Моделирование.

Объект и его характеристики Объект – философская категория, выражающая то, что противостоит субъекту в его предметно-практической и познавательной деятельности Философское определение: В теории программирования: Объект – это сущность, способная сохранять свое состояние и обеспечивающая набор операций для проверки изменения этого состояния.

Из толкового словаря В.М. Савинкова: Объект – определенная часть окружающей нас действительности.

Таким образом можно сформулировать: Объект – это некоторая часть окружающего мира, рассматриваемая человеком как единое целое.

Имя КоличественныехарактеристикиФункциональныехарактеристикиСреда Характеристики служат для отражения отличительной особенности объекта Характеристики объекта

Для объекта присущи свойства: Свойство - то, что присуще какому-либо предмету, что составляет его конкретное существование. Свойства служат для качественной и количественной характеристики объекта. Под свойствами понимаются разнообразные количественные и качественные характеристики объекта.

В толковом словаре читаем: «Свойство – качество, признак, составляющий отличительную особенность кого-чего-нибудь». Или «Свойство – внутреннее неотъемлемое качество кого- нибудь-чего».

Классы объектов, процессы классификации. классом объектов. Группа объектов, обладающих одинаковыми общими свойствами, признаками называется классом объектов. Например, класс птиц:

процессом классификации. Внутри класса могут быть выделены подклассы, объекты которых обладают некоторыми особенными свойствами, в свою очередь, подклассы можно делить на еще более мелкие группы и т. д. Такой процесс называется процессом классификации.

При классификации объектов часто применяются информационные модели, которые имеют иерархическую (древовидную) структуру.

Например: иерархическая (древовидная) структура строения информации в компьютере. Диск Корневой каталог Папки и файлы Вложенные папки и файлы Файлы (Корень) (Ствол) (Толстые ветви) (Тонкие ветви) (Листья)

В иерархической информационной модели объекты распределены по уровням, причем элементы нижнего уровня входят в состав одного из элементов более высокого уровня. Для информатики характерна иерархическая файловая система.

На рисунке изображена информационная модель, которая позволяет классифицировать современные компьютерыКомпьютер Супер-компьютеры Рабочиестанции Персональные компьютеры компьютеры Настольные Портативные Карманные

Свойства объекта можно подразделить на две группы. Свойства объектов Параметры (измеряемые свойства) Величины- количественные Признаки- качественные Субъективные свойства –(неизмеряемые свойства)

Параметры (измеряемые свойства) – количественные характеристики свойств объекта, для которых можно указать конкретные значения. Масса г, кг, ц, т. Длина м, мм, см, дм, км. Объем куб.м, куб.дм, гл. Площадь кв.с, кв.м, га, а. Пример:

Субъективные свойства (неизмеряемые свойства), свойства, которые проявляются в эмоциональных характеристиках.

Параметры объекта можно разделить на две группы: 2.Признак – качественная характеристика. 1.Величина – количественная характеристика.

Еще одна характеристика объекта – действие.

Это понятие возникает, когда одни объекты воздействуют на другие или взаимодействуют между собой.

Совокупность действий, выполняемых объектом, называется поведением. поведением.

Можно выделить два направления исследования поведения объекта: 1. известно действие, требуется определить, значения каких параметров изменились;

2.зафиксировано изменение состояния, требуется определить, в результате каких действий это произошло.

Характери стика Отличительная особенность объекта Имя Языковой идентификатор объекта Свойства Качественные и количественные характеристики объекта Параметр Количественная характеристика свойств объекта, для которых можно указать конкретные значения. Состояние Набор значений параметров объекта в определенный момент времени. Действие Функциональная характеристика объекта. Среда Характеристика окружения объекта. При рассмотрении понятия «объект» следует использовать термины:

Один и тот же объект можно представить по разному – например: вода – это море, дождь, медуза, химическая формула, и т.д.

Вода

Понятие модели. Что же такое модель? Приведем примеры: 1.Архитектор готовится построить здание невиданного типа. Но прежде он сроит макет этого здание. Это модель здания.

2. На стене висит картина, изображающая яблоневый сад. Это модель яблоневого сада.

3.Литературный жанр, такой как басня или притча, имеет непосредственное отношение к понятию модели, так как переносит отношения между людьми на отношения между животными. Лебедь, рак и щука (И.Крылов)

Один объект может иметь несколько моделей, которые представлены в разной форме: в виде текста, схемы, рисунка, структуры, формулы и т.д.

Вода Жидкое вещество, прозрачное, не имеет вкуса, запаха и цвета. Имеет три агрегатных состояния. Является хорошим растворителем. 2H 2 +O 2 =2H 2 O

Модели Материальные (натуральные) 1.Макеты 2.Муляжи 3.эталоны Информационные 1.словесные описания 2.схемы 3.чертежи 4.карты 5.рисунки 6.формулы 7.программы и т.д.

