15. Понятие моделирования. Математическое моделирование.

Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей, т.е. исследование объектов путем построения и изучения моделей.

Модель – это некоторое упрощенное подобие реального объекта, который отражает существенные особенности (свойства) изучаемого реального объекта, явления или процесса.

Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который замещает объект-оригинал с целью его исследования, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные черты и свойства оригинала.

Объект – это некоторая часть окружающего мира, рассматриваемого человеком как единое целое. Каждый объект имеет имя и обладает параметрами, т.е. признаками или величинами, характеризующие какое-либо свойство объекта и принимаемые различные значения.

Модель должна строится так, чтобы она наиболее полно воспроизводила те качества объекта, которые необходимо изучить в соответствии с поставленной целью. Во всех отношениях модель должна быть проще объекта и удобнее его для изучения. Таким образом, для одного и того же объектамогут существовать различные модели, классы моделей, соответствующие различным целям его изучения.

Этапы моделирования:

1. Постановка задачи: описание задачи, цель моделирования, формализация задачи

2. Разработка модели: информационная модель, компьютерная модель

3. Компьютерный эксперимент – план эксперимента, проведение исследования

4. Анализ результатов моделирования

Хорошо построенная модель, как правило, доступнее для исследования, чем реальный объект (например, такой, как экономика страны, Солнечная система и т.п.). Другое, не менее важное назначение модели состоит в том, что с ее помощью выявляются наиболее существенные факторы, формирующие те или иные свойства объекта. Модель также позволяет учиться управлять объектом, что важно в тех случаях, когда экспериментировать с объектом бывает неудобно, трудно или невозможно (например, когда эксперимент имеет большую продолжительность или когда существует риск привести объект в нежелательное или необратимое состояние).

Таким образом, можно сделать вывод, что модель необходима для того, чтобы:

– понять, как устроен конкретный объект - каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;

– научиться управлять объектом или процессом и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация);

– прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект, процесс.

15. Метод деления отрезка пополам для решения для решения уравнений вида f(x)=0

Пусть дана некоторая функция f(x). Необходимо найти с точностью до e такое x* , что f(x*)=0 . В том случае, когда решение не может быть найдено в явном виде, применяются численные методы. Наиболее распространенными из них являются метод деления отрезка пополам, метод простых итераций, метод касательных (Ньютона), метод секущих и метод хорд.

Рассмотрим метод деления отрезка пополам более подробно.

В соответствии с этим методом вначале необходимо приблизительно определить отрезок, на котором функция f(x) меняет знак. Для этого можно использовать графический способ, заключающийся в построении графика функции на экране компьютера и приблизительного визуального определения точек пересечения графика с осью абсцисс.

При отыскании корня методом половинного деления сначала вычисляются значения функции в точках a и b - соответственно f(a) и f(b), имеющие противоположные знаки. Далее по формуле xср=(a+b)/2 вычисляется координата центра отрезка [a, b] и находится значение функции в этой точке f(xср). Оно сравнивается со значениями функции на концах отрезка. Если функция меняет знак на отрезке [a, xср], то весь отрезок [a, b] усекается до его левой части, то есть xср становится правой границей отрезка (b). Аналогично, если функция меняет знак на отрезке [xср, b], отрезок [a, b] усекается до правой части. Эти операции повторяются до тех пор, пока разница между соседними значениями x не станет меньше или равной выбранной точности e.

15. Метод Ньютона для решения нелинейных уравнений вида f(x)=0

При решении нелинейного уравнения методом Ньтона задаются начальное значение аргумента x0 и точность ε. Затем в точке(x0,F(x0)) проводим касательную к графику F(x) и определяем точку пересечения касательной с осью абсцисс x1. В точке (x1,F(x1)) снова строим касательную, находим следующее приближение искомого решения x2 и т.д. Указанную процедуру повторяем пока |F(xi)| > ε. Для определения точки пересечения (i+1) касательной с осью абсцисс воспользуемся следующей формулой xi+1=xi-F(xi)\ F’(xi). Условие сходимости метода касательных F(x0)∙F''(x)>0, и др.

15. Метод простой итерации для решения уравнения вида f(x)=0

При решении нелинейного уравнения методом итераций воспользуемся записью уравнения в виде x=f(x). Задаются начальное значение аргумента x0 и точность ε. Первое приближение решения x1 находим из выражения x1=f(x0), второе - x2=f(x1) и т.д. В общем случае i+1 приближение найдем по формуле xi+1 =f(xi). Указанную процедуру повторяем пока |f(xi)|>ε. Условие сходимости метода итераций |f'(x)|<1.