Тема 9. Компьютерные модели.

1.     Понятие модели.

2.     Информационная модель.

3.     Виды информационных моделей

4.     Этапы решения задач на компьютерах

 

1.      Понятие модели.

Модель — это объект или процесс, который для различных целей рассматривается вместо другого объекта или процесса.

Модель - это объект-заменитель, который в определенных условиях может заменять объект-оригинал. Модель воспроизводит интересующие нас свойства и характеристики оригинала.

Существует два основных вида моделей: материальные и информационные, которые различаются формой представления.  Глобус — типичный пример материальной модели, которая по определению является материальным объектом.

Предметом изучения информатики являются информационные модели.

    В информационной модели отображаются знания человека об объекте моделирования.

Информационное моделирование - описание в той или иной форме объекта моделирования

2.      Информационная модель.

Информация на некотором носителе — это информационная модель.

Информационные модели по виду носителя информации делятся на мысленные, документальные и компьютерные. Критерием деления информационных моделей на виды служит форма их представления: форма мысленного образа, форма бумажного документа, форма файла на компьютерном носителе информации, включая изображение на экране компьютера.

Компьютерная (электронная) модель — это информационная модель в форме файла на компьютерном носителе и ее изображение на экране компьютера.

Компьютерные модели стали привычным инструментом при решении научных задач в физике, астрофизике, химии, биологии, экономике, социологии и других науках, в прикладных задачах радиоэлектроники, машиностроения, автомобилестроения. Компьютерные модели стали использоваться в быту.

Моделирование — это процесс создания и использования моделей для решения научных и практических задач.

В последнее время компьютерное моделирование стало широко использоваться в быту и в рекламе Цифровые фотографии и видео создаются с помощью смартфонов, а электронные документы — с помощью текстовых редакторов. А это компьютерные модели.

Электронные 3D-модели широко используются в интернет-рекламе смартфонов.

Компьютерные модели могут различаться формой представления. Они могут быть представлены в форме программы на языке программирования, листа рабочей книги в электронных таблицах, электронного документа, цифровой фотографии или видео,  электронного трехмерного объекта.

Цели компьютерного моделирования

Цель моделирования определяется, в первую очередь, решаемой задачей. Растущие возможности компьютерных технологий в последнее время значительно расширили цели компьютерного моделирования.

Целью компьютерного моделирования может быть:

1.     создание цифровых фотографий и видео;

2.     создание электронных документов;

3.     создание трехмерных электронных объектов;

4.     графическая визуализация численных данных;

5.     автоматизация численных расчетов;

6.     автоматизация математических преобразований.

Создание цифровых фотографий и видео воспринимается нами как нечто повседневное и обыденное, не связанное с компьютерным моделированием. Цифровые фотографии и видео массово создаются с помощью смартфонов и цифровых фотоаппаратов.

Пример: Цифровые объекты такого рода используются для пересылки другим пользователям с помощью мессенджеров (программ мгновенного обмена сообщениями), для демонстрации в социальных сетях, для хранения и компьютерной обработки.

Но создаваемые фото и видео хранятся в форме файлов, поэтому по сути являются компьютерными моделями.

Создание электронных документов с помощью текстовых редакторов — это моделирование будущих бумажных документов.

Создание трехмерных электронных объектов — это моделирование реальных и проектируемых зданий, сооружений и других объектов

Пример: 3D-модели создаются с помощью 3D-редакторов или 3D-сканеров. С возможностями 3D-редактора мы уже познакомились. 3D-модели используются для демонстрации и для вывода на 3D-принтеры при создании материальных объектовизделий.

Графическая визуализация численных данных — это представление численных данных графическими моделями

В электронных таблицах MS Excel для этой цели используют диаграммы, 3D-карты. В текстовом редакторе MS Word можно использовать диаграммы, графические элементы SmartArt. Строить графики функций по расчетным данным позволяют электронные таблицы, программы на языках программирования и специализирован­ные программные пакеты.

Автоматизация численных расчетов является одной из самых востребованных целей компьютерного моделирования

Пример: Численные расчеты являются основным методом решения сложных уравнений, составляющих современные математические модели. Для автоматизации таких расчетов и создаются компьютерные расчетные модели.

