Кіріспе

Математикалық модель – математикалық ұғымдар мен тілді қолдана отырып, нақты жүйенің абстрактілі сипаттамасы. Математикалық модельді жасау процесі математикалық модельдеу деп аталады. Математикалық модельдер қолданбалы математикада және табиғаттану ғылымдарында (физика, биология, жертану, химия сияқты) және инженерлік салаларда (компьютерлік ғылым, электротехника сияқты), сондай-ақ физикалық емес жүйелерде, мысалы, әлеуметтік ғылымдарда (экономика, психология, социология, саясаттану сияқты) қолданылады. Оны жеке пән ретінде де оқытуға болады. Операциялық зерттеулер саласында математикалық модельдерді пайдалану бизнесте немесе әскери операциялардағы мәселелерді шешуде маңызды рөл атқарады. Математикалық модельдер музыкада, тіл білімінде және философияда (мысалы, талдау философиясында) да қолданылады. Модель жүйені түсіндіруге, түрлі компоненттердің әсерін зерттеуге және мінез-құлықты болжауға көмектеседі.

Құрылыс

Бизнес пен инженерлік салада математикалық модельдер белгілі бір нәтижені барынша арттыру үшін қолданылуы мүмкін. Қарастырылып отырған жүйеге белгілі бір деректер қажет болады. Деректерді нәтижеге байланыстыратын жүйе басқа да айнымалыларға да тәуелді: шешім қабылдау айнымалылары, күй айнымалылары, сыртқы айнымалылар және кездейсоқ айнымалылар. Шешім қабылдау айнымалылары кейде тәуелсіз айнымалылар деп аталады. Сыртқы айнымалылар кейде параметрлер немесе тұрақты шамалар деп аталады. Айнымалылар бір-бірінен тәуелсіз емес, себебі күй айнымалылары шешім қабылдау, деректер, кездейсоқ және сыртқы айнымалыларға тәуелді. Сонымен қатар, нәтиже айнымалылары жүйенің күйіне тәуелді (күй айнымалылары арқылы бейнеленеді). Жүйенің және оның қолданушыларының мақсаттары мен шектеулері нәтиже айнымалыларының немесе күй айнымалыларының функциялары ретінде көрсетілуі мүмкін. Мақсаттық функциялар модельді қолданушының көзқарасына байланысты болады. Контекстке қарай, мақсаттық функция өнімділік көрсеткіші деп те аталады, себебі ол қолданушы үшін қызығушылық тудыратын белгілі бір өлшем болып табылады. Модельде мақсаттық функциялар мен шектеулердің санына шектеу жоқ болғанымен, модельді қолдану немесе оңтайландыру оның саны артқан сайын (есептеу жағынан) күрделене түседі. Мысалы, экономистер кіріс-шығыс модельдерін қолданғанда жиі сызықтық алгебраны пайдаланады. Көптеген айнымалылары бар күрделі математикалық модельдерді векторлар арқылы біріктіруге болады, онда бір символ бірнеше айнымалыны көрсетеді.

