Upload
urmas-aunin
View
114
Download
7
Embed Size (px)
Citation preview
Matemaatiline modelleerimine
19.02.2012 [email protected]
Liivi tn.2 50409 Tartu
Teadusest õpilastele Peep Miidla, Tartu Ülikool
MUDEL JA MODELLEERIMINE
19.02.2012 [email protected]
MUDEL on tunnetatava objekti
analoog, mis tunnetusprotsessis seda objekti asendab.
[J. Lotman. Kultuurisemiootika
http://www.ut.ee/lotman/ee/teosed/kultuurisemiootika/kunstmod.htm]
19.02.2012 [email protected]
TUNNETUS: AISTING TAJU MÕTLEMINE KEEL MÄLU KUJUTLUS TÄHELEPANU ÕPPIMINE
(28. II-1922, Petrograd — 28. X. 1993, Тartu)
19.02.2012 [email protected]
Tegelikkuse teadlikku asendamist mudeliga nimetatakse modelleerimiseks,
Modelleerimise peamine eesmärk – abistada
inimest otsustamisel ja prognoosimisel
aga ka kunstiks /J. Lotman, Ibidem/
19.02.2012 [email protected]
Maja
Kodu
Mägi
Jõgi
Ühiskond
Viiralt
Renessans
Hea
Halb
Ilus
Tubli
Isamaa
Inimlik
Armastus
Elektron
Plasma
Banachi ruum
Ruut
Kaalium
Neuron
Must auk
Oluline mudelite tekitamise vorm on haridus
19.02.2012 [email protected]
Mudelite liike
abstraktne
katse-
testimis-
arvutuslik
arengu
selgitav
kirjeldav
idealiseeritud
skaleeritud
formaalne
käitumis-
heuristiline
karikatuurne
didaktiline
fantaasia-
mängu
asendus
ikooniline
analoog
teoreetiline
teaduslik
matemaatiline…
MATEMAATIKA
19.02.2012 [email protected]
1 x 8 + 1 = 9 12 x 8 + 2 = 98
123 x 8 + 3 = 987 1234 x 8 + 4 = 9876
12345 x 8 + 5 = 98765 123456 x 8 + 6 = 987654
1234567 x 8 + 7 = 9876543 12345678 x 8 + 8 = 98765432
123456789 x 8 + 9 = 987654321
19.02.2012 [email protected]
123456789 x 9 +10= 1111111111 12345678 x 9 + 9 = 111111111
1234567 x 9 + 8 = 11111111 12345 x 9 + 6 = 111111
1234 x 9 + 5 = 11111 123 x 9 + 4 = 1111
12 x 9 + 3 = 111 1 x 9 + 2 = 11
Kas matemaatika ilu seisneb vaid arvutamises?
Matemaatika – teadus lõpmatusest
∞ Hulgateooria
∞ Matemaatiline loogika
∞ Geomeetria
∞ Puhas matemaatika
∞ Rakendusmatemaatika
∞ Tööstusmatemaatika
19.02.2012 [email protected]
19.02.2012 [email protected]
TEADUSLIK TUNNETUS
• Vaadeldakse objekti, käsitletakse selle mudelit
• Eksisteerivad koolkonnad ja kokkulepped
• Eesmärgiks nähtuste ja fenomenide seletamine
• Osisteks hüpoteesid, teooriad, faktid
• Unistuseks Maailma prognoosimine
• Kasutusel teaduslik(ud) meetod(id)
• Väljundiks tunnetatu jagamine, tekstid, artiklid
• Relvastuses eksperiment, instrumentaarium
• Peab seletama kõiki Inimkonna tähelepanekuid
Universumi struktuur
19.02.2012 [email protected]
Inflatsiooniline Universum (?) [Universumi vanus – ca 13 miljardit (1,3 . 1010) aastat] 1026 m – Universum – teoreetiline piir (1,3 . 1010) (3,15 . 107) s (3 . 108 m/s) 10 26 m 1025 m – tehniline piir (teleskoopide vaatlusulatus) 1024 m – Galaktikaparvede vahekaugus 400 miljonit ly 10 8 ly 1023 m – Lokaalne Grupp 1021 m – Galaktika (Linnutee) läbimõõt 10 5 ly
