Pemodelan komputer sebagai metode penelitian. Abstraksi dalam pemodelan. Pemodelan: inti dari proses

, astrofisika, mekanika, kimia, biologi, ekonomi, sosiologi, meteorologi, ilmu-ilmu lain dan masalah terapan di berbagai bidang elektronik radio, teknik mesin, industri otomotif, dll. Model komputer digunakan untuk memperoleh pengetahuan baru tentang objek yang dimodelkan atau untuk memperkirakan perilaku sistem yang terlalu kompleks untuk dipelajari secara analitis.

Konstruksi model komputer didasarkan pada abstraksi dari sifat spesifik fenomena atau objek asli yang diteliti dan terdiri dari dua tahap - pertama pembuatan model kualitatif dan kemudian model kuantitatif. Pemodelan komputer terdiri dari serangkaian percobaan komputasi pada komputer, yang tujuannya adalah untuk menganalisis, menafsirkan dan membandingkan hasil pemodelan dengan perilaku nyata dari objek yang diteliti dan, jika perlu, penyempurnaan model selanjutnya, dll.

Tahapan utama pemodelan komputer meliputi:

Ada pemodelan analitis dan simulasi. Dalam pemodelan analitik, model matematis (abstrak) suatu objek nyata dipelajari dalam bentuk persamaan aljabar, diferensial, dan persamaan lainnya, serta melibatkan penerapan prosedur komputasi yang tidak ambigu yang mengarah pada solusi eksaknya. Dalam pemodelan simulasi, model matematika dipelajari dalam bentuk algoritma yang mereproduksi fungsi sistem yang diteliti dengan melakukan sejumlah besar operasi dasar secara berurutan.

Penerapan Praktis

Simulasi komputer digunakan untuk berbagai tugas, seperti:

  • analisis sebaran polutan di atmosfer
  • merancang penghalang kebisingan untuk memerangi polusi suara
  • desain kendaraan
  • simulator penerbangan untuk pelatihan pilot
  • prakiraan cuaca
  • emulasi pengoperasian perangkat elektronik lainnya
  • meramalkan harga di pasar keuangan
  • studi tentang perilaku bangunan, struktur dan bagian di bawah beban mekanis
  • memprediksi kekuatan struktur dan mekanisme penghancurannya
  • desain proses produksi, misalnya kimia
  • manajemen strategis organisasi
  • studi tentang perilaku sistem hidrolik: pipa minyak, pipa air
  • pemodelan robot dan manipulator otomatis
  • pemodelan skenario pembangunan perkotaan
  • pemodelan sistem transportasi
  • tes kecelakaan simulasi
  • memodelkan hasil operasi plastik

Berbagai bidang penerapan model komputer hadir persyaratan yang berbeda untuk keandalan hasil yang diperoleh dengan bantuan mereka. Dibutuhkan pemodelan bangunan dan bagian-bagian pesawat presisi tinggi dan tingkat kepercayaan, sedangkan model evolusi kota dan sistem sosial ekonomi digunakan untuk memperoleh hasil perkiraan atau kualitatif.

Algoritma simulasi komputer

  • Metode rangkaian komponen
  • Nyatakan metode variabel

Lihat juga

Tautan


Yayasan Wikimedia.

2010.


Mari kita mulai dengan definisi kata modeling.

Pemodelan adalah proses membangun dan menggunakan model. Model dipahami sebagai suatu benda material atau abstrak yang dalam proses pembelajaran menggantikan benda aslinya dengan tetap mempertahankan sifat-sifatnya yang penting bagi penelitian ini.

Pemodelan komputer sebagai metode kognisi didasarkan pada pemodelan matematika. Model matematika adalah suatu sistem hubungan matematika (rumus, persamaan, pertidaksamaan dan tanda ekspresi logis) mencerminkan sifat-sifat esensial dari objek atau fenomena yang sedang dipelajari.

Sangat jarang model matematika dapat digunakan untuk perhitungan tertentu tanpa menggunakannya teknologi komputer, yang pasti memerlukan pembuatan beberapa model komputer.

