Modelarea științifică

Modelarea ca înlocuitor pentru măsurarea directă și experimentare Modificare

Modelele sunt de obicei utilizate atunci când este imposibil sau imposibil de creat condiții experimentale în care oamenii de știință pot măsura direct rezultatele . Măsurarea directă a rezultatelor în condiții controlate (a se vedea metoda științifică) va fi întotdeauna mai fiabilă decât estimările modelate ale rezultatelor.

În cadrul modelării și simulării, un model este o simplificare și abstractizare a percepției bazate pe sarcini, cu scop realității, modelată de constrângeri fizice, legale și cognitive. Este bazat pe sarcini, deoarece un model este capturat având în vedere o anumită întrebare sau sarcină. Simplificările lasă toate entitățile cunoscute și observate și relația lor care nu sunt importante pentru sarcină. Abstracția agregează informații importante, dar care nu sunt necesare în același detaliu ca obiectul de interes. Ambele activități, simplificarea și abstractizarea, sunt realizate în mod intenționat. Cu toate acestea, acestea se fac pe baza percepției realității. Această percepție este deja un model în sine, deoarece vine cu o constrângere fizică. Există, de asemenea, constrângeri cu privire la ceea ce putem observa legal cu instrumentele și metodele noastre actuale și constrângeri cognitive care limitează ceea ce suntem capabili să explicăm cu teoriile noastre actuale. Acest model cuprinde conceptele, comportamentul lor și relațiile lor formă informală și este adesea menționat ca un model conceptual. Pentru a executa modelul, acesta trebuie implementat ca o simulare pe computer. Acest lucru necesită mai multe opțiuni, cum ar fi aproximări numerice sau utilizarea euristicii. În ciuda tuturor acestor constrângeri epistemologice și de calcul, simularea a fost recunoscută ca al treilea pilon al metodelor științifice: construirea teoriei, simularea și experimentarea.

SimulationEdit

O simulare este o modalitate de implementare modelul, adesea folosit atunci când modelul este prea complex pentru soluția analitică. O simulare în stare staționară oferă informații despre sistem la un moment specific în timp (de obicei la echilibru, dacă există o astfel de stare). O simulare dinamică oferă informații în timp. O simulare arată cum se va comporta un anumit obiect sau fenomen. O astfel de simulare poate fi utilă pentru testare, analiză sau instruire în acele cazuri în care sistemele sau conceptele din lumea reală pot fi reprezentate prin modele.

StructureEdit

Structura este un element fundamental și uneori noțiune intangibilă care acoperă recunoașterea, observarea, natura și stabilitatea tiparelor și a relațiilor entităților. De la descrierea verbală a unui fulg de zăpadă de către un copil, până la analiza științifică detaliată a proprietăților câmpurilor magnetice, conceptul de structură este o bază esențială a aproape oricărui mod de cercetare și descoperire în știință, filozofie și artă.

SystemsEdit

Un sistem este un set de entități care interacționează sau interdependente, reale sau abstracte, formând un întreg integrat. În general, un sistem este o construcție sau o colecție de elemente diferite care împreună pot produce rezultate nu poate fi obținut doar prin elemente. Conceptul de „întreg integrat” poate fi de asemenea afirmat în termeni de sistem care înglobează un set de relații care se diferențiază de la relațiile setului la alte elemente și formează relații între un element al setului și elemente care nu fac parte din regimul relațional. Există două tipuri de modele de sisteme: 1) discrete în care variabilele se schimbă instantaneu în momente separate în timp și, 2) continuă unde variabilele de stare se schimbă c în mod continuu în ceea ce privește timpul.

Generarea unui modelEdit

Modelarea este procesul de generare a unui model ca reprezentare conceptuală a unui fenomen. De obicei, un model se va ocupa doar de unele aspecte ale fenomenului în cauză, iar două modele ale aceluiași fenomen pot fi esențial diferite – adică diferențele dintre ele cuprind mai mult decât o simplă redenumire a componentelor.

Astfel de diferențe se pot datora diferitelor cerințe ale utilizatorilor finali ai modelului sau diferențelor conceptuale sau estetice dintre modelatori și deciziilor contingente luate în timpul procesului de modelare. Considerațiile care pot influența structura unui model ar putea fi preferința modelatorului pentru o ontologie redusă, preferințele cu privire la modelele statistice față de modelele deterministe, timpul discret față de timpul continuu etc. În orice caz, utilizatorii unui model trebuie să înțeleagă ipotezele făcute care sunt pertinente pentru validitatea sa pentru o utilizare dată.

Construirea unui model necesită abstractizare. Ipotezele sunt utilizate în modelare pentru a specifica domeniul de aplicare al modelului. De exemplu, teoria relativității speciale presupune un cadru de referință inerțial. Această presupunere a fost contextualizată și explicată în continuare de teoria generală a relativității.Un model face predicții exacte atunci când presupunerile sale sunt valabile și s-ar putea să nu facă predicții exacte atunci când ipotezele sale nu sunt valabile. Astfel de ipoteze sunt deseori punctul în care teoriile mai vechi sunt succedate de altele noi (teoria generală a relativității funcționează și în cadre de referință non-inerțiale).

Evaluarea unui modelEdit

Un model este evaluat în primul rând prin consistența sa cu datele empirice; orice model incompatibil cu observațiile reproductibile trebuie modificat sau respins. O modalitate de a modifica modelul este prin restricționarea domeniului asupra căruia este creditat cu o valabilitate ridicată. Un exemplu este fizica newtoniană, care este extrem de utilă, cu excepția fenomenelor foarte mici, foarte rapide și foarte masive ale universului. Cu toate acestea, o potrivire numai cu datele empirice nu este suficientă pentru ca un model să fie acceptat ca valid. Alți factori importanți în evaluarea unui model includ:

• Abilitatea de a explica observațiile anterioare
• Abilitatea de a prezice observațiile viitoare
• Costul utilizării, mai ales în combinație cu alte modele
• Refutabilitatea, permițând estimarea gradului de încredere în model
• Simplitatea, sau chiar atracția estetică

Oamenii pot încerca să cuantificați evaluarea unui model folosind o funcție de utilitate.

VisualizationEdit

Vizualizarea este orice tehnică pentru crearea de imagini, diagrame sau animații pentru a comunica un mesaj. Vizualizarea prin imagini vizuale a fost o modalitate eficientă de a comunica atât idei abstracte cât și idei concrete încă din zorii omului. Exemple din istorie includ picturile rupestre, hieroglifele egiptene, geometria greacă și metodele revoluționare de desen tehnic ale lui Leonardo da Vinci în scopuri inginerești și științifice.

Space mappingEdit

Space mapping se referă la o metodologie care utilizează o formulare de modelare „cvasi-globală” pentru a lega însoțitorul „grosier” (ideal sau cu fidelitate redusă) de modele „fine” (practice sau de înaltă fidelitate) de diferite complexități. ) un model grosier foarte rapid, cu modelul său fin, costisitor de calculat, pentru a evita optimizarea directă costisitoare a modelului fin. Procesul de aliniere rafinează iterativ un model grosier „mapat” (modelul surogat).