10 – 10 m = 1 Å (ongström) = 0,1 nm – Keemiline aatom 10 – 12 m = 1 pm (pikomeeter) 10 – 15 m = 1 fm (femtomeeter) = 1 fermi – Keemilise aatomi tuum 10 – 17 m – mesonid ja barüonid 10 – 18 m = 1 am (attomeeter) – leptonid ja kvargid 10 – 20 m – tehniline piir (kiirendite tegevusulatus) .............. – stringid ja braanid (?) 10 – 35 m – Plancki pikkus (teoreetiline piir)
Materjal võetud aine „Füüsikaline maailmapilt“ (LOFY.01.002) veebilehelt http://www.physic.ut.ee/instituudid/efti/loengumaterjalid/fmp/ autor Kalev Tarkpea loal
Hulgateooria aksiomaatika Ernst Friedrich Ferdinand Zermelo (27. juuli 1871 – 21. mai 1953) Abraham Halevi (Adolf) Fraenkel (17 veebruar 1891 – 15 oktoober 1965)
19.02.2012 [email protected]
Ekstensionaalsus (hulkade võrdsus): ∀x∀y[∀z(z∈x ≡ z∈y) → x=y] Tühja hulga olemasolu: ∃x¬∃y(y ∈ x) Paaride aksioom: ∀x∀y∃z∀w(w∈z ≡ w=x ∨ w=y) Ühend: ∀x∃y∀z[z∈y ≡ ∃w(w∈x & z∈w)] Astmehulk (alamhulkade hulk): ∀x∃y∀z[z∈y ≡ ∀w(w∈z → w∈x)] või ∀x∃y∀z[z∈y ≡ z⊆x) Lõpmatu hulga aksioom: ∃x[∅∈x & ∀y(y∈x → ∪{y,{y}}∈x)] Regulaarsus: ∀x[x≠∅ → ∃y(y∈x & ∀z(z∈x → ¬(z∈y)))] Asendusaksioom: ∀u1…∀uk[∀x∃!yφ(x,y,û) → ∀w∃v∀r(r∈v ≡ ∃s(s∈w & φx,y,û[s,r,û]))] Eraldamisaksioom: ∀u1…∀uk[∀w∃v∀r(r∈v ≡ r∈w & ψx,û[r,û])] Valikuaksioom ∀x∈A∃y∈B[R(x,y)] ⇒ ∃f[f : A → B & ∀x∈A[R(x, fx)] ]
Matemaatilise loogika kokkulepped
19.02.2012 [email protected]
Oluline kokkulepe:
kas välistatud kolmanda seadust tunnustada või ei
Tertium non datur:
┐┐P ≡ P
Oluline kokkulepe:
milline on lubatavate tõeväärtuste hulk?
Kas {0,1} või [0,1] või veel mingi muu hulk
Aritmeetika kokkulepped:
Kuidas on defineeritud liitmistehe?
Erinevad võimalused: 1 & 1 = 1 , liitmine loogikas
{1, 2} ⋃ {2, 3} = {1, 2, 3} , hulgateoreetiline liitmine
1/2 + 1/3 = 5/6 , kooliaritmeetika
1/2 + 1/3 = 2/5 , pesapalliaritmeetika
Geomeetria kokkulepped
19.02.2012 [email protected]
Paralleelsete sirgete aksioom: Eukleides (325-265 eKr): Läbi punkti, mis ei asu antud sirgel, saab tõmmata ainult ühe sirge, mis on paralleelne selle sirgega Nikolai Lobatševski (1792-1856): Läbi punkti, mis ei asu antud sirgel, saab tõmmata lõpmata palju sirgeid, mis on paralleelsed selle sirgega Bernhard Riemann (1826-1866): Läbi punkti, mis ei asu antud sirgel, ei saa tõmmata ühtegi sirget, mis oleks paralleelne selle sirgega
19.02.2012 [email protected]
Absolutistlikud koolkonnad matemaatikas
• Logitsism; Matemaatika on loogikaharu või vähemalt
taandatav loogikale. Friedrich Ludwig Gottlob Frege (1848 -
1925)
• Formalism; Matemaatika iga osa on aksiomatiseeritav. David
Hilbert (1862 – 1943 )
• Intuitsionism; Matemaatika on konstrueeritav lõplikus
mentaalses protsessis. Luitzen Egbertus Jan Brouwer (1881 -
1966)
• Platonism; Matemaatika tulemused eksisteerivad
transtsendentaalselt ja staatiliselt “kusagil”.
19.02.2012 [email protected]
Postmodernistlik arusaam matemaatikast
Matemaatika on korrigeeritav ja muutuv sotsiaalne,
kultuuriline ja ajalooline produkt
Matemaatika pole eksimatu, kuna on tehtud inimeste
poolt, kes eksimatud ei ole
Nagu kõik teised tõed, pole ka matemaatilised tõed
absoluutsed
Asju õpitakse mitte nende teadmiseks vaid kasutamiseks
Humanism.
