.

1. Uvádza sa počet prvkov aktívneho prostredia, jeho parametre s, r, h a počiatočné rozloženie excitovaných prvkov.

2. Začiatok cyklu o t. Je daný časový prírastok: premennej t je priradená hodnota t + Dt.

3. Pretrieďte všetky prvky aktívneho média, určte ich fázy yi, j (t + Dt) a koncentráciu aktivátora ui, j (t + Dt) v momente t + Dt.

4. Vyčistite sito a vytvorte excitované prvky aktívneho média.

5. Návrat do prevádzky 2. Ak sa cyklus pozdĺž t skončil, opustite ho.

4. Počítačový program. Nižšie je uvedený program, ktorý simuluje aktívne prostredie a procesy v ňom prebiehajúce. Program špecifikuje počiatočné hodnoty fázy yi, j (t + Дt) všetkých prvkov aktívneho média a existuje aj cyklus v čase, v ktorom sú hodnoty yi, j (t + Дt ) sa vypočítajú v nasledujúcom okamihu t + Дt a výsledky sa zobrazia graficky na obrazovke. Parametre prostredia sú r = 6, s = 13, h = 5, to znamená, že každý prvok môže byť okrem pokojového stavu v 6 excitovaných stavoch a 7 stavoch žiaruvzdornosti. Prahová hodnota koncentrácie aktivátora je 5. Program zostrojí jednoramennú vlnu, oscilátor a prekážku.

Program PROGRAM2;

používa dos, crt, graf;

Konšt. N = 110; M = 90; s = 13; r = 6; h = 5;

Var y, yy, u: pole celého čísla;

ii, jj, j, k, Gd, Gm: celé číslo; i: Longint;

Gd: = detekcia; InitGraph (Gd, Gm, "c: \ bp \ bgi");

Ak GraphResult<>grOk potom Halt (1);

setcolor (8); setbkcolor (15);

(* y: = 1; (Jedna vlna) *)

Pre j: = 1 až 45 urob (vlna s jedným ramenom)

Pre i: = 1 až 13 platí y: = i;

(* Pre j: = 1 až M do (dvojramenná vlna)

Pre i: = 1 až 13 začnite y: = i;

Ak j > 40, potom y: = 14-i; koniec; *)

Ak k = okrúhle (k / 20) * 20, potom y: = 1; (Oscilátor 1)

(* Ak k = okrúhle (k / 30) * 30, potom y: = 1; (Oscilátor 2) *)

Pre i: = 2 až N-1 urobte Pre j: = 2 až M-1 do začnite

Ak (y > 0) a (y

Ak y = s, potom začne yy: = 0; u: = 0; koniec;

Ak r<>0 potom sa stretol;

Pre ii: = i-1 až i + 1 do Pre jj: = j-1 až j + 1 do zač.

Ak (y > 0) a (y<=r) then u:=u+1;

Ak u> = h, potom yy: = 1; koniec;

splnené: koniec; oneskorenie (2000); (meškanie)

Pre i: = 21 až 70 začnite

yy: = 0; yy: = 0; (nech)

kruh (6 * i-10 500-6 * 60,3); kruh (6 * i-10 500-6 * 61,3); koniec;

Pre i: = 1 až N do Pre j: = 1 do M do

začať y: = yy; nastaviť farbu (12);

Ak (y> = 1) a (y<=r) then circle(6*i-10,500-6*j,3);

Ak (y> 6) a (y<=s) then circle(6*i-10,500-6*j,2);

kým nestlačíte tlačidlo;

Záver

Takmer vo všetkých prírodných a spoločenských vedách je vytváranie a používanie modelov silným výskumným nástrojom. Skutočné objekty a procesy sú také mnohostranné a zložité, že najlepším spôsobom, ako ich študovať, je zostaviť model, ktorý odráža len určitú časť reality, a preto je mnohokrát jednoduchší ako táto realita. Predmetom výskumu a vývoja informatiky je metodológia informačného modelovania spojená s využívaním výpočtovej techniky a techniky. V tomto zmysle hovoria o počítačovom modelovaní. Interdisciplinárny význam informatiky sa vo veľkej miere prejavuje práve zavádzaním počítačového modelovania do rôznych vedných a aplikovaných oblastí: fyzika a technika, biológia a medicína, ekonómia, manažment a mnohé ďalšie.

V súčasnosti s rozvojom výpočtovej techniky a zdražovaním komponentov experimentálnych inštalácií výrazne rastie úloha počítačového modelovania vo fyzike. Niet pochýb o potrebe vizuálnej demonštrácie závislostí študovaných v procese učenia pre ich lepšie pochopenie a zapamätanie. Relevantné je aj vyučovanie študentov vo vzdelávacích inštitúciách základom počítačovej gramotnosti a počítačového modelovania. Počítačové modelovanie v oblasti fyziky je v súčasnosti veľmi populárnou formou vzdelávania.