Mari kita lihat proses pemodelan komputer lebih detail.

2.2. Pengantar Pemodelan Komputer

Pemodelan komputer adalah salah satu metode efektif untuk mempelajari sistem yang kompleks. Model komputer lebih mudah dan nyaman untuk dipelajari karena kemampuannya untuk melakukan eksperimen komputasi dalam kasus di mana eksperimen nyata sulit dilakukan karena kendala keuangan atau fisik atau mungkin memberikan hasil yang tidak dapat diprediksi. Logika model komputer memungkinkan untuk mengidentifikasi faktor-faktor utama yang menentukan sifat-sifat objek asli yang diteliti (atau seluruh kelas objek), khususnya, untuk mempelajari respons dari objek yang disimulasikan. sistem fisik terhadap perubahan parameter dan kondisi awalnya.

Pemodelan komputer bagaimana metode baru riset ilmiah didasarkan pada:

1. Konstruksi model matematika untuk menggambarkan proses yang dipelajari;

2. Menggunakan yang terbaru komputer, dengan kinerja tinggi (jutaan operasi per detik) dan mampu berdialog dengan seseorang.

Membedakan analitis Dan imitasi pemodelan. Dalam pemodelan analitik, model matematis (abstrak) suatu objek nyata dipelajari dalam bentuk persamaan aljabar, diferensial, dan persamaan lainnya, serta melibatkan penerapan prosedur komputasi yang tidak ambigu yang mengarah pada solusi eksaknya. Dalam pemodelan simulasi, model matematika dipelajari dalam bentuk suatu algoritma yang mereproduksi fungsi sistem yang diteliti dengan melakukan sejumlah besar operasi dasar secara berurutan.

2.3. Membangun model komputer

Konstruksi model komputer didasarkan pada abstraksi dari sifat spesifik fenomena atau objek asli yang diteliti dan terdiri dari dua tahap - pertama pembuatan model kualitatif dan kemudian model kuantitatif. Pemodelan komputer terdiri dari serangkaian percobaan komputasi pada komputer, yang tujuannya adalah untuk menganalisis, menafsirkan dan membandingkan hasil pemodelan dengan perilaku nyata dari objek yang diteliti dan, jika perlu, penyempurnaan model selanjutnya, dll.

Jadi, Tahapan utama pemodelan komputer meliputi:

1. Rumusan masalah, definisi objek pemodelan:

pada pada tahap ini informasi dikumpulkan, pertanyaan dirumuskan, tujuan ditentukan, bentuk penyajian hasil, dan data dijelaskan.

2. Analisis dan penelitian sistem:

analisis sistem, deskripsi bermakna tentang objek, pengembangan model informasi, analisis teknis dan perangkat lunak, pengembangan struktur data, pengembangan model matematika.

3. Formalisasi, yaitu transisi ke model matematika, pembuatan algoritma:

memilih metode untuk merancang suatu algoritma, memilih bentuk penulisan algoritma, memilih metode pengujian, merancang suatu algoritma.

4. Pemrograman:

memilih bahasa pemrograman atau lingkungan aplikasi untuk pemodelan, memperjelas cara mengatur data, menulis algoritma dalam bahasa pemrograman yang dipilih (atau dalam lingkungan aplikasi).

5. Melakukan serangkaian eksperimen komputasi:

sintaks debugging, semantik dan struktur logis, perhitungan tes dan analisis hasil tes, finalisasi program.

6. Analisis dan interpretasi hasil:

modifikasi program atau model jika perlu.

Ada banyak paket perangkat lunak dan lingkungan yang memungkinkan Anda membangun dan mempelajari model:

Lingkungan grafis

Editor teks

Lingkungan pemrograman

Spreadsheet

Paket matematika

editor HTML

2.4. Eksperimen komputasi

Eksperimen adalah pengalaman yang dilakukan dengan suatu objek atau model. Ini terdiri dari melakukan tindakan tertentu untuk menentukan bagaimana sampel eksperimen bereaksi terhadap tindakan ini. Eksperimen komputasi melibatkan melakukan perhitungan menggunakan model yang diformalkan.

