Vědecké modelování

Modelování jako náhrada za přímé měření a experimentováníUpravit

Modely se obvykle používají, když je buď nemožné, nebo nepraktické vytvořit experimentální podmínky, za kterých mohou vědci přímo měřit výsledky . Přímé měření výsledků za kontrolovaných podmínek (viz Vědecká metoda) bude vždy spolehlivější než modelové odhady výsledků.

V rámci modelování a simulace je model úkolem řízené, účelné zjednodušení a abstrakce vnímání reality, formované fyzickými, právními a kognitivními omezeními. Je založen na úkolech, protože model je zachycen s ohledem na určitou otázku nebo úkol. Zjednodušení ponechává všechny známé a pozorované entity a jejich vztahy, které nejsou pro úkol důležité. Abstrakce agreguje informace, které jsou důležité, ale nejsou potřebné, stejně podrobně jako předmět zájmu. Obě aktivity, zjednodušení i abstrakce, jsou prováděny záměrně. Dělají se však na základě vnímání reality. Toto vnímání je již samo o sobě modelem, protože přichází s fyzickým omezením. Existují také omezení toho, co jsme schopni legálně sledovat pomocí našich současných nástrojů a metod, a kognitivní omezení, která omezují to, co jsme schopni vysvětlit pomocí našich současných teorií. Tento model zahrnuje koncepty, jejich chování a neformální formu jejich vztahů a je často označován jako koncepční model. K provedení modelu je třeba jej implementovat jako počítačovou simulaci. To vyžaduje více možností, například numerické aproximace nebo použití heuristiky. Přes všechna tato epistemologická a výpočetní omezení byla simulace uznána jako třetí pilíř vědeckých metod: budování teorie, simulace a experimentování.

SimulationEdit

Simulace je způsob implementace model, který se často používá, když je model pro analytické řešení příliš složitý. Simulace v ustáleném stavu poskytuje informace o systému v konkrétním časovém okamžiku (obvykle v rovnováze, pokud takový stav existuje). Dynamická simulace poskytuje informace v čase. Simulace ukazuje, jak se bude chovat konkrétní objekt nebo jev. Taková simulace může být užitečná pro testování, analýzu nebo školení v případech, kdy systémy nebo koncepty reálného světa mohou být reprezentovány modely.

StructureEdit

Struktura je zásadní a někdy nehmotný pojem pokrývající rozpoznávání, pozorování, povahu a stabilitu vzorů a vztahů entit. Od dětského slovního popisu sněhové vločky až po podrobnou vědeckou analýzu vlastností magnetických polí je koncept struktury nezbytným základem téměř každého způsobu zkoumání a objevování ve vědě, filozofii a umění.

SystemsEdit

Systém je sada interagujících nebo vzájemně závislých entit, skutečných nebo abstraktních, tvořících integrovaný celek. Obecně je systém konstruktem nebo souborem různých prvků, které společně mohou přinést výsledky nelze získat samotnými prvky. Pojem „integrovaný celek“ lze také vyjádřit pomocí systému, který obsahuje soubor vztahů, které se liší od vztahů souboru k jiným prvkům, a tvoří vztahy mezi prvkem souboru a prvky, které nejsou součástí relačního režimu. Existují dva typy systémových modelů: 1) diskrétní, ve kterém se proměnné mění okamžitě v různých časových bodech, a 2) spojité, kde se mění stavové proměnné c nepřetržitě s ohledem na čas.

Generování modeluEdit

Modelování je proces generování modelu jako koncepční reprezentace nějakého jevu. Model se obvykle bude zabývat pouze některými aspekty daného jevu a dva modely stejného jevu se mohou podstatně lišit – to znamená, že rozdíly mezi nimi zahrnují více než jen jednoduché přejmenování komponent.

Takové rozdíly mohou být způsobeny odlišnými požadavky koncových uživatelů modelu, koncepčními nebo estetickými rozdíly mezi modeláři a případnými rozhodnutími během procesu modelování. Mohou být zohledněny úvahy, které mohou ovlivnit strukturu modelu. preference modeláře pro redukovanou ontologii, preference týkající se statistických modelů versus deterministické modely, diskrétní versus kontinuální čas atd. V každém případě musí uživatelé modelu porozumět vytvořeným předpokladům, které se vztahují k jeho platnosti pro dané použití.

Vytvoření modelu vyžaduje abstrakci. Při modelování se používají předpoklady, aby se určila doména aplikace modelu. Například speciální teorie relativity předpokládá setrvačný referenční rámec. Tento předpoklad byl kontextualizován a dále vysvětlen obecnou teorií relativity.Model vytváří přesné předpovědi, když jsou jeho předpoklady platné, a nemusí dobře dělat přesné předpovědi, když jeho předpoklady neplatí. Takové předpoklady jsou často bodem, ve kterém jsou starší teorie nahrazeny novými (obecná teorie relativity funguje také v neinerciálních referenčních rámcích).

Vyhodnocení modeluEdit

Model je hodnocen především jeho konzistencí s empirickými daty; jakýkoli model, který není v souladu s reprodukovatelnými pozorováními, musí být upraven nebo odmítnut. Jedním ze způsobů, jak upravit model, je omezit doménu, nad kterou je připsána, s vysokou platností. Příkladem je newtonovská fyzika, která je velmi užitečná, s výjimkou velmi malých, velmi rychlých a velmi masivních jevů vesmíru. Samotné přizpůsobení empirickým údajům však nestačí k tomu, aby byl model přijat jako platný. Mezi další faktory důležité při hodnocení modelu patří:

• Schopnost vysvětlit minulá pozorování
• Schopnost předpovědět budoucí pozorování
• Náklady na použití, zejména v kombinaci s jinými modely
• Vyvratitelnost, umožňující odhad míry důvěry v model
• jednoduchost nebo dokonce estetické přitažlivost

Lidé se mohou pokusit kvantifikovat vyhodnocení modelu pomocí funkce obslužného programu.

VisualizationEdit

Vizualizace je jakákoli technika vytváření obrázků, diagramů nebo animací za účelem komunikace zprávy. Vizualizace prostřednictvím vizuálních snímků byla účinným způsobem, jak od úsvitu člověka komunikovat jak abstraktní, tak konkrétní myšlenky. Mezi příklady z historie patří jeskynní malby, egyptské hieroglyfy, řecká geometrie a revoluční metody technického kreslení Leonarda da Vinciho pro technické a vědecké účely.

Space mappingEdit

Space mapping odkazuje na metodika, která využívá „kvaziglobální“ modelovou formulaci k propojení doprovodných „hrubých“ (ideálních nebo málo věrných) s „jemnými“ (praktickými nebo vysoce věrnými) modely různých složitostí. Při optimalizaci inženýrství se prostorové mapování srovnává (mapy ) velmi rychlý hrubý model s jeho souvisejícím drahým výpočtovým jemným modelem, aby se zabránilo přímé nákladné optimalizaci jemného modelu. Proces zarovnání iterativně upřesňuje „mapovaný“ hrubý model (náhradní model).