Проблемы математического моделирования в предметных областях
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ - УНПК»
Кафедра: «Прикладная математика и информатика»
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
Студент Полякова Екатерина Евгеньевна Шифр 130035 Группа 11-БС
ВАРИАНТ № 20
- Написать реферат на тему : «Проблемы математического моделирования в предметных областях.»
- Составить таблицу, записать составленные формулы и построить диаграмму. Тип диаграммы: круговая. Исходные данные для построения диаграммы: данные столбца Доход относительно данных столбца Код. Легенда: данные столбца Код. Значения областей диаграммы должны быть выражены в процентах.
- Разработать алгоритм
и составить программу.
Даны натуральное число m и целые . Получить новую последовательность, выбросив из последовательности , все члены с наименьшим значением . - Вычислить значение функции и начертить график .f(x) с шагом 0,15 ;
Руководитель: ________ ______________________________
подпись Ф.И.О.
Задание принял к исполнению «___» _______________ 2014 г.
Подпись студента __________
СОДЕРЖАНИЕ
Задание 1.............................
Задание 2.............................
Задание 3 ….............................
Задание 4 ….............................
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ….............................
Задание 1 . Реферат на тему : «Проблемы математического
моделирования в предметных областях.»
Содержание
Введение…………………………………………………………
1)Общие положения
2)Понятие математического моделирования как методологии
научных исследований………………………………………………
а)Модели прогноза или расчетные модели без управления…………………..9
б) Оптимизационные модели…………………………………………………....9
в) Кибернетические модели……………………………………………………..10
3)Особенности кибернетического моделирования………………………..…..11
4)Моделирование мыслительной
Заключение……………………………………………………
Список используемой литературы……………………………………………...
Введение
В развитии различных областей человеческой деятельности математика оказывала
и оказывает существенное влияние. Ее
роль складывалась исторически и зависела
от двух факторов: степени развития математических
понятий и математического аппарата, а
также степени зрелости знания об изучаемом
объекте.
Дальнейшее развитие математических понятий и теорий происходит на базе уже существующих математических объектов. Математические объекты и теории не только обретают чувственно абстрактность, но и универсальную всеобщность и широкую применимость. В процессе применения математики осуществляется восхождение от абстрактного к конкретному.
Структуры «мира математического» успешно применяются для анализа «мира экспериментального», так как первый является идеально-абстрактной, обобщенной и логически более совершенной картиной второго.
Современное развитие науки характеризуется потребностью сложного изучения всевозможных сложных процессов и явлений – физических, химических, биологических, экономических, социальных и других. Происходит значительное увеличение темпов математизации и расширение ее области действия. Теории математики широко применяются в других науках. Это вызвано естественным процессом развития научного знания, который потребовал привлечения нового и более совершенного математического аппарата, проявлением новых разделов математики, а также кибернетики, вычислительной техники и так далее, что значительно увеличило возможности ее применения[2] .
Более точное математическое описание процессов и явлений, вызванное потребностями современной науки, приводит к появлению сложных систем интегральных, дифференциальных, интегральных, трансцендентных уравнений и неравенств, которые не удается решить аналитическими методами в явном виде. Для решения таких задач приходится прибегать к вычислительным алгоритмам, использовать какие-либо бесконечные процессы, сходящиеся к конечному результату. Приближенное решение задачи получается при выполнении определенного числа шагов.
Развитие ЭВМ стимулировало более интенсивное развитие вычислительных методов, создало предпосылки решения сложных задач науки, техники, экономики. Широкое применение при решении таких задач получили методы прикладной математики и математического моделирования.
В настоящее время прикладная математика и ЭВМ являются одним из определяющих факторов научно-технического прогресса. Они способствуют ускорению развития ведущих отраслей народного хозяйства, открывают принципиально новые возможности моделирования и проектирования сложных систем с выбором оптимальных параметров технологических процессов.
ЭВМ обеспечивает интенсивный процесс математизации не только естественных и технических, но также общественных и гуманитарных наук. Математическое моделирование и ЭВМ получают широкое применение в химии, биологии, медицине, психологии, лингвистике и этот список можно продолжать и продолжать.
