12.Этапы решения задач с помощью компьютера.
Решение задач с помощью компьютера включает в себя следующие основные этапы:
постановка задачи,
анализ и исследование задачи, модели,
разработка алгоритма,
программирование,
тестирование и отладка,
сопровождение программы.
Постановка задачи включает:
сбор информации о задаче;
формулировка условия задачи;
определение конечных целей решения задачи;
определение формы выдачи результатов;
описание данных (их типов, диапазонов величин, структуры и т.п.).
Анализ и исследование задачи, модели включает:
анализ существующих аналогов;
анализ технических и программных средств;
разработка математической модели;
разработка структур данных.
Разработка алгоритма включает:
выбор метода проектирования алгоритма;
выбор формы записи алгоритма (блок-схемы, псевдокод и др.);
выбор тестов и метода тестирования;
проектирование алгоритма.
Программирование включает:
выбор языка программирования;
уточнение способов организации данных;
запись алгоритма на выбранном языке программирования.
Тестирование и отладка включает:
синтаксическая отладка;
отладка семантики и логической структуры;
тестовые расчеты и анализ результатов тестирования;
совершенствование программы.
Сопровождение программы включает:
доработка программы для решения конкретных задач;
составление документации к решенной задаче, к математической модели, к алгоритму, к программе, к набору тестов, к использованию.
13.Понятие модели. Материальные и информационные модели. Модели объектов и процессов (графические, вербальные, табличные, математические и др.).
В своей деятельности - научной, практической, художественной - человек очень часто использует модели, т.е. создает образ того объекта (процесса или явления), с которым ему приходится иметь дело.
Модели создают.
Когда исследуемый объект либо очень велик (модель Солнечной системы), либо очень мал (модель атома), когда процесс очень быстр (модель двигателя внутреннего сгорания) или очень медленен (геологические модели), исследование объекта может привести к его разрушению (модель самолета) или очень дорого (архитектурный макет города) и т.д.
Моделирование - это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.
Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные, свойства. Так, модель самолета должна иметь геометрическое подобие оригиналу, модель атома - правильно отражать физические взаимодействия, архитектурный макет города - ландшафт и т.д.
Модель - это некий новый объект, который отражает некоторые существенные стороны изучаемого объекта, явления или процесса.
Классы моделей: Предметные (материальные) и Знаковые (информационные).
Предметные модели воспроизводят геометрические, физические и др. свойства объектов в материальной форме [глобус (география), муляжи (биология), модели кристаллических решеток (химия) и др.]
Модели информационные представляют объекты и процессы в форме рисунков, схем, чертежей, таблиц, формул, текстов и т.д. [рисунок цветка (ботаника), карта (география), электрическая схема (физика), блок-схема алгоритма (информатика). периодическая система элементов Д. И. Менделеева (химия), формула (математика) и т.д.]
Язык как средство информационного моделирования.
Идея описания мира с помощью языка заключается в том, чтобы выделить некоторое число простейших знаков, которые называются алфавитом. Последовательности символов алфавита, в соответствии с правилами грамматики, образуют основные объекты языка -слова. Правила, согласно которым образуются предложения из слов данного языка, называются синтаксисом. Сам же язык - это множество слов и предложений, записываемых в данном алфавите согласно заданной грамматике и синтаксису.
Язык является знаковой системой, которая позволяет создавать информационные модели.
Естественные языки используются прежде всего для создания описательных текстовых информационных моделей. Например, такой литературный жанр, как басня или притча, имеет непосредственное отношение к понятию модели, поскольку смысл этого жанра состоит в переносе реальных отношений между людьми на отношения между животными, между вымышленными персонажами и пр. Всякое литературное произведение может рассматриваться как модель, ибо фокусирует внимание читателя на определенных сторонах человеческой жизни.
Формально-логические модели.
Наряду с естественными языками (русский, английский и т.д.) были разработаны формальные языки: системы счисления, алгебра высказываний, языки программирования и др.
С помощью формальных языков строятся информационные модели определенного типа - формально-логические модели. Например, с помощью алгебры высказываний можно построить логические модели сумматора и триггера.
Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией.
Основное отличие формальных языков от естественных состоит в наличие не только жестко зафиксированного алфавита, но и строгих правил грамматики и синтаксиса.
Математические модели.
Математическая модель – это система математических соотношений – формул, уравнений, неравенств и т.д., отражающих существенные свойства объекта или явления.
В курсе физики рассматривается много разнообразных уравнений, которые, по сути, представляют собой математические модели изучаемых явлений или процессов. Если вас просят решить физическую задачу, то вы начинаете, как правило, с поиска подходящего уравнения, т.е. с построения математической модели, которая отвечает условиям вашей задачи.
Создавая математическую модель для решения задачи необходимо:
1) выделить предположения, на которых будет основываться математическая модель;
2) определить, что считать исходными данными и результатами;
3) записать математические соотношения, связывающие результаты с исходными данными.
При построении математических моделей далеко не всегда удается найти формулы, явно выражающие искомые величины через данные. В таких случаях используются математические методы, позволяющие дать ответы той или иной степени точности.
Графические информационные модели.
Графические информационные модели представляют собой рисунки, карты, чертежи и схемы, графики, диаграммы и т.д.
Рисунки, описывающие различных представителей флоры и фауны (биология);
Различные типы географических карт (политические, физические (география);
Модели технических устройств, зданий и т.д. в виде чертежей (архитектура);
Cхемы экспериментальных установок в форме электрических схем (физика);
Графики функций, в экономике отражение статистических данных;
Диаграммы различных типов для отражения числовых и статистических данных (математика).
Табличные информационные модели.
Одним из наиболее часто встречающихся типов информационных моделей является таблица, которая состоит из строк и столбцов. В табличной информационной модели элементы информации размещаются в отдельных ячейках.
С помощью таблиц могут быть выражены как статические, так и динамические информационные модели. Например, рассмотрим компьютер с точки зрения стоимости его отдельных устройств и изменения его цены во времени. Для этого построим статическую информационную модель, отражающую стоимость отдельных устройств компьютера, и динамическую информационную модель, отражающую процесс изменения цены по годам. Пример. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и т.д.
Иерархические информационные модели.
Группа объектов, обладающих одинаковыми общими свойствами, называется классом объектов.
Внутри класса объектов могут быть выделены подклассы, объекты которых обладают некоторыми особенными свойствами в свою очередь подклассы могут делиться на еще более мелкие группы и т.д. В процессе классификации строятся информационные модели, которые имеют иерархическую (древовидную) структуру.
Полученная информационная структура напоминает дерево, которое растет сверху вниз (именно поэтому такие информационные модели называют иногда древовидными).
В иерархической информационной модели объекты или их свойства распределены по уровням, причем элементы нижнего уровня входят в состав элементов более высокого уровня. Для описания исторического процесса смены поколений семьи используются динамические информационные модели в форме генеалогического дерева. В качестве примера можно рассмотреть фрагмент
Сетевые информационные модели.
Сетевые информационные модели применяются для отражения таких систем, в которых связь между элементами имеет сложную структуру. Например, различные части глобальной компьютерной сети Интернет (американская, европейская, российская и т.д.) связаны между собой высокоскоростными линиями связи. При этом какие-то части (американская) имеют прямые связи со всеми региональными частями в то время как другие могут обмениваться информацией между собой только через американскую часть (например, российская и японская).
Системный подход в моделировании. Статические и динамические информационные модели.
Практически каждый объект состоит из других объектов, т.е. представляет собой систему.
Система состоит из объектов, которые называются элементами системы.
Система - это объект, состоящий из элементов, находящихся между собой в различных отношениях и связях, которые обеспечивают ее целостное функционирование.
Система характеризуется: Составом, свойствами элементов и Отношениями и связями элементов между собой.
Статические и динамические информационные модели.
Модели, описывающие систему в определенный момент времени, называются статическими информационными моделями.
Модели, описывающие процессы изменения и развития систем, называются динамическими информационными моделями.