Файл: Вальков К.И. Введение в теорию моделирования.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 30.06.2024

Просмотров: 155

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Для получения искомой аналитической зависимости нет надобности и нет смысла проводить эксперименты. Достаточно опереться на существующую уже математическую теорию, описывающую равномерное движение материальных тел.1

Согласно этой теории, основанной

на

ранее

проведенных

экспе­

риментах,

 

имеем

готовые

модели для определения длины пути,

протекшего времени

и

пр. (s = v-t;

t = sfv).

Все, что

тре­

буется

в

данном

случае, — это

перейти

от

описания

ма­

шины

М ь

связанной

с объектом

0|,

к описанию машины

М2 ,

связанной

с объектом 02 ,

причем объектом 0 2

является

уже

упомянутая математическая теория.

Итак, совершим этот переход, т. е. выскажем поставленный вопрос в терминах действующих здесь математических соот­ ношений:

Заданы четыре величины — su,

s2i,

ul t -, v2i — и зависимости

h(su, vu)

=tn и f2(s2i, v2i) ~t2i,

позволяющие по заданным ве­

личинам

находить параметры

tu,

t2l.

Требуется установить,

какой из параметров txi,

больше при любом фиксированном

наборе величин su

s2, 'vu

v2.

 

 

Sj обозначено

расстоя­

В

этой формулировке символом

ние NS, символом s2 — расстояние PS,

символом V\ —скорость

движения

велосипедиста,

символом щ — скорость

движения

поезда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Имея

математическую

формулировку

задачи, найдем ее —

в данном случае элементарное—решение и получим

ма­

шину

М2 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя

в

эту

машину

основные

параметры

S u ,

s2,-,

Viu Щи имеем

каждый

раз

результативный сигнал

zu Мно­

жество сигналов Zi делится на два класса:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

z < 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

г > 0 .

 

 

 

 

 

Таким

образом,

каждый

шаг

работы

машины

доставляет

1 бит информации. В целом образуется цикл информации

Д 2 ,

который отождествляется

с циклом / й ] при помощи

кодовой

таблицы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Ради выяснения сущности вопроса отвлекаемся здесь от всех подроб­ ностей и считаем движение равномерным.

5 зак. 886

65


 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 2.4

 

 

Сигнал Su

 

Сигнал

s2i

 

Велосипедист

успел

 

 

г ( < 0

 

 

Велосипедист

опоздал

 

zt> 0

 

5. Рассматривая в подробностях процесс

конструирования

аналитической

модели, полезно выделить в нем четыре

основ­

ных этапа.

 

 

 

 

 

 

 

а) Первый этап можно назвать обобщенно подготовкой

ана­

литической

модели.

На этом

этапе производится выбор

коли­

чественных

характеристик,

порождающих

цикл

информа­

ции Jki, а также выбор основных параметров, определяющих работу машины Mi .

В том случае, когда общее математическое описание объекта Oi уже готово, на первом этапе осуществляется пере­ ход к математической формулировке поставленной частной задачи.

б)

Второй этап —- конструирование

аналитической

модели.

Здесь

необходимо, опираясь на экспериментальные

данные,

подобрать готовую или разработать новую аналитическую за­ висимость. При наличии общего математического описания остается на этом этапе решить задачу, поставленную в рамках действующего математического аппарата.

в) Третий этап — усовершенствование полученной модели.

Конечно, усовершенствовать модель вовсе не обязательно; разумнее сразу получить ее в удобном виде. Однако на прак­ тике это обычно не удается и потому стремление повысить ра­ бочие качества модели часто оказывается вполне оправданным. Способы усовершенствования аналитических моделей трудно охватить одной общей рекомендацией. Во всяком случае здесь самое широкое применение находят известные математические

преобразования

и подстановки. Элементарной иллюстрацией

может служить

только

что решенная задача. Вместо зависи­

м о с т и ^ — (^~— l ) = 2 f

целесообразно употребить выражение

Sit So!

, rr

 

— = ui, где U{ = Zi1.

Для этого

достаточно в

кодовой

табл.

2.4 заменить сигналы

2 , ^ 0 ; Z i > 0

сигналами

— 1;

66щ >

1 .

 

 

 


г)

Четвертый

этап — использование

технических

средств.

По существу, это возврат от математического

моделирования

к моделям иного типа. Как правило,

Исходный

 

такой

 

возврат

оправдан при боль­

 

шом

количестве

вычислений. Выше

объект

 

 

подготоВкД.

упоминалось (2.1.4; 2.1.5), что обыч­

 

 

модели

 

ные

математические

 

записи

уже

Математическое

 

представляют собой

реальные и по­

 

описание

 

тому

в какой-то

 

мере

технические

JL-KOHcmpyupg-

устройства.

Но здесь

речь

идет, ко­

 

бание моде/т

нечно, не о математических

записях,

Математическая

 

а о математической технике в пол­

 

модель HI

 

ном смысле слова: счеты,

логариф­

I Щ-усобершенШа-

мические

линейки,

 

арифмометры,

 

^

бание Шдш

другие

аналогичные

 

приборы

и, на­

 

Математическая

 

конец, современная

вычислительная

 

модель N2

 

техника. После

привлечения

 

техни­

 

использование

ческих

устройств

исходный

объект

 

 

техники

 

Oi сопоставляется

с другим

 

вещест­

Техническое

 

венным

объектом

 

03 ;

аналитиче­

 

 

устройство

 

ская

модель 0 2 играет в этом

случае

 

 

 

роль хотя и необходимого, но все же

р и с

2.11

 

промежуточного

звена.

Схема

рас­

 

 

 

смотренного процесса

приведена

на рис. 2.11.

