Вычислительный эксперимент

поглотят и рассеют солнечный свет, что приведёт к затемнению поверхности Земли и нарушению её радиа-ционного баланса. Температура Земли за короткий срок понизится на 15-25С. Наступит так назы-ваемая ядерная зима. Максимальное снижение температуры приповерхностного слоя атмосферы наблюдается на Северном полушарии, однако, несмотря на локальное незначительное повышение температуры в отдельных районах южного полушария, похолодание распространяется и на эту часть планеты. При этом предполагается следующий сценарий конфликта. Атмосфера севернее 12 северной широты в июле внезапно загрязнилась сажей. Рассматривают, что выброс загрязне-ний соответствовал конфликту с использованием 50% ядерного боезапаса, накопленного на плане-те к 90-м годам 20-го века. Расчёты, проведённые для более мягких сценариев с использованием меньшего количества ядерного потенциала, показали, что температура понизится не так значи-тельно, но эффекты качественно останутся теми же.

Очень важным фактором, влияющим на климат, оказалось изменение циркуляции атмосфе-ры. Полушария Земли будут нагреваться неравномерно, и это приведёт к тому, что в течении при-мерно месяца холодные потоки воздуха вместе с остатками сажи устремятся из северного полуша-рия в южное. Сначала появляются шлейфы дыма и пыли; в первую и вторую недели средние ши-роты Северного полушария покрываются сплошной пеленой; через две-три недели струи дыма пе-реходят экватор; через месяц вся Земля оказывается окутанной облаком дыма, то есть наступает “ядерная ночь”. На температуру атмосферы окажет влияние и изменение температуры океана. В силу колоссальных его объёмов он будет охлаждаться медленнее, чем поверхность суши. Темпе-ратура воды понизится в среднем на 1, воздуха над океаном - всего на несколько градусов. Одна-ко из-за перепадов температур над сушей и океаном вдоль побережий возникнут жестокие урага-ны, которые вызовут дополнительные жертвы и разрушения.

Похолодание на планете приведёт к гибели многих видов животных и растений. У челове-чества будет ну много шансов приспособиться к новой экологической обстановке. Подчеркнём ещё раз, что такая модель была построена для сценариев ограниченной, “контролируемой” ядер-ной войны. Аналогичные результаты были получены позже учёными США и Великобритании. Они использовали другие математические модели и более мощные вычислительные средства.

6. Пакеты прикладных программ.

Остановимся несколько подробнее на этом важном направлении современного програм¬мирования. Чтобы лучше ощутить существующие здесь проблемы и понять пути их решения, об¬ратимся к истории вопроса, благо история эта ещё весьма коротка.

Первые программисты писали “вручную”, в командах. Однако уже тогда, зарождавшийся вычислительный эксперимент характеризовался многомодельностью. Это означало, что в процес¬се расчётов математическая модель, или вычислительный алгоритм, постоянно модифицирова¬лась, видоизменялась. Всё это в первую очередь сказывалось на программе, в которую необходи¬мо было вносить соответствующие изменения. Программист - автор программы, конечно же, не пере-писывал её каждый раз заново, просто в соответствующее место делалась нужная вставка, в про-грамме появлялась очередная “заплата”. Помимо основного задания на программирование, заво-дилась специальная “тетрадь изменений”, куда, чтобы не запутаться, заносились все исправ¬ления и переделки.

Если математическая модель претерпевала заметные изменения ( например, в уравнениях магнитной гидродинамики требовалось учесть не одну, а две компоненты вектора напряжённости магнитного поля или дополнительно учесть излучение ), то также естественно было не создавать новую программу, а “надстраивать” старую, уже хорошо зарекомендовавшую себя в расчётах.

Программа разрасталась, разветвлялась, её возможности повышались. С помощью такого комбайна можно было решать и прежние простые задачи. Чем сложнее становился программный комбайн, чем большими возможностями он обладал, тем обширнее становилась таблица ключе¬вых параметров.

Постепенно программа превращалась в эдакого монстра, нашпигованного ключевыми па¬раметрами. Новые “заплаты” ставились на старые, и в этих дебрях начинал путаться сам автор программы. В конце концов принималось решение переписать программу заново, а это означало, что придётся повторно тратить немалое время и силы на большую трудоёмкую работу.