Penggunaan model komputer yang mengimplementasikan model matematika mirip dengan melakukan eksperimen dengan objek nyata, hanya saja sebagai pengganti eksperimen nyata dengan suatu objek, dilakukan eksperimen komputasi dengan modelnya. Dengan menentukan serangkaian nilai tertentu parameter awal model, sebagai hasil eksperimen komputasi, memperoleh sekumpulan nilai tertentu dari parameter yang diperlukan, mempelajari sifat-sifat objek atau proses, dan menemukannya parameter optimal dan mode pengoperasian, tentukan modelnya. Misalnya, dengan memiliki persamaan yang menggambarkan jalannya suatu proses tertentu, Anda dapat, dengan mengubah koefisien, kondisi awal dan batasnya, mempelajari bagaimana suatu benda akan berperilaku. Selain itu, dimungkinkan untuk memprediksi perilaku suatu objek kondisi yang berbeda. Untuk mempelajari perilaku suatu objek dengan kumpulan data awal yang baru, perlu dilakukan eksperimen komputasi baru.

Untuk memeriksa kecukupan model matematika dan objek nyata, proses atau sistem, hasil penelitian komputer dibandingkan dengan hasil percobaan pada prototipe model skala penuh. Hasil tes digunakan untuk menyesuaikan model matematika atau pertanyaan tentang penerapan model matematika yang dibangun untuk desain atau penelitian diselesaikan objek yang diberikan, proses atau sistem.

Eksperimen komputasi memungkinkan Anda mengganti eksperimen skala penuh yang mahal dengan perhitungan komputer. Hal ini memungkinkan, dalam waktu singkat dan tanpa biaya material yang signifikan, untuk mempelajari sejumlah besar opsi untuk objek atau proses yang dirancang mode yang berbeda pengoperasiannya, yang secara signifikan mengurangi waktu pengembangan sistem yang kompleks dan implementasinya dalam produksi.

2.5. Simulasi di berbagai lingkungan

2.5.1. Simulasi dalam lingkungan pemrograman

Pemodelan dalam lingkungan pemrograman mencakup tahapan utama pemodelan komputer. Pada tahap membangun model informasi dan algoritma, perlu ditentukan besaran mana yang menjadi parameter masukan dan mana hasil, serta menentukan jenis besaran tersebut. Jika perlu, suatu algoritma dibuat dalam bentuk diagram blok, yang ditulis dalam bahasa pemrograman yang dipilih. Setelah ini, percobaan komputasi dilakukan. Untuk melakukan ini, Anda perlu mengunduh program ke RAM komputer dan menjalankannya. Eksperimen komputer harus mencakup analisis hasil yang diperoleh, yang menjadi dasar penyesuaian semua tahapan pemecahan masalah (model matematika, algoritma, program). Salah satu tahapan yang paling penting sedang menguji algoritma dan program.

Men-debug suatu program (istilah bahasa Inggris debugging berarti "menangkap bug" muncul pada tahun 1945, ketika rangkaian listrik salah satu komputer Mark-1 pertama terkena ngengat dan memblokir salah satu dari ribuan relay) - ini adalah proses menemukan dan menghilangkan kesalahan dalam program, yang dilakukan berdasarkan hasil eksperimen komputasi. Selama debugging, lokalisasi dan eliminasi terjadi kesalahan sintaksis dan kesalahan pengkodean yang jelas.

Secara modern sistem perangkat lunak debugging dilakukan dengan menggunakan alat perangkat lunak khusus yang disebut debugger.

Pengujian adalah memeriksa kebenaran pengoperasian program secara keseluruhan atau komponen-komponennya. Proses pengujian memeriksa fungsionalitas program dan tidak mengandung kesalahan yang jelas.

Tidak peduli seberapa hati-hati program tersebut di-debug, tahap penentu yang menentukan kesesuaiannya untuk bekerja adalah memantau program berdasarkan hasil pelaksanaannya pada sistem pengujian. Suatu program dapat dianggap benar jika, untuk sistem data masukan pengujian yang dipilih, hasil yang benar diperoleh dalam semua kasus.

