Тема 5 Основы вычислительного эксперимента

[1] с. 223-225.

Контрольные вопросы и задания

1. В чем состоят характерные особенности инженерных задач?

1. Что такое натурный эксперимент?

2. Расскажите о порядке проведения натурного –экспери- мента.

3. Отличие вычислительного эксперимента от натурного?

Основные понятия

Так как данные методические указания написаны для бу­дущих специалистов, интересующихся решением инженерных задач, то охарактеризуем этот класс задач, выделив его харак­терные особенности,

1. Инженерные задачи имеют ярко выраженную практи­ческую направленность. Целью их решения является создание новой конструктивной схемы, разработка нового технологиче­ского процесса, минимизация затрат на производстве т.д. По­этому для таких задач характерна необходимость доведения результатов до конкретных чисел, графиков, таблиц, на основе которых можно принимать решения.

2. Эти задачи характеризуются значительным объемом выполняемой вычислительной работы.

3. Для этих задач характерно использование достачно сложных математических моделей и серьезного математиче­- ского аппарата.

4. Как правило, инженерные задачи решают специалисты, имеющие техническое образование, Но не являющиеся профес­- сионалами в области разработки математических методов и программного обеспечения ЭВМ. Поэтому естественно жела-­ ние этих специалистов использовать готовые вычислительные методы и стандартное математическое программное обеспече­- ние.

Постановка проблемы. Первоначально прикладная задача бывает сформулирована в самом общем виде: исследо­вать некоторое явление; спроектировать устройство, обладаю­щее заданными свойствами; дать прогноз поведения некоторо­го объекта в определенных условиях и т.д. На данном этапе происходит конкретизация постановки задачи, и первостепен­ное внимание при этом уделяется выяснению цели исследования.

2. Выбор или построение математической модели. Для последующего анализа исследуемого явления или объекта необходимо дать его формализованное описание на языке ма­тематики, т.е. построить математическую модель. Рассматриваемый этап - едва ли не самый важный и тканый. Часто удачный выбор математической модели явля­ется решающим шагом к достижению цели. Как правило, полезно иметь несколько упрощенных вариантов принимаемой модели.

Постановка вычислительной задачи. На основе при­ нятой математической модели формулируют вычислительную задачу (или ряд таких задач). Анализируя результаты ее реше­ ния, исследователь предполагает получить ответы на интере­ сующие его вопросы.

Предварительный анализ свойств вычислительной задачи. На этом этапе проводят предварительное (предмашнн- ное) исследование свойств вычислительной задачи. Большое внимание уделяют анализу корректности ее постановки, т.е. выяснению вопросов существования и единственности

решения, а также исследованию устойчивости решения задачи погрешностям входных данных.

Выбор или построение численного метода. Для

решения вычислительной задачи на ЭВМ требуется использова-­ ние численных методов. Часто решение инженерной задачи сводится к последовательному решению стандартных вычис-­ лительных задач, для которых разработаны эффективные чи-­ ленные методы

5. Алгоритмизация и программирование. Как правило, выбранный на предыдущем этапе, численный метод содержит только принципиальную схему решения задачи, не включаю-­ щую многие детали, без которых невозможна реализация ме­ тода на ЭВМ. Составление программы сводится к переводу этого алгоритма на выбранный язык программирования.

6. Отладка программы. На этом этапе с помощью ЭВМ выявляют и исправляют ошибки в программе. Как правило, начинающий пользователь ЭВМ убежден, что ошибок в со­- ставленной им программе нет или они могут быть легко

обна­ружены и исправлены. После устранения ошибок программирования необходимо провести тщательное тестирование программы - проверку правильно­ сти ее на специально отобранных тестовых задачах, имеющих известные решения.

7. Счет по программе. На этом этапе происходит реше­- ние задачи на ЭВМ по составленной программе в автоматиче­- ском режиме. Этот процесс, в ходе которого входные данные

c помощью ЭВМ преобразуются в результат, называют вычис­- лительным процессом