Wetenschappelijke modellering

Modellering als vervanging voor directe meting en experimenten Bewerken

Modellen worden doorgaans gebruikt wanneer het onmogelijk of onpraktisch is om experimentele omstandigheden te creëren waarin wetenschappers direct resultaten kunnen meten . Directe meting van uitkomsten onder gecontroleerde omstandigheden (zie Wetenschappelijke methode) zal altijd betrouwbaarder zijn dan gemodelleerde schattingen van uitkomsten.

Binnen modellering en simulatie is een model een taakgestuurde, doelgerichte vereenvoudiging en abstractie van een perceptie van de werkelijkheid, gevormd door fysieke, wettelijke en cognitieve beperkingen. Het is taakgestuurd omdat een model wordt vastgelegd met een bepaalde vraag of taak in gedachten. Vereenvoudigingen laten alle bekende en geobserveerde entiteiten en hun relaties die niet belangrijk zijn voor de taak weg. Abstraction verzamelt informatie die belangrijk is maar niet nodig is in dezelfde details als het object van interesse. Beide activiteiten, vereenvoudiging en abstractie, worden doelbewust gedaan. Ze zijn echter gedaan op basis van een perceptie van de werkelijkheid. Deze perceptie is al een model op zich, aangezien er een fysieke beperking aan verbonden is. Er zijn ook beperkingen aan wat we wettelijk kunnen observeren met onze huidige tools en methoden, en cognitieve beperkingen die beperken wat we kunnen verklaren met onze huidige theorieën. Dit model omvat de concepten, hun gedrag en hun relaties informele vorm en wordt vaak een conceptueel model genoemd. Om het model uit te voeren, moet het worden geïmplementeerd als een computersimulatie. Dit vereist meer keuzes, zoals numerieke benaderingen of het gebruik van heuristieken. Ondanks al deze epistemologische en computationele beperkingen, wordt simulatie erkend als de derde pijler van wetenschappelijke methoden: theorievorming, simulatie en experimenten.

SimulationEdit

Een simulatie is een manier om het model, vaak gebruikt wanneer het model te complex is voor de analytische oplossing. Een steady-state simulatie geeft informatie over het systeem op een bepaald moment in de tijd (meestal in evenwicht, als een dergelijke toestand bestaat). Een dynamische simulatie geeft informatie in de tijd. Een simulatie laat zien hoe een bepaald object of fenomeen zich zal gedragen. Zon simulatie kan nuttig zijn voor testen, analyseren of trainen in die gevallen waarin systemen of concepten uit de echte wereld kunnen worden weergegeven door modellen.

StructureEdit

Structuur is een fundamentele en soms immaterieel begrip dat de herkenning, observatie, aard en stabiliteit van patronen en relaties van entiteiten omvat. Van de verbale beschrijving van een sneeuwvlokje door een kind tot de gedetailleerde wetenschappelijke analyse van de eigenschappen van magnetische velden, het concept van structuur is een essentiële basis van bijna elke vorm van onderzoek en ontdekking in wetenschap, filosofie en kunst.

SystemsEdit

Een systeem is een set van op elkaar inwerkende of onderling afhankelijke entiteiten, reëel of abstract, die een geïntegreerd geheel vormen. In het algemeen is een systeem een constructie of verzameling van verschillende elementen die samen resultaten kunnen opleveren niet verkrijgbaar door de elementen alleen. Het concept van een geïntegreerd geheel kan ook worden uitgedrukt in termen van een systeem dat een reeks relaties belichaamt die worden onderscheiden van relaties van de set met andere elementen, en relaties vormen tussen een element van de set en elementen die geen deel uitmaken van het relationele regime. Er zijn twee soorten systeemmodellen: 1) discreet waarin de variabelen ogenblikkelijk veranderen op verschillende tijdstippen en 2) continu waar de toestandsvariabelen veranderen c voortdurend met betrekking tot tijd.

