Ви вже знаєте, що в багатьох випадках неможливо або не доцільно досліджувати безпосередньо самі об’єкти або процеси. У таких випадках досліджують моделі цих об’єктів або процесів.
У наш час, коли одним з найпотужніших інструментів дослідження є комп’ютер, широкого розповсюдження і застосування набули комп’ютерні моделі.
Так, наприклад, використовуючи комп’ютерні програми, можна дослідити
Основною складовою комп’ютерного моделювання є дискретизація (перервність) моделі, тобто побудова і розв’язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь, розв’язки яких дозволяють визначити стан системи отже слід зосередити увагу на вивченні методів дискретизації (метод скінчених різниць, метод зважених нев’язок, метод скінчених об’ємів, спектральний метод), а також технологічних питаннях, пов’язаних із розв’язанням розріджених систем лінійних алгебраїчних рівнянь великої розмірності.
Комп’ютерна модель — це комп'ютерна програма, що працює на окремому комп’ютері або на сукупності комп’ютерів і здійснює алгоритмічний опис стану системи на підставі її математичної моделі.
Комп’ютерні моделі, як і всі інші моделі, поділяються на розрахункові (математичні), імітаційні та графічні
Комп’ютерна розрахункова (математична) модель реалізується і досліджується з використанням програм, у яких виконуються розрахунки значень властивостей об’єкта, для якого побудовано цю модель, на основі формул, рівнянь, нерівностей, систем та ін.
Так, наприклад, можна задати формули і, використовуючи табличний процесор, наприклад
Комп’ютерна імітаційна модель реалізується і досліджується з використанням програм, що відтворюють змінення значень властивостей моделей тих об’єктів, які змінюються випадковим чином, і тому їх не можна описати математично.
Такими, наприклад, є програми, що досліджують змінення кількості населення у країні чи в регіоні за деякі інтервали часу, або змінення кількості опадів у даній місцевості по місяцях або роках і здійснюють певні прогнози на майбутні періоди часу, або імітують політ літака чи рух автомобіля, імітують роботу ока людини та ін.
Комп’ютерна графічна модель реалізується і досліджується з використанням програм, у яких можна будувати і змінювати графічне зображення об’єкта.
Такими програмами, наприклад, є відомі вам табличні процесори, у яких можна будувати діаграми або графіки як графічне зображення об’єктів дослідження. Також такими є програми для визначення інтер’єру кімнати шляхом вибору видів меблів, їх розташування, вибору видів і кольору шпалер, штор та ін.
Зараз малюють карту військових дій: зміну – звільнення/захоплення території.
Метод розв’язування задач з використанням комп’ютерних моделей називають комп’ютерним моделюванням.
Алгоритм створення і використання комп’ютерної моделі наведено на малюнку.
Комп’ютерне моделювання прискорює процес створення і вивчення моделей об’єктів. Крім того, комп’ютерне моделювання використовують для вивчення об’єктів та явищ, які неможливо, дорого або небезпечно відтворювати в реальних умовах. Це дає змогу не лише економити матеріальні ресурси, а й зберігати екологічні умови існування людини, уникати можливих шкідливих або руйнівних наслідків проведення випробувань.
Комп’ютерне моделювання є єдиним інструментом для дослідження швидкоплинних або надповільних процесів. Їх можна досліджувати на комп’ютері, розтягуючи чи стискуючи час або навіть зупиняючи його для вивчення певних фаз процесу. Моделювати й вивчати, використовуючи комп’ютерні моделі, можна й такі явища, які не відбувалися або невідомо, чи відбудуться взагалі коли-небудь у реальному житті, наприклад зустріч нашої планети з іншим небесним тілом.
Основними етапами комп'ютерного моделювання є:
З огляду на цифрову природу сучасних комп’ютерів, комп’ютерне моделювання носить, головним чином, дискретний характер, а системи, що виникають в результаті цього процесу, як правило, є розрідженими (слабко заповненими).