Bibliografia

1. Boev V.D., Sypchenko R.P., Počítačové modelovanie. - INTUIT.RU, 2010 .-- 349 s.

2. Bulavin L.A., Vygornitskiy N.V., Lebovka N.I. Počítačové modelovanie fyzikálnych systémov. - Dolgoprudny: Vydavateľstvo "Intellect", 2011. - 352 s.

3. Gould H., Tobochnik J. Počítačové modelovanie vo fyzike: V 2 častiach. Časť prvá. - M .: Mir, 2003 .-- 400 s.

4. Desnenko S.I., Desnenko M.A. Modelovanie vo fyzike: Vzdelávacie

Metodická príručka: Za 2 hodiny - Chita: Vydavateľstvo ZabGPU, 2003. - I. časť - 53 s.

5. Kuznecovová Yu.V. Špeciálny kurz "Počítačové modelovanie vo fyzike" / Yu.V. Kuznetsova // Fyzika v škole. - 2008. - č. 6. - 41 str.

6. Lychkina N.N. Súčasné trendy v simulačnom modelovaní. - Univerzitný bulletin, séria Systémy riadenia informácií №2 - M., GUU., 2000. - 136 s.

7. Maxwell JK Články a prejavy. Moskva: Nauka, 2008 .-- 422 s.

8. Novik I.B. Modelovanie a jeho úloha v prírodných vedách a technike. - M., 2004.-364 s.

9. Newton I. Matematické princípy prírodnej filozofie / Per. A.N. Krylová, 2006 .-- 23 s.

10. Razumovskaya N.V. Počítač na hodinách fyziky / N.V. Razumovskaya // Fyzika v škole. - 2004. - č.3. - s. 51-56

11. Razumovskaya N.V. Počítačové modelovanie vo vzdelávacom procese: Avtoref. dis. Cand. ped. Vedy / N.V. Razumovskaya-SPb., 2002 .-- 19 s.

12. Tarasevič Yu.Yu. Matematické a počítačové modelovanie. AST-Press, 2004 .-- 211 s.

13. Tolstik AM Úloha počítačového experimentu v telesnej výchove. Telesná výchova na vysokých školách, v. 8, č. 2, 2002, s. 94-102

Uverejnené na Allbest.ru

Podobné dokumenty

Všeobecné informácie o matematických modeloch a počítačovom modelovaní. Neformálny prechod od uvažovaného technického objektu k jeho konštrukčnej schéme. Príklady počítačového modelovania najjednoduchších typických biotechnologických procesov a systémov.

abstrakt pridaný 24.03.2015


Počítačová simulácia je druh technológie. Analýza elektrických procesov v obvodoch druhého rádu s vonkajším vplyvom pomocou počítačového simulačného systému. Numerické metódy aproximácie a interpolácie a ich implementácia v Mathcad a Matlab.

semestrálna práca, pridaná 21.12.2013


Hodnota počítačového modelovania, predpovedanie udalostí spojených s objektom modelovania. Zbierka vzájomne súvisiacich prvkov, ktoré sú dôležité pre účely modelovania. Vlastnosti modelovania, znalosť programovacieho prostredia Turbo Pascal.

semestrálna práca, pridaná 17.05.2011


Úvod do internetových technológií a počítačovej simulácie. Tvorba WEB stránok pomocou HTML. Tvorba dynamických WEB stránok pomocou JavaScriptu. Práca s grafikou v Adobe Photoshop a Flash CS. Základy počítačového modelovania.

prezentácia pridaná 25.09.2013


Modelovanie termodynamického systému s rozloženými parametrami, náhodnými procesmi a systémami. Štatistické (imitačné) modelovanie fyzikálnych procesov, jeho výsledky. Počítačová simulácia riadiacich systémov pomocou balíka VisSim.

manuál, pridaný dňa 24.10.2012


Vytvárajte webové stránky pomocou HTML, pomocou JavaScriptu a PHP. Práca s grafikou v Adobe Photoshop a Flash CS. Databázy a PHP. Príklad implementácie „Ekonometrického modelu ruskej ekonomiky“ na webe. Základy počítačového modelovania.

prezentácia pridaná 25.09.2013


Základné pojmy počítačového modelovania. Funkčná schéma robota. Systémy počítačovej matematiky. Skúmanie správania sa jedného článku robota pomocou systému MathCAD. Vplyv hodnôt premenného parametra na amplitúdu uhla natočenia.

