Типы информационных моделей
Статические— модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (единовременный срез информации по данному объекту). В каждый момент времени система находится в определенном состоянии, который характеризуется составом элементов, значениями их свойств, величиной и характером взаимодействия между элементами и т. д. В физике примером статистических информационных моделей являются модели, описывающие простые механизмы, в биологии — модели строения растений и животных, в химии — модели строения молекул и кристаллических решеток, в астрономии — модель Солнечной системы и т. д.
Динамические— модели, описывающие процессы изменения и развития систем во времени. Состояние систем изменяется во времени, то есть происходят процессы изменения и развития систем. Так, планеты движутся, изменяется их положение относительно Солнца и друг друга; Солнце, как и любая другая звезда, развивается, меняются ее химический состав, излучение и т. д. В физике динамические информационные модели описывают движение тел, в биологии — развитие организмов или популяций животных, в химии — процессы происхождения химических реакций и т. д.
Структурные, функциональные, структурно-функциональные
Структурные служат для изучения внутреннего состояния объекта, того из чего он «сделан» (например, текст – это система элементов). В тех случаях, когда необходимо воспринять, осмыслить и переработать большой объем информации, такую информацию нужно структурировать, т.е. выделить в ней элементарные составляющие и их взаимосвязи. Структура представляет собой упорядоченную систему данных. Наиболее простыми информационными структурами являются таблицы, схемы, графы. Структурная модель объекта составляется для того, чтобы как можно более наглядно представить составные части и их связи. Простым примером табличного структурирования информации является школьное расписание уроков.
Основными структурными моделями являются табличная, сетевая и иерархическая.
Табличные – объекты и их свойства представлены в виде списка, а их значения размещаются в ячейках прямоугольной формы. Перечень однотипных объектов размещен в первом столбце (или строке), а значения их свойств размещаются в следующих столбцах (или строках). В табличной информационной модели элементы информации размещаются в отдельных ячейках. С помощью таблиц могут быть выражены как статические, так и динамические информационные модели. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и т. д. В общем случае таблица не дает представления о каких- либо закономерностях, однако бывают и исключения. Великий русский химик Д. И. Менделеев, расположив для удобства химические элементы в таблицу по возрастанию атомных весов, открыл периодический закон, который оказал решающее влияние на развитие химии и физики. Табличные информационные модели проще всего строить и исследовать на компьютере с помощью электронных таблиц и систем управления базами данных.
Иерархические – объекты распределены по уровням. Каждый элемент высокого уровня состоит из элементов нижнего уровня, а элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня. В биологии весь животный мир рассматривается как иерархическая система(тип, класс, отряд, семейство, род, вид), в информатике используется иерархическая файловая система и т.д. В иерархической информационной модели объекты распределены по уровням, причем элементы нижнего уровня входят в состав одного из элементов более высокого уровня. Так, для описания исторического процесса смены поколений семьи используются динамические информационные модели в форме генеалогического дерева.
Сетевые – применяют для отражения систем, в которых связи между элементами имеют сложную структуру. Сетевые информационные модели применяются для отражения таких систем, в которых связь между элементами имеет сложную структуру. Например, различные части глобальной компьютерной сети Интернет (американская, европейская, российская и т. д.) связаны между собой высокоскоростными линиями связи.
Функциональные служат для изучения поведения объекта (модели типа «вход-выход»),структурно-функциональные служат и для изучения внутреннего состояния объекта и для изучения его поведения.
4. Детерминированные и стохастические (по характеру отражения причинно-следственных связей)
Этапы моделирования:
1. Постановка задачи: описание задачи, цель моделирования, формализация задачи, математическая модель.
2. Разработка модели: информационная модель, компьютерная модель
3. Компьютерный эксперимент – план эксперимента, проведение исследования
4. Анализ результатов моделирования
На начальном этапе моделированиявыделяются существенные признаки изучаемого объекта и дается развернутое содержательное описание связи между ними (системный анализ), то есть осуществляется неформальная постановка задачи. Следующимважным этапом моделирования является формализация содержательного описания связей между выделенными признаками с помощью некоторого языка кодирования: языка схем, языка математики и т.д. (“перевод“ полученной структуры в какую- либо заранее определенную форму).
Формализация– этап перехода от содержательного описания связей между выделенными признаками объекта (словесного или в виде текста) к описанию, использующему некоторый язык кодирования (языка схем, языка математики и т. д.).Формализация— процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков. Одним из наиболее распространенных формальных языков является алгебраический язык формул в математике, который позволяет описывать функциональные зависимости между величинами. Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, называютсяматематическими моделями. По сути, формализация – это первый и очень важный этап процесса моделирования. Примером неформального описания модели является кулинарный рецепт или словесное описание модели парусника, или словесная формулировка второго закона Ньютона.