В реферате предпринята попытка рассмотреть аспекты математического моделирования как метода познания окружающего мира. Исследованы общие вопросы математического моделирования. Определяются и обосновываются понятия моделирование, , математическая модель и математическое моделирование, приводится классификация математических моделей. Рассматривается применение математического моделирования в различных отраслях человеческого знания и деятельности. Вторая часть посвящена вопросам кибернетики, моделирования мысленной деятельности человека. Поднимаются вопросы искусственного интеллекта, модели искусственного нейрона, нейросетевых технологий.
1)Общие положения математического моделирования. Моделирование как метод научного познания.
Моделирование, как специфическое средство и форма научного познания не является изобретением XIX или XX века. Достаточно указать на представления Демокрита и Эпикура об атомах, их форме, и способах соединения, об атомных вихрях и ливнях, объяснения физических свойств различных веществ с помощью представления о круглых и гладких или крючковатых частицах, сцепленных между собой. Эти представления являются прообразами современных моделей, отражающих ядерно-электронное строение атома вещества.
В настоящее время нельзя назвать область человеческой деятельности, в которой в той или иной степени не использовались бы методы моделирования. Остановимся на общей теории моделирования[3] .
Методологическая основа моделирования заключается в следующем. Все то, на что направлена человеческая деятельность, называется объектом (лат. objectum – предмет). Выработка методологии направлена на упорядочение получения и обработки информации об объектах, которые существуют вне нашего сознания и взаимодействуют между собой и внешней средой.
В научных исследованиях большую роль играют гипотезы. Быстрая и полная проверка гипотез может быть проведена в ходе специально поставленного эксперимента. При формулировании и проверки правильности гипотез большое значение в качестве метода суждений имеет аналогия.
Аналогией называют суждение о каком либо частном сходстве двух объектов, причем такое сходство может быть существенным и несущественным. Существенность сходства (различия) зависит от уровня абстрагирования и в общем случае определяется конечной целью проводимого исследования. Современная научная гипотеза создается, как правило, по аналогии с проверенными на практике научными положениями. Таким образом, аналогия связывает гипотезу с экспериментом.
Гипотезы и аналогии, отражающие реальный, объективно существующий мир, должны обладать наглядностью или сводится к удобным для исследования логическим схемам. Такие логические схемы, упрощающие рассуждения и логические построения или позволяющие проводить эксперименты, уточняющие природу явлений, называются моделями. Другими словами модель (лат. modulus - мера) – это объект заместитель объекта-оригинала, обеспечивающий изучение некоторых свойств оригинала.
Моделированием называется замещение одного объекта другим с целью получения информации о важнейших свойствах объекта-оригинала с помощью объекта-модели. Таким образом, моделирование может быть определено как представление объекта моделью для получения информации об этом объекте путем проведения экспериментов с его моделью. И.Т. Фролов отмечал, что «моделирование означает материальное или мысленное имитирование реально существующей системы путем специального конструирования аналогов (моделей), в которых воспроизводятся принципы организации и функционирования этой системы». Здесь в основе мысль, что модель средство познания, главный ее признак - отображение. Теория замещения одних объектов (оригиналов) другими объектами (моделями) и исследование свойств объектов на их моделях называется теорией моделирования.
Если результаты моделирования подтверждаются и могут служить основой для прогнозирования процессов, протекающих в исследуемых объектах, то говорят, что модель адекватна объекту. При этом адекватность модели зависит от цели моделирования и принятых критериев.
Процесс моделирования предполагает наличие:
объекта исследования;
исследователя, перед которым поставлена конкретная задача;
модели, создаваемой для получения информации об объекте и необходимой для решения поставленной задачи.
По отношению модели исследователь является экспериментатором, только в данном случае эксперимент проводится не с реальным объектом, а с его моделью. Надо иметь в виду, что любой эксперимент может иметь существенное значение в конкретной области науки только при специальной его обработке и обобщении. Единичный эксперимент никогда не может быть решающим для подтверждения гипотезы, проверки теории. Следует помнить о том, что критерием истины являются опыт, практика, экспериментальное исследование.
2)Понятие математического моделирования как методологии научных исследований
Под математическим моделированием, в узком смысле слова, понимают описание в виде уравнений и неравенств реальных физических, химических, технологических, биологических, экономических и других процессов. Для того чтобы использовать математические методы для анализа и синтеза различных процессов, необходимо уметь описать эти процессы на языке математики, то есть описать в виде системы уравнений и неравенств.
Как методология научных исследований математическое моделирование сочетает в себе опыт различных отраслей науки о природе и обществе, прикладной математики, информатики и системного программирования для решения фундаментальных проблем. [4] .
