Moderní počítač má mnoho oblastí použití. Mezi nimi, jak víte, je zvláště důležitá schopnost počítače jako prostředky automatizačních informačních procesů. Ale nemají méně významné a jeho schopnosti jako nářadíexperimentální práce a analýza jeho výsledků.

Výpočetní experimentdlouho je známo ve vědě. Vzpomeňte si na otevření planety Neptun "na špičce pera." Výsledky vědeckého výzkumu jsou často považovány za spolehlivé pouze v případě, že mohou být prezentovány ve formě matematických modelů a potvrzeny matematickými výpočty. Navíc platí nejen fyziku.

nebo technický design, ale také sociologie, lingvistika, marketing - tradičně humanitární obory, daleko od matematiky.

Výpočetní experiment je teoretická metoda poznání. Vývoj této metody je numerická simulace- relativně nová vědecká metoda, která byla rozšířená v důsledku vzhledu počítače.

Numerická simulace je široce používána v praxi a při vedení vědeckého výzkumu.

Příklad.Bez budování matematických modelů a provádění různých výpočtů na neustále měnících se dat pocházejících z měřicích přístrojů, provozování automatických výrobních linek, autopilota, sledovacích stanic, automatické diagnostické systémy není možné. Kromě toho, výpočty by měly být prováděny v reálném čase, aby byla zajištěna spolehlivost systémů a jejich chyby mohou být miliony dolarů procent.

Příklad.Moderní astronom může být viděn častěji z okuláta dalekohledu, ale před zobrazením počítače. A nejen teoretik, ale také pozorovatel. Astronomie je neobvyklá věda. To zpravidla nemůže přímo experimentovat s výzkumnými objekty. Různé typy záření (elektromagnetické, gravitační, neutrinové nebo kosmické paprsky) astronomové pouze "špión" a zaslechnout. To znamená, že se musíte naučit extrahovat maximální informace z pozorování a reprodukovat je v výpočtech pro testování hypotéz popisujících tato pozorování. Aplikace počítačů v astronomii, jako v jiných vědách jsou extrémně rozmanité. Jedná se o automatizaci pozorování a zpracování jejich výsledků (astronomie viz obrázky ne v okuláru, ale na monitoru připojeném ke speciálním zařízením). Počítače jsou také nezbytné pro práci s velkými katalogy (hvězdy, spektrální analýzy, chemické sloučeniny atd.).

Příklad.Každý zná výraz "bouře ve sklenici vody." Podrobně je podrobně podrobně takový komplexní hydrodynamický proces, jako je bouře, je nutné přilákat složité metody numerického modelování. Proto ve velkém hydrometeocentriku jsou výkonné počítače: "Storm se hraje" v křišťálu počítačového procesoru.

I když utratíte ne příliš složité výpočty, ale musíte je opakovat milionkrát, pak je lepší napsat program jednou, a počítač ji bude opakovat tolikrát podle potřeby (omezení, přirozeně, bude rychlosti počítače ).

Numerická simulace může být nezávislá výzkumná metoda, když je zájem pouze hodnoty některých ukazatelů (například náklady na produkty nebo integrální spektrum galaxie), ale častěji provádí jeden z prostředků budování počítačových modelů v širším smyslu tohoto pojmu.

Historicky, první práce na modelování počítačů byla spojena s fyzikou, kde s pomocí numerického modelování, celá třída hydraulických problémů, filtrace, přenos tepla a výměny tepla, pevné mechaniky a tzv. Modelování, bylo hlavně řešeno komplexu Nelineární cíle matematické fyziky a v podstatě bylo samozřejmě simulace matematického. Úspěchy matematického modelování ve fyzice přispěly k šíření na úkoly chemie, elektrické energie, biologie a simulační schémata nebylo příliš odlišné od sebe. Složitost úkolů vyřešených na základě modelování byla omezena pouze silou dostupných počítačů. Tento typ modelování je rozšířen a aktuální. Během vývoje numerického modelování jsou navíc akumulovány celé knihovny podprogramů a funkcí, které usnadňují použití a rozšiřující se schopnosti modelování. A přesto v současné době je koncept "počítačové simulace" obvykle spojuje s základními přírodními vědeckými disciplíny, ale především se systémovou analýzou komplexních systémů z pozice kybernetiky (to je z pozic managementu Vláda, samoorganizace). A nyní je počítačová simulace široce používána v biologii, makroekonomii při vytváření automatizovaných řídicích systémů atd.

Příklad.Vzpomeňte si na pi-experiment popsaný v předchozím odstavci. Mohlo by to být samozřejmě provedeno ne skutečnými objekty, ale s animačním obrazem na obrazovce displeje. Ale koneckonců, pohyb hraček by mohlo být natočeno na obvyklém filmu a demonstrovat ho v televizi. Je vhodné zavolat používání počítače v tomto případě počítačovým modelováním?

Příklad. Model letu těla, opuštěný svisle nahoru nebo pod úhlem k horizontu, je například plán tělesa výšky v závislosti na čase. Můžete ho postavit

a) na listu papíru v bodech;

b) v grafickém editoru ve stejných bodech;

c) Použití programu Obchodní grafický program, například v
tabulky;

d) psaní programu, který nejen zobrazuje
Utenová letová trajektorie, ale také vám umožní zeptat
Počáteční data (úhel sklonu, počáteční rychlost
).

Proč je možnost b) Nechci zavolat počítačový model a možnosti c) a d) plně v souladu s tímto názvem?

Pod počítačový modelČasto pochopit program (nebo program plus speciální zařízení), který zajišťuje napodobování vlastností a chování konkrétního objektu. Výsledek tohoto programu se také nazývá počítačový model.

Ve speciální literatuře je termín "počítačový model" přísněji určen následovně:

Podmíněný obraz objektu nebo nějakého systému objektů (procesy, jevů), popsaných s použitím vzájemně propojených počítačových tabulek, vývojových diagramů, grafů, grafů, výkresů, animovaných fragmentů, hypertextů a tak dále a odrážejí strukturu (prvky a vzájemné vztahy mezi nimi) objekt. Počítačové modely tohoto druhu se nazývají konstrukční a funkční;

Samostatný program nebo soubor programů, které umožňují pořadí výpočtů a grafické zobrazení svých výsledků reprodukovat (napodobovat) fungující procesy objektů, za předpokladu, že je ovlivněna různými, obvykle náhodnými faktory. Takové modely se nazývají simulace.

