Modellazione scientifica

Modellazione come sostituto della misurazione diretta e della sperimentazione Modifica

I modelli vengono generalmente utilizzati quando è impossibile o poco pratico creare condizioni sperimentali in cui gli scienziati possono misurare direttamente i risultati . La misurazione diretta dei risultati in condizioni controllate (vedere Metodo scientifico) sarà sempre più affidabile delle stime modellate dei risultati.

Allinterno della modellazione e della simulazione, un modello è una semplificazione mirata e guidata da un compito e unastrazione di una percezione della realtà, modellata da vincoli fisici, legali e cognitivi. È basato su attività perché un modello viene acquisito con una determinata domanda o attività in mente. Le semplificazioni lasciano fuori tutte le entità conosciute e osservate e la loro relazione che non sono importanti per il compito. Lastrazione aggrega le informazioni importanti ma non necessarie nello stesso dettaglio delloggetto di interesse. Entrambe le attività, semplificazione e astrazione, vengono svolte in modo mirato. Tuttavia, sono fatti sulla base di una percezione della realtà. Questa percezione è già di per sé un modello, poiché ha un vincolo fisico. Ci sono anche vincoli su ciò che siamo in grado di osservare legalmente con i nostri attuali strumenti e metodi e vincoli cognitivi che limitano ciò che siamo in grado di spiegare con le nostre attuali teorie. Questo modello comprende i concetti, il loro comportamento e le loro relazioni in forma informale ed è spesso indicato come un modello concettuale. Per eseguire il modello, è necessario implementarlo come simulazione al computer. Ciò richiede più scelte, come approssimazioni numeriche o luso di euristiche. Nonostante tutti questi vincoli epistemologici e computazionali, la simulazione è stata riconosciuta come il terzo pilastro dei metodi scientifici: costruzione della teoria, simulazione e sperimentazione.

SimulationEdit

Una simulazione è un modo per implementare il modello, spesso impiegato quando il modello è troppo complesso per la soluzione analitica. Una simulazione di stato stazionario fornisce informazioni sul sistema in uno specifico istante di tempo (di solito allequilibrio, se tale stato esiste). Una simulazione dinamica fornisce informazioni nel tempo. Una simulazione mostra come si comporterà un particolare oggetto o fenomeno. Tale simulazione può essere utile per il test, lanalisi o la formazione nei casi in cui i sistemi o i concetti del mondo reale possono essere rappresentati da modelli.

StructureEdit

La struttura è un elemento fondamentale e talvolta nozione intangibile che copre il riconoscimento, losservazione, la natura e la stabilità dei modelli e delle relazioni delle entità. Dalla descrizione verbale di un bambino di un fiocco di neve, allanalisi scientifica dettagliata delle proprietà dei campi magnetici, il concetto di struttura è un fondamento essenziale di quasi tutte le modalità di indagine e scoperta nella scienza, filosofia e arte.

SystemsEdit

Un sistema è un insieme di entità interagenti o interdipendenti, reali o astratte, che formano un tutto integrato. In generale, un sistema è un costrutto o un insieme di elementi diversi che insieme possono produrre risultati non ottenibile dai soli elementi. Il concetto di “insieme integrato” può anche essere enunciato in termini di un sistema che incorpora un insieme di relazioni che sono differenziate dalle relazioni dellinsieme con altri elementi, e forma relazioni tra un elemento dellinsieme ed elementi che non fanno parte del regime relazionale. Esistono due tipi di modelli di sistema: 1) discreto in cui le variabili cambiano istantaneamente in punti separati nel tempo e, 2) continuo dove cambiano le variabili di stato c continuamente rispetto al tempo.

Generazione di un modello Modifica

La modellazione è il processo di generazione di un modello come rappresentazione concettuale di un fenomeno. Tipicamente un modello tratterà solo alcuni aspetti del fenomeno in questione, e due modelli dello stesso fenomeno possono essere essenzialmente diversi, vale a dire che le differenze tra loro comprendono più di una semplice ridenominazione dei componenti.

Tali differenze possono essere dovute a requisiti diversi degli utenti finali del modello o a differenze concettuali o estetiche tra i modellisti e a decisioni contingenti prese durante il processo di modellazione. Considerazioni che possono influenzare la struttura di un modello potrebbero essere la preferenza del modellatore per unontologia ridotta, le preferenze riguardanti i modelli statistici rispetto ai modelli deterministici, il tempo discreto rispetto a quello continuo, ecc. In ogni caso, gli utenti di un modello devono comprendere le ipotesi fatte che sono pertinenti alla sua validità per un determinato uso.

La creazione di un modello richiede astrazione. I presupposti vengono utilizzati nella modellazione per specificare il dominio di applicazione del modello. Ad esempio, la teoria della relatività speciale assume un quadro di riferimento inerziale. Questa ipotesi è stata contestualizzata e ulteriormente spiegata dalla teoria generale della relatività.Un modello fa previsioni accurate quando le sue ipotesi sono valide e potrebbe non fare previsioni accurate quando le sue ipotesi non sono valide. Tali assunzioni sono spesso il punto con cui le teorie più vecchie sono sostituite da nuove (la teoria generale della relatività funziona anche in sistemi di riferimento non inerziali).

Valutazione di un modello Modifica

Un modello viene valutato prima di tutto dalla sua coerenza con i dati empirici; qualsiasi modello non coerente con le osservazioni riproducibili deve essere modificato o rifiutato. Un modo per modificare il modello è restringere il dominio su cui viene attribuita unelevata validità. Un esempio calzante è la fisica newtoniana, che è molto utile tranne che per i fenomeni molto piccoli, molto veloci e molto massicci delluniverso. Tuttavia, un adattamento ai dati empirici da solo non è sufficiente perché un modello sia accettato come valido. Altri fattori importanti nella valutazione di un modello includono:

• Capacità di spiegare osservazioni passate
• Capacità di prevedere osservazioni future
• Costo di utilizzo, specialmente in combinazione con altri modelli
• Confutabilità, che consente di stimare il grado di fiducia nel modello
• Semplicità o anche fascino estetico

Le persone possono tentare di quantificare la valutazione di un modello utilizzando una funzione di utilità.

VisualizationEdit

La visualizzazione è qualsiasi tecnica per creare immagini, diagrammi o animazioni per comunicare un messaggio. La visualizzazione attraverso immagini visive è stata un modo efficace per comunicare idee sia astratte che concrete sin dagli albori delluomo. Esempi tratti dalla storia includono pitture rupestri, geroglifici egizi, geometria greca e metodi rivoluzionari di disegno tecnico di Leonardo da Vinci per scopi ingegneristici e scientifici.

Mappatura spazialeModifica

La mappatura spaziale si riferisce a una metodologia che impiega una formulazione di modellazione “quasi globale” per collegare il compagno “grossolano” (ideale o a bassa fedeltà) con modelli “fini” (pratici o ad alta fedeltà) di diversa complessità. Nellottimizzazione ingegneristica, la mappatura spaziale si allinea (mappe ) un modello grossolano molto veloce con il relativo modello fine costoso da calcolare in modo da evitare unottimizzazione diretta e costosa del modello fine. Il processo di allineamento affina in modo iterativo un modello grossolano “mappato” (modello surrogato).