По своей сути математическое моделирование есть метод решения новых сложных проблем, поэтому исследования по математическому моделированию должны быть опережающими. Следует заранее разрабатывать новые методы, готовить кадры, умеющие со знанием дела применять эти методы для решения новых практических задач.
Математическая модель может возникнуть тремя путями: 1)В результате прямого изучения реального процесса. Такие модели называются феноменологическими. 2)В результате процесса дедукции. Новая модель является частным случаем некоторой общей модели. Такие модели называются асимптотическими. 3)В результате процесса индукции. Новая модель является обобщением элементарных моделей. Такие модели называют моделями ансамблей.
Процесс моделирования начинается с моделирования упрощенного процесса, который с одной стороны отражает основные качественные явления, с другой стороны допускает достаточно простое математическое описание. По мере углубления исследования строятся новые модели, более детально описывающие явление.
Математическая модель и реальный процесс не тождественны между собой. Как правило, математическая модель строится с некоторым упрощением и при некоторой идеализации. Она лишь приближенно отражает реальный объект исследования, и результаты исследования реального объекта математическими методами носят приближенный характер. Точность исследования зависит от степени адекватности модели и объекта и от точности применяемых методов вычислительной математики.
Схема построения математических моделей следующая: 1)Выделение параметра или функции, подлежащей исследованию. 2)Выбор закона, которому подчиняется эта величина. 3)Выбор области, в которой требуется изучить данное явление. 4)Классификация математических моделей
Существуют всевозможные классификации математических моделей..
Рассмотрим следующую классификацию математических моделей.
а) Модели прогноза или расчетные модели без управления.
Их можно разделить на стационарные и динамические.
Основное назначение этих моделей: зная начальное состояние и информацию о поведение на границе, дать прогноз о поведении системы во времени и в пространстве. Такие модели могут быть и стохастическими.
Как правило, модели прогнозирования описываются алгебраическими, трансцендентными, дифференциальными, интегральными, интегро-дифференциальными уравнениями и неравенствами. Примерами могут служить модели распределения тепла, электрического поля, химической кинетики, гидродинамики.
б) Оптимизационные модели
Их так же разбивают на стационарные и динамические. Стационарные модели используются на уровне проектирования различных технологических систем. Динамические – как на уровне проектирования, так и, главным образом, для оптимального управления различными процессами – технологическими, экономическими и др.
В задачах оптимизации имеется два направления. К первому относятся детерминированные задачи. Вся входная информация в них является полностью определяемой.
Второе направление относится к стохастическим процессам. В этих задачах некоторые параметры носят случайный характер или содержат элемент неопределенности. Многие задачи оптимизации автоматических устройств, например, содержат параметры в виде случайных помех с некоторыми вероятностными характеристиками.
Методы отыскания экстремума функции многих переменных с различными ограничениями часто называются методами математического программирования. Задачи математического программирования – одни из важных оптимизационных задач.
Как правило, к задачам математического программирования неприменимы методы классического анализа для отыскания экстремума функции нескольких переменных.
Модели теории оптимального управления – одни из важных в оптимизационных моделях. Математическая теория оптимального управления относится к одной из теорий, имеющих важные практические применения, в основном, для оптимального управления процессами.
Различают три вида математических моделей теории оптимального управления[4] . К первому виду относятся дискретные модели оптимального управления. Традиционно такие модели называют моделями динамического программирования. Широко известен метод динамического программирования Беллмана. Ко второму типу относятся модели, описываемые задачам Коши для систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Их часто называют моделями оптимального управления системами с сосредоточенными параметрами. Третий вид моделей описывается краевыми задачами, как для обыкновенных дифференциальных уравнений, так и для уравнений в частных производных. Такие модели называют моделями оптимального управления системами с распределенными параметрами.
в) Кибернетические модели
Этот тип моделей используется для анализа конфликтных ситуаций.
Предполагается, что динамический процесс определяется несколькими субъектами, в распоряжении которых имеется несколько управляющих параметров. С кибернетической системой ассоциируется целая группа субъектов со своими собственными интересами.
IV. Вышеописанные типы моделей не охватывают большого числа различных ситуаций, таких, которые могут быть полностью формализированы. Для изучения таких процессов необходимо включение в математическую модель функционирующего «биологического» звена – человека. В таких ситуациях используется имитационное моделирование, а также методы экспертиз и информационных процедур.
