Математические модели в естественнонаучном образовании

Поскольку компьютерные эксперименты с моделями бывают достаточно информативными, текст насыщен сериями программ. Простой интерфейс MATLAB, его широкая доступность как в профессиональной, так и в студенческой версиях, поддержка числовых и символьных вычислений, позволяет минимизировать усилия, затрачиваемые на решение типовых задач математического моделирования. Хотя компьютер и является инструментом, которым студенты должны уметь пользоваться, его использование ни в коем случае не является панацеей.

В дополнение к многочисленным упражнениям в монографии представлены различные проектные работы. Предлагается тема исследования и некоторые способы ее изучения, но все они, по крайней мере на данный момент, являются частично открытыми математическими проблемами. Кроме того, что это позволяет студентам работать на разных уровнях сложности, это прививает навыки реальной математической и научной работы.

По всему тексту разбросаны контрольные вопросы, помеченные знаком «?». Они предназначены для дополнительного стимулирования сознания и предотвращения пассивного чтения. Ответы окажутся вполне очевидными после небольшого самостоятельного размышления, либо соответствующий вопрос будет обсуждаться в тексте позднее. Если находите такие вопросы раздражающими, пожалуйста, не стесняйтесь игнорировать их.

В тексте больше фактического материала, чем можно было бы охватить за полноценный семестр, предлагая преподавателям множество вариантов изучения тем. Например, темы глав 1, 2, 3 и 7, пожалуй, являются наиболее привычными для академического курса математического моделирования и уравнения математической физики, охватывающие классические модели, как линейные, так и нелинейные. Главы 4 и 5 предлагают студентам введение в новые темы эволюционного моделирования и построения дерева решений, которые являются перспективными и полезными при построениях различных классификаторов. Глава 6, посвященная генетическим алгоритмам, дает представление о другой области, в которой математика и биология оказались тесно переплетены, вдохновляясь идеями друг от друга. Глава 8 и Приложение содержат краткое введение в основные инструменты подгонки кривых и статистики.

В главе 1 вводится понятия динамического моделирования с помощью разностных уравнений от одной переменной, включая ключевые понятия равновесия, линеаризации и стабильности. В главе 2 эксплуатируем матричную алгебру, вычисление собственных чисел и векторов, с помощью линейных моделей от двух переменных. Эти главы являются основой для изложения всего последующего материала.

Экскурс в теорию вероятностей появляется в двух разделах главы 4, чтобы смоделировать эволюционное развитие математического образования, а затем расширяется в главе 6 на применение генетических алгоритмов. Глава 5, которая имеет алгоритмический привкус, отличный от остальной части текста, частично зависит от формул расстояния, полученных в главе 4. Трактовка моделей в главе 8, естественным образом зависит от введённой в главе 3 модели взаимодействующих факторов.

Разработка этой монографии началась давно, в течение нескольких лет появлялись краткие версии нескольких глав. После многих дополнительных пересмотров конспекты курса достигли критической массы, и публикация их для использования другими преподавателями оказалась лишь вопросом времени.

Многие студенты помогали, как в качестве критиков, так и в качестве экспериментаторов, пытаясь решать предлагаемые задачи, вычитывая текст, задавая много вопросов. Несмотря на все старания, некоторые ошибки наверняка просочились, пожалуйста, сообщите автору обо всем, что сочтёте неверным.

Многие из упражнений и проектов относятся к компьютерному математическому пакету MATLAB. Изучение базовых команд этого пакета для использования его в качестве мощного калькулятора является простым и полезным делом. Когда потребуются более сложные команды для решения упражнений, примеры обычно будут приводиться в постановках задач. Таким образом модели будут постепенно усложняется с применением специализированного программного обеспечения.

MATLAB по сути является полноценным языком программирования с отличными графическими возможностями. Мы воспользовались этими функциями, чтобы предоставить несколько программ, упрощая изучение математических моделей для начинающих. В упражнениях и проектах используются некоторые программы и файлы данных, приводимые ниже.

Готовые тексты программ приводятся в целях минимизации необходимого багажа знаний синтаксиса MATLAB. Чтобы запустить большинство программ ниже, просто скопируйте их из электронного варианта книги или введите в окне редактора скриптов MATLAB.