Формы представления моделей

 

     Содержание  

     Введение…………………………………………………………3

     Глава 1. Понятие модели и моделирования. Формы представления  и свойства моделей……………………………………………………….4-13

     1.1. Моделирование……………………………………………...4-7

     1.2. Формы представления моделей.  Формализация………….7-9

     1.3. Визуализация формальных моделей………………………10-11

     1.4.Свойства  моделей…………………………………………...12-13 

     Глава 2. Классификация  представления моделей……………..14-21

     2.1. Классификация по области использования……………….14-15

     2.2. Классификация моделей по фактору  времени…………….15-16

     2.3. Классификация моделей по отрасли знаний……………….16

     2.4. Классификация по форме представления………………….16-18

        2.4.1. Знаковые и вербальные информационные модели……18-19

        2.4.2. Компьютерные и некомпьютерные модели……………20-21 

     Заключение………………………………………………………..22 

     Список  используемой литературы………………………………23 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Применение  компьютеров в научных исследованиях  является необходимым условием изучения сложных систем. Традиционная методология взаимосвязи теории и эксперимента должна быть дополнена принципами компьютерного моделирования. Эта новая эффективная процедура дает возможность целостного изучения поведения наиболее сложных систем как естественных, так и создаваемых для проверки теоретических гипотез. 

     Методами  компьютерного моделирования пользуются специалисты практически всех отраслей и областей науки и техники - от истории до космонавтики, поскольку  с их помощью можно прогнозировать и даже имитировать явления, события или проектируемые предметы в заранее заданных параметрах. 

     Проблема  классификации моделей, как и  систем, сложна, многогранна и трудноразрешима. Объективная причина лежит в  том, что исследователя интересует лишь какое-то одно свойство системы (объекта), для отображения которого и создана модель. Поэтому в основу классификации можно положить множество различных признаков: способ описания, функциональное назначение, степень детализации, структурные свойства, область применения и т.д. 
 
 
 
 
 
 

     Глава 1. Понятие модели и моделирования. Формы представления и свойства моделей. 

     1.1. Моделирование. 

     Человечество  в своей деятельности (научной, образовательной) постоянно создает и использует модели окружающего мира. Строгие  правила построения моделей сформулировать невозможно, однако человечество накопило богатый опыт моделирования различных объектов и процессов. 

     Модели  позволяют в наглядной форме  представить объекты и процессы, недоступные для непосредственного  восприятия (очень большие или  очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.). Наглядные модели часто используются в процессе обучения. В курсе географии первые представления о нашей планете Земля мы получаем, изучая ее модель - глобус, в курсе физики изучаем работу двигателя внутреннего сгорания по его модели, в химии при изучении строения вещества используем модели молекул и кристаллических решеток, в биологии изучаем строение человека по анатомическим муляжам и т.д.

     Модели  играют чрезвычайно важную роль в проектировании и создании различных технических устройств. машин и механизмов, зданий , электрических цепей и т.д.

     Моделирование - это метод познания, состоящий  в создании и исследовании моделей. 
 
 
 
 
 

     Моделировать  можно: 

     1. Объекты

• Копии архитектурных сооружений
• Модель атома водорода или солнечной системы
• Глобус (Рис.1)
• Детские игрушки (Рис.2)

 

     2. Явления

• Модели физических явлений: грозового разряда, магнитных сил
• Геофизические модели: модель селевого потока, модель землетрясения 
  

     3. Процессы

• Модель развития вселенной
• Модели экономических процессов

 

     4. Поведение 

     При выполнении человеком какого-либо действия ему обычно предшествует возникновение  в его создании модели будущего поведения. Собирается ли он строить дом или  решать задачу, переходит улицу или отправляется в поход - он непременно сначала представляет все это в уме. Это главное отличие человека мыслящего от всех других существ на земле. 

     Один  и тот же объект в различных  ситуациях может описываться  различными моделями. 

     С другой стороны разные объекты могут описываться одной моделью. 

     Модель 

     Каждый  объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения моделей выделяются главные, наиболее существенные для проводимого исследования свойства. В процессе исследования аэродинамических качеств модели самолета в аэродинамической трубе важно, чтобы модель имела геометрическое подобие оригинала, но не важен, например, ее цвет. При построении электрических схем - моделей электрических цепей - необходимо учитывать порядок подключения элементов цепи друг к другу, но не важно их геометрическое расположение друг относительно друга и так далее. 