Počítačové modely mohou být jednoduché a složité. Jednoduché modely byly opakovaně vytvořeny při studiu nebo vybudování databáze. V trojrozměrných grafických systémech, odborné systémy, automatizované řídicí systémy jsou postaveny a používány velmi složité počítačové modely.

Příklad.Myšlenka na vybudování modelu lidské činnosti s počítačem není nová, a je obtížné najít takovou oblast činnosti, ve které by nebylo pokusné realizovat. Expertní systémy jsou počítačové programy, které simulují akce odborníka člověka při řešení problémů v jakékoli oblasti předmětu založené na akumulovaných znalostech tvořících znalostní báze. ES solidní úkol modelování mentální aktivity. Vzhledem ke složitosti modelů, vývoj ES zabere zpravidla několik let.

Moderní expertní systémy s výjimkou znalostní báze mají také základ precedencí - například výsledky průzkumu reálných lidí a informací o následném úspěchu / neúspěchu jejich činnosti. Například, základem precedencí New York Policie Expert System - 786 000 osoba, Centrum "Hobby" (personální politika v podniku) - 512 000 lidé, a podle slov specialistů tohoto centra, vyvinuté nimi ES získané s očekávanou přesností, pouze tehdy, když prošla základna 200 000 muž, který vzal její tvorbu 6 let.

Příklad.Pokrok v vytváření počítačových grafických obrazů pokročil z rámečných obrázků trojrozměrných modelů s jednoduchým obrazem polotónů na moderní realistické obrázky, které jsou vzorky umění. To byl výsledek úspěchu v přesnější definici modelovacího prostředí. Transparentnost, odraz, stíny, modely osvětlení a vlastnosti povrchu jsou několik oblastí, kde výzkumníci intenzivně pracují, neustále nabízejí nové algoritmy pro vytváření stále realistických umělých obrazů. Tyto metody se dnes používají k vytváření kvalitních animace.

Praktické potřeby vpočítačové modelování Dejte úkoly nad vývojáři hardwaru nástrojepočítač. To znamená, že metoda aktivně ovlivňuje nejen vzhled všech nových a nové programyale ana rozvojtechnické prostředky.

Příklad.Poprvé o počítačové holografii hovořil v 80. letech. Tak, v automatizovaných konstrukčních systémech, v geografických informačních systémech by bylo hezké být schopno být schopen vidět předmět zájmu o trojrozměrnou formu, ale předložit ji ve formě chlapa, který lze otočit, naklonit, podívat se dovnitř. Chcete-li vytvořit holografický obraz, užitečné v reálných aplikacích

holografický

obrázky

zobrazí se obřím počtem pixelů - až do miliardy. Taková práce je nyní aktivně prováděna. Současně s vývojem holografického displeje probíhá práce, aby se vytvořila trojrozměrná pracovní stanice založená na principu nazvané "Substituce reality". Tento termín je myšlenka rozšířeného využití všech těch přírodních a intuitivních metod, které člověk používá při interakci s přírodním energeticky energie), ale je zaměřena na jejich komplexní zlepšení a vývoj pomocí jedinečných funkcí digitálního systémy. Předpokládá se například, že bude možné manipulovat a interakci s počítačovými hologramy v reálném čase pomocí gest a doteků.

Simulace počítače má následující výhody:

Poskytuje jasnost;

K dispozici.

Hlavní výhodou počítačového modelování je, že umožňuje nejen pozorovat, ale také předpovědět výsledek experimentu za určitých zvláštních podmínek. Díky této příležitosti tato metoda našla žádost v biologii, chemii, sociologii, ekologii, fyzice, ekonomii a mnoha dalších oblastech poznání.

Simulace počítače je široce používána v učení. S pomocí speciálních programů můžete vidět modely takových jevů jako jevů mikroworld a svět s astronomickými velikostmi, jevem jaderné a kvantové fyziky, vývoj rostlin a přeměnou látek v chemických reakcích.

Příprava specialistů mnoha profesí, zejména takový jako letecký provoz, piloty, dispečeři atomových a elektráren, provádějí pomocí simulátorů spravovaných počítačovým modelováním reálných situací, včetně nouze.

V počítači můžete strávit laboratorní práce, pokud nejsou nutná reálná zařízení a zařízení nebo pokud řešení problému vyžaduje použití komplexních matematických metod a výpočtů intenzivních pracovních sil.

Počítačová simulace umožňuje "oživit" studované fyzické, chemické, biologické, sociální zákony, dát řadu experimentů s modelem. Nezapomeňte, že všechny tyto experimenty jsou velmi podmíněné povahy a kognitivní hodnota je také velmi podmíněná.

Příklad. Před praktickým využitím reakce jaderného rozpadu, jaderné fyzici prostě nevěděli o nebezpečích záření, ale první masové využití "úspěchů" (Hiroshima a Nagasaki) jasně ukázala, jak záření

s nebezpečným pro osobu. Spuštění fyziky s jadernou elektrikou

stanice, lidstvo na dlouhou dobu nevěděli o nebezpečích záření. Dosažení chemiků počátku minulého století - silný pesticide DDT - po dlouhou dobu byl považován za naprosto bezpečný

Pod aplikací silných moderních technologií, širokých replikací a bezmyšlenkovitých použití chybných softwarových produktů, takové úzké specialisty, které by se zdálo, že otázky, jako přiměřenost počítačového modelu reality, mohou získat vážný univerzální význam.

Počítačové experimenty- jedná se o nástroj pro výzkum modelů, ne přírodních nebo sociálních jevů.