2.5.2. Pemodelan di Spreadsheet

Simulasi di spreadsheet mencakup kelas masalah yang sangat luas di berbagai bidang bidang studi. Spreadsheet – alat serbaguna, memungkinkan Anda dengan cepat melakukan pekerjaan penghitungan dan penghitungan ulang yang memakan waktu karakteristik kuantitatif obyek. Saat memodelkan menggunakan spreadsheet, algoritme untuk memecahkan masalah agak berubah, bersembunyi di balik kebutuhan untuk mengembangkan antarmuka komputasi. Tahap debugging dipertahankan, termasuk penghapusan kesalahan data dalam koneksi antar sel dan dalam rumus komputasi. ada juga tugas tambahan: mengerjakan kenyamanan presentasi di layar dan, jika perlu untuk menampilkan data yang diterima di atas kertas, pada penempatannya di lembaran.

Proses pemodelan spreadsheet dilakukan dengan menggunakan skema umum: tujuan ditentukan, karakteristik dan hubungan diidentifikasi, dan model matematika disusun. Ciri-ciri model tentu ditentukan oleh tujuannya: awal (mempengaruhi perilaku model), perantara, dan apa yang ingin diperoleh sebagai hasilnya. Terkadang representasi suatu objek dilengkapi dengan diagram dan gambar.

Pemodelan adalah salah satu cara untuk memahami dunia.

Konsep pemodelan cukup kompleks; mencakup berbagai macam metode pemodelan: mulai dari pembuatan model alami (salinan objek nyata yang diperkecil dan atau diperbesar) hingga memperoleh rumus matematika.

Cocok untuk berbagai fenomena dan proses cara yang berbeda pemodelan untuk tujuan penelitian dan pengetahuan.

Benda yang diperoleh dari hasil pemodelan disebut model. Harus jelas bahwa ini belum tentu merupakan benda nyata. Bisa jadi rumus matematika, representasi grafis, dll. Namun, ini mungkin menggantikan yang asli ketika mempelajarinya dan menggambarkan perilaku.

Meskipun suatu model dapat merupakan salinan persis dari model aslinya, sering kali model tersebut menciptakan kembali beberapa elemen yang penting untuk suatu penelitian tertentu, dan mengabaikan sisanya. Ini menyederhanakan model. Namun di sisi lain, untuk membuat model - salinan persisnya asli - bisa menjadi tugas yang benar-benar tidak realistis. Misalnya jika perilaku suatu objek dalam kondisi luar angkasa disimulasikan. Kita dapat mengatakan bahwa modelnya adalah cara tertentu deskripsi dunia nyata.

Pemodelan melewati tiga tahap:

  1. Membuat model.
  2. Mempelajari modelnya.
  3. Penerapan hasil penelitian dalam praktik dan/atau perumusan kesimpulan teoritis.

Jenis pemodelan jumlah yang sangat besar. Berikut beberapa contoh tipe model:

Model matematika. Ini adalah model ikonik yang menggambarkan hubungan numerik tertentu.

Model grafis. Representasi visual objek yang begitu kompleks sehingga mendeskripsikannya dengan cara lain tidak memberikan pemahaman yang jelas kepada seseorang. Di sini kejelasan model dikedepankan.

Model simulasi. Mereka memungkinkan Anda mengamati perubahan perilaku elemen sistem model dan melakukan eksperimen dengan mengubah beberapa parameter model.

Spesialis dari berbagai bidang dapat mengerjakan pembuatan model, karena Dalam pemodelan, peran koneksi interdisipliner cukup besar.

Fitur pemodelan komputer

Peningkatan teknologi komputasi dan distribusi luas komputer pribadi pemodelan telah membuka prospek besar untuk mempelajari proses dan fenomena dunia sekitar, termasuk masyarakat manusia.

Pemodelan komputer sampai batas tertentu sama dengan pemodelan yang dijelaskan di atas, tetapi dilaksanakan dengan bantuan teknologi komputer.

Untuk pemodelan komputer, penting untuk memiliki perangkat lunak tertentu.