     Модель - это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, процесса или явления.

       

     

 

            Рисунок 1                                                 Рисунок 2

Глобус- модель земного шара            Детская игрушка модель           настоящего      автомобиля 
 
 
 
 

     Цели  моделирования:

• Познание действительности
• Проведение экспериментов
• Проектирование и управление
• Прогнозирование поведения объектов
• Тренировка и обучения специалистов
• Обработка информации

 

1.2. Формы представления  моделей.

     Все модели можно разбить на два больших  класса: модели материальные (предметные)  и модели информационные.

     Материальные модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (глобус, анатомические муляжи, модели кристаллических решеток, макеты зданий и сооружений и др.).

     Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме.

     Образные модели (рисунки, фотографии и др.) представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, фото- и кинопленке и др.). Широко используются образные информационные модели в образовании (вспомните учебные плакаты по различным предметам) и науках, где требуется классификация объектов по их внешним признакам (в ботанике, биологии, палеонтологии и др.).

     Знаковые информационные модели строятся с использованием различных языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена в форме текста (например, программы на языке программирования), формулы (например, второго закона Ньютона F = m × а), таблицы (например, периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева) и так далее.

     Иногда  при построении знаковых информационных моделей используются одновременно несколько различных языков. Примерами таких моделей могут служить географические карты, графики, диаграммы и пр. Во всех этих моделях используются одновременно как язык графических элементов, так и символьный язык.

     На  протяжении своей истории человечество использовало различные способы и инструменты для создания информационных моделей. Эти способы постоянно совершенствовались. Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков, в настоящее же время информационные модели обычно строятся и исследуются с использованием современных компьютерных технологий.  

     Естественные  языки используются для создания описательных информационных моделей. В истории науки известны многочисленные описательные информационные модели; например, гелиоцентрическая модель мира, которую предложил Коперник, формулировалась следующим образом:

         - Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца;

         - орбиты всех планет проходят вокруг Солнца.  

     С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели (математические, логические и др.). Одним из наиболее широко используемых формальных языков является математика.

     Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, называются математическими моделями. Язык математики является совокупностью формальных языков.

     Язык  алгебры позволяет формализовать  функциональные зависимости между  величинами. Так, Ньютон формализовал гелиоцентрическую систему мира, открыв законы механики и закон всемирного тяготения и записав их в виде алгебраических функциональных зависимостей. В школьном курсе физики рассматривается много разнообразных функциональных зависимостей, выраженных на языке алгебры, которые представляют собой математические модели изучаемых явлений или процессов.

     Язык  алгебры логики (алгебры высказываний) позволяет строить формальные логические модели.

     С помощью алгебры высказываний можно  формализовать (записать в виде логических выражений) простые и сложные  высказывания, выраженные на естественном языке. Построение логических моделей  позволяет решать логические задачи, строить логические модели устройств компьютера (сумматора, триггера) и так далее. 

     Процесс построения информационных моделей  с помощью формальных языков называется формализацией.    

     В естественных науках (физике, химии  и др.) строятся формальные модели явлений и процессов. В большинстве случаев для этого применяется универсальный математический язык алгебраических формул. Однако в некоторых случаях используются специализированные формальные языки (в химии - язык химических формул, в музыке - нотная грамота и т. д.). 

     В процессе познания окружающего мира человечество постоянно использует моделирование и формализацию. При  изучении нового объекта сначала  обычно строится его описательная информационная модель на естественном языке, затем  она формализуется, то есть выражается с использованием формальных языков (математики, логики и др.) 
 
 
 
 
 
 

     1.3. Визуализация формальных  моделей.

      

     На  протяжении своей истории человечество использовало различные способы  и инструменты для создания информационных моделей. Эти способы постоянно совершенствовались. Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков. В настоящее время информационные модели обычно строятся и исследуются с использованием современных компьютерных технологий. 

     В процессе исследования формальных моделей часто производится их визуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы: пространственных соотношений между объектами - чертежи, моделей электрических цепей - электрические схемы, логических моделей устройств - логические схемы и так далее. 

     Так при визуализации формальных физических моделей с помощью анимации может  отображаться динамика процесса, производиться  построение графиков изменения физических величин и так далее. Визуальные модели обычно являются интерактивными, то есть исследователь может менять начальные условия и параметры протекания процессов и наблюдать изменения в поведении модели.

      

     Описательные  информационные модели.