Současně s počítačovým experimentem by proto měl jít vždy k výzkumníkovi, porovnání jejich výsledků, by mohly vyhodnotit kvalitu příslušného modelu, hloubku našich představ o podstatu jevů

narození. Nezapomeňte, že fyzika, biologie, astronomie, počítačová věda je skutečná světová věda, a ne o virtuální realitě.

Ve vědeckém výzkumu, jak základní, tak prakticky směřujících (aplikovaný), počítač často působí jako nezbytný nástroj experimentální práce.

Počítačový experiment je nejčastěji příbuzný:

S komplikovanými matematickými výpočty (číslo
simulace);

S konstrukcí a studií vizuálního a / nebo DIN
MIC modely (počítačové modelování).

Pod počítačový modelrozumí se programem (nebo programem ve spojení se speciálním zařízením), který zajišťuje napodobování vlastností a chování specifického objektu, jakož i výsledek provádění tohoto programu ve formě grafických obrazů (nehybný nebo dynamické), numerické hodnoty, tabulky atd.

Existují strukturální a funkční a simulační počítačové modely.

Strukturální a funkčnípočítačový model je podmíněným obrazem objektu nebo nějakého systému objektů (procesy, jevů), popsaných s použitím vzájemně provázaných počítačových tabulek, vývojových diagramů, diagramů, grafů, výkresů, animovaných fragmentů, hypertextů a tak dále a odrážejí strukturu objektu nebo jeho chování.

Simulační model počítače je samostatný program nebo softwarový komplex, který vám umožní reprodukovat (napodobovat) procesy fungování objektu pomocí sledu výpočtů a graficky zobrazovat jejich výsledky, za předpokladu, že je ovlivněn různými náhodnými faktory.

Počítačové modelování je metoda pro řešení problému analýzy nebo syntézy systému (nejčastěji složitý systém) na základě použití počítačového modelu.

Výhody počítačové simulaceto je:

Umožňuje nejen pozorovat, ale také předpovědět výsledek experimentu za určitých zvláštních podmínek;

Umožňuje simulovat a prozkoumat jevy předpovězené jakýmikoliv teoriemi;

Je to šetrné k životnímu prostředí a nepředstavuje nebezpečí pro přírodu a člověka;

Poskytuje jasnost;

K dispozici.

Metoda počítačové simulace našla aplikaci v biologii, chemii, sociologii, ekologii, fyzice, ekonomii, lingvistice, jurisprudenci a mnoha dalších oblastech znalostí.

Počítačová simulace je široce používána ve výcviku, školení a rekvalifikaci specialistů:

Pro vizuální prezentaci modelů jevů mikroworld a světa s astronomickými velikostmi;

Napodobovat procesy, které se vyskytují ve světě životní a neživé povahy

Simulovat reálné situace řízení komplexních systémů, včetně mimořádných událostí;

Pro laboratorní práce, pokud nejsou nutná zařízení a zařízení;

Pro řešení problémů, pokud je vyžadováno použití komplexních matematických metod a výpočtů náročných na pracovní sílu.

Je důležité si uvědomit, že v počítači neexistuje objektivní realita, ale naše teoretické představy o tom. Objekt počítače modelování jsou matematické a jiné vědecké modely, a ne skutečné objekty, procesy, jevy.

Počítačové experimenty- jedná se o nástroj pro výzkum modelů, ne přírodních nebo sociálních jevů.

Kritérium loajality k některému z výsledků počítačové simulace byl také kmen (fyzikální, chemický, sociální) experiment. Ve vědeckých a praktických studiích může počítačový experiment doprovázet pouze výzkumníkovi,

jejich výsledky by mohly vyhodnotit kvalitu modelu, hloubku našich představ o podstatu přírodních jevů.

Je důležité si uvědomit, že fyzika, biologie, astronomie, ekonomika, informatika jsou věda o skutečném světě, a ne
Virtuální realita.

Cvičení 1

Dopis napsaný v textovém editoru a e-mailu odeslaném e-mailem, sotva někdo volá počítačový model.

Textové editory často umožňují vytvářet nejen běžné dokumenty (písmena, Styly, zprávy), ale také šablony dokumentů, ve kterých existují trvalé informace, které uživatel nemůže změnit, existují pole dat, která je obsazena uživatelem a tam Jsou pole, ve které jsou automaticky vyráběny výpočty na základě zadaných údajů. Je možné zvážit takovou šablonu jako model počítače? Pokud ano, jaký je objekt modelování v tomto případě a jaký je účel vytvoření podobného modelu?

Úloha 2.

Víte, že před vytvořením databáze musíte nejprve vybudovat datový model. Také víme, že algoritmus je model činnosti.

A datové modely a algoritmy jsou nejčastěji vyvíjeny na základě počítačové implementace. Je možné říci, že v určitém okamžiku se stávají počítačovým modelem, a pokud ano, když se to stane?

Poznámka.Zkontrolujte svou odpověď na definici pojmu "počítačový model".

Úkol 3.

Popište etapy budování počítačového modelu na příkladu vývoje programu, který napodobuje nějaký fyzický jev.

Úloha 4.

Uveďte příklady, kdy počítačová simulace přinesla skutečné výhody a když vedlo k nežádoucím důsledkům. Připravte si zprávu o tomto tématu.

Počítačový experiment s modelovým modelem během studia a návrhu se provádí za účelem získání informací o vlastnostech fungování předmětu zvažovaného. Hlavním úkolem plánování počítačových experimentů je získat potřebné informace o studiu systému v průběhu omezení zdrojů (náklady na časové náklady, paměť atd.). Konkurenční úkoly vyřešené při plánování počítačových experimentů zahrnují úkoly snižování časových nákladů na dobu výroby pro modelování, zvyšování přesnosti a spolehlivosti výsledků modelování, testovací přiměřenost atd.

Účinnost počítačových experimentů s modely významně závisí na výběru experimentálního plánu, protože je plán, který určuje objem a postup pro provádění výpočtu na počítači, přijímání akumulace a statistického zpracování výsledků modelování systémů . Proto je hlavní úkol plánování počítačových experimentů s modelem formulován následovně: je nutné získat informace o objektu modelování zadaných ve formě algoritmu (programu), s minimálními nebo omezenými náklady na stroje na implementaci modelování proces.

