Укажите что означает компьютерный эксперимент

Реферат «Компьютерный эксперимент в науке и образовании.»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ М.Е.ЕВСЕВЬЕВА»

Кафедра информатики и вычислительной техники

КОМПЬЮТРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ

Автор работы____________________________________________ Н. В. Сафаева

Направление подготовки 44.03.05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки)

Профиль Математика. Информатика.

Введение

Ни одно техническое достижение не повлияло так на интеллектуальную деятельность че­ловека, как электронно-вычислительные машины. Увеличив в десятки и сотни миллионов раз скорость выполнения арифметических и логических операций, колоссально повысив тем самым производительность интеллектуального труда человека, ЭВМ вызвали коренные изменения в об­ласти обработки информации. По существу, мы являемся свидетелями своего рода “информационной революции”, подобной той промышленной революции, которую породило в 18 веке изобретение паровой машины и связанное с ним резкое повышение производительности физического труда. В настоящее время вычислительные машины проникают во все сферы интел­лектуальной деятельности человека, становятся одним из решающих факторов ускорения темпов научно-технического прогресса.

К концу 20 века компьютеры стали настолько совершенными, что появилась реальная воз­можность использовать их в научных исследованиях, не только как большой арифмометр, но об­ратиться с его помощью к изучению таких разделов математики, которые ранее были практически не доступны для исследований. Это было осознано при решении ещё на несовершенных ЭВМ сложных математических задач ядерной физики, баллистики, прикладной небесной механики.

Классическая математика, как известно, в основном нацелена на изучение явлений, имею­щих линейный характер, то есть способна изучать ситуации, где причина приблизительно пропор­циональна следствию. Изменение причины приводит к пропорциональному изменению следст­вия, то есть классические уравнения рассматривают: не градиентные среды (они изучают малые отклонения маятника, мелкие волны и дифференциал и т.д.)

К началу 70-х годов были обнаружены новые явления, а точнее на них обратили внимание, новые явления, которые ранее не предполагались. Важное открытие, сделанное численным (или вычислительным) экспериментом это хаос в детерминированных (описанных чёткой формулой) системах, и хотя первые наблюдения таких явлений были выполнены ещё в начале 50-х годов, долгое время они рассматривались как несовершенство компьютеров, неспособных правильно вычислять. Изучение таких явлений, в ча­стности связанных с ними фракталов, привело к колоссальным сдвигам в со­временных научных представлениях. Возникла целая группа нелинейных наук, с которой связаны поистине удиви­тельные открытия последних лет.

1 Компьютерный эксперимент

Научное исследование реального процесса можно проводить теоретически или экспери­ментально, которые проводятся независимо друг от друга. Такой путь познания истины носит од­носторонний характер. В современных условиях развития науки и техники стараются проводить комплексное исследование объекта. Этого можно добиться на основе новой, удовлетворяющей требованиям времени, методологии и технологии научных исследований.

Компьютерный эксперимент играет ту же роль, что и обыкновенный эксперимент при исследованиях новых гипотез. Современная гипотеза почти всегда имеет математическое описа­ние, над которым можно выполнять эксперименты.

При введении этого понятия следует особо выделить способность компьютера выполнять большой объем вычислений, реализующих математические исследования. Иначе говоря, компью­тер позволяет произвести замену физического, химического и т. д. эксперимента экспериментом вычислительным.

При проведении компьютерного эксперимента можно убедиться в необходимости и по­лезности последнего, особенно в случаях, когда провести натуральный эксперимент затрудни­тельно или невозможно. Вычислительный эксперимент, по сравнению с натурным, значительно дешевле и доступнее, его подготовка и проведение требует меньшего времени, его легко переде­лывать, он даёт более подробную информацию. Кроме того, в ходе компьютерного эксперимен­та выявляются границы применимости математической модели, которые позволяют прогнозиро­вать эксперимент в естественных условиях. Поэтому использование компьютерного экспери­мента ограничивается теми математическими моделями, которые участвуют в проведении иссле­дования. По этой причине компьютерный эксперимент не может заменить полностью экспери­мент натурный и выход из этого положения состоит в их разумном сочетании. В этом случае в проведении сложного эксперимента используется широкий спектр математических моделей: пря­мые задачи, обратные задачи, оптимизированные задачи, задачи идентификации.