semestrálna práca, pridaná 26.03.2013


Pojmy štruktúrovaného programovania a algoritmus riešenia problému. Stručná história vývoja programovacích jazykov od strojových jazykov po jazyky symbolických inštrukcií a jazyky na vysokej úrovni. Procedurálne programovanie v C #. Metódy a softvér na modelovanie.

návod, pridaný 26.10.2010


Štúdium metódy matematického modelovania mimoriadnej udalosti. Modely makrokinetiky premeny látok a energetických tokov. Simulačné modelovanie. Proces vytvárania matematického modelu. Štruktúra modelových incidentov v technosfére.

abstrakt, pridaný 03.05.2017


Pojem počítačový a informačný model. Úlohy počítačového modelovania. Deduktívne a induktívne princípy modelov stavieb, technológia ich konštrukcie. Etapy vývoja a výskumu modelov na počítači. Simulačná metóda.

Alebo súbor interagujúcich počítačov (výpočtových uzlov), ktorý implementuje reprezentáciu objektu, systému alebo konceptu vo forme odlišnej od skutočnej, ale blízkej algoritmickému popisu, vrátane súboru údajov charakterizujúcich vlastnosti systému a dynamiku ich zmeny v čase.

Collegiate YouTube

1 / 3

✪ 3D modelovacie programy pre začiatočníkov. Druhá časť

✪ Program na počítačové modelovanie odevov InvenTexStudio 2010

✪ Počítačové programy v dizajnérskej práci: čo a prečo sú potrebné

titulky

O počítačovom modelovaní

Počítačové modely sa stali bežným nástrojom matematického modelovania a využívajú sa vo fyzike, astrofyzike, mechanike, chémii, biológii, ekonómii, sociológii, meteorológii, iných vedách a aplikovaných problémoch v rôznych oblastiach rádioelektroniky, strojárstva, automobilového priemyslu atď. Počítačové modely sa používajú na získanie nových poznatkov o objekte alebo na približné posúdenie správania systémov, ktoré sú príliš zložité na analytický výskum.

Počítačová simulácia je jednou z najúčinnejších metód na štúdium zložitých systémov. Počítačové modely sú jednoduchšie a pohodlnejšie na štúdium vďaka ich schopnosti vykonávať tzv. výpočtové experimenty v prípadoch, keď sú skutočné experimenty náročné z dôvodu finančných alebo fyzických prekážok alebo môžu poskytnúť nepredvídateľné výsledky. Konzistentnosť a formalizácia počítačových modelov umožňuje určiť hlavné faktory, ktoré určujú vlastnosti pôvodného objektu (alebo celej triedy objektov), ​​najmä študovať odozvu simulovaného fyzikálneho systému na zmeny v jeho parametre a počiatočné podmienky.

Konštrukcia počítačového modelu je založená na abstrakcii od špecifickej povahy javu alebo študovaného pôvodného objektu a pozostáva z dvoch etáp - po prvé, vytvorenie kvalitatívneho a potom kvantitatívneho modelu. Čím výraznejšie vlastnosti sa identifikujú a prenesú do počítačového modelu, tým viac sa bude blížiť skutočnému modelu, tým viac možností môže mať systém využívajúci tento model. Počítačové modelovanie na druhej strane spočíva vo vykonávaní série výpočtových experimentov na počítači, ktorých účelom je analyzovať, interpretovať a porovnávať výsledky simulácie so skutočným správaním sa skúmaného objektu a v prípade potreby ďalej vylepšiť model atď.

Rozlišujte medzi analytickým a simulačným modelovaním. V analytickom modelovaní sa študujú matematické (abstraktné) modely reálneho objektu vo forme algebraických, diferenciálnych a iných rovníc, ako aj zabezpečenie implementácie jednoznačného výpočtového postupu vedúceho k ich presnému riešeniu. Pri imitácii modelovania sa matematické modely skúmajú vo forme algoritmu (algoritmov), ktorý reprodukuje fungovanie skúmaného systému postupným vykonávaním veľkého počtu základných operácií.

Výhody počítačovej simulácie

Počítačové modelovanie umožňuje:

• rozšíriť okruh výskumných objektov - je možné študovať neopakujúce sa javy, javy minulosti a budúcnosti, objekty, ktoré sa nereprodukujú v reálnych podmienkach;
• vizualizovať predmety akejkoľvek povahy, vrátane abstraktných;
• skúmať javy a procesy v dynamike ich nasadenia;
• riadiť čas (zrýchliť, spomaliť atď.);
• vykonať viacero testov modelu, zakaždým ho vrátiť do pôvodného stavu;
• získať rôzne charakteristiky objektu v číselnej alebo grafickej podobe;
• nájsť optimálny dizajn objektu bez vytvárania skúšobných vzoriek;
• vykonávať experimenty bez rizika negatívnych dôsledkov na ľudské zdravie alebo životné prostredie.