Matemaatika baseerub kokkulepetel, on
aksiomaatiline teooria
19.02.2012 [email protected]
Matemaatika on teadusharu, kus mudel ja
objekt langevad kokku
Matemaatika on inimkultuuri geniaalne
saavutus
MATEMAATILINE MUDEL
19.02.2012 [email protected]
19.02.2012 [email protected]
Matemaatilise mudeli erijooned
• KASUTUSEL ON TÄPSED MÕISTED VAADELDAVA SÜSTEEMI VÕI NÄHTUSE KIRJELDAMISEKS
• KÕIK SAAVAD ÜHTMOODI ARU
• MIDA SAAB ÖELDA MATEMAATIKA VAHENDITEGA, SEDA SAAB VÄLJENDADA KA IGAPÄEVAKEELES
Matemaatiline modelleerimine tegelikkuses nõuab koostööd
praktikute ja akadeemiliste ringkondade vahel
See ongi tööstusmatemaatika
(Industrial Mathematics)
19.02.2012 [email protected]
Tööstusmatemaatika organisatsioonid
• SIAM (Society for Industrial and Applied Mathematics, http://www.siam.org ), asutatud 1952.aastal.
• ECMI (European Consortium for Mathematics in Industry, http://www.ecmi-indmath.org/), asutatud 1986. aastal.
• CAIMS (Canadian Applied and Industrial Mathematics Society, http://www.caims.ca/), asutatud 1979. aastal.
• Jaapanis (http://www.jsiam.org/publication/jsiam-english.html).
• European Mathematical Society (http://www.euro-math-soc.eu/)
• Eesti Operatsioonianalüüsi Selts (http://www.ioc.ee/matem/estors/), asutatud 2010. aastal
19.02.2012 [email protected]
Tööstusmatemaatika huvi- ja rakendusvaldkonnad
• tootmine • tehnoloogia • toorainete töötlemine • energeetika • transport ja logistika • ökoloogia • seired (atmosfääri, mere,
maakoore) • juhtimine • finantsmajandus • äri- ja kaubandustegevus • rakendusteadused
19.02.2012 [email protected]
Matemaatilise modelleerimise tulemused on kõikjal meie ümber
Matemaatiline modelleerimine on kõige kiirem, odavam ja efektiivsem vahend innovatiivsete otsustuste testimisel, ökoloogiliselt puhas ning kõikide riikide seadustega kooskõlas
Olulised matemaatiliste mudelite vormid
• Arv, arvud, andmed
• Funktsioon; ühe- ja mitmemuutuja funktsioon
• Võrrand, algebraline võrrand; võrrandite süsteem
• Diferentsiaalvõrrand, harilik ja osatuletistega; süsteem
• Dünaamiline süsteem
19.02.2012 [email protected]
19.02.2012 [email protected]
Matemaatilise mudeli koostisosad
• Muutujad e. otsustusparameetrid e. juhitavad
parameetrid
• Konstandid, ka kalibreeritavad parameetrid
• Sisendparameetrid e. andmed
• Faasimuutujad e. seisundiparameetrid
• Väljundparameetrid
• Müra e. juhuslikud parameetrid
19.02.2012 [email protected]
Matemaatilise modelleerimise käik
• Ülesande identifitseerimine ja formuleerimine
• Ekspertide ja spetsialistide valimine
• Mudeli lõplik väljatöötamine, mudeli edasiarendamine ning täpsustamine
• Mudeli matemaatiline uurimine ning rakendamine
• Numbriliste eksperimentide ja arvutisimulatsioonide läbiviimine
• Matemaatilise modelleerimise tulemuste interpreteerimine
19.02.2012 [email protected]
Matemaatiliste mudelite klassifitseerimine
• Pidev – diskreetne
• Lineaarne – mittelineaarne
• Deterministlik – stohhastiline
• Staatiline - dünaamiline
19.02.2012 [email protected]
Meetodi vägi
Vaatleme tuntud ülesannet: lineaarset võrrandisüsteemi:
a1,1x1 + a1,2x2 + … + a1,nxn = b1 a2,1x1 + a2,2x2 + … + a2,nxn = b2
… an,1x1 + an,2x2 + … + an,nxn = bn
Crameri meetod: tehete arv suurusjärgus n! = n∙(n-1)∙(n-2)∙…∙2∙1 Juba juhul n = 25 pole jõukohane ühelegi kaasaegsele arvutile
Gaussi meetod: Tehete arv suurusjärgus n3
