Обчислювальний експеримент: методи та етапи проведення

Обчислювальний експеримент: методи та етапи проведення

Експеримент - двигун багатьох галузей науки. Нам звичні натурні, лабораторні досліди. Але що таке обчислювальний експеримент? У цій статті ми пропонуємо вам розібратися з цим явищем, його етапами, відмінними рисами.

Що це?

Для початку наведемо актуальні для наукового світу визначення обчислювального експерименту:

  • Специфічна організація досліджень, при якій властивості явищ і предметів вивчаються на основі математичних моделей. Програється поведінка об 'єктів в різних умовах, на основі чого вчені вибирають оптимальний для них режим (Самарський А.А.).
  • Перехід від вивчення будь-якого реального предмета до вивчення його математичної моделі. Останньою постають одне або кілька рівнянь.
  • Технологія вивчення математичних моделей, заснована на їх побудові та подальшому аналізі за допомогою обчислювальних електронних пристроїв.
  • Імітація певної реальності.

Використання обчислювальних експериментів пов 'язане з вивченням таких процесів, лабораторне або натурне дослідження яких було ускладнено або зовсім неможливо. Наприклад, у 40-50-ті роки минулого століття радянський академік Келдиш М. В. розробив математичний опис польотів у космос.

Відмінні характеристики методу

Основою обчислювального експерименту виступає математичне моделювання. Його теоретична база - прикладна математика, а технологічна - сучасні потужні ЕВМ. Крім того, для проведення подібних досліджень необхідні великі знання з багатьох розділів механіки, математики, фізики, екології, хімії та економіки.

Обчислювальний експеримент - це робота з трьома моделями:

  • Система, реальний об 'єкт.
  • Імітаційна модель реального об 'єкта.
  • Інформаційно-обчислювальна система.

Обчислювальні експерименти дозволяють дізнатися те, що не підвладне класичним (лабораторним і натурним) методикам:

  • Внутрішні взаємодії різних підсистем, елементів, вплив на їх діяльність змін зовнішнього середовища.
  • Виявити важливі особливості функціонування системи, розробити план її вдосконалення.
  • Отримати нові знання, маючи навіть неповні відомості про систему.
  • Опрацювати різні методики дій і стратегій.

Лабораторний і натурний експерименти

Моделі обчислювального експерименту - "" молодші брати "" інших існуючих споконвіку досліджень: натурного і лабораторного. Колись вчені обходилися тільки цими способами для перевірки своїх гіпотез, наукових ідей, технічних рішень, нових конструкцій і пристроїв.

Чим же вони відмінні від моделювання, обчислювального експерименту? Різницю можна усвідомити, ознайомившись з визначеннями:

  • Натурний експеримент - різні випробування, яких зазнавали нові пристрої та апарати. Метою було встановлення їх характеристик, перевірка можливостей і заявлених властивостей. Подібні дослідження більш за все характерні для технічної сфери.
  • Лабораторний експеримент - створення експериментальних установок, розробка вимірювальних пристроїв, а також методів проведення експерименту. Подібні дослідження характерні для хімії, фізики.

Ключові переваги методу

Перелічимо головні переваги обчислювального експерименту перед іншими методиками:

  • Цікавий об 'єкт можна дослідити без створення реальної моделі апарату, установки.
  • Можливість вивчення кожного з факторів окремо, в той час як вони діють одночасно в реальності.
  • Можливість дослідження тих процесів і явищ, які не можуть існувати в справжньому світі.

Методи експерименту

Перелічимо основні методи обчислювального експерименту:

  • Розподілене і паралельне програмування.
  • Створення релятивістських плазмових та електронних згустків, подальше управління їх пересуванням.
  • Метод частинок у комірці (для тривимірних і почесних плазмових процесів).
  • Електромагнітне одномірне моделювання.
  • Моделювання одномірних електромагнітних процесів.
  • Моделювання плазмових одномірних систем.
  • Моделі плазми, побудовані за рівнянням Власова.
  • Моделювання фізичних систем, які складаються з великої кількості взаємодіючих частинок.