Приклад.На святкування Дня захисника Вітчизни зібрали певну суму грошей і вирішили купити 3 кг цукерок
За якою ціною потрібно купувати цукерки
Вхідними даними у цій задачі є: зібрана сума грошей (
Кінцевими результатами: ціна
Створимо математичну модель.
Якщо купити 3 кг цукерок
І якщо ціна однієї пляшки лимонаду x грн, то кількість пляшок лимонаду (
У наведеній формулі
Створимо комп’ютерну модель, використавши табличний процесор.
Для цього:
сума грошей | ціна цукерок | ціна цукерок | ціна І лимонаду | кількість пляшок |
---|---|---|---|---|
250 | 100 | 20 | 12 | -8 |
сума грошей | ціна цукерок | ціна цукерок | ціна І лимонаду | кількість пляшок |
250 | 50 | 40 | 12 | 1 |
Комп’ютерна модель
сума грошей | ціна цукерок | ціна цукерок | ціна І лимонаду | кількість пляшок |
---|---|---|---|---|
300 | 50 | 40 | 15 | 4 |
Дослідження
Дослідження – це процес вивчення чого-небудь або пошуку нових знань, нових фактів.
Дослідити, яку суму потрібно витратити на обклеювання шпалерами вашої класної кімнати залежно від виду шпалер, клею, від того, хто буде обклеювати (ви самі чи наймані робітники)
Експеримент — це дослід, який проводиться з об'єктом або моделлю, що виявляється у впливі на досліджуваний об'єкт за допомогою спеціальних інструментів і приладів.
Експеримент відрізняється від спостереження активною взаємодією з досліджуваним об'єктом і має такі особливості:
Комп'ютерний експеримент — вплив на комп'ютерну модель інструментами програмного середовища з метою визначення, як змінюються параметри моделі.
Підготовка та проведення комп'ютерного експерименту включає в себе ряд послідовних операцій, пов'язаних з:
План експерименту має чітко відображати послідовність роботи з моделлю.
Першим пунктом такого плану завжди є тестування моделі.
Тест — набір вихідних даних, що дає змогу визначити правильність побудови моделі.
Кінцева мета моделювання — ухвалення рішення, яке повинно бути вироблено на основі всебічного аналізу результатів моделювання.
Основою вироблення рішення є результати тестування й експериментів. Якщо результати не відповідають цілям поставленого завдання, це значить, що допущено помилки на попередніх етапах. Якщо такі помилки виявлено, то потрібне коригування моделі, тобто повернення до одного з попередніх етапів. Процес повторюється доти, поки результати експерименту не відповідатимуть цілям моделювання.
Слід пам'ятати, що метод комп'ютерного імітаційного моделювання є чисельним методом, тому, як будь-який чисельний метод, він має істотний недолік — його рішення завжди носить частковий характер.
Отримані результати відповідають певним значенням параметрів системи й початкових умов. Для аналізу системи доводиться багаторазово моделювати процес її функціювання, варіюючи вхідні дані моделі.
Комп'ютерна модель складної системи повинна, за можливості, відображати всі основні фактори й взаємозв'язки, що характеризують реальні ситуації, критерії та обмеження.
Модель має бути достатньо універсальною, щоб описувати близькі за призначенням об'єкти, і в той же час досить простою, щоб дати змогу виконати необхідні дослідження з розумними витратами.Робота моделі залежить від: її правильності, коректності вхідних даних.
Результат роботи моделі не може бути точнішим, ніж точність введених даних. Якщо, один із ключових параметрів відомий тільки однією значною цифрою, то результат моделювання не може бути точнішим, ніж одна значуща цифра, хоча у видачі може бути й чотири значущих цифри.
Слід розуміти, що комп'ютер є лише інструментом для створення й дослідження моделей, але він їх не створює — аналіз об'єктів навколишнього світу з метою відтворення його в моделі виконує людина.
