Компьютеры используют математику, данные и компьютерные алгоритмы для создания представлений о реальных событиях.Они также могут предсказать, что может случиться в различных сложных ситуациях — от климатических систем до распространения слухов по городу.Компьютеры выдают свои результаты, благодаря чему людям не приходится ждать годами или сильно рисковать.
Ученые, создающие компьютерные модели, начинают работу с важных характеристик тех событий, которые они хотят смоделировать.Например, это может быть вес футбольного мяча, которым кто-то ударит ногой.Или это может быть степень облачности, типичная для сезонного климата какого-нибудь региона.Возможности, которые могут изменяться, называются переменными.
Затем разработчики компьютерных моделей определяют правила, которые управляют этими функциями и их отношениями. Эти правила выражаются с помощью математики.
“Математика, встроенная в эти модели, довольно проста. В основном сложение, вычитание, умножение и некоторые логарифмы” — отмечает Джон Лизасо.Он работает в Мадридском техническом университете в Испании.(Логарифмы выражают числа как степени других чисел, чтобы упростить вычисления при работе с очень большими числами.)И все же для человека здесь очень много работы. Пришлось бы решать тысячи уравнений.Решение 1000 самых простых уравнений может занять целый день. И единственная ошибка может испортить весь ваш ответ.
Более сложная математика может увеличить время, необходимое для решения каждого уравнения, в среднем до 10 минут.При таких темпах решение 1000 уравнений может занять почти три недели (если вы потратите немного времени на то, чтобы поесть и поспать).И снова одна ошибка может все испортить.
Напротив, обычные портативные компьютеры могут выполнять миллиарды операций в секунду.И всего за одну секунду суперкомпьютер Titan в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси может выполнить более 20 000 триллионов вычислений.(Сколько составляет 20 000 триллионов? Это количество секунд составляет примерно 634 миллиона лет!)
Компьютерная модель также нуждается в алгоритмах и данных. Алгоритмы — это наборы инструкций. Они говорят компьютеру, как принимать решения и когда делать расчеты.Данные — это факты и статистика о чем-то.
С помощью таких расчетов компьютерная модель может делать прогнозы относительно конкретной ситуации. Например, она может показать или смоделировать результат удара конкретного футболиста.
Компьютерные модели также могут иметь дело с динамическими ситуациями и изменяющимися переменными.Например, какова вероятность дождя в пятницу?Модель погоды будет проводить свои вычисления снова и снова, изменяя каждый фактор один за другим, а затем — в различных комбинациях.После этого она сравнивает результаты всех прогонов.После корректировки вероятности каждого фактора модель выдает свой прогноз.Программа также перезапустит свои расчеты по мере приближения пятницы.
Чтобы измерить надежность модели, ученые могут запросить компьютер выполнить вычисления тысячи или даже миллионы раз.Исследователи также могут сравнить прогнозы модели с уже известными ответами. Если прогнозы полностью совпадают с этими ответами, это хороший знак. Если нет, исследователи должны приложить больше усилий, чтобы выяснить, что они упустили. Возможно, они не включали достаточно переменных или слишком полагались на неправильные.
Компьютерное моделирование — это не одноразовое дело. Ученые всегда учатся на экспериментах и событиях в реальном мире.Исследователи используют эти знания для улучшения компьютерных моделей. Чем лучше компьютерные модели, тем более полезными они могут стать.