Een model genereren Bewerken

Modelleren is het proces van het genereren van een model als conceptuele representatie van een bepaald fenomeen. Typisch zal een model slechts enkele aspecten van het fenomeen in kwestie behandelen, en twee modellen van hetzelfde fenomeen kunnen wezenlijk verschillen – dat wil zeggen dat de verschillen tussen beide meer omvatten dan alleen een simpele hernoemen van componenten.

Dergelijke verschillen kunnen te wijten zijn aan verschillende vereisten van de eindgebruikers van het model, of aan conceptuele of esthetische verschillen tussen de modelleurs en aan voorwaardelijke beslissingen die tijdens het modelleringsproces worden genomen. Overwegingen die de structuur van een model kunnen beïnvloeden, kunnen zijn de voorkeur van de modelleur voor een gereduceerde ontologie, voorkeuren met betrekking tot statistische modellen versus deterministische modellen, discrete versus continue tijd, enz. In elk geval moeten gebruikers van een model de gemaakte veronderstellingen begrijpen die relevant zijn voor de geldigheid ervan voor een bepaald gebruik.

Het bouwen van een model vereist abstractie. Veronderstellingen worden gebruikt bij het modelleren om het toepassingsgebied van het model te specificeren. De speciale relativiteitstheorie gaat bijvoorbeeld uit van een traagheidskader. Deze veronderstelling werd gecontextualiseerd en verder verklaard door de algemene relativiteitstheorie.Een model doet nauwkeurige voorspellingen als de aannames kloppen, en maakt mogelijk geen nauwkeurige voorspellingen als de aannames niet kloppen. Dergelijke aannames zijn vaak het punt waarmee oudere theorieën worden opgevolgd door nieuwe (de algemene relativiteitstheorie werkt ook in niet-inertiële referentieframes).

Evaluatie van een model Bewerken

Een model wordt eerst en vooral beoordeeld op zijn consistentie met empirische gegevens; elk model dat niet consistent is met reproduceerbare waarnemingen, moet worden gewijzigd of afgewezen. Een manier om het model te wijzigen is door het domein te beperken waarover het een hoge validiteit heeft. Een voorbeeld hiervan is de Newtoniaanse fysica, die zeer nuttig is, afgezien van de zeer kleine, zeer snelle en zeer massieve verschijnselen van het universum. Een aanpassing aan empirische gegevens alleen is echter niet voldoende om een model als geldig te accepteren. Andere factoren die belangrijk zijn bij het evalueren van een model zijn:

• Mogelijkheid om eerdere waarnemingen uit te leggen
• Mogelijkheid om toekomstige waarnemingen te voorspellen
• Kosten van gebruik, vooral in combinatie met andere modellen
• Weerlegbaarheid, waardoor de mate van vertrouwen in het model kan worden ingeschat
• Eenvoud, of zelfs esthetische aantrekkingskracht

Mensen kunnen proberen om kwantificeer de evaluatie van een model met behulp van een hulpprogramma.

VisualizationEdit

Visualisatie is elke techniek voor het maken van afbeeldingen, diagrammen of animaties om een boodschap over te brengen. Visualisatie door middel van visuele beelden is sinds het begin van de mens een effectieve manier geweest om zowel abstracte als concrete ideeën over te brengen. Voorbeelden uit de geschiedenis zijn grotschilderingen, Egyptische hiërogliefen, Griekse geometrie en de revolutionaire methoden van technisch tekenen van Leonardo da Vinci voor technische en wetenschappelijke doeleinden.

Ruimtemapping Bewerken

Ruimtemapping verwijst naar een methodologie die gebruik maakt van een quasi-globale modelleringsformulering om metgezel grof (ideaal of low-fidelity) te koppelen aan fijne (praktische of high-fidelity) modellen van verschillende complexiteit. Bij technische optimalisatie worden ruimtemapping ) een zeer snel grof model met het bijbehorende, duur te berekenen fijne model om directe dure optimalisatie van het fijne model te vermijden. Het uitlijningsproces verfijnt iteratief een “in kaart gebracht” grof model (surrogaatmodel).