Можно сделать и такую классификацию видов моделей: 1.Графическое представлениеПримером могут служить фотографии, рисунки, схемы, чертежи. 1.Графическое представление. Примером могут служить фотографии, рисунки, схемы, чертежи.

2.Словесное описание.Это словесное перечисление основных составных частей объекта, наиболее важных признаков и свойств. Например, описание путешественником какой - либо местности. 2.Словесное описание. Это словесное перечисление основных составных частей объекта, наиболее важных признаков и свойств. Например, описание путешественником какой - либо местности. Территория Африки простирается с севера на юг на 8 тыс.км, а с запада на восток максимально на 7,5 тыс.км. Африка самый жаркий континент на Земле. Африканские страны по размерам крупнее европейских. Водные ресурсы распределены по ее территории неравномерно. Для ее аридных частей имеет большое значение искусственное орошение.

3.Информационно-логические модели. Набор величин, содержащий всю необходимую информацию об исследуемом объекте (процессе). Примером может служить таблица, блок-схема.

Монитор Принтер СистемныйблокДисковод Клавиатура

3.Математическая модель.Подобные модели строятся на основе уравнений и функций, выражающих существенные черты объекта (процесса). 3.Математическая модель. Подобные модели строятся на основе уравнений и функций, выражающих существенные черты объекта (процесса). St = So + VoT + aT^2/2 «силовая» модель (критерий Ньютона): Ne = FT/mv Это – соотношение силовых и скоростных полей.

4.Натуральная модель.К ним относятся технические модели (модель самолета или автомобиля). 4.Натуральная модель. К ним относятся технические модели (модель самолета или автомобиля).

Модель (фр. modele, ит. modello, лат. modulus – мера, образец) – это: некоторое упрощенное подобие реального объекта, процесса или явления, которое отражает существенные стороны объекта, в зависимости от целей моделирования;

Модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования.Модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования. Чертеж автомобиля, является его моделью.

воспроизведение предмета в уменьшенном или увеличенном виде (макет);воспроизведение предмета в уменьшенном или увеличенном виде (макет);

физический или информационный аналог объекта, функционирование которого по определенным параметрам подобно функционированию реального объекта; физический или информационный аналог объекта, функционирование которого по определенным параметрам подобно функционированию реального объекта; схема, изображение или описание какого-либо явления или процесса в природе и обществе;схема, изображение или описание какого-либо явления или процесса в природе и обществе;

это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные черты этого оригинала.это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные черты этого оригинала.

Например: манекен является моделью реального человека и заменяет его в процессе эксперимента.

Примеры моделей: Географические модели: глобус, карта, модель вулкана, модель смещения слоев земли.

Биологические модели: скелет – модель человека, модель сердца и других органов, модель цветка, модель амебы.

Химические модели: кристаллическая решетка, строение белка.

Физические модели: модель вращение Земли вокруг Солнца, модель двигателя внутреннего сгорания.

Математические модели: модель площади, модель многоугольников. A B C D A1A1 B1B1 C1C1 D1D1

понять, как устроен конкретный объект – какова его структура, основные свойства, законы и взаимодействие с окружающим миром;понять, как устроен конкретный объект – какова его структура, основные свойства, законы и взаимодействие с окружающим миром; Модель нужна для того, чтобы: научиться управлять объектом или процессом и определить наилучшие способы управления при заданных целях;научиться управлять объектом или процессом и определить наилучшие способы управления при заданных целях;

прогнозировать прямые или косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объектпрогнозировать прямые или косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект

Классификация моделей. Классификация проводится в соответствии с различными признаками моделей. По области использования можно выделить:

учебные – наглядные пособия, обучающие программы, тренажеры ;

опытные – модель корабля;

научно-технические научно-технические – ускоритель электронов, стенд для проверки телевизоров; игровые игровые – военные, экономические, спортивные и др. игры; имитационные имитационные – эксперимент или многократно повторяется для изучения и оценки влияния каких-либо действий на реальную обстановку.

статистические – статистические – дают «одномоментный срез» текущего состояния объекта; По учету фактора времени: динамические динамические – позволяют увидеть изменения объекта во времени.

По способу представления объекта. Материальные модели воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение отражает наиболее существенные для исследователя свойства объекта. Информационные модели

Графический метод включает графическую часть и описание. включает графическую часть и описание. Методы построения информационных моделей:

Сетевой метод отражает логико-временную последовательность проведения работ.

Матричный метод сводится к сбору документации, пополнению их недокументированными сведениями и анализу построенной матрицы.

Графо-аналитическийметод Графо-аналитический метод предполагает построение модели в виде ориентированного графа с последующим расчетом промежуточных и итоговых показателей.