Výhodou počítačových experimentů před domovem je schopnost plně reprodukovat experimentální podmínky se systémem ve studiu. . Základní výhoda nad oborem je jednoduchost přerušení a obnovení počítačových experimentů, což umožňuje použití postupných a heuristických plánovacích technik, které mohou být nerealizované v experimentech se skutečnými objekty. Při práci s počítačovým modelem je experiment vždy možný pro čas potřebný k analýze výsledků a rozhodování o svém dalším pokroku (například potřeba změnit hodnoty vlastností modelu).

Nevýhodou počítačových experimentů je, že výsledky některých pozorování závisí na výsledcích jedné nebo více z předchozích předchozích, a proto obsahují méně informací než v nezávislých pozorováních.

Pokud jde o databázi, počítačový experiment znamená manipulaci s daty v souladu s cílem pomocí nástroje DBMS. Účelem experimentu může být vytvořen na základě všeobecného účelu modelování a s přihlédnutím k požadavkům určitého uživatele. Například existuje databáze "Deanat". Celkovým cílem vytvořit tento model je řídit vzdělávací proces. Pokud potřebujete získat informace o výkonu studenta, můžete požádat, tj. Implementovat experiment pro odběr požadovaných informací.

Panel nástrojů pro životní prostředí DBMS umožňuje provádět následující operace dat:

1) třídění - zjednodušující data podle jakéhokoliv znamení;

2) vyhledávání (filtrování) - výběr dat uspokojující určitý stav;

3) Vytvoření vypočtených polí - transformace dat do jiného zobrazení založeného na vzorcích.

Řízení informační modelu je neoddělitelně spojeno s rozvojem různých kritérií pro vyhledávání a třídění dat. Na rozdíl od papírových souborů, kde je třídění možné na jedné nebo dvou kritériích, a vyhledávání je obecně prováděno ručně - karet Force Force, počítačové databáze umožňují nastavit jakékoli třídění formuláře přes různé pole a různé kritéria vyhledávání. Počítač bez časových výdajů na daném kritériu se třídí nebo vyberte potřebné informace.

Úspěšně pracovat s informačním modelem, databázové softwarové prostředí umožňují vytvářet vypočtená pole, ve které jsou počáteční informace převedeny na jiné druhy. Například podle semestru s pomocí speciální vestavěné funkce můžete vypočítat průměrné skóre výkonu studenta. Taková vypočtená pole se používají buď jako další informace, nebo jako kritérium pro vyhledávání a třídění.

Součástí počítačového experimentu obsahuje dvě fáze: testování (ověření provádění operací) a provádění experimentu s reálnými daty.

Po vypracování vzorců pro vypočtená pole a filtry se musíte ujistit, že jsou správné. Chcete-li to provést, můžete zadat zkušební záznamy, pro které je výsledek operace známo předem.

Počítačový experiment je dokončen vydáním výsledků v pohodlné analýze a rozhodování. Jedním z výhod modelů počítačových informací je schopnost vytvářet různé formy prezentace výstupních informací nazvaných Zprávy. Každá zpráva obsahuje informace, které splňují cíle konkrétního experimentu. Pohodlí počítačových zpráv je, že jim umožňují skupinovým informacím o zadaných funkcích, zadejte souhrnné pole počítání záznamů ve skupinách a obecně v celé databázi a dále využívají tyto informace k rozhodnutí.

Životní prostředí umožňuje vytvářet a ukládat více typických, často používaných formulářů sestav. Podle výsledků některých experimentů můžete vytvořit dočasnou zprávu, která je odstraněna po zkopírování do textového dokumentu nebo výtisku. Některé experimenty nevyžadují hlášení. Například je nutné vybrat nejúspěšnější student k přiřazení vysokých stipendií. Chcete-li to udělat, stačí třídit průměrné skóre semestru. Požadované informace budou obsahovat první záznam v seznamu studentů.

Dát život novému vývoji návrhu, představit nová technická řešení výroby nebo zkontrolovat nové nápady, potřebujete experiment. V nedaleké minulosti by se takový experiment mohl provádět buď v laboratorních podmínkách na zařízení speciálně vytvořených pro IT, nebo v přírodě, tj. Na předkládaném vzorku výrobku, vystavit to všem druhům testování. Pro studium, například provozní vlastnosti jakékoliv jednotky nebo uzlu byly umístěny do termostatu, byly zmrazeny ve speciálních komorách, třepali se na vibračních sázkách a tak dále. No, pokud je to nové hodinky nebo vysavače ~ je malý se ztrátou při ničení. A pokud letadlo nebo raketa?

Laboratorní a terénní experimenty vyžadují velké materiály a čas, ale jejich význam je přesto velmi velký.

Už bylo řečeno, že v první etapě jsou při analýze zdrojového objektu detekovány základní objekty, které by měl být v procesu simulace podrobeny různé experimenty. Pokud se vrátíte například s letadlem, pak pro experimenty s uzly a systémy, jak se říká, všechny prostředky jsou dobré. Aerodynamická trubka a pole modely křídel a trupu aplikované pro testování pouzdra zefektivnění a různé imitace modely jsou možné pro testování systémů bezproblémové energie dodávek energie a požární bezpečnosti, aby vypracovaly systém uvolňování podvozku, není možné zvláštní stánek.

S vývojem výpočetní techniky se objevila nová jedinečná výzkumná metoda - počítačový experiment. Abychom pomohli a někdy na výměně experimentálních vzorků a zkušebních stánků v mnoha případech přišel počítačový výzkum modelů. Vypočítaný experimentální experiment obsahuje dvě fáze: vypracování simulačního plánu a modelovací technologie.

Simulační plán Musí jasně odrážet posloupnost práce s modelem.

Plán je často zobrazen jako posloupnost číslovaných položek s popisem akcí, které musí řešit výzkumník s počítačovým modelem. Zde by neměly specifikovat, co používat softwarový nástroj. Podrobný plán je druh odrazu strategie počítačové experimentu.