О кибернетическом моделировании и моделировании мыслительной деятельности человека.
3)Особенности кибернетического моделирования.
Кибернетика (от греческого kybernetike – искусство управления) – наука о самоуправляющихся машинах, в частности о машинах с электронным управлением[1] . Основатель ее, американский ученый Норберт Винер, в 1948 показал, что человеческий мозг действует наподобие электронных вычислительных машин с двоичной системой исчисления. Можно определить кибернетику как науку, изучающую системы любой природы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать информацию для целей управления.[1] Понятия кибернетическое моделирование, искусственный интеллект, нейроматематика, о которых речь пойдет ниже, тесно связаны с математическим моделированием и не мыслимы без него. Кибернетика широко пользуется методом математического моделирования и стремится к получению конкретных результатов, позволяющих анализировать и синтезировать изучаемые системы.
В современном научном знании весьма широко распространена тенденция построения кибернетических моделей объектов самых различных классов.
Кибернетическое моделирование используется и как общее эвристическое средство, и как искусственный организм, и как система-заменитель, и в функции демонстрационной. Использование кибернетической теории связи и управления для построения моделей в соответствующих областях основывается на максимальной общности ее законов и принципов: для объектов живой природы, социальных систем и технических систем.
Широкое использование кибернетического моделирования позволяет рассматривать этот «логико-методологический» феномен как неотъемлемый элемент «интеллектуального климата» современной науки». В этой связи говорят об особом «кибернетическом стиле мышления», о «кибернетизации» научного знания.
Анализ биологических систем с помощью кибернетического моделирования обычно связывают с необходимостью объяснения некоторых механизмов их функционирования (ниже рассмотрим моделирование психической деятельности человека).
Характеризуя процесс кибернетического моделирования[3] , обращают внимание на следующие обстоятельства. Модель, будучи аналогом исследуемого явления, никогда не может достигнуть степени сложности последнего. При построении модели прибегают к известным упрощениям, цель которых - стремление отобразить не весь объект, а с максимальной полнотой охарактеризовать некоторый его «срез». Задача заключается в том, чтобы путем введения ряда упрощающих допущений выделить важные для исследования свойства. Создавая кибернетические модели, выделяют информационно-управленческие свойства. Все иные сторон этого объекта остаются вне рассмотрения.
Анализируя процесс приложения кибернетического моделирования в различных областях знания, можно заметить расширение сферы применения кибернетических моделей: использование в науках о мозге, в социологии, в искусстве, в ряде технических наук. В частности, в современной измерительной технике нашли приложение информационные модели[4] . Возникшая на их основе информационная теория измерения и измерительных устройств - это новый подраздел современной прикладной метрологии.
4)Моделирование мыслительной деятельности человека.
Использование ЭВМ в моделировании деятельности мозга позволяет отражать процессы в их динамике, но у этого метода в данном приложении есть свои сильные и слабые стороны. Наряду с общими чертами, присущими мозгу и моделирующему его работу устройству, такими, как:1)материальность 2)закономерный характер всех процессов 3)общность некоторых форм движения материи 4)отражение 5)принадлежность к классу самоорганизующихся динамических систем, в которых заложены:
а) принцип обратной связи
б) структурно-функциональная аналогия
в) способность накапливать информацию[4]
есть существенные отличия, такие как:
Моделирующему устройству присущи лишь низшие формы движения - физическое, химическое, а мозгу, кроме того - социальное, биологическое;
Процесс отражения в мозге человека проявляется в субъективно-сознательном восприятии внешних воздействий. Мышление возникает в результате взаимодействия субъекта познания с объектом в условиях социальной среды; В языке человека и машины. Язык человека носит понятийный характер.
Свойства предметов и явлений обобщаются с помощью языка. Моделирующее устройство имеет дело с электрическими импульсами, которые соотнесены человеком с буквами, числами. Таким образом, машина «говорит» не на понятийном языке, а на системе правил, которая по своему характеру является формальной, не имеющей предметного содержания.
Использование математических методов при анализе процессов отражательной деятельности мозга стало возможным благодаря некоторым допущениям, сформулированным Мак-Каллоком и Питтсом. В их основе - абстрагирование от свойств естественного нейрона, от характера обмена веществ и так далее - нейрон рассматривается с чисто функциональной стороны.