Эффективность компьютерных экспериментов с моделями существенно зависит от выбора плана эксперимента, так как именно план определяет объем и порядок проведения вычислений на ЭВМ, приемы накопления и статистической обработки результатов моделирования системы. Поэтому основная задача планирования компьютерных экспериментов с моделью формулируется следующим образом: необходимо получить информацию об объекте моделирования, заданном в виде моделирующего алгоритма (программы), при минимальных или ограниченных затратах машинных ресурсов на реализацию процесса моделирования.

Преимуществом компьютерных экспериментов перед натурным является возможность полного воспроизведения условий эксперимента с моделью исследуемой системы. Существенным достоинством перед натурными является простота прерывания и возобновления компьютерных экспериментов, что позволяет применять последовательные и эвристические приемы планирования, которые могут оказаться нереализуемыми в экспериментах с реальными объектами. При работе с компьютерной моделью всегда возможно прерывание эксперимента на время, необходимое для анализа результатов и принятия решений об его дальнейшем ходе (например, о необходимости изменения значений характеристик модели).

Недостатком компьютерных экспериментов является то, что результаты одних наблюдений зависят от результатов одного или нескольких предыдущих, и поэтому в них содержится меньше информации, чем в независимых наблюдениях.

Применительно к базе данных компьютерный эксперимент означает манипулирование данными в соответствии с поставленной целью с помощью инструментов СУБД. Цель эксперимента может быть сформирована на основании общей цели моделирования и с учетом требований конкретного пользователя. Например, имеется база данных «Деканат». Общая цель создания этой модели – управление учебным процессом. При необходимости получения сведений об успеваемости студентов можно сделать запрос, т.е. осуществить эксперимент для выборки нужной информации.

Использование компьютерного эксперимента как средства решения сложных приклад­ных проблем имеет в случае каждой конкретной задачи и каждого конкретного научного коллек­тива свои специфические особенности. И тем не менее всегда чётко просматриваются общие ха­рактерные основные черты, позволяющие говорить о единой структуре этого процесса. В на­стоящее время технологический цикл компьютерного эксперимента принято подразделять на ряд технологических этапов. И хотя такое деление в значительной степени условно, тем не менее оно позволяет лучше понять существо этого метода проведения теоретических исследований. Те­перь давайте рассмотрим основные этапы вычислительного эксперимента.

Источник

Компьютерный эксперимент

Психологический эксперимент

Психологический эксперимент — проводимый в специальных условиях опыт для получения новых научных знаний посредством целенаправленного вмешательства исследователя в жизнедеятельность испытуемого.

Мысленный эксперимент

Мысленный эксперимент в философии, физике и некоторых других областях знания — вид познавательной деятельности, в которой структура реального эксперимента воспроизводится в воображении. Как правило, мысленный эксперимент проводится в рамках некоторой модели (теории) для проверки её непротиворечивости. При проведении мысленного эксперимента могут обнаружиться противоречия внутренних постулатов модели либо их несовместимость с внешними (по отношению к данной модели) принципами, которые считаются безусловно истинными (например, с законом сохранения энергии, принципом причинности и т. д.).

Критический эксперимент

Критический эксперимент — эксперимент, исход которого однозначно определяет, является ли конкретная теория или гипотеза верной. Этот эксперимент должен дать предсказанный результат, который не может быть выведен из других, общепринятых гипотез и теорий.

Пилотажный эксперимент

Пилотажный эксперимент (pilot experiment) – пробное экспериментальное исследование, в котором апробируются основная гипотеза, подходы к исследованию, план, проверяется работоспособность применяемых методик, уточняются технические моменты процедур эксперимента. Он проводится на небольшой выборке, без строгого контроля переменных. Пилотажный эксперимент позволяет устранить грубые ошибки в формулировке гипотезы, конкретизировать цель, уточнить методику проведения эксперимента, оценить возможность получения экспериментального эффекта.

Источник

Виды компьютерных экспериментов

Характеристика компьютерных экспериментов как инструментов исследования моделей. Анализ структурно-функциональной компьютерной модели. Изучение стадий компьютерного эксперимента. Примеры компьютерных экспериментов в прикладных программных средах.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Национальная металлургическая академия Украины

Кафедра информационных технологий и систем

по предмету: «Основы теории взаимодействующих систем»

тема: «Компьютерный эксперимент, виды компьютерных экспериментов»

Артеменко Кира Анатольевна

Калашник Иван Викторович

Лысенко Алексей Юрьевич ______________________

к.т.н., доц. каф. ИТС Евтушенко Г. Л.