První bod takového plánu je vždy vývoj testu a poté testování modelu.

Testování je proces ověření správného modelu.

Test - soubor zdrojových dat, pro které je výsledek znám předem.

Chcete-li být jisti, že ve správnosti výsledných výsledků modelování je nutné předběžné provádět počítačový experiment na modelu, aby se těsto složené. Současně si musíte pamatovat následující:

Za prvé, test musí být vždy zaměřen na kontrolu vyvinutého algoritmu pro fungování počítačového modelu. Zkouška neodráží svůj sémantický obsah. Výsledky získané během procesu testování vás však mohou tlačit na myšlenku změny původních informací nebo znakového modelu, kde je položen především sémantický obsah úkolu.

Zadruhé, zdrojová data v testu nemusí zcela odrážet skutečnou situaci. To může být jakákoliv kombinace nejjednodušších čísel nebo symbolů. Je důležité, abyste věděli očekávaný výsledek předem s konkrétní možností zdrojových dat. Model je například prezentován ve formě komplexních matematických vztahů. Musí být testováno. Vyberete několik možností pro nejjednodušší hodnoty zdrojových dat a vypočítat poslední odpověď předem, to znamená, že znáte očekávaný výsledek. Dále strávíte počítačový experiment s těmito zdrojovými daty a porovnejte výsledek s očekávaným. Musí se shodovat. Pokud jste se neshodovali, musíte hledat a eliminovat příčinu.

Po testování Pokud máte důvěru ve správný fungování modelu, jdete přímo modelování technologie.

Modelování technologie je soubor cílených uživatelských akcí přes počítačový model.

Každý experiment musí být doprovázen porozuměním výsledků, což bude základem pro analýzu výsledků modelování.

L. V. Pigalitsyn,
, www.levpi.narod.ru, Mu Sosh No. 2, Dzerzhinsk, Nižný Novgorod oblast.

Počítačový fyzický experiment

4. Výpočetní počítačový experiment

Výpočetní experiment zatáčky
v samostatném prostoru vědy.
R.fremov, df-m.n.

Výpočetní počítačový experiment je z velké části podobný obvyklému (toastu). Jedná se o experimentální plánování a vytvoření experimentální instalace a provádění kontrolních testů a provádění řady experimentů a zpracování experimentálních dat, jejich interpretace atd. Nicméně, to není provedeno nad skutečným objektem, ale přes jeho matematický model, role experimentální instalace hraje speciální počítačový program.

Výpočetní experiment je stále více populární. Jsou zapojeni do mnoha ústavů a \u200b\u200buniverzit, například v Moskevské státní univerzitě. M.V. Lomonosov, IFSU, Institut cytologie a genetiky, SB RAS, Institut molekulární biologie Ruské akademie věd atd. Vědci mohou obdržet důležité vědecké výsledky bez skutečného "mokrého" experimentu. Za tímto účelem existuje pouze počítačová síla, ale také nezbytné algoritmy a co je nejdůležitější. Pokud je to rozděleno - in vivo, in vitro- pak přidal více v silico.. Ve skutečnosti se výpočetní experiment stává nezávislým vědním prostorem.

Výhody takového experimentu jsou zřejmé. Je obvykle levnější na intenzivní. Může být snadno a bezpečně zasahovat. Může se kdykoliv opakovat a přerušit. Během tohoto experimentu můžete simulovat podmínky, které nelze vytvořit v laboratoři. Je však důležité si uvědomit, že výpočetní experiment nemůže zcela nahradit Naturic a budoucnost je pro jejich rozumnou kombinaci. Experiment počítačového počítače slouží jako most mezi obsluhou experimentu a teoretickými modely. Výchozím bodem numerického modelování je vývoj idealizovaného modelu pozorovaného fyzického systému.

Zvažte několik příkladů výpočtu fyzického experimentu.

Moment setrvačnosti. V "Otevřené fyzice" (2.6, část 1) existuje zajímavý výpočetní experiment, který najde moment setrvačnosti pevného těla na příkladu systému, který se skládá ze čtyř kuliček navlečených na jedné jehlu. Můžete změnit polohu těchto kuliček na jehlu, stejně jako zvolit polohu osy otáčení, která ho vede jak skrz střed pletení, tak přes jeho konce. Pro každé umístění kuliček se studenti vypočítávají pomocí věty Steiner na paralelním přenosu hodnoty osy otáčení momentu setrvačnosti. Údaje pro výpočty zprávy učitele. Po výpočtu momentu setrvačnosti jsou data zapsána do programu a výsledky získané studenty jsou zkontrolovány.

"Černá skříňka". Chcete-li implementovat výpočetní experiment, vytvořili jsme několik programů pro studium obsahu elektrické "černé skříňky". Může obsahovat rezistory, žárovky, diody, kondenzátory, cívky atd.

Ukazuje se, že v některých případech je to možné, aniž by se otevírá "černý rámeček", zjistěte její obsah, připojit různá zařízení ke vstupu a výstupu. Samozřejmě, že na úrovni školy to může být provedeno pro jednoduché tři nebo čtyřpólové. Tyto úkoly vyvíjejí představivost studentů, prostorového myšlení a tvůrčích schopností, nemluvě o tom, že je vyřešit, je nutné mít hluboké a silné znalosti. Proto není náhodou, že na mnoha celostních a mezinárodních olympiadech ve fyzice jako experimentální úkoly navrhuje studium "černých boxů" na mechanici, teplo, elektřině a optiky.

V běžných kurzech strávím tři reálné laboratorní práce, když v "černé krabici":

- pouze rezistory;

- rezistory, žárovky a diody;

- rezistory, kondenzátory, cívky, transformátory a oscilační obrysy.

Strukturně "Černé boxy" jsou vyrobeny v prázdných shodách. Uvnitř krabice je umístěn elektrický obvod a krabice jsou spěchány s skotskou. Studie se provádějí pomocí nástrojů - automobilů, generátorů, osciloskopů atd., Protože Pro tohle musíte stavět Wah a Ahh. Studenti svědectví spotřebiče jsou zavedeni do počítače, který zpracovává výsledky a staví VAC a AHH. To umožňuje studentům zjistit, jaké podrobnosti jsou v části "Černý box", a určit jejich parametry.