В науковій літературі для підкреслення важливості та ефективності такого поєднання введено навіть окремий термін – обчислювальний експеримент, під яким розуміють дослідження властивостей об’єкту або явища шляхом розв’язування за допомогою комп’ютерної техніки задачі, яка являє собою ММ цього явища чи об’єкта. Багаторазове проведення розрахунку моделі для різних наборів вхідних даних дає змогу дослідити роль та вплив різних факторів на протікання того чи іншого процесу або поведінку об’єкту. Обчислювальний експеримент дає змогу правильно планувати та проводити натурний (фізичний) експеримент, а правильне використання його результатів дає змогу суттєво скоротити терміни проектно-конструкторських робіт, знизити затрати матеріалів та енергоресурсів, а також виявити нові теоретичні та технічні якості досліджуваного процесу. Успішна реалізація обчислювального експерименту обумовлена тісним взаємозв’язком трьох факторів: потужної комп’ютерної техніки, на якій здійснюється чисельний експеримент, адекватних математичних моделей досліджуваних процесів та чисельних методів їх аналізу. Наявність сучасних програмних систем автоматизації проведення математичних розрахунків таких, як MATHCAD, MATLAB, які частково або повністю реалізують багато чисельних методів, і, що найголовніше, містять програмні засоби реалізації нових та нестандартних схем чисельних методів, ще більше підвищують роль та важливість обчислювального експерименту в проведенні фундаментальних наукових досліджень та в системах автоматизації проектувальних робіт, а також значно спрощують його реалізацію. Серед чисельних методів комп’ютерної реалізації обчислювального експерименту найефективнішими є метод скінчених різниць, метод скінчених елементів та метод граничних елементів.
Аналіз даних — розділ математики та інформатики, що займається розробкою методів опрацювання даних незалежно від їх природи.
Для аналізу даних потрібні знання предметної області та знання математики й статистики.
Статистика (status — стан) — це наука про отримання, опрацювання й аналіз кількісних даних, які характеризують масові явища.
Розрізняють чотири етапи аналізу даних:
Багаторазове вимірювання та збереження при цьому відповідних результатів приводить до накопичення даних, які опрацьовують спеціальними методами, які вивчаються у статистиці. Такі дані називаються статистичними даними.
Статистичні дані — сукупність упорядкованих, класифікованих даних про деяке масове явище або процес.
Статистичні дані дають змогу не тільки охопити картину певного питання на даний час, а й планувати необхідні дії на майбутнє.
Велику множину об’єктів, що є предметом статистичного дослідження, називають генеральною сукупністю.
Дослідник, як правило, не має змоги оперувати всією генеральною сукупністю. Наприклад, опитати кожного громадянина країни нереально. Натомість досліджують вибірку — деяку множину об’єктів, вибраних з генеральної сукупності, і, проаналізувавши її, роблять висновки щодо властивостей генеральної сукупності загалом.
Маючи в розпорядженні дані статистичного спостереження, що характеризують те чи інше явище, перш за все необхідно їх упорядкувати, тобто надати характер системності.
Статистичний ряд розподілу — це впорядковані статистичні дані.
Ряди розподілу одиниць сукупності за ознаками, що мають кількісний вираз, називаютьсяваріаційними рядами. У таких рядах значення ознаки (варіанти) розташовані в порядку зростання або спадання.
Варіанта — це окреме значення групувальної ознаки; частота — число, яке показує, скільки разів трапляється кожна варіанта
Дискретні варіаційні ряди — це такі ряди розподілу, в яких варіанта як величина кількісної ознаки може набувати тільки певного значення.
Інтервальні варіаційні ряди — такі ряди розподілу, в яких значення варіанти дано у вигляді інтервалів, тобто значення ознак можуть відрізнятися одне від одного на як завгодно малу величину.
Основними статистичними характеристиками вибірки є середнє, мода та медіана, які ще називають мірами центральної тенденції.
Медіану можна визначити як точку на ряді розподілу (впорядкований набір значень змінної для різних спостережень).
Мода — це значення, яке найчастіше трапляється.
У табличному процесорі центральна тенденція представлена функціями з категорії Статистичні, та майже всі вони призначені для обчислення узагальнювальних статистичних характеристик вибірки.
Найважливішими функціями категорії
Для графічного представлення даних
Для побудови діаграм в
Лінії тренду застосовуються для графічного відображення змін у даних і для аналізу прогнозування. Такий аналіз називається також регресивний аналіз. За допомогою аналізу регресії можна продовжити лінію тренду на діаграмі за межі наявних даних із метою прогнозування майбутніх значень.