Hlavné fázy počítačového modelovania

Umelecké meno	Vykonávanie akcií
1. Stanovenie problému a jeho analýza	1.1. Zistite, za akým účelom sa model vytvára. 1.2. Ujasnite si, aké počiatočné výsledky a v akej forme by sa mali dosiahnuť. 1.3. Zistite, aké vstupné údaje sú potrebné na vytvorenie modelu.
2. Budovanie informačného modelu	2.1. Určite parametre modelu a identifikujte vzťah medzi nimi. 2.2. Posúďte, ktoré z parametrov majú pre danú úlohu vplyv a ktoré možno zanedbať. 2.3. Matematicky opíšte vzťah medzi parametrami modelu.
3. Vývoj metódy a algoritmu na implementáciu počítačového modelu	3.1. Vyberte alebo vytvorte metódu na získanie počiatočných výsledkov. 3.2. Zostavte algoritmus na získanie výsledkov podľa zvolených metód. 3.3. Skontrolujte správnosť algoritmu.
4. Vývoj počítačového modelu	4.1. Vyberte prostriedky softvérovej implementácie algoritmu na počítači. 4.2. Vytvorte počítačový model. 4.3. Skontrolujte správnosť vytvoreného počítačového modelu.
5. Uskutočnenie experimentu	5.1. Vypracujte plán výskumu. 5.2. Vykonajte experiment na základe vytvoreného počítačového modelu. 5.3. Analyzujte získané výsledky. 5.4. Vyvodiť závery o vlastnostiach modelu prototypu.

V procese vykonávania experimentu môže byť jasné, čo je potrebné:

• upraviť výskumný plán;
• zvoliť inú metódu riešenia problému;
• zlepšiť algoritmus na získanie výsledkov;
• objasniť informačný model;
• vykonajte zmeny vo vyhlásení o probléme.

V tomto prípade dôjde k návratu do zodpovedajúcej fázy a proces sa spustí znova.

Praktické využitie

Počítačové modelovanie sa používa pre širokú škálu úloh, ako napríklad:

• analýza šírenia znečisťujúcich látok v atmosfére;
• navrhovanie protihlukových bariér na boj proti hluku;
• výstavby

POČÍTAČOVÉ MODELOVANIE(angl. computational simulation), konštrukcia symbolického [viď. Symbolické modelovanie(s-modeling)] a fyzikálne modely predmetov študovaných vo vede (fyzika, chémia atď.), vytvorené v technike (napr. lietadlá, robotika), medicíne (napr. implantológia, tomografia), umení (napr. v architektúre , hudba) a ďalšie oblasti ľudskej činnosti.

K. m. Umožňuje výrazne znížiť náklady na vývoj modelov v porovnaní s nepočítačovými metódami modelovania a vykonávania testov v plnom rozsahu. Umožňuje zostaviť symbolické počítačové modely objektov, pre ktoré nie je možné zostaviť fyzikálne modely (napríklad modely objektov študovaných v klimatológii). Slúži ako efektívny nástroj na modelovanie zložitých systémov v technike, ekonomike a iných oblastiach činnosti. Je technologickým základom systémov počítačom podporovaného projektovania (CAD).

Fyzické počítačové modely sú vyrábané na základe symbolických modelov a sú prototypmi simulovaných objektov (častí a zostáv strojov, stavebných konštrukcií a pod.). Na výrobu prototypov možno použiť 3D tlačiarne, ktoré implementujú technológie vrstvenia nerovinných objektov. Modely symbolických prototypov je možné vytvárať pomocou CAD systémov, 3D skenerov alebo digitálnych fotoaparátov a fotogrametrického softvéru.

Systém počtu m. je komplex človek-stroj, v ktorom sa konštrukcia modelov vykonáva pomocou počítačových programov, ktoré implementujú matematické (pozri. Matematické modelovanie) a expertné (napr. simulačné) metódy modelovania. V režime výpočtového experimentu má výskumník možnosť zmenou počiatočných údajov v relatívne krátkom čase získať a uložiť do počítačového simulačného systému veľké množstvo variantov objektového modelu.

Objasnenie predstáv o skúmanom objekte a zdokonalenie metód jeho modelovania si môže vyžiadať zmenu programového vybavenia počítačového modelovacieho systému, pričom hardvér môže zostať nezmenený.

Vysoký výkon počítačového modelovania vo vede, technike a iných oblastiach činnosti stimuluje vývoj hardvéru (vrátane superpočítačov) a softvéru [vrátane inštrumentálnych systémov (pozri. Prístrojový systém v informatike) vývoj paralelných programov pre superpočítače].

Počítačové modely sú v súčasnosti rýchlo rastúcou súčasťou arzenálu.