Pada saat yang sama, perangkat lunak yang dapat digunakan untuk melakukan pemodelan komputer bisa sangat universal (misalnya, teks biasa dan GPU), dan yang sangat khusus, ditujukan hanya untuk jenis pemodelan tertentu.

Sangat sering komputer digunakan untuk pemodelan matematika. Di sini peran mereka sangat berharga dalam melakukan operasi numerik, sedangkan analisis masalah biasanya berada di pundak seseorang.

Biasanya dalam simulasi komputer berbagai jenis simulasi saling melengkapi. Jadi, jika rumus matematikanya sangat kompleks, sehingga tidak memberikan gambaran yang jelas tentang proses yang dijelaskannya, maka model grafis dan simulasi dapat membantu. Visualisasi komputer bisa jauh lebih murah daripada membuat model alami.

Dengan munculnya komputer yang kuat menyebar pemodelan grafis berdasarkan sistem rekayasa untuk membuat gambar, diagram, grafik.

Topik 4. model komputer

Dengan berkembangnya teknologi komputer, peran pemodelan komputer dalam memecahkan masalah-masalah terapan dan ilmiah menjadi semakin penting. Untuk melaksanakan eksperimen komputer model matematika yang sesuai dibangun dan alat pengembangan perangkat lunak yang sesuai dipilih. Pemilihan bahasa pemrograman mempunyai pengaruh yang sangat besar terhadap implementasi model yang dihasilkan.

Secara tradisional, pemodelan komputer hanya berarti pemodelan simulasi. Namun dapat dilihat bahwa dalam pemodelan jenis lain, komputer bisa sangat berguna, dengan pengecualian mungkin pemodelan fisik, dimana komputer sebenarnya juga dapat digunakan, melainkan untuk keperluan pengelolaan proses pemodelan. Misalnya, dalam pemodelan matematika, melakukan salah satu tahapan utama - membangun model matematika berdasarkan data eksperimen - saat ini tidak terpikirkan tanpa komputer. DI DALAM beberapa tahun terakhir, berkat perkembangannya GUI dan paket grafis, komputer, pemodelan struktural dan fungsional telah mendapat perkembangan luas, yang akan kita bahas secara rinci di bawah. Penggunaan komputer telah dimulai bahkan dalam pemodelan konseptual, yang digunakan, misalnya, dalam membangun sistem kecerdasan buatan.

Oleh karena itu, kita melihat bahwa konsep “pemodelan komputer” jauh lebih luas daripada konsep tradisional “pemodelan komputer” dan perlu diperjelas dengan mempertimbangkan realitas saat ini.
Mari kita mulai dengan istilah " model komputer".

Saat ini model komputer paling sering dipahami sebagai:

  • gambar bersyarat dari suatu objek atau sistem objek (atau proses), yang dijelaskan menggunakan interkoneksi meja komputer, diagram alur, diagram, grafik, gambar, fragmen animasi, hypertext, dll. serta menampilkan struktur dan hubungan antar elemen suatu objek. Kami akan menyebut model komputer jenis ini struktural-fungsional;
  • program terpisah, satu set program, paket perangkat lunak, yang memungkinkan, menggunakan urutan perhitungan dan tampilan grafis hasilnya, mereproduksi (mensimulasikan) proses berfungsinya suatu objek, sistem objek, tergantung pada pengaruh berbagai faktor, biasanya acak, pada objek. Kami selanjutnya akan menyebut model tersebut sebagai model simulasi.

Simulasi komputer- metode untuk memecahkan masalah analisis atau sintesis sistem yang kompleks berdasarkan penggunaan model komputernya.

Inti dari pemodelan komputer adalah memperoleh hasil kuantitatif dan kualitatif dari model yang ada. Kesimpulan kualitatif yang diperoleh dari hasil analisis memungkinkan untuk menemukan sifat-sifat yang sebelumnya tidak diketahui dari suatu sistem yang kompleks: strukturnya, dinamika perkembangan, stabilitas, integritas, dll. Kesimpulan kuantitatif terutama bersifat ramalan untuk beberapa masa depan atau penjelasan nilai masa lalu dari variabel yang mencirikan sistem. Simulasi komputer untuk kelahiran informasi baru menggunakan informasi apa pun yang dapat diperbarui menggunakan komputer.