Інформаційна графіка або інфографіка (англ. Information graphics; infographics) — це графічне візуальне подання інформації, даних або знань, призначених для швидкого та чіткого відображення комплексної інформації.
Вона може покращити сприйняття інформації, використовуючи графічні матеріали для того, щоб підвищити можливості зорової системи людини бачити моделі і тенденції.
Процес створення інфографіки можна розглядати як візуалізацію даних, створення інформаційних схем та моделей подання інформації. Діаграми і графіки дозволяють створювати різного роду інфографіку для самих різних видів звітності.
Створіть файл з назвою «
Фірма випускає стільці двох видів
Фірма продає один стілець виду
Скільки стільців кожного виду зможе випустити за тиждень фірма, щоб вкластися у допустимі ресурси й отримати найбільший дохід?
Розв’яжіть задачу, використавши табличний процесор. Математичну модель запишіть у зошит.
У місті є два склади борошна і два хлібозаводи. З
Як треба спланувати перевезення, щоб їх вартість була мінімальною?
Розв’яжіть задачу, використавши табличний процесор. Математичну модель запишіть у зошит.
В інтернеті знайдіть погодний сайт, який дає прогноз на два тижні. Створіть таблицю температур. За допомогою функцій знайдіть
Побудуйте за даними цієї таблиці
Яка з діаграм більш наочно демонструє дані?
Оформіть визначену діаграму (назва, підписи, формат тексту, заливка, тощо) та розмістіть на окремому аркуші (четвертому) з назвою «Діаграма».
Файл з назвою «
Задача. На святкування Дня святого Валентина учні зібрали певну суму грошей і вирішили купити
За якою ціною потрібно купувати цукерки
Вхідними даними у цій задачі є: зібрана сума грошей (
Створимо математичну модель.
Якщо купити
У наведеній формулі
Створимо комп’ютерну модель, використавши табличний процесор.
Для цього:
Створіть інформаційну модель однієї з кімнат вашої квартири (вітальня, спальня, кабінет, дитяча тощо) з метою обклеювання її шпалерами. Для цього попередньо визначте розміри потрібних об’єктів цієї кімнати.
Банк пропонує вкладникам кілька видів депозитів. Зокрема, можна вкласти гроші під
Який із цих депозитів вигідніший, якщо вкладник хоче покласти гроші на
Яку суму потрібно вкладнику покласти на більш вигідний депозит, щоб через
Створіть для дослідження електронну таблицю.
Збережіть електронну книгу у вашій папці у файлі з іменем завдання
На другому аркуші з назвою «Кредит» створіть таблицю.
Створіть таблицю вильоту літаків з аеропортів міста Києва, відсортуйте дані в таблиці та застосуйте фільтри.
Збережіть у файлі «
Відсортуйте таблицю за зростанням часу вильоту літаків.
Для цього виділіть таблицю.
Середнє значення сума всіх значень вибірки поділена на кількість значень | = |
Медіана це число, що є серединою варіаційного ряду | = |
Дисперсія вибірки є мірою відхилення значень випадкової величини від середнього значення розподілу | = |
Розмах - це різниця між найбільшим та найменшим значенням ( | = |
Стандартне відхилення характеризує ступінь розсіювання елементів вибірки відносно середнього значення | = |
Асиметрія величина, яка характеризує ступінь несиметричності розподілу відносно його середнього значення. Додатня асиметрія вказує на відхилення розподілу в бік додатніх значень, якщо від’ємна – в бік від’ємних значень | = |
Задача. У магазині провели рекламну акцію одного з товарів. Зробіть висновок щодо ефективності рекламної акції на основі даних про продаж товару протягом двох тижнів до акції і двох тижнів після проведеної акції.
Чи можна зробити висновок про позитивний вплив рекламної акції на продаж товару?
На другому аркуші обчислити статистичні характеристики вибірки виторгу двох магазинів.
Зберегти файл з іменем