Videnskabelig modellering

Modellering som erstatning for direkte måling og eksperimentering Rediger

Modeller bruges typisk, når det enten er umuligt eller upraktisk at skabe eksperimentelle forhold, hvor forskere direkte kan måle resultater . Direkte måling af resultater under kontrollerede forhold (se videnskabelig metode) vil altid være mere pålidelig end modellerede skøn over resultater.

Inden for modellering og simulering er en model en opgavedrevet, målrettet forenkling og abstraktion af en opfattelse virkelighed, formet af fysiske, juridiske og kognitive begrænsninger. Det er task-driven, fordi en model er fanget med et bestemt spørgsmål eller en opgave i tankerne. Forenklinger udelader alle de kendte og observerede enheder og deres relation, der ikke er vigtige for opgaven. Abstraktion samler information, der er vigtig, men ikke nødvendig, i samme detalje som det interesserede objekt. Begge aktiviteter, forenkling og abstraktion udføres målrettet. De udføres dog baseret på en opfattelse af virkeligheden. Denne opfattelse er allerede en model i sig selv, da den kommer med en fysisk begrænsning. Der er også begrænsninger for, hvad vi er i stand til lovligt at observere med vores nuværende værktøjer og metoder, og kognitive begrænsninger, der begrænser, hvad vi er i stand til at forklare med vores nuværende teorier. Denne model omfatter begreberne, deres adfærd og deres uformelle form og omtales ofte som en konceptuel model. For at udføre modellen skal den implementeres som en computersimulering. Dette kræver flere valg, såsom numeriske tilnærmelser eller brugen af heuristik. På trods af alle disse epistemologiske og beregningsmæssige begrænsninger er simulation blevet anerkendt som den tredje søjle for videnskabelige metoder: teoribygning, simulering og eksperimentering.

SimulationEdit

En simulation er en måde at implementere på modellen, der ofte anvendes, når modellen er for kompleks til den analytiske løsning. En steady-state simulering giver information om systemet på et bestemt tidspunkt (normalt ved ligevægt, hvis en sådan tilstand eksisterer). En dynamisk simulering giver information over tid. En simulering viser, hvordan et bestemt objekt eller fænomen opfører sig. En sådan simulation kan være nyttig til test, analyse eller træning i de tilfælde, hvor virkelige systemer eller koncepter kan repræsenteres af modeller.

StructureEdit

Struktur er en grundlæggende og undertiden immateriel opfattelse, der dækker anerkendelse, observation, natur og stabilitet af enheders mønstre og forhold. Fra et barns mundtlige beskrivelse af en snefnug til den detaljerede videnskabelige analyse af magnetfelternes egenskaber er begrebet struktur et væsentligt fundament for næsten enhver metode til undersøgelse og opdagelse inden for videnskab, filosofi og kunst.

SystemsEdit

Et system er et sæt interagerende eller indbyrdes afhængige enheder, reelle eller abstrakte, der danner en integreret helhed. Generelt er et system en konstruktion eller samling af forskellige elementer, der sammen kan give resultater ikke kan opnås af elementerne alene. Begrebet “integreret helhed” kan også angives i form af et system, der indeholder et sæt forhold, der adskiller sig fra sætets forhold til andre elementer, og danner relationer mellem et element i sættet og elementer, der ikke er en del af det relationelle regime. Der er to typer systemmodeller: 1) diskrete, hvor variablerne ændres øjeblikkeligt på separate tidspunkter og, 2) kontinuerlige, hvor tilstandsvariablerne ændrer sig c ontinuøst med hensyn til tid.

Generering af en modelEdit

Modellering er processen med at generere en model som en konceptuel repræsentation af et eller andet fænomen. Typisk vil en model kun beskæftige sig med nogle aspekter af det pågældende fænomen, og to modeller af det samme fænomen kan være i det væsentlige forskellige – det vil sige, at forskellene mellem dem omfatter mere end blot en simpel omdøbning af komponenter.

Sådanne forskelle kan skyldes forskellige krav til modelens slutbrugere eller konceptuelle eller æstetiske forskelle mellem modellererne og betingede beslutninger, der er truffet under modelleringsprocessen. Overvejelser, der kan påvirke strukturen af en model, kan være modellererens præference for en reduceret ontologi, præferencer vedrørende statistiske modeller versus deterministiske modeller, diskret versus kontinuerlig tid osv. Under alle omstændigheder er brugere af en model nødt til at forstå de antagelser, der er gjort, der er relevante for dens gyldighed til en given anvendelse.

At bygge en model kræver abstraktion. Antagelser bruges i modellering for at specificere anvendelsesområdet for modellen. For eksempel antager den specielle relativitetsteori en inerti referenceramme. Denne antagelse blev kontekstualiseret og forklaret yderligere af den generelle relativitetsteori.En model giver nøjagtige forudsigelser, når dens antagelser er gyldige, og kan meget vel ikke komme med nøjagtige forudsigelser, når dens antagelser ikke holder. Sådanne antagelser er ofte det punkt, hvormed ældre teorier efterfølges af nye (den generelle relativitetsteori fungerer også i ikke-inertielle referencerammer).

Evaluering af en model Rediger

En model evalueres først og fremmest af dens sammenhæng med empiriske data; enhver model, der er uforenelig med reproducerbare observationer, skal ændres eller afvises. En måde at ændre modellen på er ved at begrænse det domæne, som det krediteres for at have høj gyldighed. Et eksempel på dette er newtonske fysik, som er meget nyttig bortset fra de meget små, de meget hurtige og de meget massive fænomener i universet. En tilpasning til empiriske data alene er imidlertid ikke tilstrækkelig til, at en model accepteres som gyldig. Andre faktorer, der er vigtige i vurderingen af en model, inkluderer:

• Evne til at forklare tidligere observationer
• Evne til at forudsige fremtidige observationer
• Omkostninger ved brug, især i kombination med andre modeller
• Gendrivelighed, der muliggør estimering af graden af tillid til modellen
• Enkelhed eller endda æstetisk appel

Folk kan forsøge at kvantificere evalueringen af en model ved hjælp af en hjælpefunktion.

VisualizationEdit

Visualisering er en hvilken som helst teknik til oprettelse af billeder, diagrammer eller animationer til at kommunikere en besked. Visualisering gennem visuelt billedsprog har været en effektiv måde at kommunikere både abstrakte og konkrete ideer siden menneskets morgen. Eksempler fra historien inkluderer hulemalerier, egyptiske hieroglyffer, græsk geometri og Leonardo da Vincis revolutionerende metoder til teknisk tegning til tekniske og videnskabelige formål.

Space mappingEdit

Space mapping refererer til en metode, der anvender en “kvasi-global” modelleringsformulering til at forbinde ledsager “grov” (ideel eller low-fidelity) med “fine” (praktiske eller high-fidelity) modeller med forskellige kompleksiteter. I ingeniørmæssig optimering tilpasser pladskortlægning (kort ) en meget hurtig grov model med dens relaterede dyre-til-beregnings-fine model for at undgå direkte dyre optimering af den fine model. Justeringsprocessen forfinerer iterativt en “kortlagt” grov model (surrogatmodel).