Реферат: Построение и использование компьютерных моделей
Название: Построение и использование компьютерных моделей Раздел: Рефераты по информатике, программированию Тип: реферат Добавлен 00:19:53 26 марта 2010 Похожие работы Просмотров: 5413 Комментариев: 22 Оценило: 12 человек Средний балл: 4.1 Оценка: 4 Скачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ
Реферат на тему:
«Построение и использование компьютерных моделей»
студентка 1-го курса гр№119.
Построение и использование компьютерных моделей
Пути построения компьютерных моделей
Компьютерное моделирование начинается как обычно с объекта изучения, в качестве которого могут выступать: явления, процесс, предметная область, жизненные ситуации, задачи. После определения объекта изучения строится модель. При построении модели выделяют основные, доминирующие факторы, отбрасывая второстепенные. Выделенные факторы перекладывают на понятный машине язык. Строят алгоритм, программу.
Когда программа готова, проводят компьютерный эксперимент и анализ полученных результатов моделирования при вариации модельных параметров. И уже в зависимости от этих выводов делают нужные коррекции на одном из этапов моделирования: либо уточняют модель, либо алгоритм, либо точнее, более корректнее определяют объект изучения.
Компьютерные модели проходят очень много изменений и доработок прежде, чем принимают свой окончательный вид. Этапы компьютерного моделирования можно представить в виде схемы:
Объект — Модель — Компьютер — Анализ — Информац. модель
!______! !_____! !____________! !______!
модел-е прогр-е к.эксперимент знание
В методе компьютерного моделирования присутствуют все важные элементы развивающего обучения и познания: конструирование, описание, экспериментирование и т.д. В результате добываются знания об исследуемом объекте-оригинале.
Однако важно не путать компьютерную модель (моделирующую программу) с самим явлением. Модель полезна, когда она хорошо согласуется с реальностью. Но модели могут предсказывать и те вещи, которые не произойдут, а некоторые свойства действительности модель может и не прогнозировать. Тем не менее, полезность модели очевидна, в частности, она помогает понять, почему происходят те или иные явления.
Современное компьютерное моделирование выступает как средство общения людей (обмен информационными, компьютерными моделями и программами), осмысления и познания явлений окружающего мира (компьютерные модели солнечной системы, атома и т.п.), обучения и тренировки (тренажеры), оптимизации (подбор параметров).
Компьютерная модель — это модель реального процесса или явления, реализованная компьютерными средствами.
Компьютерные модели, как правило, являются знаковыми или информационными. К знаковым моделям в первую очередь относятся математические модели, демонстрационные и имитационные программы.
Информационная модель — набор величин, содержащий необходимую информацию об объекте, процессе, явлении.
— Главной задачей компьютерного моделирования выступает построение информационной модели объекта, явления.
— Самое главное и сложное в компьютерном моделировании — это построение или выбор той или иной модели.
При построении компьютерной модели используют системный подход, который заключается в следующем. Рассмотрим объект — солнечную систему. Систему можно разбить на элементы — Солнце и планеты. Введем отношения между элементами, например, удаленность планет от Солнца. Теперь можно рассматривать независимо отношения между Солнцем и каждой из планет, затем обобщить эти отношения и составить общую картину солнечной системы (принципы декомпозиции и синтеза).
Некоторые характеристики моделей являются неизменными, не меняют своих значений, а некоторые изменяются по определенным законам. Если состояние системы меняется со временем, то модели называют динамическими, в противном случае — статическими.
Построение компьютерной модели. Моделирование
При построении моделей используют два принципа: дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему).
При первом подходе рассматривается частный случай общеизвестной фундаментальной модели. Здесь при заданных предположениях известная модель приспосабливается к условиям моделируемого объекта. Например, можно построить модель свободно падающего тела на основе известного закона Ньютона ma = mg-Fсопр и в качестве допустимого приближения принять модель равноускоренного движения для малого промежутка времени.
Второй способ предполагает выдвижение гипотез, декомпозицию сложного объекта, анализ, затем синтез. Здесь широко используется подобие, аналогичное моделирование, умозаключение с целью формирования каких-либо закономерностей в виде предположений о поведении системы. Например, подобным способом происходит моделирование строения атома. Вспомним модели Томсона, Резерфорда, Бора.
Технология построения модели при дедуктивном способе:
1. Теоретический этап:
2. Знания, информация об объекте (исходные данные об объекте).
3. Постановка задачи для целей моделирования.
4. Выбор модели (математические формулировки, компьютерный дизайн).
Технология построения модели при индуктивном способе:
1. Эмпирический этап:
2. Постановка задачи для моделирования.
3. Оценки.Количественное и качественное описание
4. Построение модели.
Этапы решения задачи с помощью компьютера (построение модели — формализация модели — построение компьютерной модели — проведение компьютерного эксперимента — интерпретация результата).
Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере
1. описательная информационная модель
2. формализованная модель
3. компьютерная модель
4. компьютерный эксперимент
5. Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели
1 этап — описательная информационная модель : такая модель выделяет существенные (с точки зрения целей проводимого исследования ) параметры объекта, а несущественными параметрами пренебрегает
2 этап — Описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка. В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и пр. фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.
