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.
2. Информационное моделирование. Основные типы информационных моделей (табличные, иерархи¬ческие, сетевые)
Табличные модели. Одним из наиболее часто ис¬пользуемых типов информационных моделей являет¬ся таблица, которая состоит из строк и столбцов.
С помощью таблиц создаются информационные мо¬дели в различных предметных областях. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поез¬дов и самолетов, уроков и т. д.
Табличные информационные модели проще всего формировать и исследовать на компьютере посредством электронных таблиц и систем управления база¬ми данных.
Иерархические модели. Нас окружает множество различных объектов, каждый из которых обладает оп¬ределенными свойствами. Однако некоторые группы объектов имеют одинаковые общие свойства, которые отличают их от объектов других групп.
Группа объектов, обладающих одинаковыми общи¬ми свойствами, называется’классолс объектов. Внутри класса могут быть выделены подклассы, объекты ко¬торых обладают некоторыми особенными свойствами, в свою очередь, подклассы можно делить на еще более мелкие группы и т. д. Такой процесс называется про¬цессом классификации.
При классификации объектов часто применяются информационные модели, которые имеют иерархиче¬скую (древовидную) структуру. В иерархической ин¬формационной модели объекты распределены по уров¬ням, причем элементы нижнего уровня входят в состав одного из элементов более высокого уровня. Напри¬мер, весь животный мир рассматривается как иерар¬хическая система (тип, класс, отряд, семейство, род, вид), для информатики характерна иерархическая файловая система и т. д.
На рисунке 22 изображена информационная мо¬дель, которая позволяет классифицировать современные компьютеры. Полученная информационная струк¬тура напоминает дерево, которое растет сверху вниз (именно поэтому такие информационные модели назы¬вают иногда древовидными). В структуре четко про¬сматриваются три уровня: от первого, верхнего, имею¬щего один элемент Компьютеры, мы спускаемся до третьего, нижнего, имеющего три элемента Настоль¬ные, Портативные, Карманные.
Сетевые информационные модели. Сетевые инфор¬мационные модели применяются для отражения сис¬тем со сложной структурой, в которых связь между элементами имеет произвольный характер. Билет № 18
1. Основы языка программирования (алфавит, опе¬раторы» типы данных и т. д.)
Языки программирования — это формальные язы¬ки, кодирующие алгоритмы в привычном для челове¬ка виде (в виде предложений). Язык программирова¬ния определяется заданием алфавита и точным описа¬нием правил построения предложений (синтаксисом).
В алфавит языка могут входить буквы, цифры, ма¬тематические символы, а также так называемые клю¬чевые слова If (если). Then (тогда). Else (иначе) и др. Из исходных символов (алфавита) по правилам син¬таксиса строятся предложения, обычно называемые операторами. Например, оператор условного пере¬хода:
Алгоритмические языки программирования, или их еще называют структурные языки программиро¬вания, представляют алгоритм в виде последователь¬ности основных алгоритмических структур — линей¬ной, ветвления, цикла.
Различные типы алгоритмических структур коди¬руются на языке программирования с помощью соот¬ветствующих операторов: ветвление — с помощью опе¬ратора If-Then-Else, цикл со счетчиком с помощью оператора For-Next и т. д. Операторы, кроме ключе¬вых слов, иногда содержат арифметические, строко¬вые и логические выражения.
Арифметические выражения могут включать в себя числа, переменные, знаки арифметических выраже¬ний, стандартные функции и круглые скобки. Напри¬мер, арифметическое выражение, которое позволяет определить величину гипотенузы прямоугольного тре¬угольника, будет записываться следующим образом:
В состав строковых выражений могут входить пере¬менные строкового типа, строки (строками явля ются любые последовательности символов, заключен¬ные в кавычки) и строковые функции. Например:
«инф»+М1с1 («информатика»^ 3, 5) +strA.
Логические выражения, кроме логических пере¬менных, нередко включают в себя числа, числовые или строковые переменные или выражения, которые сравниваются между собой посредством операции сравнения (>, —,
Логическое выражение принимает лишь одно из двух значений: истина или ложь. Например: 5 > 3 — истинно; 2 • 2 = 5 — ложно.
Над элементами логических выражений могут про¬изводиться логические операции, которые обознача¬ются следующим образом: логическое умножение — And, логическое сложение — Or и логическое отрица¬ние — Mot.
В языках программирования используются различ¬ные структуры данных: переменная, массив и др. Пе¬ременные задаются именами, которые определяют об¬ласти памяти, в которых хранятся их значения. Значе¬ниями переменных могут быть данные различных типов (целые или вещественные числа, строки, логи¬ческие значения). Соответственно переменные бывают различных типов: целочисленные (А%=5), веществен¬ные (А=3.14), строковые (А$ pagination-holder»>