1. Обзор основных понятий

1.1 Компьютерный эксперимент

1.1.1 Основные определения

1.1.2 Стадии компьютерного эксперимента

1.1.3 Преимущества и недостатки компьютерных экспериментов

1.2 Виды компьютерных экспериментов

2 Примеры компьютерных экспериментов в прикладных программных средах

В помощь, а иногда и на смену экспериментальным образцам и испытательным стендам во многих случаях пришли компьютерные исследования моделей. Идея заключается в том, что создаётся цифровая модель интересующего нас явления, используется компьютер, чтобы обсчитать ее, и получить возможность изучить это явление с детализацией, недоступной реальному эксперименту.

Такое исследование отличается как от натурального эксперимента с реальным объектом, так и от умозрительного эксперимента. Компьютерный эксперимент с построенной имитационной моделью лежит между этими двумя крайностями. В зависимости от полноты и точности модели он может приближаться к любой из них. Более того, он имеет преимущества перед обоими этими подходами.

С другой стороны, правильно организованный натуральный эксперимент обычно дает точный ответ на поставленный вопрос, но он часто дорог или экономически неэффективен. Иногда такой эксперимент попросту невозможен, например, в случае, если системы еще не существует.

Моделирование и проведение компьютерного эксперимента позволяет избежать недостатков обеих крайностей, в связи с чем этот подход завоевывает все большую популярность.

Первоначально компьютерное моделирование появляется в метеорологии и ядерной физике, но сегодня спектр его применения в науке и технике чрезвычайно широк.

1. Обзор основных понятий

1.1 Компьютерный эксперимент

1.1.1. Основные определения.

С компьютерной моделью можно проигрывать ситуации, которые трудно или нежелательно получить в натурном эксперименте. Модель можно выполнять многократно, постепенно усложнять, обращая внимание на все более тонкие детали, которые при наблюдении реального процесса могут и ускользнуть от наблюдения или быть незарегистрированными. Прогоняя компьютерную модель в различных масштабах времени, можно часто получить значительно больше информации из наблюдения анимационной картины процесса, чем наблюдая реальный эксперимент.

Под компьютерной моделью часто понимают программу (или программу плюс специальное устройство), которая обеспечивает имитацию характеристик и поведения определенного объекта. Результат выполнения этой программы также называют компьютерной моделью.

Компьютерные модели могут быть простыми и сложными. Простые модели часто встречаются в программировании, в построении базы данных. В системах трехмерной графики, экспертных системах, автоматизированных системах управления строятся и используются очень сложные компьютерные модели.

В специальной литературе термин «компьютерная модель» более строго определяется так:

· Структурно-функциональная компьютерная модель — условный образ объекта или некоторой системы объектов (процессов, явлений), описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и отображающий структуру (элементы и взаимосвязи между ними) объекта.

При компьютерном эксперименте среди множества параметров модели должны быть выделены те из них, которые будут считаться «факторами», влияние которых на выходные переменные модели должно быть проанализировано.

Компьютерный эксперимент с моделью состоит в том, что модель запускается на компьютере при различных значениях факторов и/или различных структурных характеристиках, которые, конечно, тоже можно считать факторами

Обозначим через Х все множество возможных наборов факторов. Все факторы, которые могут изменяться при поиске «хорошего» варианта, составляют набор , который можно считать вектором X длины n.

Каждый прогон модели приведет к получению вектора исходов Y.

И если имитационная модель используется для понимания функционирования сложной системы во времени, то компьютерный эксперимент сводится к выполнению модели и наблюдению ее поведения при заданных значениях входных факторов, т. е. проведению экспериментов вида «что-если». Это так называемая прямая задача компьютерного эксперимента (задача типа «что-если»).

1.1.3 Стадии компьютерного эксперимента

Компьютерный эксперимент, как таковой, является этапом компьютерного моделирования.

В свою очередь компьютерный эксперимент подразделяется на несколько стадий:

І. Составление плана эксперимента.

§ Определение основной задачи эксперимента: получение информации об объекте, заданном в виде моделирующего алгоритма (программы), при минимальных или ограниченных затратах машинных ресурсов на реализацию процесса.

§ Планирование (план эксперимента должен четко отражать последовательность работы с моделью. План определяет объём и порядок проведения вычислений на ЭВМ, приёмы накопления и статистической обработки результатов моделирования системы)

§ Описание экспериментов, удовлетворяющих целям (определение эффективности компьютерных экспериментов).