Fungsi dasar komputer untuk pemodelan:

  • memainkan peran bantuan untuk menyelesaikan permasalahan yang diselesaikan dengan cara konvensional sarana komputasi, algoritma, teknologi;
  • bertindak sebagai sarana untuk menetapkan dan memecahkan masalah baru yang tidak dapat diselesaikan dengan cara, algoritma, dan teknologi tradisional;
  • bertindak sebagai sarana untuk membangun lingkungan pengajaran dan pemodelan komputer;
  • bertindak sebagai alat pemodelan untuk memperoleh pengetahuan baru;
  • melakukan peran “melatih” model-model baru (model belajar mandiri).

Salah satu jenis pemodelan komputer adalah eksperimen komputasi.
model komputer adalah model dari suatu proses atau fenomena nyata, yang diimplementasikan melalui sarana komputer. Jika keadaan sistem berubah seiring waktu, maka modelnya disebut dinamis, V jika tidak - statis.

Proses-proses dalam suatu sistem dapat terjadi secara berbeda-beda tergantung pada kondisi dimana sistem tersebut berada. Pantau perilaku sistem nyata dalam kondisi yang berbeda hal ini bisa jadi sulit dan terkadang tidak mungkin. Dalam kasus seperti itu, setelah membuat model, Anda dapat berulang kali kembali ke keadaan awal dan mengamati perilakunya. Metode mempelajari sistem ini disebut pemodelan simulasi.

Contoh pemodelan simulasi adalah perhitungan bilangan = 3.1415922653... dengan menggunakan metode Monte Carlo. Metode ini memungkinkan Anda untuk menentukan luas dan volume bangun (benda) yang sulit dihitung dengan metode lain. Misalkan Anda ingin menentukan luas lingkaran. Mari kita gambarkan sebuah persegi di sekelilingnya (luasnya, seperti diketahui, sama dengan kuadrat sisinya) dan kita akan acak melempar titik-titik ke dalam kotak, setiap kali memeriksa apakah titik tersebut jatuh ke dalam lingkaran atau tidak. Pada jumlah besar titik, perbandingan luas lingkaran dengan luas persegi akan cenderung pada perbandingan jumlah titik yang jatuh ke dalam lingkaran dengan jumlah titik yang dilempar.

Landasan teori Metode ini telah dikenal sejak lama, namun sebelum munculnya komputer, metode ini belum dapat diterapkan secara luas, karena pemodelan variabel acak secara manual merupakan pekerjaan yang sangat memakan waktu. Nama metode ini berasal dari kota Monte Carlo di Principality of Monaco yang terkenal dengan rumah judinya, karena salah satu alat mekanis untuk memperoleh variabel acak adalah roulette.

Perlu diperhatikan bahwa cara menghitung luas lingkaran ini akan memberikan hasil yang benar hanya jika titik-titiknya tidak hanya secara kebetulan, tapi juga rata tersebar di seluruh alun-alun. Untuk memodelkan bilangan acak yang terdistribusi secara merata dalam rentang 0 hingga 1, gunakan sensor angka acak- spesial program komputer. Faktanya, angka-angka ini ditentukan oleh suatu algoritma dan oleh karena itu angka-angka tersebut tidak sepenuhnya acak. Angka-angka yang diperoleh dengan cara ini sering disebut acak semu. Pertanyaan tentang kualitas sensor bilangan acak sangat sulit, namun tidak terlalu sulit untuk dipecahkan tugas yang kompleks Kemampuan sensor yang dibangun pada sebagian besar sistem pemrograman dan spreadsheet biasanya sudah memadai.

Perhatikan bahwa memiliki sensor bilangan acak terdistribusi merata yang menghasilkan bilangan r dari interval )

  • Sergei Savenkov

    semacam ulasan "pendek"... seolah-olah mereka sedang terburu-buru di suatu tempat