Алдын ала ақпарат

Математикалық модельдеу мәселелері жүйе туралы алдын ала қанша ақпарат бар екеніне қарай, «қара қорап» немесе «ақ қорап» модельдеріне жіктеледі. «Қара қорап» моделі – бұл алдын ала ақпарат жоқ жүйе. «Ақ қорап» моделі (кейде «шыны қорап» немесе «ашық қорап» деп те аталады) – барлық қажетті ақпарат бар жүйе. Көптеген жүйелер «қара қорап» және «ақ қорап» модельдері арасында орналасқан, сондықтан бұл ұғым тек қай тәсілді таңдау керектігін шешуге көмектесетін интуитивті нұсқау ретінде ғана пайдалы. Әдетте, модельді дәлірек ету үшін мүмкіндігінше көп алдын ала ақпаратты пайдалану дұрыс. Сондықтан «ақ қорап» модельдерін жасау әдетте оңайырақ, себебі егер ақпаратты дұрыс қолдансаңыз, модель дұрыс жұмыс істейді. Алдын ала ақпарат көбінесе әртүрлі айнымалылар арасындағы байланыстың қандай функциялар түрінде екенін білу арқылы келеді. Мысалы, егер дәрінің адам организмінде қалай әрекет ететінін модельдесек, қандағы дәрінің мөлшері экспоненциалды түрде кемитін функция екенін білеміз, бірақ бізде әлі де белгісіз параметрлер бар: дәрінің мөлшері қаншалықты жылдам кемиді және қандағы дәрінің бастапқы мөлшері қандай? Осы мысал толыққанды «ақ қорап» моделі емес. Модельді қолдану алдында осы параметрлерді бір жолмен бағалау қажет. «Қара қорап» модельдерінде айнымалылар арасындағы байланыстың функционалдық түрін де, осы функциялардың сандық параметрлерін де бағалауға тырысады. Алдын ала ақпаратты пайдаланып, жүйені жеткілікті түрде сипаттай алатын функциялар жиынтығын алуға болады. Егер алдын ала ақпарат болмаса, барлық мүмкін модельдерді қамтитын, мүмкіндігінше жалпы функцияларды қолдануға тырысамыз. «Қара қорап» модельдерінде жиі қолданылатын тәсіл – кіріс деректері туралы ешқандай болжам жасай бермейтін нейрондық желілер. Сонымен қатар, сызықтық емес жүйелерді зерттеудің бір бөлігі ретінде әзірленген NARMAX (сыртқы факторлары бар сызықтық емес авторегрессиялық жылжымалы орташа модель) алгоритмдерін модельдің шарттарын таңдау, модельдің құрылымын анықтау және сызықтық емес және үйлесімді шудың болуы кезінде белгісіз параметрлерді бағалау үшін пайдалануға болады. NARMAX модельдерінің нейрондық желілерге қарағандағы артықшылығы – NARMAX негізгі процеске сәйкес келетін және оған байланысты модельдерді құрайды, ал нейрондық желілер түсініксіз шамалауды ғана береді.

Субъективті ақпарат

Кейде математикалық модельге субъективті ақпаратты қосу пайдалы. Бұл интуицияға, тәжірибеге немесе сарапшы пікіріне, немесе математикалық форманың қолайлы болуына байланысты болуы мүмкін. Байес статистикасы мұндай субъективтілікті қатаң талдауға енгізу үшін теориялық база ұсынады: біз алдын ала ықтималдық таралымын (бұл субъективті болуы мүмкін) белгілейміз, содан кейін бұл таралымды эмпирикалық деректер негізінде жаңартамыз. Мұндай тәсілдің қажеттілігі туындайтын мысал – тәжірибеші монетаны сәл бүкіп, бір рет лақтырып, нәтижесін (сыртын шығарды ма, жоқ па) тіркеп, содан кейін келесі лақтырудың сыртын шығару ықтималдығын болжау тапсырмасы алғанда. Монетаны бүккеннен кейін монетаның сыртын шығарудың нақты ықтималдығы белгісіз; сондықтан тәжірибешіге (мысалы, монетаның пішініне қарап) қандай алдын ала таралымды қолдану керектігі туралы шешім қабылдау қажет болады. Мұндай субъективті ақпаратты қосу ықтималдықты дәл бағалау үшін маңызды болуы мүмкін.

