С. Л. Гольдштейн А. В. Кибардин информатика для физиков часть Введение Учебное пособие

5.3 Математическое моделирование и компьютерный эксперимент

Понятие математической модели

Математическими называют модели, обеспечивающие переход к оригиналу, фиксацию и исследование его свойств и отношений с помощью математических методов.

Математическое моделирование – это замещение оригинала математической моделью, обеспечивающей фиксацию и исследование свойств и отношений оригинала, а также переход к оригиналу с помощью математических методов. Особое значение среди математических моделей имеют подобные модели, обеспечивающие перенос данных на основании подобия.
Сходство объектов по их математическому описанию, т.е. математическая аналогия, при определенных условиях превращается в математическое подобие или просто подобие. Подобие – это полная математическая аналогия при наличии пропорциональности между сходственными переменными, неизменно сохраняющаяся при всех возможных значениях этих переменных, удовлетворяющих сходственным уравнениям.
Математическое описание конкретного объекта может иметь разнообразную форму. В простейшем случае – это явная функция, выражающая переменную через ее аргументы:
y=f(x₁, x₂, x₃, … x_n) (y=f(x_i), i=1, 2, … n).
В более сложном случае это конечное уравнение вида
F(y, x_i) = 0, i = 1, 2, … n,
выражающее зависимость y=f(x_i) в неявной форме.
В еще более сложном случае - это обыкновенное дифференциальное уравнение
F(y, y, ...y⁽ⁿ⁾, x_i, x_I, … x_i^(m), t)=0,
связывающее независимую переменную t, известные функции x_i=x_i(t), неизвестную функцию y=y(t) и производные функций x_i и y.
Наконец, математическим описанием может быть дифференциальное уравнение в частных производных.
Два объекта называются подобными, если:

1. 
   они имеют сходственное математическое описание:
   

F(y₁, x_1i, t_1k)=0, (5.1)

F(y₂, x_2i, t_2k)=0, (5.2)

где y₁, y₂ – неизвестные функции; x_1i , x_2i – заданные функции независимых переменных t_1k и t_2k;

2. 
   сходственные переменные, содержащиеся в математических описаниях, связаны постоянными коэффициентами пропорциональности, которые называют масштабами или константами подобия:
   

m_y =y₁/ y₂, m_xi=x_1i/ x_2i, m_t=t_1k/ t_2k. (5.3)

При условии (5.3) сходственные уравнения (5.1) – (5.2) и функции, описывающие математические аналоги, а также содержащиеся в них сходственные переменные называют подобными. Подобные функции могут быть изображены в пространстве подобных переменных одной и той же кривой или поверхностью.

Пример
Сходственные функции y₁=x₁² и y₂=8x₂² подобны, если m_y=y₁/ y₂ =2, m_x=x₁/ x₂ =4.
Для того чтобы убедиться, что данные функции изображаются одной кривой, постройте функции на одном графике, учитывая масштабные коэффициенты.
Особыми частными случаями подобия являются геометрическое, физическое и временное подобие. Геометрическое подобие – это подобие геометрических образов (точек, линий, поверхностей, фигур, тел). Физическое подобие – это подобие физически однородных объектов. Временное подобие – это подобие функций времени.
В теории и практике подобие имеет большее значение, чем аналогия. При аналогии двух объектов распространение свойств одного на другой носит характер предположения и нуждается в проверке. При подобии двух объектов знание поведения одного из них означает знание поведения другого.

Пример

В строительстве типичной задачей является расчет напряжений, возникающих в балке с заданными сечением и размерами под действием крутящей нагрузки. Простой, но эффективной физической моделью для решения данной задачи является следующая модель: берется труба того же сечения, что и балка, и затягивается с торца резиновой пленкой (мембраной). По трубе подается воздух под определенным давлением. Прогиб мембраны измеряется, и с помощью формул подобия результат пересчитывается в величину напряжений в деформированной балке. Возможность такого переноса результатов заключается в математическом подобии уравнений, описывающих напряжения в изогнутой балке и прогиб мембраны под избыточным давлением.
Осталось сделать еще один шаг – заменить физическое моделирование исследованиями математической модели.
Математические модели и математические методы используются физикой с самого начала ее возникновения. Со времени Галилея описание физического явления или процесса считается достоверным, если оно выражено с помощью числовых величин.