ІІ. Проведение исследования.

§ Проведение эксперимента с реальными данными (компьютерная модель, существующая в виде проекта на одном из языков программирования, запускается на выполнение, вводятся исходные данные и наблюдаются изменения объекта и характеризующих его величин).

ІІІ. Выдача результатов.

Результаты компьютерного эксперимента выдаются в удобном для анализа и принятия решения виде (электронные таблицы, диаграммы, графики, анимация и т.п.).

Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, это значит, что допущены ошибки на предыдущих этапах. Если такие ошибки выявлены, то требуется корректировка модели, то есть возврат к одному из предыдущих этапов.

1.1.3 Преимущества и недостатки компьютерных экспериментов

Существенным преимуществом компьютерных экспериментов являются:

— возможность полного воспроизведения условий эксперимента с моделью исследуемой системы;

— возможность рассчитать параметры эффектов, изучение которых в реальных условиях невозможно либо очень затруднительно по технологическим причинам;

— возможность не только пронаблюдать, но и предсказать результат эксперимента при каких-то особых условиях;

— простота прерывания и возобновления компьютерных экспериментов, что позволяет применять последовательные и эвристические приёмы планирования, которые могут оказаться нереализуемыми в экспериментах с реальными объектами;

— позволяет моделировать и изучать явления, предсказываемые любыми теориями;

— приостановка эксперимента на время, необходимое для анализа результатов и принятия решений об его дальнейшем ходе (например, о необходимости изменения значений характеристик модели).

— является экологически чистым и не представляет опасности для природы и человека;

Недостатком компьютерных экспериментов является то, что результаты одних наблюдений зависят от результатов одного или нескольких предыдущих, и поэтому в них содержится меньше информации, чем в независимых наблюдениях. К тому же, не стоит забывать, что все эксперименты носят весьма условный характер и познавательная ценность их тоже весьма условна. Поэтому одновременно с компьютерным экспериментом всегда должен идти натурный, чтобы исследователь, сравнивая их результаты, мог оценить качество соответствующей модели, глубину наших представлений о сути явлений природы.

1.2 Виды компьютерных экспериментов

Различают такие виды компьютерных экспериментов:

Простой эксперимент, как правило, решает задачи вида «что-если». Такой эксперимент позволяет визуально отображать результаты работы модели с помощью анимации, графиков (диаграмм) и т. п.

Инструмент имитационного моделирования при выполнении компьютерного эксперимента в этом случае должен обеспечить удобный интерфейс для задания значений исходных параметров (факторов) и регистрации соответствующих значений выходных показателей и их изменения во времени.

Простой эксперимент используется в большинстве случаев при разработке и анализе моделей, созданных в AnyLogic. В частности, он поддерживает средства для отладки модели. Существует возможность организовать несколько простых экспериментов с различными значениями исходных факторов и, сделав один из этих экспериментов текущим, запустить модель на выполнение.

· Анализ чувствительности, т. е. процедура оценки влияния исходных гипотез и значений ключевых факторов на выходные показатели модели.

При анализе чувствительности обычно рекомендуется выполнять изменение значений факторов по отдельности, что позволяет ранжировать их влияние на результирующие показатели. Этот вид эксперимента не поддерживает визуализацию работы модели с помощью анимации.

Частным случаем этого вида компьютерного эксперимента являются:

— Эксперимент для варьирования параметров и анализом реакции модели помогает оценить, насколько чувствительным является выдаваемый моделью прогноз к изменению гипотез, лежащих в основе модели. Механизм автоматического запуска модели заданное количество раз с варьированием значений выбранных параметров доступен в AnyLogic.

Для того чтобы оценить влияние изменения отдельных факторов на поведение модели на AnyLogic пользователь не должен многократно запускать модель раз за разом, вручную меняя значения параметров между запусками и пытаясь отследить закономерности поведения модели, анализируя результаты каждого запуска по отдельности. При запуске данного эксперимента пользователь может изучить и сравнить поведение модели при разных значениях параметров с помощью графиков. В этом эксперименте также можно организовать фиксированное число прогонов модели, в каждом из которых значения параметров будут определяться выражениями, заданным пользователем.

— Оптимизационный эксперимент является одним из самых важных с точки зрения практического применения.