Při provádění čelní laboratorní práce s "černými boxy" vznikají potíže spojené s nedostatkem nástrojů a laboratorního vybavení. Vzhledem k tomu, že pro výzkum je nutné mít, říci, 15 osciloskopy, 15 zvukových generátorů atd., I.e. 15 sad drahých zařízení, které většina škol nemá. A zde virtuální "černé boxy" přicházejí do záchranných počítačových programů.

Výhodou těchto programů je, že výzkum lze provádět současně celou třídou. Jako příklad zvažujeme program, který implementuje s pomocí generátoru náhodných čísel "černých boxů" obsahující pouze rezistory. Na levé straně desktopu je "černá skříňka". Má elektrický obvod, skládající se pouze z odporů, které mohou být umístěny mezi body. A, B, s a D..

Na likvidaci studenta existují tři nástroje: zdroj energie (jeho vnitřní odolnost pro zjednodušení výpočtů je převzato na nulu, a EMF je generován náhodným programem); voltmetr (vnitřní odpor rovný nekonečno); Ampmetr (vnitřní odpor je nula).

Když spustíte program uvnitř "Černý rámeček", je náhodně generován elektrický obvod obsahující od 1 do 4 odporů. Student může udělat čtyři pokusy. Po stisknutí libovolného tlačítka se navrhuje připojit se ke svorkám "černé skříně" kterékoli z navrhovaných zařízení v jakékoli sekvenci. Například připojil se k terminálům Au. Současný zdroj s EDC \u003d 3 V (hodnota EDC je generován programem náhodně, v tomto případě se ukázalo 3 V). Na terminály CD Připojil jsem voltmetr a jeho svědectví bylo 2,5 V. Z toho by mělo být dospělo k závěru, že v "černém boxu" je alespoň zapínatelný dělič napětí. Chcete-li pokračovat v experimentu, může být ampérmetr připojen namísto voltmetru a odstraňte odečty. Tato data nejsou jasně nestačí pro tajemství. Proto můžete strávit dva další experimenty: Současný zdroj se připojuje ke svorkám CDa voltmetr a ampérmetr - ke svorkám Au.. Data získaná v tomto budou dostačující k vyřešení obsahu "černé skříňky". Student na papíře kreslí schéma, vypočítává parametry odporů a ukazuje výsledky učitele.

Učitelka, kontrola práce, vstupuje do příslušného kódu do programu a na ploše se zobrazí na ploše uvnitř "Černého pole" a parametrů odporů.

Program je napsán moji studenti v Baysika. Spustit to Windows XP. nebo in. Windows Vista. Můžete použít program emulátoru DOS.např. DOSBOX.. Můžete si ji stáhnout z mých stránek www.physics-computer.by.ru.

Pokud uvnitř "černé skříňky" existují nelineární prvky (žárovky, diody atd.), Pak kromě okamžitých měření bude muset odstranit WAH. Za tímto účelem je nutné mít zdroj proudu, napětí, na výstupech, z nichž může být napětí změněno z 0 do určité hodnoty.

Pro studium induktorů a kontejnerů je nutné odstranit frekvenční odezvu pomocí virtuálního zvukového generátoru a osciloskopu.

Volič rychlosti. Zvažte jiný program z "otevřené fyziky" (2.6, část 2), který umožňuje výpočetní experiment s voličem rychlosti ve hmotnostního spektrometru. Pro stanovení hmotnosti částic za použití hmotnostního spektrometru je nutné provést předběžnou volbu nabitých částic v rychlostech. Tento cíl a slouží tzv. selektory rychlosti.

V nejjednodušším voliči rychlosti se nabité částice pohybují v zkřížených homogenních elektrických a magnetických polích. Elektrické pole je vytvořeno mezi deskami plochého kondenzátoru, magnetické - v clearance elektromagnetu. Spuštění spuštění υ Nabité částice zaměřené na kolmo k vektorům E. a V .

Na nabitém částici jsou dvě pevnosti: elektrická energie q. E. a magnetická energie Lorentz q. υ × B. . Za určitých podmínek se tyto síly mohou přesně vyvažovat. V tomto případě se nabitá částice pohybuje rovnoměrně a rovnou. Létání přes kondenzátor, částice projde malou otvorem na obrazovce.

Stav rovné trajektorie částic nezávisí na náboji a hmotnosti částic, a závisí pouze na jeho rychlosti: qe \u003d qυb.→ υ \u003d e / b.

V počítačovém modelu můžete změnit hodnoty napětí elektrického pole E, indukce magnetického pole B. a počáteční rychlost částic υ . Zkušenosti ve výběru rychlostí mohou být prováděny pro elektron, proton, a-částice a zcela ionizované uranium-235 a uran-238 atomy. Výpočetní experiment v tomto počítačovém modelu se provádí následujícím způsobem: studenti hlásí, na které se nabitá částic letí do voliče rychlosti, pevnost elektrického pole a počáteční rychlost částice. Studenti vypočítávají indukci magnetického pole podle výše uvedených vzorců. Poté jsou data zavedena do programu a pozorovat létání částic. Pokud se částice letí uvnitř voliče rychlosti vodorovně, pak jsou výpočty pravdivé.

Komplexnější výpočetní experimenty mohou být vynaloženy použitím bezplatného balíčku. "Model vize pro Windows". Balík ModelvisionStudium (MVS) Jedná se o integrovanou grafickou skořápku rychlé vytváření interaktivních vizuálních modelů komplexních dynamických systémů a provádění výpočtových experimentů s nimi. Balíček byl vyvinut experimentálními objekty výzkumné skupiny na katedře distribuovaných výpočtů a počítačových sítí Fakulta technická kybernetika Státního technického univerzity St. Petersburg. Volný balíček zdarma Mvs. 3.0 je k dispozici na www.exponenta.ru. Modelování technologie v prostředí Mvs. Na základě konceptu virtuálního laboratorního stánku. Na stánku je uživatel umístěn virtuální bloky simulovaného systému. Virtuální bloky pro model jsou vybrány buď z knihovny, nebo jsou uživateli vytvořeny znovu. Balík Mvs. Navrženo tak, aby automatizovalo hlavní fáze výpočetní techniky: konstruovat matematický model studia předmětu, generování softwaru implementace modelu, studie vlastností modelu a reprezentovat výsledky ve formě vhodných pro analýzu. Studie předmětu může odkazovat na třídu kontinuálních, diskrétních nebo hybridních systémů. Balíček je nejlépe přizpůsoben studovat komplexní fyzikální a technické systémy.

