8.3. Компьютерное моделирование

Информатика имеет самое непосредственное отношение к информационным и математическим моделям, поскольку они – основа применения компьютера при решении задач различной природы. Обобщённую схему компьютерного моделирования можно представить следующим образом (рис. 15).

Рис. 15. Схема компьютерного моделирования

Технология решения задач (анализа, прогнозирования, управления) с использованием компьютерного моделирования включает основные этапы:

1. Постановка задачи – описание исходной задачи и исходных данных («что дано») и определение целей моделирования, требований к результатам («что нужно найти»).

2. На начальном этапе моделирования выделяются существенные признаки изучаемого объекта и даётся развёрнутое содержательное описание связи между ними (системный анализ), т.е. осуществляется неформальная постановка задачи. Разработка концептуальной модели («расчётной схемы», упрощённого представления) или структуризация, или качественный анализ – формулировка предположений и упрощений, выделение существенных элементов и взаимосвязей (результаты этапа желательно представить максимально наглядно – в виде схем, диаграмм или, по крайней мере, сжатого лаконичного описания).

Разработка математической модели, формализация задачи – описание объекта (точнее, разработанной ранее его упрощённой концептуальной модели) на искусственном математическом («формальном») языке с использованием наиболее адекватного математического аппарата.

3. Алгоритмизация задачи – разработка алгоритма расчёта, представляющего математическую модель в виде чёткой и однозначной последовательности операций, которые могут быть выполнены на компьютере.

4. Кодирование алгоритма с помощью выбранных средств программирования (языка и системы программирования, электронных таблиц, набора запросов, форм и отчётов базы данных и т.п.).

Тестирование (отладка) компьютерной системы (программы, расчётной таблицы, базы данных) для выявления и устранения ошибок. Этот этап является обязательным и, зачастую, наиболее длительным, потому что в силу причин, объясняемых в соответствующем разделе курса, создать сразу программу без ошибок невозможно.

5. Использование компьютерной системы для решения поставленных задач, объяснения функционирования моделируемой системы, прогнозирования её поведения, принятия управленческих решений и т.п.

Интерпретация результатов компьютерного моделирования – формулировка выводов из анализа явления и следствий полученных прогнозов, выработка мер по реализации выбранного решения.

Процесс решения задачи с использованием компьютерного моделирования является итеративным (циклическим): на любом из этапов может потребоваться возврат на любой из предыдущих и внесение изменений. Так, даже на этапе интерпретации результатов может оказаться, что полученные выводы неприменимы практически и нужно вернуться к постановке задачи, пересмотрев состав исходных данных и цели моделирования (требования к результатам).

8.4. Информационные модели

Информационные модели во многих случаях опираются на математические модели, так как при решении задач математическая модель исследуемого объекта, процесса или явления неизбежно преобразуется в информационную для её реализации на компьютере. Определим основные понятия информационной модели.

Информационным объектом называется описание реального объекта, процесса или явления в виде совокупности его характеристик (информационных элементов), называемых реквизитами. Информационный объект определённой структуры (реквизитного состава) образует тип (класс), которому присваивают уникальное имя. Информационный объект с конкретными характеристиками называют экземпляром. Каждый экземпляр идентифицируется заданием ключевого реквизита (ключа). Одни и те же реквизиты в различных информационных объектах могут быть как ключевыми, так и описательными. Информационный объект может иметь несколько ключей.

Пример. Информационный объект СТУДЕНТ имеет реквизитный состав: номер (номер зачётной книжки – ключевой реквизит), фамилия, имя, отчество, дата рождения, код места обучения. Информационный объект ЛИЧНОЕ ДЕЛО: номер студента, домашний адрес, номер аттестата о среднем образовании, семейное положение, дети. Информационный объект МЕСТО ОБУЧЕНИЯ включает реквизиты: код (ключевой реквизит), наименование вуза, факультет, группа. Информационный объект ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: код (ключевой реквизит), кафедра, фамилия, имя, отчество, учёная степень, учёное звание, должность.

Отношения, существующие между реальными объектами, определяются в информационных моделях как связи. Существует три вида связей: один к одному (1:1), один ко многим (1:М) и многие ко многим (М:М).

Связь один-к-одному определяет соответствие одному экземпляру информационного объекта X не более одного экземпляра информационного объекта Y, и наоборот.

Пример. Информационные объекты СТУДЕНТ и ЛИЧНОЕ ДЕЛО будут связаны отношением один к одному. Каждый студент имеет определённые уникальные данные в личном деле.

При связи один-ко-многим одному экземпляру информационного объекта X может соответствовать любое количество экземпляров информационного объекта Y, но каждый экземпляр объекта Y связан не более чем с одним экземпляром объекта X.

Пример. Между информационными объектами МЕСТО ОБУЧЕНИЯ и СТУДЕНТ необходимо установить связь один ко многим. Одно и то же место обучения может многократно повторяться для различных студентов.

Связь многие-ко-многим предполагает соответствие одному экземпляру информационного объекта X любого количества экземпляров объек-та Y, и наоборот.

Пример. Информационные объекты СТУДЕНТ и ПРЕПОДАВАТЕЛЬ имеют связь многие ко многим. Каждый студент обучается у множества преподавателей, а каждый преподаватель учит множество студентов.

Информационные объекты могут образовывать следующие структуры: очередь – последовательная обработка; цикл; дерево; граф – общий случай.