Етапи

"" Проведіть обчислювальний експеримент "" - це завдання означає, що дослідник у своїй роботі повинен пройти кілька етапів:

  • Якісний всебічний аналіз цікавого предмета. Побудова його математичної моделі.
  • Розробка обчислювальних алгоритмів.
  • Створення програми, здатної реалізувати створений обчислювальний алгоритм.
  • Проведення необхідних розрахунків на електронно-обчислювальних машинах.
  • Обробка отриманих результатів, аналіз дослідження, формування висновків.

Проведення обчислювального експерименту, як і будь-якого іншого дослідження, починається з постановки цілей подальшої роботи:

  • Робочі гіпотези, які потребують перевірки.
  • Запитання, які потребують відповідей.
  • Керуючі дії, які потребують відповідей.

А тепер пропонуємо вам детально розібрати кожен з етапів дослідження.

Перший етап

Тут першим головним завданням для вченого стає вибір з усього різноманіття властивостей об 'єкта дослідження тих, які дійсно необхідно вивчити під час проведення експерименту.

Далі для досліджуваного процесу обов 'язково будується обчислювальна (математична) модель. Вона створюється так, що здатна розділяти всі фактори, що впливають на об 'єкт експерименту, на дві групи:

  • Головні. Обов 'язково враховуються.
  • Другорядні. Ті, які можна відкинути.

Потім обов 'язково сформувати рамки застосовності моделі, до яких вважаються справедливими отримані результати.

Другий етап

На наступному етапі обчислювального експерименту розробляється метод розрахунку сформованого дослідником математичного завдання. У даному випадку - обчислювального алгоритму. За фактом він буде представляти з себе якусь сукупність алгебраїчних формул (за ними будуть вестися розрахунки) і логічних умов (вони будуть допомагати встановити потрібну послідовність застосування формул).

Третій етап

На цьому кроці комп 'ютерного обчислювального експерименту створюється програма, що дозволяє реалізувати складений алгоритм. Це етап програмування для електронно-обчислювальних пристроїв.

Фактично тут створюється проект підготовки коду, складеного мовою високого рівня. Він буде реалізацією алгоритму чисельного вирішення завдань.

Тут перед науковцями виникають такі проблемні питання:

  • Виправдання складності обчислювальної моделі. Бажані такі математичні моделі, які могли б дати найбільш повне уявлення про функціонування системи, але в той же час не вимагали б складних обчислень, програмування.
  • Тривалість проведення обчислень на комп 'ютері. Експеримент повинен займати розумний проміжок часу.
  • Адекватність створеної моделі імітаційної реальності. Наскільки цінна складена модель? Наскільки корисний імітаційний експеримент?

Четвертий етап

На цьому щаблі проводяться розрахунки безпосередньо на ЕВМ. Треба сказати, даний етап багато в чому нагадує здійснення лабораторного експерименту. Відмінність лише одна: якщо в лабораторії вчені за допомогою спеціально створеної установки задають свої питання природі, то тут за допомогою ЕВМ питання задаються вже математичній моделі.

П 'ятий етап

Ось ми і підійшли до завершення обчислювального експерименту. Тут важливо отримати результати розрахунку, представлені деякою цифровою інформацією, яка надалі потребує розшифровки.

Вчені переходять до проведення розрахунків та аналізу отриманих результатів. Це вимагає не тільки значних інтелектуальних зусиль, а й достатніх навичок щодо подання, обробки та переосмислення наявних висновків:

  • Чи керуємо досліджуваний фактор?
  • Чи спостерігаються його значення?
  • Чи вплив фактора є предметом для вивчення?
  • Рівні фактора за своєю природою є якісними або кількісними?
  • Виявлений фактор випадковий або фіксований?

На цьому ми закінчимо знайомство з новітнім видом експерименту - обчислювальним. Його головна відмінність від натурного і лабораторного в тому, що вчені тут займаються вивченням не самої реальності, а її математичної моделі, імітації. Цей експеримент також має власні методики, специфічний алгоритм проведення досліджень у п 'ять основних кроків. Можливо, в майбутньому він знайде більш інноваційного наступника.