В тех случаях, когда моделирование ориентировано на исследование моделей с помощью компьютера, результатом формализации моделей должно быть программное средство. Поэтому принципы формализацииможно сформулировать в следующем виде:
разработка неформального описания модели (словесное описание существенных для рассматриваемой задачи характеристик изучаемого объекта и связей между ними);
составление формализованного описания на некотором языке кодирования (с использованием математических соотношений и текстов);
реализация формализованного описания в виде программы на некотором языке программирования.
Например, формула F=m*a является формализованным описанием второго закона Ньютона.
Алгоритм представляет собой конечную упорядоченную совокупность предписаний исполнителю, четко и однозначно определяющих процесс преобразования исходной информации в конечный результат. Алгоритмы образуют важнейший класс информационных процессов. Каждый шаг алгоритма определяется только начальной и конечной информацией, все команды алгоритма можно выполнять формально, или автоматически (без непосредственного участия человека).
Информационная модель — это модель, содержащая целенаправленно отобранную и представленную в некоторой форме наиболее существенную информацию об объекте. Информационный объект — это совокупность логически связанной информации.
3)Сетевые информационные модели
Сетевые информационные модели применяются для отражения систем со сложной структурой, в которых связи между элементами имеют произвольный характер.
Например, различные региональные части глобальной компьютерной сети Интернет (американская, европейская, российская, австралийская и так далее) связаны между собой высокоскоростными линиями связи. При этом одни части (например, американская) имеют прямые связи со всеми региональными частями Интернета, а другие могут обмениваться информацией между собой только через американскую часть (например, российская и австралийская).
Построим граф, который отражает структуру глобальной сети Интернет (рис. 2.7). Вершинами графа являются региональные сети. Связи между вершинами носят двусторонний характер и поэтому изображаются ненаправленными линиями (ребрами), а сам граф поэтому называется неориентированным.
Представленная сетевая информационная модель является статической моделью. С помощью сетевой динамической модели можно, например, описать процесс передачи мяча между игроками в коллективной игре (футболе, баскетболе и так далее).
1) Алгоритм — набор инструкций, описывающих порядок действий исполнителя для достижения результата решения задачи за конечное время. В старой трактовке вместо слова «порядок» использовалось слово «последовательность», но по мере развития параллельности в работе компьютеров слово «последовательность» стали заменять более общим словом «порядок». Это связано с тем, что работа каких-то инструкций алгоритма может быть зависима от других инструкций или результатов их работы. Таким образом, некоторые инструкции должны выполняться строго после завершения работы инструкций, от которых они зависят. Независимые инструкции или инструкции, ставшие независимыми из-за завершения работы инструкций, от которых они зависят, могут выполняться в произвольном порядке, параллельно или одновременно, если это позволяют используемые процессор и операционная система.
Линейный (последовательный) алгоритм — описание действий, которые выполняются однократно в заданном порядке.
Линейными являются алгоритмы отпирания дверей, заваривания чая, приготовления одного бутерброда. Линейный алгоритм применяется при вычислении арифметического выражения, если в нем используются только действия сложения и вычитания.
Циклический алгоритм — описание действий, которые должны по вторяться указанное число раз или пока не выполнено заданное условие. Перечень повторяющихся действий называется телом цикла.
Многие процессы в окружающем мире основаны на многократном повторении одной и той же последовательности действий. Каждый год наступают весна, лето, осень и зима. Жизнь растений в течение года проходит одни и те же циклы. Подсчитывая число полных поворотов минутной или часовой стрелки, человек измеряет время.
Условие — выражение, находящееся между словом «если» и словом «то» и принимающее значение «истина» или «ложь».
Разветвляющийся алгоритм — алгоритм, в котором в зависимости от условия выполняется либо одна, либо другая последовательность действий.
Примеры разветвляющих алгоритмов: если пошел дождь, то надо открыть зонт; если болит горло, то прогулку следует отменить; если билет в кино стоит не больше десяти рублей, то купить билет и занять свое место в зале, иначе (если стоимость билета больше 10 руб.) вернуться домой.
В общем случае схема разветвляющего алгоритма будет выглядеть так: «если условие, то. иначе. ». Такое представление алгоритма получило название полной формы. Неполная форма, в которой действия пропускаются: «если условие, то. ».
Вспомогательный алгоритм — алгоритм, который можно использовать в других алгоритмах, указав только его имя. Например: вы в детстве учились суммировать единицы, затем десятки, чтобы суммировать двузначные числа содержащие единицы вы не учились новому методу суммирования, а воспользовались старыми методами.