Вычислительный эксперимент

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ, эксперимент (испытание, опыт, тест), проводимый не над исходным реальным объектом, а над математической (информационной, имитационной) моделью объекта с помощью вычислительных и логических процедур, осуществляемых соответствующими программными средствами на вычислительных системах (компьютерах). Близкими к вычислительному эксперименту понятиями являются численный, математический, имитационный и симуляционный эксперименты на компьютерах.

Вычислительный  эксперимент служит основным инструментом моделирования математического, соединяющим в себе сильные стороны традиционных теоретических и экспериментальных методов и позволяющим на основе имеющихся моделей и программных средств проводить направленные исследования крупных научных, технических, экологических и социально-экономических задач. Работа не с самим объектом (явлением, процессом), а с его моделью позволяет относительно быстро, безопасно и без существенных затрат исследовать его свойства и поведение в любых ситуациях. В то же время вычислительный эксперимент над адекватными моделями позволяет подробно и глубоко изучать объекты в достаточной полноте, недоступной чисто теоретическим подходам. Например, вычислительные эксперименты с моделями летательных аппаратов существенно сокращают число и сроки реальных экспериментов над ними в аэродинамических трубах, дают полную количественную картину их обтекания воздушным потоком при любых скоростях и углах атаки, позволяют выбирать конструкции с нужными свойствами; из вычислительных экспериментов, использующих модели распространения загрязнений окружающей среды, определяются экологически допустимые способы размещения и режимы функционирования промышленных предприятий; вычислительные эксперименты с моделями экономических систем являются одним из основных методов прогнозирования динамики социально-экономических показателей.

При проведении крупномасштабных вычислительных экспериментов различают две фазы: отладку, настройку, калибровку моделей и программ; компьютерные эксперименты с моделями как с самостоятельными объектами, заменяющими исходные.

Осуществление полномасштабных вычислительных экспериментов невозможно без опоры на теоретические методы исследования математических (в основном нелинейных) моделей, на современные достижения вычислительной математики, системного и прикладного программирования и информатики.

Элементы вычислительных экспериментов использовались уже в Древнем мире при решении строительных и гидротехнических задач. В связи с успехами математики, механики, астрономии и появлением элементарных вычислительных средств (таблицы логарифмов, первые вычислительные устройства) сфера применения вычислительных экспериментов расширилась. Примером вычислительного эксперимента может служить открытие планеты Нептун в результате вычислений (У. Леверье, 1846). В 1-й половине 20 века вычислительные эксперименты использовались при проектировании некоторых строительных и авиационных конструкций.

Появление первых ЭВМ в конце 1940-х - начале 1950-х годов привело к бурному развитию вычислительных экспериментов в СССР и США в целях реализации ракетно-ядерных программ. В 1960-70-х годах сфера применения вычислительных экспериментов расширялась, охватывая не только фундаментальные науки и специальные приложения, но и области, связанные с производством продукции гражданского назначения (автомобилестроение, бытовая техника, создание и производство лекарств и др.). В этот период произошло выделение круга вопросов, связанных с вычислительными экспериментами, в самостоятельное научное направление, в СССР впервые зарегистрировано открытие, сделанное на основе вычислительных экспериментов - «эффект Т-слоя» (Государственный реестр открытий СССР, 27.2.1968 г., № 55); возникли новые научные дисциплины - вычислительная физика, вычислительная биология и др. В 1980-90-х годах, в связи с появлением персональных компьютеров и дальнейшим усовершенствованием моделей и программных средств, вычислительные эксперименты стали доступными широкому кругу учёных, инженеров, конструкторов, а также специалистов, обеспечивающих создание и функционирование систем поддержки принятия решений, в том числе в гуманитарной сфере. Возникла развитая инфраструктура поддержки вычислительных экспериментов; так, оборот рынка программных продуктов для вычислительных экспериментов, включающих средства распараллеливания вычислительных процедур на высокопроизводительных компьютерах, оценивался в десятки миллиардов долларов США в год (2000-02).

Лит.: Самарский А. А. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент // Вестник Академии Наук СССР. 1979. № 5; Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. М., 1981; Краснощеков П. С., Петров А. А. Принципы построения моделей. М., 1983; Дородницын А. А. Информатика: предмет и задачи // Кибернетика. Становление информатики. М., 1986; Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. Идеи, методы, примеры. 2-е изд. М., 2001; Четверушкин Б. Н. Высокопроизводительные многопроцессорные вычислительные системы // Вестник РАН. 2002. Т. 72. № 9.