Jako příklad Zvažte poměrně populární úkol. Nechte hmotný bod hozený do nějakého úhlu k horizontální rovině a absolutně elasticky konstruovány s tímto rovinou. Tento model se stal téměř povinným v demonstrační souboru příkladů modelovacích balíčků. Jedná se o typický hybridní systém s nepřetržitým chováním (letem v terénu) a diskrétní události (odraz). Tento příklad také ilustruje objektově orientovaný přístup k modelování: míč letící v atmosféře je potomkem míče létání v bezvuchoucím prostoru a automaticky zdědí všechny běžné znaky přidáním vlastních vlastností.

Druhý, poslední, z hlediska uživatele, krok modelování, je stupeň popisu formuláře znázornění výsledků výpočetní experimentu. Ty mohou být tabulky, grafy, povrchy a dokonce i animace ilustrující výsledky v reálném čase. Uživatel tak skutečně pozoruje dynamiku systému. Můžete přesunout tečky ve fázovém prostoru taženého uživatelskými prvky designu, barevný gamut se může lišit a uživatel může sledovat na obrazovce, například za procesy vytápění nebo chlazení. V modelech vytvořených softwarových balíčků můžete poskytnout speciální okna, která umožňují změnit hodnoty parametrů v průběhu výpočetní experimentu, a okamžitě vidět účinky změn.

Spousta práce na vizuálním modelování fyzikálních procesů Mvs. Provádí se v IGSU. V průběhu obecné fyziky vyvinul řadu virtuální práce, která může být spojena se skutečnými experimentálními nastaveními, což umožňuje současně dodržovat změnu parametrů jako skutečný fyzický proces a parametry svého modelu, jasně prokazující jeho přiměřenost . Jako příklad dáváme sedm laboratorních prací na mechanice z laboratorního workshopu internetového portálu otevřeného vzdělávání, který splňuje stávající státní vzdělávací normy ve specializaci "učitele fyziky": studium přímky s pomocí přímky Stroj ATRUD; Měření rychlosti kulky; Přidání harmonických oscilací; Měření momentu setrvačnosti kola; Studium rotačního pohybu pevného tělesa; Stanovení zrychlení volného pádu pomocí fyzického kyvadla; Studium volných výkyvů ve fyzickém kyvadlu.

První šest je virtuální a jsou modelovány na počítačích ModelvisionstudiumfreeA druhá má jak virtuální možnost a dva skutečné. V jednom, určeném pro distanční vzdělávání musí student nezávisle nezávisle vytvořit kyvadlo z velkých šablonových klipů a gumy a zavěšení pod počítačovým hřídelem myši bez míče, dostat kyvadlo, jehož odchylkový úhel je čten speciálním programem a měl by používají studenty při zpracování výsledků experimentu. Takový přístup umožňuje část dovedností nezbytných pro experimentální práci, pracovat pouze na PC a zbytek části - při práci s dostupnými reálnými spotřebiči as vzdáleným přístupem k zařízení. V dalším provedení určené pro domácí přípravu studentů na plný úvazek k provádění laboratorních prací v dílně katedry obecné a experimentální fyziky fyzické fakulty MPGU, student vykonává dovednosti práce s experimentální instalací na virtuálním modelu, A v laboratoři vede experiment současně na konkrétní skutečné instalaci as virtuálním modelem. Současně využívá jak tradiční měřicí prostředky ve formě optického měřítka a stopky, jakož i přesnější a vysokorychlostní prostředky - senzor posunutí na bázi optické myši a časovače počítače. Simultánní srovnání všech tří reprezentací (tradiční, specifikovaných pomocí elektronických senzorů spojených s počítačem a modelem) stejného fenoménu nám umožňuje dospět k závěru o limitech přiměřenosti modelu, když data počítačové simulace začínají po chvíli více a více odlišné od čtení, odstraněny na skutečné instalaci.

Ty nejsou vyčerpány, možnosti používání počítače ve fyzickém výpočtu experimentu nejsou vyčerpány. Takže pro kreativního učitele a jeho studentů, budou vždy nevyužité možnosti v oblasti virtuálního a reálného fyzického experimentu.

Pokud máte komentáře a návrhy na různé typy experimentu fyzického počítače, napište mi na:

V definici předložené výše, termín "experiment" má dvojí význam. Na jedné straně, v počítačovém experimentu, stejně jako v reálném, systémové reakce jsou zkoumány na určité změny parametrů nebo na vnějších vlivech. Parametry často používají teplotu, hustotu, kompozici. A expozice je nejčastěji implementována prostřednictvím mechanických, elektrických nebo magnetických polí. Rozdíl je pouze to, že experimentátor se zabývá reálným systémem, zatímco v počítačovém experimentu je považován za chování matematického modelu skutečného objektu. Na druhou stranu schopnost získat přísné výsledky pro dobře definované modely umožňuje použití počítačového experimentu jako nezávislý zdroj informací pro testování předpovědí analytických teorií, a proto v této kapacitě hrají výsledky simulace roli stejného odkazu jako zkušených dat.

Zdá se, že se zdá, že se zdá, že existuje možnost dvou velmi odlišných přístupů k formulaci počítačového experimentu, což je způsobeno povahou řešeného úkolu, a tím určuje volbu popisu modelu.