Согласно определению Мак-Каллока и Питтса формальный нейрон[1] -это элемент, обладающий следующими свойствами:
Он работает по принципу «все или ничего»;
Он может находиться в одном из двух устойчивых состояний;
Для возбуждения нейрона необходимо возбудить некоторое количество сигналов, не зависящих от предыдущего состояния нейрона;
Имеет место задержка прохождения сигналов в синапсах в течение некоторого времени ;
Имеются два вида входов: возбуждающие и тормозящие;
Порог возбуждения предполагается неизменным;
Возбуждение любого тормозящего синапса предотвращает возбуждение нейрона, независимо от числа возбужденных сигналов.
Искусственный нейрон, смоделированный Мак-Каллоком и Питтсом, имитирует в первом приближении свойства биологического нейрона. На вход искусственного нейрона поступает некоторое множество сигналов, каждый из которых является выходом другого нейрона. Каждый вход умножается на соответствующий вес, аналогичный синаптической силе, и все произведения суммируются, определяя уровень активации возбуждения нейрона. Схема представления искусственного нейрона приведена на рисунке 2.
Существующие модели, имитирующие деятельность мозга (Ферли, Кларка, Неймана, Комбертсона, Уолтера, Джоржа, Шеннона, Аттли, Берля и других) отвлечены от качественной специфики естественных нейронов. Однако с точки зрения изучения функциональной стороны деятельности мозга это оказывается несущественным.
Успехи, полученные при изучении деятельности мозга в информационном аспекте на основе моделирования, по мнению Н.М. Амосова[2] , создали иллюзию, что проблема закономерностей функционирования мозга может быть решена лишь с помощью этого метода. Однако, по его же мнению, любая модель связана с упрощением, в частности:
не все функции и специфические свойства учитываются
отвлечение от социального, нейродинамического характера.
Таким образом, делается вывод о критическом отношении к данному методу (нельзя переоценивать его возможности, но вместе с тем, необходимо его широкое применение в данной области с учетом разумных ограничений).
Проблемы экспертных систем, искусственного интеллекта и нейросетей.
Экспертными системами принято называть те или иные программные средства, выполняющие те или иные аналитические функции.
Особое место среди экспертных систем занимают системы искусственного интеллекта. Проблема искусственного интеллекта занимает очень большое место в практике сознания и использования вычислительной техники. С ней связано много вопросов и чисто гносеологического характера. Академик Н.Н. Моисеев[19] писал, что сам термин «искусственный интеллект» – не более чем лингвистический нонсенс, и правильно было бы говорить об имитационных системах, понятием которых прежде всего и связан рациональный смысл денного термина. В узком смысле под искусственным интеллектом понимаются технические средства и логика программирования, принципиально упрощающая все процедуры общения с ЭВМ. Моисеев считает, что ни сегодня, ни в обозримом будущем, нет и не будет никаких оснований говорить о возможности появления искусственных систем, которые представляли бы новую, более совершенную форму организации материи. Нет никаких оснований считать, что машина сама по себе превратится в свехрчеловека и «отменит» человечество в качестве пройденного, «устаревшего» уровня организации сознания и материи. Знаменитый Терминатор останется продуктом фантастики. Моисеев уверен, что вычислительная техника и средства искусственного интеллекта, как бы они не развивались в дальнейшем, все равно по прежнему будут оставаться плодом человеческого разума и рук и по прежнему будут служить целям человека.
Заключение
Возможность постановки вычислительного эксперимента на ЭВМ существенно ускорила процесс математизации науки и техники. Расширился круг профессий, для которых математическая грамотность становится необходимой. Благодаря возможности оперативного исследования процессов труднодоступных и недоступных для реального экспериментирования математическое моделирование все больше и больше находит свое применение в областях, казалось бы далеких от математики и естественных наук. Оно широко используется и в криминалистике, и в лингвистике, и в социологии, и этот список можно продолжать и продолжать.
Академик Н.Н. Моисеев еще лет двадцать назад первым осознал необходимость подготовки к эффективному использованию ЭВМ новых поколений. Он обратил внимание на то, что крупные народнохозяйственные и социально-экономические проблемы могут быть удовлетворительно решены только при условии, что своевременно будут организованы и выполнены исследования междисциплинарного характера, а ЭВМ новых поколений дают подходящую базу для организации и проведения таких исследований.
