Vetenskaplig modellering
Modellering som en ersättning för direkt mätning och experiment Redigera
Modeller används vanligtvis när det är omöjligt eller opraktiskt att skapa experimentella förhållanden där forskare direkt kan mäta utfall . Direkt mätning av resultat under kontrollerade förhållanden (se Vetenskaplig metod) kommer alltid att vara mer tillförlitlig än modellerade uppskattningar av utfall.
Inom modellering och simulering är en modell en uppgiftsdriven, målmedveten förenkling och abstraktion av en uppfattning av verkligheten, formad av fysiska, juridiska och kognitiva begränsningar. Det är uppgiftsstyrt eftersom en modell fångas med en viss fråga eller uppgift i åtanke. Förenklingar lämnar alla kända och observerade enheter och deras relation som inte är viktiga för uppgiften. Abstraktion sammanställer information som är viktig men inte behövs i samma detalj som intresset. Båda aktiviteterna, förenkling och abstraktion görs målmedvetet. De görs dock baserat på en uppfattning om verkligheten. Denna uppfattning är redan en modell i sig, eftersom den kommer med en fysisk begränsning. Det finns också begränsningar för vad vi lagligen kan observera med våra nuvarande verktyg och metoder, och kognitiva begränsningar som begränsar vad vi kan förklara med våra nuvarande teorier. Denna modell innehåller begreppen, deras beteende och deras informella form och kallas ofta en konceptuell modell. För att utföra modellen måste den implementeras som en datorsimulering. Detta kräver fler val, till exempel numeriska approximationer eller användning av heuristik. Trots alla dessa epistemologiska och beräkningsmässiga begränsningar har simulering erkänts som den tredje pelaren för vetenskapliga metoder: teoribyggnad, simulering och experiment.
SimulationEdit
En simulering är ett sätt att implementera modellen, som ofta används när modellen är för komplex för den analytiska lösningen. En steady-state-simulering ger information om systemet vid ett specifikt ögonblick (vanligtvis vid jämvikt, om ett sådant tillstånd existerar). En dynamisk simulering ger information över tiden. En simulering visar hur ett visst objekt eller fenomen ska bete sig. En sådan simulering kan vara användbar för testning, analys eller träning i de fall där verkliga system eller koncept kan representeras av modeller.
StructureEdit
Structure är en grundläggande och ibland immateriellt begrepp som täcker erkännande, observation, natur och stabilitet hos mönster och relationer mellan enheter. Från ett barns verbala beskrivning av en snöflinga, till den detaljerade vetenskapliga analysen av magnetfältens egenskaper, är begreppet struktur en väsentlig grund för nästan varje sätt att undersöka och upptäcka inom vetenskap, filosofi och konst.
SystemsEdit
Ett system är en uppsättning interagerande eller ömsesidigt beroende enheter, verkliga eller abstrakta och bildar en integrerad helhet. Generellt är ett system en konstruktion eller samling av olika element som tillsammans kan ge resultat begreppet ”integrerad helhet” kan också anges i termer av ett system som förkroppsligar en uppsättning förhållanden som skiljer sig från uppsättningen till andra element, och bildar förhållanden mellan ett element i uppsättningen och element som inte är en del av det relationsmässiga systemet. Det finns två typer av systemmodeller: 1) diskreta variablerna förändras omedelbart vid separata tidpunkter och, 2) kontinuerliga där tillståndsvariablerna ändras c kontinuerligt med avseende på tid.
Generera en modellRedigera
Modellering är processen att generera en modell som en konceptuell representation av något fenomen. Vanligtvis kommer en modell att hantera endast vissa aspekter av det aktuella fenomenet, och två modeller av samma fenomen kan vara väsentligen olika – det vill säga att skillnaderna mellan dem består av mer än bara en enkel byte av komponenter.
Sådana skillnader kan bero på olika krav hos modellens slutanvändare, eller konceptuella eller estetiska skillnader mellan modellerarna och villkorade beslut som tagits under modelleringsprocessen. Överväganden som kan påverka strukturen hos en modell kan vara modellerarens preferens för en reducerad ontologi, preferenser beträffande statistiska modeller kontra deterministiska modeller, diskret kontra kontinuerlig tid, etc. I vilket fall som helst måste användare av en modell förstå de antaganden som görs som är relevanta för dess giltighet för en given användning.
Att bygga en modell kräver abstraktion. Antaganden används vid modellering för att specificera modellens tillämpningsområde. Till exempel antar den relativa relativitetsteorin en tröghetsreferensram. Detta antagande kontextualiserades och förklarades ytterligare av den allmänna relativitetsteorin.En modell gör exakta förutsägelser när dess antaganden är giltiga och kanske inte gör korrekta förutsägelser när dess antaganden inte håller. Sådana antaganden är ofta den punkt med vilka äldre teorier efterföljs av nya (den allmänna relativitetsteorin fungerar också i icke-tröghetsreferensramar).
Utvärdering av en modellRedigera
En modell utvärderas först och främst genom dess konsistens mot empiriska data; alla modeller som är oförenliga med reproducerbara observationer måste modifieras eller avvisas. Ett sätt att modifiera modellen är att begränsa domänen över vilken den krediteras med hög giltighet. Ett exempel på detta är Newtons fysik, som är mycket användbar förutom universums mycket små, mycket snabba och mycket massiva fenomen. En anpassning till empirisk data räcker dock inte för att en modell ska kunna accepteras som giltig. Andra faktorer som är viktiga för att utvärdera en modell inkluderar:
- Förmåga att förklara tidigare observationer
- Förmåga att förutsäga framtida observationer
- Användningskostnader, särskilt i kombination med andra modeller
- Omvändbarhet, möjliggör uppskattning av graden av förtroende för modellen
- Enkelhet eller till och med estetisk tilltalning
Människor kan försöka kvantifiera utvärderingen av en modell med hjälp av en funktion.
VisualizationEdit
Visualisering är vilken teknik som helst för att skapa bilder, diagram eller animationer för att kommunicera ett meddelande. Visualisering genom visuella bilder har varit ett effektivt sätt att kommunicera både abstrakta och konkreta idéer sedan människans gryning. Exempel från historien inkluderar grottmålningar, egyptiska hieroglyfer, grekisk geometri och Leonardo da Vincis revolutionerande tekniska ritningsmetoder för tekniska och vetenskapliga ändamål.
RymdkartläggningRedigera
Rymdkartläggning avser en metod som använder en ”kvasi-global” modelleringsformulering för att länka kompletterande ”grovt” (ideal eller low-fidelity) med ”fina” (praktiska eller high-fidelity) modeller av olika komplexitet. Vid teknikoptimering justeras rymdmappning (kartor) ) en mycket snabb grov modell med tillhörande fin-att-beräkna finmodell för att undvika direkt dyra optimeringar av finmodellen. Inriktningsprocessen förfinar iterativt en ”kartlagd” grovmodell (surrogatmodell).