Za prvé, výpočty metod MD nebo MK mohou provádět čistě utilitární cíle spojené s predikcí vlastností konkrétního reálného systému a jejich srovnání s fyzickým experimentem. V tomto případě můžete provést zajímavé prognózy a provádět výzkum v extrémních podmínkách, například s velmi vysokými tlaky nebo teplotami, když skutečný experiment z různých důvodů, nereálné nebo vyžaduje příliš velké materiálové náklady. Modelování na počítači je často obecně jediný způsob, jak získat nejpodrobnější ("mikroskopické") informace o chování komplexního molekulárního systému. To je zvláště jasně jasně ukázáno numerickými experimenty dynamického typu s různými biosystémy: kulovité proteiny v nativním stavu, fragmenty DNA a RNA , Lipidové membrány. V řadě případů byla získaná data nucena revidovat nebo významně změnit předchozí myšlenky o struktuře a fungování těchto objektů. Je třeba mít na paměti, že od té doby, co se používají různé druhy valence a nesmyslných potenciálů, které pouze přibližují pravým interakcím atomů, tato okolnost nakonec určuje opatření shody mezi modelem a realitou. Zpočátku se inverzní problém provádí, když jsou potenciály kalibrovány podle stávajících experimentálních dat, a teprve pak tyto potenciály již používají k získání podrobnějších informací o systému. Někdy se parametry interatomických interakcí lze nalézt v zásadě od kvantových chemických výpočtů provedených pro jednodušší přípojky modelu. Při modelování MD nebo MK MK, molekula není považována za soubor elektronů a jader, s výhradou zákonů kvantové mechaniky, ale jako systém souvisejících klasických částic - atomů. Tento model se nazývá strojový model molekuly .

Účelem jiného přístupu k formulaci počítačového experimentu může být pochopení společných (univerzálních nebo model-invariantních) vzorů chování podle studia, tj. Takové vzory, které jsou definovány pouze nejtypičtějšími rysy této třídy objektů, ale ne detaily chemické struktury samostatné sloučeniny. To je v tomto případě počítačový experiment zaměřen na navázání funkčních vazeb, a nikoli výpočet numerických parametrů. Tato ideologie v nejvýraznějším formuláři je přítomna v teorii skalingu polymerů. Z hlediska tohoto přístupu, počítačová simulace působí jako teoretický nástroj, který především umožňuje kontrolovat závěry stávajících analytických metod teorie nebo doplnit jejich předpovědi. Taková interakce mezi analytickou teorií a počítačovým experimentem je velmi plodná, když identické modely mohou používat v obou přístupech. Nejvýraznější příklad tohoto druhu zobecněných modelů polymerních molekul může sloužit jako tzv. mřížkový model . Je založen na různých teoretických konstrukcích, zejména těch, které se týkají řešení klasického a v určitém smyslu, hlavním problémem fyzikálně-chemických polymerů na účinek objemových interakcí pro konformaci, a proto na vlastnostech pružného polymeru řetěz. Pod hromadnými interakcemi, krátkodobé rozpětí odpudivé pevnosti jsou obvykle implikovány mezi články odstraněnými podél řetězce, když se přiblíží v prostoru v důsledku náhodných ohybů makromolekulu. V mřížovém modelu je skutečný obvod považován za zlomenou trajektorii, která prochází uzly správné mřížky daného typu: kubický, tetrahedrální, atd. Zapojené mřížkové uzly odpovídají polymerním článkům (monomerům) a připojením Segmenty - chemické vazby v makromolekule kostra. Zákaz self-průsečíků trajektorie (nebo jinými slovy, neschopnost současně vstupovat do dvou nebo více monomerů do jednoho mřížového uzlu) modelů objemových interakcí (obr. 1). To znamená, že pokud je například použita MK metoda, a když jste vyslali náhodně vybraný odkaz, vstupuje do již obsazeného uzlu, pak je taková nová konformace vyřazena a již není zohledněna při výpočtu parametrů systému. Různá místa řetězu na mřížce odpovídají odpovídajícím polymerním řetězci. Průměrování požadovaných vlastností je například vzdálenost mezi konce R.

Studie takového modelu umožňuje pochopit, jak objemové interakce ovlivňují závislost hodnoty kořene-střední čtverečních. Z počtu odkazů v řetězci n . Samozřejmě, že hodnota , Stanovení průměrné velikosti polymerního koule hraje hlavní roli v různých teoretických konstrukcích a může být měřena na zkušenosti; Stále ještě neexistuje přesný analytický vzorec pro výpočet závislosti z n v přítomnosti hromadných interakcí. Můžete také zadat další energii atrakcí mezi těmito páry odkazů, které zasáhly sousední mřížkové uzly. Řízení této energie v počítačovém experimentu je možné, aby prozkoumal zajímavý jev, nazvaný přechod "Tangle-globule", když, v důsledku sil intramolekulární přitažlivosti, nasazená polymerová spleť je stlačena a promění se Kompaktní struktura - zeměkoule připomínající kapalný mikroskopický pokles. Pochopení detailů takového přechodu je důležité pro rozvoj nejobecnějších představ o pokroku biologického vývoje, který vedl k vzniku kulovitých proteinů.

Existují různé modifikace mřížových modelů, například tak, ve kterých délky vazeb mezi vazbami nemají pevné hodnoty, ale jsou schopny měnit v určitém intervalu, což zaručuje pouze zákaz řetězového self-průsečíků, které jsou Jako široký model s "fluktuačními spoji". Všechny mřížové modely však spojují to, co jsou oddělený To znamená, že počet možných konformací takového systému je vždy samozřejmě (i když to může být astronomická hodnota i s relativně malým počtem vazeb v řetězci). Všechny diskrétní modely mají velmi vysokou výpočetní účinnost, ale zpravidla mohou být zkoumány pouze Monte Carlo.

Pro řadu případů se používají neustálý Zobecněné polymery modely, které jsou schopny nepřetržitě změnit konformaci. Nejjednodušší příklad je řetěz složený z daného čísla. N. Pevné kuličky, konzistentně spojené tuhými nebo elastickými spoji. Tyto systémy mohou být zkoumány jak MONTE CARLO metodou, tak metodou molekulární dynamiky.