3 этап— компьютерная модель
Описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка.
В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и пр. фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.
Пути построения компьютерной модели
— Построение алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из языков программирования;
— Построение компьютерной модели с использованием одного из приложений (электронных таблиц, СУБД и пр.)
4 этап – компьютерный эксперимент
— Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, её нужно запустить на выполнение и получить результаты.
— Если компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график.
5 этап – анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели
— В случае различия результатов, полученных при исследовании информационной модели, с измеряемыми параметрами реальных объектов можно сделать вывод, что на предыдущих этапах построения модели были допущены ошибки или неточности.
— Провести корректировку модели.
Метод имитационного моделирования (метод Монте-Карло)
Теоретическая основа метода была известна давно. Однако до появления ЭВМ этот метод не мог найти сколько-нибудь широкого применения, ибо моделировать случайные величины вручную — очень трудоемкая работа.
Само название “Монте-Карло” происходит от города Монте-Карло в княжестве Монако, знаменитого своим игорным домом. Дело в том, что одним из механических приборов для получения случайных величин является рулетка. Для вычисления площади круга единичного радиуса проведем эксперимент.
1). Васильков Ю.В. Компьютерные технологии моделирования М., «Финансы и статистика» 1999
3) Экштайн В. «Компьютерное моделирование» М. 1995г.
Источник
Компьютерные модели
Министерство общего и профессионального образования Свердловской области
Важнейшим условием информатизации общества, подготовки человека к полноценной жизни в условиях современного общества является информатизация образования. Без прочного фундамента, заложенного в сфере образования, никакие, даже самые выдающиеся научные открытия, не сделают наше общество действительно информационным.
Мировой и отечественный опыт показывает, что использование компьютера в изучении других предметов дает большой положительный эффект. В настоящее время стираются границы между отдельными дисциплинами, все шире внедряется в обучение. Современное состояние дел в этом направлении — активный поиск и разработка методов и технических средств обучения, позволяющих в кратчайшие сроки решить поставленные перед образованием задачи.
В нашем образовательном учреждении успешно применяются информационные технологии, как на уроках общеобразовательных дисциплин, так и на уроках специальных дисциплин. С помощью компьютера преподаватели демонстрируют информацию используя разное программное обеспечение.
странички интернет ресурсов;
Создавать текстовые документы, электронные таблицы, презентации, рисунки, фотографии и видео ролики мы можем.
А как создаются компьютерные модели? Это видео или рисунки, анимация или презентация. Сможем ли мы создать компьютерную модель не применяя специальных программ анимации, дизайна, 3 D моделирования. Используя только инструментальную программу Паскаль.
Гипотеза. Если мы изучим основные аспекты построения компьютерной модели, то скорее всего мы сможем реализовать не сложный алгоритм в инструментальной программе Паскаль, то есть построить компьютерную модель.
Цель проекта построить компьютерную модель физического явления с помощью инструментальной программы Паскаль.
Для достижения цели нам необходима решить следующие задачи:
изучить принцип анимационных моделей;
построить экспериментальную модель;
построить модель физического явления.
Основная часть
Моделирование и его виды
Моделирование является одним из способов познания мира.
Понятие моделирования достаточно сложное, оно включает в себя огромное разнообразие способов моделирования: от создания натуральных моделей (уменьшенных и или увеличенных копий реальных объектов) до вывода математических формул.
Для различных явлений и процессов бывают уместными разные способы моделирования с целью исследования и познания.
Объект, который получается в результате моделирования, называется моделью. Должно быть понятно, что это совсем не обязательно реальный объект. Это может быть математическая формула, графическое представление и т.п. Однако он вполне может заменить оригинал при его изучении и описании поведения.
Хотя модель и может быть точной копией оригинала, но чаще всего в моделях воссоздаются какие-нибудь важные для данного исследования элементы, а остальными пренебрегают. Это упрощает модель. Но с другой стороны, создать модель – точную копию оригинала – бывает абсолютно нереальной задачей. Например, если моделируется поведение объекта в условиях космоса. Можно сказать, что модель – это определенный способ описания реального мира.
Моделирование проходит три этапа:
Применение результатов исследования на практике и/или формулирование теоретических выводов.
Видов моделирования огромное количество. Вот некоторые примеры типов моделей:
Математические модели. Это знаковые модели, описывающие определенные числовые соотношения.
Графические модели. Визуальное представление объектов, которые настолько сложны, что их описание иными способами не дает человеку ясного понимания. Здесь наглядность модели выходит на первый план.
Имитационные модели. Позволяют наблюдать изменение поведения элементов системы-модели, проводить эксперименты, изменяя некоторые параметры модели.
Над созданием модели могут работать специалисты из разных областей, т.к. в моделировании достаточно велика роль межпредметных связей.
Особенности компьютерного моделирования
Совершенствование вычислительной техники и широкое распространение персональных компьютеров открыло перед моделированием огромные перспективы для исследования процессов и явлений окружающего мира, включая сюда и человеческое общество.