 

Автоматизация математических преобразований как цель компьютерного моделирования появилась не так давно, с возникновением группы программных средств под названием «системы компьютерной математики»

Пример: Системы компьютерной математики позволяют решать математические задачи практически любой сложности без составления расчетных таблиц или создания алгоритмов.

3.      Виды информационных моделей

 

Примером Образных моделей могут служить снимки со спутников Земли, иллюстрации в учебниках, макет строения животной клетки, научные кинофильмы.

С помощью языков кодирования информации строятся Знаковые информационные модели. Эти модели могут быть представлены на естественных языках (русском, английском и др) или на формальном языках (языки программирования, математический язык и др)

Смешанные модели объединяют в себе знаковые и образные модели.

Пример карта звездного неба, карта России, Европы, прогноз погоды и тд

4.     Этапы решения задач на компьютере.

 

 

 

 

Постановка задачи — формулируется цель решения задачи, подробно описывается ее содержание; проводится анализ условий, при которых решается поставленная задача, выявляется область определения входных параметров задачи.

Формальное построение модели задачи — предполагает построение модели с характеристиками, адекватными оригиналу, на основе какого-либо его физического или информационного принципа; анализируется характер и сущность величин, используемых в задаче.

Построение математической модели задачи — характеризуется математической формализацией задачи, при которой существующие взаимосвязи между величинами выражаются с помощью математических соотношений. Как правило, математическая модель строится с определенной точностью, допущениями и ограничениями.

Выбор и обоснование метода решения — модель решения задачи реализуется на основе конкретных приемов и методов решения. В большинстве случаев математическое описание задачи трудно перевести на

машинный язык. Выбор и использование метода решения позволяет свести решение задачи к конкретному набору машинных команд. При обосновании метода решения рассматриваются вопросы влияния различных факторов и условий на конечный результат, в том числе на точность вычислений, время решения задачи на компьютере, требуемый объем памяти и др.

Построение алгоритма — на данном этапе составляется алгоритм решения задачи, в соответствии с выбранным методом решения. Процесс обработки данных разбивается на отдельные относительно самостоятельные блоки, определяется последовательность выполнения этих блоков.

Составление программы — алгоритм решения переводится на конкретный язык программирования.

Отладка программы — процесс устранения синтаксических и логических ошибок в программе. В процессе трансляции программы с помощью синтаксического и семантического контроля выявляются недопустимые конструкции и символы (или сочетания символов) для данного языка программирования.

Компьютер выдает сообщение об ошибках в форме, соответствующей этому языку. Затем проверяется логика работы программы в процессе ее выполнения с конкретными исходными данными. Для этого используются специальные методы. Например, в программе выбираются контрольные точки, для них подбираются тестирующие примеры и вручную находятся значения в этих точках, которые затем и сверяются со значениями, получаемыми компьютером на этапе отладки. Кроме того, используются отладчики, выполняющие специальные действия на этапе отладки, такие как удаление, замена или вставка отдельных операторов или целых фрагментов программы, вывод промежуточных результатов, изменение значений заданных переменных и др.

 Решение задачи на компьютере и анализ результатов. Теперь программу можно использовать для решения поставленной задачи. Первоначально выполняется многократное решение задачи на компьютере для различных наборов исходных данных. Получаемые результаты анализируются специалистом, поставившим задачу. Разработанная программа поставляется заказчику в виде готовой к исполнению машинной программы. К ней прилагается документация, включающая инструкцию по эксплуатации. В задачах другого типа некоторые этапы могут отсутствовать. Например, проектирование программного обеспечения не требует построения математической модели.

Все приведенные этапы тесно связаны между собой. Например, анализ результатов может привести к необходимости внесения изменений в программу, алгоритм, метод решения или даже в постановку задачи.

Процесс создания программы включает:

• Составление исходного кода программы на языке программирования.

• Этап трансляции, необходимый для создания объектного кода программы.

• Построение загрузочного модуля, готового к исполнению.

Все перечисленные выше действия требуют наличия специальных программных средств.