Многие модели в бизнесе, науке и технике включают существенные нелинейности, комбинаторные зависимости и неопределенности, которые легко представимы в имитационных моделях, но являются слишком сложными для представления формальным математическим аппаратом, наборами математических формул. Это препятствует непосредственному применению классических методов оптимизации в таких системах.

Встроенный в AnyLogic пакет ОрtQuest, позволяет оптимизировать системы, которые не могут быть представлены как математические модели и оптимизация в которых не может быть выполнена с помощью классических алгоритмов.

2. Примеры компьютерных экспериментов в прикладных программных средах

эксперимент компьютерный среда программный

В настоящее время компьютерные эксперименты получили широкое распространение.

Компьютерный эксперимент нашел применение в биологии, химии, социологии, экологии, физике, экономике и многих других сферах знания.

С помощью специальных программ можно посмотреть модели явлений микромира и Космоса.

Компьютерное моделирование широко используется в обучении. Подготовка специалистов многих профессий, особенно таких, как авиадиспетчеры, пилоты, диспетчеры атомных и электростанций, осуществляется с помощью тренажеров, управляемых компьютером, моделирующим реальные ситуации, в том числе аварийные.

На компьютере можно провести лабораторные работы, если нет необходимых реальных устройств и приборов или если решение задачи требует применения сложных математических методов и трудоемких расчетов.

Практические потребности в компьютерном моделировании ставят задачи перед разработчиками аппаратных средств компьютера, т.е. метод активно влияет не только на появление все новых и новых программ, но и на развитие технических средств в различных прикладных программных средах.

Одним из самых известных примеров использования компьютерного эксперимента в гидрометрологии является моделирование «бури в стакане воды». Чтобы детально исследовать такой сложный гидродинамический процесс, как буря, необходимо привлекать сложные методы численного моделирования. Поэтому в крупных гидрометеоцентрах находятся мощные компьютеры: «буря разыгрывается» в кристалле процессора компьютера.

Применительно к базе данных компьютерный эксперимент означает манипулирование данными в соответствии с поставленной целью с помощью инструментов СУБД. Цель эксперимента может быть сформирована на основании общей цели моделирования и с учётом требований конкретного пользователя.

Пример 3. Компьютерный эксперимент и средства AnyLogic

Компьютерный эксперимент, представляющий работу светофора в автоматическом режиме. Светофор регулирует движение автомобилей на пешеходном переходе.

3. Философская энциклопедия http://dic.academic.ru/contents.nsf/enc_philosophy

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие компьютерной и информационной модели. Задачи компьютерного моделирования. Дедуктивный и индуктивный принципы построения моделей, технология их построения. Этапы разработки и исследования моделей на компьютере. Метод имитационного моделирования.

реферат [29,6 K], добавлен 23.03.2010

Разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия. Создание алгоритма и написание программы. Планирование и проведение компьютерных экспериментов. Аналитическое и имитационное моделирование.

курсовая работа [784,0 K], добавлен 01.12.2012

Конфигурация аппаратных средств и характеристика программных средств для создания беспроводных компьютерных сетей, особенности их использования и анализ возможных проблем. Технология организация безопасной работы в беспроводных компьютерных сетях.

курсовая работа [2,5 M], добавлен 27.12.2011

История появления компьютерных игр, классификация их жанров. Негативные воздействия от компьютерных игр: компьютерное излучение, проблемы со зрением, сбои в работе нервной и сердечнососудистой системы, психологическая зависимость. Польза компьютерных игр.

научная работа [75,0 K], добавлен 18.02.2010

Особенности и принципы безопасности программного обеспечения. Причины создания вирусов для заражения компьютерных программ. Общая характеристика компьютерных вирусов и средств нейтрализации их. Классификация методов защиты от компьютерных вирусов.

реферат [21,7 K], добавлен 08.05.2012

Четыре уровня защиты от компьютерных преступлений: предотвращение, обнаружение, ограничение, восстановление. Причины совершения компьютерных преступлений. Очевидные признаки при выявлении компьютерных преступлений. Технологии компьютерных преступников.

реферат [18,6 K], добавлен 05.04.2010

Системы пакетной обработки данных. Появление первых глобальных и локальных компьютерных сетей. Классификационные признаки компьютерных сетей. Четыре основных вида компьютерных преступлений, их характеристика. Распространение вирусов через Интернет.

реферат [32,6 K], добавлен 29.03.2014

Источник