Компьютерное моделирование – это в определенной степени, то же самое, описанное выше моделирование, но реализуемое с помощью компьютерной техники.
Для компьютерного моделирования важно наличие определенного программного обеспечения.
При этом программное обеспечение, средствами которого может осуществляться компьютерное моделирование, может быть как достаточно универсальным (например, обычные текстовые и графические процессоры), так и весьма специализированными, предназначенными лишь для определенного вида моделирования.
Очень часто компьютеры используются для математического моделирования. Здесь их роль неоценима в выполнении численных операций, в то время как анализ задачи обычно ложится на плечи человека.
Обычно в компьютерном моделировании различные виды моделирования дополняют друг друга. Так, если математическая формула очень сложна, что не дает явного представления об описываемых ею процессах, то на помощь приходят графические и имитационные модели. Компьютерная визуализация может быть намного дешевле реального создания натуральных моделей.
С появлением мощных компьютеров распространилось графическое моделирование на основе инженерных систем для создания чертежей, схем, графиков.
Если система сложна, а требуется проследить за каждым ее элементом, то на помощь могут придти компьютерные имитационные модели. На компьютере можно воспроизвести последовательность временных событий, а потом обработать большой объем информации.
Однако следует четко понимать, что компьютер является хорошим инструментом для создания и исследования моделей, но он их не придумывает. Абстрактный анализ окружающего мира с целью воссоздания его в модели выполняет человек.
Экспериментальная модель
Прежде чем приступить к построению компьютерной модели нам необходимо изучить технологию движения объектов в инструментальной программе Паскаль.
Паскаль ( англ. Pascal) — язык программирования общего назначения. Один из наиболее известных языков программирования, используется для обучения программированию в старших классах и на первых курсах вузов, является базой для ряда других языков
Нарисуем объект (рис.1). Для этого в программе Паскаль напишем текст программы:
Основа движения- это повторяющееся объекты, поэтому изменим программу, чтобы объекты повторялись (рис.2).
For i:=1 to 699 do
Рисунок Объект повторения
Круги появляются постепенно, если закрашивать предыдущие, то появляется эффект движения (рис.3).
Дополним текст программы:
Рисунок Объект движения
В компьютерной модели предполагается движение по окружности, для этого мы изучили построение основных математических функций синус, косинус и др. И наложили движение объекта на график математической функции (рис.4). В этом случае программа существенно усложнилась.
(полный текст программы представлен в приложении 1.)
for x_ekr:=0 to 799 do
for x1:=0 to 799 do
Рисунок Функция синус
Изучив и применив полученные теоретические знания в экспериментальной модели построение объекта, движение объекта, движение объекта по графику математической функции мы можем приступить к построению компьютерной модели.
Компьютерная модель атома
Приступим к созданию модели атома. Рассмотрим существующие модели: ядро атома, обычно располагается в центре модели; электрон как правило движущийся объект, двигается по стационарной орбите вокруг ядра.
Такую не сложную модель атома возможно реализовать с помощью инструментальной программы Паскаль.
Сначала создадим изображение атома. Напишем алгоритм программы на языке программирования Паскаль (рис.5).
(полный текст программы представлен в приложении 2.)
var cx, cy :integer;
Чтобы будущая модель имела более эффектный вид, из окружности сделаем эллипс, то получится эффект объемной модели. Дополним программу коэффициентом сжатия окружности (рис.6).
Заменим строчку circle(cx+100,cy,Re); на строчку Ellipse(cx-100,cy-40,cx+100,cy+40); (полный текст программы представлен в приложении 3.)
Рисунок Атом в объёме
Придадим движение электрону по намеченной орбите, для этого дополним программу циклом повторения изображения электрона с точкой, точка обозначает орбиту вместо линии (рис.7).);
(полный текст программы представлен в приложении 4).
Данная модель может считаться простейшей компьютерной моделью атома.
Дополним модель электронами с разными орбитами и разной степенью сжатия орбиты (рис.8)).
(полный текст программы представлен в приложении 5).
Рисунок Компьютерная модель атома Гелий
Заключение
Компьютерное моделирование физических процессов является не только интересным направлением программирования, но и имеет большое практическое значение не только в учебном процессе, но и в других сферах производственной и экономической деятельности человека. И наверное будет актуальным еще долгое-долгое время.
В результате выполнения практического проекта мы полностью достигли заявленной цели: построили компьютерную модель физического явления с помощью инструментальной программы Паскаль. – мы построили компьютерную модель атома. Данную модель атома можно демонстрировать на уроках физики, химии, как в нашем образовательном учреждении, так и в школе.
К сожалению программа Паскаль ограничена набором визуальных эффектов, не предоставляет возможности в полной мере передать красоту нашего мира, ограничена палитра красок (всего 16 цветов), отсутствует 3 D представление но и другие эффекты.
В дальнейшем мы планируем продолжить изучение данного направления, но с использованием специального программного обеспечения.
Министерство общего и профессионального образования Свердловской области 