 

 

§4. Геометрические модели

1.Широк и разнообразен набор пространственных форм, изучаемых в геометрии. Линейные и нелинейные образы; пло­ ские и пространственные кривые различного вида и порядка; поверхности и многогранники; совокупности линий — конгру­

энции, комплексы; совокупности поверхностей — пучки, связки

и т. д. Важно заметить, что любая геометрическая

конструкция

представляет

собой прямо или косвенно

действующую

геомет­

рическую машину.

Рассмотрим, например, прямую / и плоскость а, произволь­ но расположенные в пространстве. Пересекаясь между собой, они определяют точку А . Выбирая другие прямые и другие плоскости, будем получать другие точки. Следовательно, ука­ занная конструкция прямо работает как геометрическая ма­ шина: на вход машины подаем два основных сигнала — пря­ мую и плоскость, — на выходе имеем один ответный сигнал — точку.

5*

67


Если вместо прямой, плоскости и точки взять элементы, определяющие их в какой-либо системе отсчета, то на входе

 

и на

выходе

 

косвенно

 

дейст­

 

вующей

 

геометрической

ма-

 

шины

появятся названные эле­

 

менты.

 

Например,

введем

в

 

пространстве

 

декартову

систе­

 

му координат

(рис. 2.12). Пря­

 

мую

/

будем

определять

че­

 

тырьмя

точками Ki,

К% L \ ,

L 3 ,

 

которые

позволяют

отметить

 

следы

данной

прямой

К

и

L

 

на

координатных

плоскостях

 

Xi-x2

и XfX3.

 

Плоскость а оп­

 

ределяется

тремя точками

 

Ри

 

Q2,

Rs

 

высекаемыми

ею

на

Рис. 2.12

осях координат. Точка А опре­

деляется

в

обычном

смысле

 

своими

координатами

А и

А?,,

Л3 . При--таком выборе системыотнесения на вход машины по­ даются параметры Кп Кг, L i , L3, Plt Q2, Ra, на выходе ее имеем параметры А \ , А 2 , Л3 . Косвенный характер действия машины выражается в том, что она работает при посредстве произволь­ но выбранной системы отнесения, или при посредстве вспомо­ гательных геометрических машин. Заметим, что геометрическая форма, взятая как единое целое (точка, линия, поверхность), может выполнять функции геометрической машины лишь кос­ венным образом, после введения некоторой системы отнесения

(ср. 2.2.10, 2.2.11).

2. Предположим, что изучению подлежит объект О ь при­ чем представляют практический интерес некоторые его прост­ ранственные характеристики. Уже отмечалось (2.1.3, 2.2.4), как часто приходится встречаться с подобными ситуациями. Изучая полет космического снаряда, мы стремимся выявить форму его траектории, плоскость орбиты, точку приземления; изучая работу парового двигателя, интересуемся взаимным расположением его частей, видом поверхности, которую опи­

сывают отдельные рабочие элементы, направлением

приложен­

ных сил и т. д. Словом, объект Oi доставляет

информацию

о геометрических

соотношениях

и эта информация J g l является

существенной.

информацию J g \

 

 

 

Для того

чтобы передать

(2.1.1),

может

потребоваться

модель — объект О2. Поскольку

речь

идет

68


о геометрических соотношениях или поскольку геометрические соотношения способствуют интуитивным восприятиям и на­ глядности, естественно привлечь к делу геометрические конст­ рукции.

Если

геометрическая характеристика

gu объекта 0 ; зави­

сит от нескольких

параметров ХЦ,

Х\2,...

,Хщ,

поддающихся

учету

и обозрению,

то

мы

имеем

машину М и

 

[ ( х ц ,

х 1 2 , . . . ,

Х у п ) y g n ] .

Требуется

подобрать тождественную

ей геометри­

ческую

машину М2 .

После

того

как это

сделано,

переходим

к следующей

(независимой

от gu)

геометрической

характери­

стике и т. д. Совокупность полученных геометрических

машин

М21,

М22 • • •

образует

геометрическое

описание

исходного

объекта,

или, что то

же самое,

его геометрическую

модель.

Эта

модель

сконструирована

из

геометрических

образов;

практическая

работа

 

с

ними

сводится

к

построениям

 

 

и оцен­

кам,

основанным

на

 

 

построениях.

 

 

 

 

 

 

3.

Геометрическая

 

машина

может

представлять

собой

аппарат, извлеченный из арсенала готовых математических средств. Ее приходится подбирать па основе эксперименталь­

ных данных.

Результаты экспериментов образуют таблицу,

в левой

части

которой

(на входе) фигурируют исходные об­

разы, а

в правой части

(на выходе) — результативные эле­

менты. За строками этой таблицы нужно угадать соответст­ вующий геометрический алгоритм, построение. Как и в раз­

деле

2.3.3,

следует подчеркнуть несколько тривиальный, но

иногда полезный

вывод: вид геометрической

модели

сущест­

венно

зависит

от

принятой

системы

отнесения.

Вывод этот дей­

ствительно

полезен в тех

случаях,

когда

система

отнесения

становится слишком привычной, возводится в принцип и абсо­ лютизируется.

Изготовление машины М2 еще более-осложняется и требует особенно интенсивных творческих усилий при отсутствии под­ ходящих для данных условий геометрических средств. Тогда встает вопрос о развита специальной теории; и это опережаю­ щее практику теоретическое развитие служит необходимой предпосылкой успешного осуществления процессов моделиро­ вания.

4. Совершенно так же, как и в случае аналитического моде­ лирования, исследование частных вопросов и задач, связанных с объектом О ь может проходить за рамками эксперимента. Однако предполагается, что общее геометрическое описание объекта, находящееся в прямой зависимости от эксперимен­ тальных данных, уже имеется в нашем распоряжении. При

69