Majanduses, meteoroloogias,… lahendatakse süsteeme, kus n = 100 000, …,1 000 000,…
NÄIDE
19.02.2012 [email protected]
GPS - tomograafia
19.02.2012 [email protected]
jji
v
i
i fsx
,
1
-2
-1
0
1
2
x 107
-2
-1
0
1
2
x 107
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
x 107
Võrrandisüsteem veeauru määramiseks
Satelliidid ja Maa
Vastuvõtjad Eestis
Tomograafia skemaatiliselt
Ilmaennustuse mudel (ECMWF - mudel) European Centre for Medium-Range Weather Forecasts
Ida-lääne tuul
Põhja-lõuna tuul
Temperatuur
Niiskus
Massipidevus
Rõhk
19.02.2012 [email protected]
Pinnakareduse modelleerimine
Fraktaalsed
pinnad:
Vasakpoolne
tegelikkus
asendatakse
paremal oleva
mudeliga
Aine pinnale elektronide kogunemise mudel laengu-kontsentratsiooni teljestikus
Reflektiivekraanid: e-paber, painduvad ekraanid,
värvust muutvad pinnakatted
19.02.2012 [email protected]
,0)sin(max
2
2
J
M
dt
d
J
B
dt
d E
φ - kera pöörlemisnurk
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
1
2
3
4
5
Time (seconds)
Rota
tion
an
gle
Rotation angle
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-500
0
500
1000
Time (seconds)
Rota
tion
velo
city
Rotation velocity
19.02.2012 [email protected]
Kui ette hinnatud tehete arv on sellises suurusjärgus: n!
Siis tuleb kasutada näiteks sipelgaalgoritmi, mille kirjeldas esmakordselt Marco Dorigo 1992. aastal
Teisi metaheuristilisi meetodeid: Geneetilised algoritmid Tehisnärvivõrgud Evolutsioonialgoritmid Simuleeritud lõõmutus Tabuotsing Mesilasalgoritm
Heuristilised optimiseerimisalgoritmid
19.02.2012 [email protected]
Pesa Toit
2. tee, 2∙s
1. tee, s
Teede valimise algsed tõenäosused:
p1 = p2 = 0,5 Eeldused: Sipelgate kiirus ühesugune ja konstantne; Iga sipelgas jätab teele feromooni; Need feromoonikogused on ühesugused ja konstantsed; Tee valiku tõenäosus sõltub feromooni kogusest sellel; Ajaühikus aurustub konstantne osa feromoonist.
Järeldused: Ajaühikus läbib 1. teed kaks korda rohkem sipelgaid kui teist; Feromoonikogus 1. teel hakkab järjest kasvama; Tõenäosus p1, et valitakse 1. tee suureneb üha; Aja jooksul hüljatakse 2. tee.
19.02.2012 [email protected]
Toodud eeldused ja järeldused on aluseks optimiseerimismeetodile, mida nimetatakse sipelgaalgoritmiks
Köningsbergi sillad (Leonhard Euler 1735)
Algoritm realiseeritakse nn. konstruktsioonigraafil, mis sõltub ülesandest
Iteratsioonisammu lõppedes kontrollitakse, kas mõne sipelga poolt leitud tee on lühem kui senine parim tulemus. Kui jah, lisatakse uue lühima tee servadele feromooni, kui ei, tehakse uus iteratsioonisamm
Algoritmi iteratsioonisamm seisneb selles, et pannakse tegutsema m sipelgat, igaüks neist konstrueerib tee graafis, mis läbib kõiki tippe täpselt ühe korra
19.02.2012 [email protected]
Vastused nendele on komplitseeritud ja tuleb lahendada vastavalt vaadeldavale ülesandele
Olulised küsimused metaheuristiliste algoritmide realiseerimisel:
Kuidas vältida sattumist lokaalsele
ekstreemumile?
Millal algoritmi rakendamine lõpetada?
19.02.2012 [email protected]
Tööstusmatemaatika oleks heaks näiteks kogu inimkonna vabavaraks olevate matemaatiliste meetodite rakendamisest Ülikooli ja Ettevõtete koostöös.
Matemaatika ja infotehnoloogia vahendid täiustuvad pidevalt. Järjest lisandub uusi rakendusi. Ja kuigi on teada, et kõiki asju matemaatilisse mudelisse panna ei õnnestu, tuleb selle poole siiski kogu aeg püüelda.
19.02.2012 [email protected]
Tartu Ülikoolis näeme