Вероятностный метод применяется для анализа информационных систем, в которых потоки информации носят случайный характер (теория массового обслуживания).

Имитационный метод позволяет имитировать реальные процессы и вырабатывать исходные данные для формирования моделей (например, расчет процента ошибочных действий на имитаторе вождения).

Основные типы информационных моделей (табличные, иерархические, сетевые). Табличные модели Табличные модели. Одним из наиболее часто используемых типов информационных моделей является таблица, которая состоит из строк и столбцов. С помощью таблиц создаются информационные модели в различных предметных областях. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и т. д.

Например: Информационная модель представлена в виде таблицы. Наименование устройства Цена, у.е. Системная плата 80 Процессор Celeron (800 МГц) 60 Память 64 Мб 8 Жесткий диск 40 Гб 130 Дисковод 3,5 14 Видеоплата 8 Мб 30 Монитор

Иерархические модели. Нас окружает множество различных объектов, каждый из которых обладает определенными свойствами. Однако некоторые группы объектов имеют одинаковые общие свойства, которые отличают их от объектов других групп.

Классификационные модели строятся для решения таких задач, как диагностика, распознавание образов, анализ схем. Пример:. Классификация органического мира:..

Знаковая модель. Прежде чем приступить к процессу моделирования, человек делает предварительные наброски чертежей либо схем на бумаге, выводит расчетные формулы, т. е. составляет информационную модель в той или иной знаковой форме, которая может быть либо компьютерной, либо некомпьютерной.

Пример знаковой модели.

служат для решения таких задач как прогнозирование и управление Динамические модели служат для решения таких задач как прогнозирование и управление.Пример: автоматизированная система управления технологическими процессами.

Математическая модель Математическая модель выражает существенные черты объекта или процесса языком уравнений и других математических средств.

Компьютерная модель. Компьютерная модель это модель, реализованная средствами программной среды. Компьютерной моделью называют модель, построенную для исполнителя, ориентированного на вычислительное устройство.

Это не особый вид модели, а способ изучения известных моделей с помощью компьютера.

Формализация. Формализация – это процесс выделения внутренней структуры предмета, явления или процесса и перевода ее в определенную информационную структуру – форму.

Формализация является завершающим шагом этапа постановки задачи. Формализация – первый и очень важный этап процесса моделирования.

ВопросОтвет Что моделируется? Геометрическая фигура – правильный треугольник Что задано? Отрезок, равный длине стороны треугольника Что надо получить? Правильный треугольник В какой среде можно осуществить построение? На бумаге или в среде графического редактора Какие инструменты нужны для построения на бумаге? Линейка, циркуль Какие инструменты нужны для построения в среде графического редактора? Циркуль заменяет квадрат со вписанной окружностью Например: построить правильный треугольник с заданной стороной.

Моделирование. Процесс построения модели называется моделированием. Моделирование – это как процесс построения модели, так и процесс изучения строения и свойств оригинала с помощью построенной модели.

Моделирование – построение моделей реально существующих объектов (предметов, явлений, процессов); замена реального объекта его подходящей копией; замена реального объекта его подходящей копией; исследование объектов познания на их моделях. исследование объектов познания на их моделях. процесс исследования объекта познания его на модели процесс исследования объекта познания его на модели

Метод экспериментального исследования, основанный на замене конкретного объекта экспериментам другим, в некотором смысле ему подобным, будем называть моделированием, а объект, над которым производится эксперимент – моделью.

Уровни моделирования. 1.Информационная системаэто взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели. 1.Информационная система – это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

2.Информационный объект – это описание некоторой сущности (реального объекта, явления, процесса, события) в виде совокупности логически связанных атрибутов (реквизитов): вуз, студент, сессия.

Структурирование – это процесс создания полуформализованного описания предметной области: Pz = {Sk, Sf} Здесь Pz – поле знаний; Sk – концептуальная структура; Sf – функциональная структура.

Концептуальная структура служит для описания объектов предметной области и связи между ними: S = {A, R}Здесь A – множество объектов; R - множество связей между объектами.

Информационный уровень моделирования обеспечивает формирование массивов, между которыми установлены связи, позволяющие осуществлять поиск и выбор требуемой информации в соответствии с реализуемыми функциями.

Виды моделирования Материальное Идеальное Знаковое Математическое

Информационное моделирование предназначено для исследования процессов сбора, хранения, переработки и передачи информации в изучаемой системе. Пример: формальный язык как подмножество естественного языка.

Имитационное моделирование служит для получения (определения) исходных данных реального объекта (процесса) с помощью имитации реальной обстановки.

Компьютерное моделирование воздействие на компьютерную модель инструментами программной среды с целью определения, как изменяются параметры модели.