Одним из средств борьбы с такими непроизводительными потерями являются пакеты при¬кладных программ.

Пакет прикладных программ ( ППП ) состоит из функционального наполнения и систем¬ной части. Функциональное наполнение представляет собой, грубо говоря, набор отдельных про¬грамм, решающих конкретные задачи. Эти задачи объединены одной направленностью, или, как говорят, предметной областью. Дело в том, что ППП не является универсальным, он проблемно-ориентирован, т.е. предназначен для решения определённого класса задач.

Если это задачи механики сплошной среды, то в функциональное наполнение могут вхо¬дить, например, программы для расчёта уравнений газовой динамики, уравнения теплопроводно¬сти, уравнений для электромагнитного поля, уравнений для излучения, фазовых переходов и т.д.

Содержание каждой такой индивидуальной программы, или “модуля”, специфично, однако требования к оформлению входной и выходной информации унифицированы. Эти модули пред¬ставляют собой своеобразные “чёрные ящики”, которые можно соединять в цепочки, ветви, так, чтобы в конце концов получить заданную программу.

Системная часть выполняет функции сервисного характера. Основные задачи здесь состоят в следующем. Прежде всего необходимо организовать хранение функционального наполнения. Но хранить в данном случае не значит ограничиться записью информации на каких-либо носите¬лях. В этом архиве должен быть порядок: по первому требованию указанный модуль должен быть на-правлен “в работу”.

Главное назначение системной части ППП - обеспечивать возможность сборки из отдель¬ных модулей полной программы, способной решать заданную задачу. Для этого вычислитель, соз-дающий программу, должен общаться с пакетом - давать приказы, воспринимать ответную ин-формацию.

Конечно же это очень упрощённая схема работы с пакетом, но она отражает характерные этапы такой деятельности.

Кроме того, для того чтобы пользоваться пакетом и, значит, грамотно вести расчёты, сов¬сем не обязательно самому обладать высокой квалификацией программиста или математика-вы¬числителя ( ведь именно они должны создавать эти пакеты ). Поэтому пакеты программ должны быть такими, чтобы к их помощи могли прибегнуть не только математики, но и специалисты дру¬гих сфер научной деятельности, прошедшие сравнительно небольшой курс математического обу¬чения.

ППП - это активное концентрированное выражение опыта, приобретённого в вычисли¬тельном эксперименте.

7. Заключение.

Вычислительный эксперимент начинается тогда, когда в результате натурного эксперимен¬та получено достаточно данных для построения математической модели исследуемого объекта. Обычно построенная математическая модель оказывается настолько сложной, что требуется соз¬давать не только уникальное программное обеспечение для воспроизведения ее на вычислитель¬ной машине, но и новые численные методы, чтобы найти решение в приемлемые сроки и с необ¬ходимой точностью. Сложность первоначальных моделей обусловлена прежде всего тем, что на ранних этапах исследования нет данных, позволяющих провести ее упрощение. На практике все¬гда исследуется иерархия моделей различной сложности, определяются границы их применимо¬сти и допустимость тех или иных упрощений. Построенная программная реализация математиче¬ской модели используется для изучения законов поведения объектов, испытаний различных ре¬жимов работы, построения управляющих воздействий, поиска оптимальных характеристик. На основа-нии изучения поведения модели либо делается вывод о возможности ее применения для практиче-ских нужд, либо принимается решение о проведении дополнительной серии натурных экспери-ментов и корректировки модели, и тогда весь цикл исследований приходится повторять с начала.

Сложность и своеобразие этого вида научных исследований позволяет ставить вопрос о по-явлении новых наук: вычислительной информатики, вычислительной физики...

8. Список использованной литературы:

1. Н.М. Охлопков, Г.Н. Охлопков. “Введение в специальность “Прикладная Математика””. Часть первая. Якутск 1997.

2. Авт. Пред. - А.А. Самарский. “Компьютеры, модели, вычислительный эксперимент”. Москва “Наука” 1988.

3. Ю. Сениченков. “Три урока по теме “Математическое моделирование и вычислительный экспе-римент” с помощью Model Vision”.

4. Н.А. Пахомова. “Методика формирования понятия “Вычислительный эксперимент””.

5. Под общей редакцией Д.А. Поспелова. “Информатика - энциклопедический словарь для начи-нающих”. Москва 1994.