Системное моделирование. Системное моделирование рассматривает реальную ситуацию как взаимодействие множества объектов. Примеры: 1) модель вселенной (Птолемей, Коперник); 2) религиозные модели (христианство, мусульманство); 3) модели общественного устройства (Древнерусское государство, Римская республика, Мафия).

Математическое моделирование устанавливает связи между объектами в виде математических соотношений. Пример. Модель равноускоренного движения: St = So + VoT + aT^2/2

Физическое моделирование позволяет изучать физико-химические и технологические процессы на моделях, имеющих ту же физическую природу, что и оригинал.

Геометрическое моделирование (предметное) – это изучение свойств реальных объектов по их макетам (плоскостные, объемные). Пример. Модель самолета для продувки в аэродинамической трубе: Kl = Ln/Lm Здесь Kl - коэффициент геометрического подобия натурного Ln и модельного Lm объектов

Связи между основными понятиями процесса моделирования. Задача Субъект ЦелиМодель Объект

Модели объектов реальной действительности (предметов, процессов, явлений) используются для: 1.представления (репрезентации) материальных предметов; 2.объяснения известных фактов; 3.построения гипотез; 4.получения новых знаний об исследуемых объектах; 5.прогнозирования; 6.управления

Потребность в моделировании возникает в таких сферах человеческой деятельности, как: 1.познание; 2.общение (в широком смысле слова); 3.практическая деятельность.

Каждый аспект моделирования характеризуется своим набором свойств: внешний вид – набором признаков;внешний вид – набором признаков; структура – перечнем элементов и указанием отношений между ними;структура – перечнем элементов и указанием отношений между ними; поведение – изменением внешнего вида и структуры с течением времени.поведение – изменением внешнего вида и структуры с течением времени.

Моделирование внешнего вида объекта используется для: - идентификации (узнавания) объекта; - долговременного хранения образа.

Моделирование структуры объекта используется для: - ее наглядного представления; - изучения свойств объекта; - выявления значимых связей; - изучения стабильности объекта.

Моделирование поведения применяется при: - планировании, прогнозировании; - установлении связей с другими объектами; - выявлении причинно-следственных связей; - управлении; - конструировании технических устройств и т.п.

Процесс моделирования можно представить в виде последовательности нескольких этапов: Объект модель изучение модели знания об объекте. Основной задачей процесса моделирования является выбор модели, наиболее адекватной оригиналу, и перенос результатов исследования на оригинал.

Этапы моделирования Можно составить цепочку этапов моделирования: Прототип Моделирование Принятие решения

Моделирование – творческий процесс. Заключить его в формальные рамки трудно. Его можно изобразить поэтапно: Постановка цели моделирования.Постановка цели моделирования. Анализ объекта и выделение всех его известных свойств.Анализ объекта и выделение всех его известных свойств. Анализ выделенных свойств с точки зрения цели моделирования и определение, какие из них следует считать существенными.Анализ выделенных свойств с точки зрения цели моделирования и определение, какие из них следует считать существенными.

Выбор формы представления моделиВыбор формы представления модели Формализация.Формализация. Анализ полученной модели на непротиворечивость.Анализ полученной модели на непротиворечивость. Анализ адекватности полученной модели объекту и цели моделирования.Анализ адекватности полученной модели объекту и цели моделирования. Получение на основе анализа модели информации об объекте моделирования и использование ее для решения стоящей перед субъектом моделирования задачиПолучение на основе анализа модели информации об объекте моделирования и использование ее для решения стоящей перед субъектом моделирования задачи

Цель моделирования. Цель моделирования возникает, когда субъект решает стоящую перед ним задачу, и зависит как от решаемой задачи, так и от субъекта моделирования.

То есть цель моделирования имеет двойственную природу: с одной стороны она объективна, так как вытекает из задачи исследования, с другой - субъективна, поскольку исследователь всегда корректирует ее в зависимости от опыта, интересов, мотивов деятельности То есть цель моделирования имеет двойственную природу: с одной стороны она объективна, так как вытекает из задачи исследования, с другой - субъективна, поскольку исследователь всегда корректирует ее в зависимости от опыта, интересов, мотивов деятельности

Схема, демонстрирующая зависимость цели моделирования от задачи и субъекта.

Целями информационного моделирования могут быть: описать внешний вид объекта для...; 1.· описать внешний вид объекта для...; 2.· разработать техническое задание на...; 3.· разработать договор о совместной деятельности по...; 4.· нарисовать эскиз...; 5.· разработать технические чертежи...; 6.· представить графически структуру...; 7.· составить таблицу расписания...; 8.· вывести расчетную формулу...; 9.· определить план действий...; 10.· разработать алгоритм решения задачи...

Возникновение потребности моделирования Потребность в моделировании возникает в таких сферах человеческой деятельности, как: 1. познание; 2. общение (в широком смысле слова); 3. практическая деятельность