Күрделілігі

Жалпы, модельдің күрделілігі модельдің қарапайымдылығы мен дәлдігі арасындағы қарым-қатынасты білдіреді. Окамның бритвасы – модельдеуде маңызды принцип, оның негізгі идеясы – шамамен бірдей болжамдық күшке ие модельдердің арасында ең қарапайымы бағалырақ болып табылады. Күрделілікті арттыру әдетте модельдің шынайылығын жақсартады, бірақ оны түсіну және талдау қиынға түседі, сондай-ақ сандық тұрақсыздық сияқты есептеу мәселелерін тудыруы мүмкін. Томас Кун ғылым дамыған сайын, түсіндірмелер парадигмалық өзгеріс радикалды жеңілдетуді ұсынғанға дейін күрделене түсетінін айтады. Мысалы, ұшақтың ұшуын модельдеу кезінде, ұшақтың әрбір механикалық бөлігін модельге енгізуге болады, осылайша жүйенің дерлік «ақ қорап» моделін алуға болады. Дегенмен, мұндай үлкен мөлшердегі егжей-тегжейлі мәліметтерді қосудың есептеулік құны осындай модельді пайдалануға кедергі келтіреді. Сонымен қатар, жүйе тым күрделі болғандықтан белгісіздік артады, өйткені әрбір бөлік модельге белгілі бір дәрежеде ауытқушылық енгізеді. Сондықтан модельді ақылға қонымды өлшемге дейін азайту үшін кейбір жуықтаулар жасау әдетте дұрыс. Инженерлер көбінесе берік және қарапайым модель алу үшін кейбір жуықтауларды қабылдауға дайын. Мысалы, Ньютонның классикалық механикасы – нақты әлемнің жуықталған моделі. Дегенмен, Ньютонның моделі көптеген күнделікті жағдайлар үшін жеткілікті, яғни, бөлшектердің жылдамдығы жарық жылдамдығынан әлдеқайда төмен болғанда және біз тек макро бөлшектерді зерттейтін болсақ. Есте сақтаңыз, жақсы дәлдік әрқашан жақсы модельді білдірмейді. Статистикалық модельдер шамадан тыс үйлесімділікке бейім, яғни модель деректерге тым көп сәйкес келеді және бұрын байқалмаған жаңа оқиғаларға жалпылау қабілетін жоғалтады.

Оқыту, баптау және орнату

Таза ақ қорап емес кез келген модельде, оны сипаттауға арналған жүйеге бейімдеуге қолданылатын белгілі бір параметрлер болады. Егер модельдеуді жасанды нейрондық желі немесе басқа машиналық оқыту арқылы жүргізсе, параметрлерді оңтайландыруды «оқыту» дейміз, ал модельдің гиперпараметрлерін оңтайландыруды «реттеу» дейміз, және көлденең тексеруді жиі қолданады. Әдеттегі модельдеуде, нақты берілген математикалық функциялар арқылы параметрлер көбінесе қисыққа сәйкестік арқылы анықталады.

Бағалау және бағалау

Модельдеу процесінің маңызды бөлігі – берілген математикалық модельдің жүйені қаншалықты дәл бейнелейтінін бағалау болып табылады. Бұл сұраққа жауап беру қиын, себебі ол әртүрлі бағалау түрлерін қамтиды.

Эмпирикалық деректерді болжау

Көбінесе модельді бағалаудың ең оңай бөлігі – модельдің эксперименттік өлшемдерді немесе модельді жасау кезінде қолданылмаған басқа да эмпирикалық деректерді дұрыс болжайтынын тексеру болып табылады. Параметрлері бар модельдер үшін, ең көп қолданылатын тәсіл – деректерді екі бөлек жиынға бөлу: оқу деректері және растау деректері. Оқу деректері модельдің параметрлерін анықтау үшін пайдаланылады. Дәл модель растау деректерімен тығыз сәйкес келеді, тіпті егер бұл деректер модельдің параметрлерін орнату үшін қолданылмаса да. Бұл әдіс статистикада кросс-валидация деп аталады. Көрсетілген және болжанған деректер арасындағы қашықтықты өлшейтін өлшемді анықтау – модельдің дұрыстығын бағалау үшін пайдалы құрал. Статистикада, шешім қабылдау теориясында және кейбір экономикалық модельдерде шығын функциясы осыған ұқсас рөл атқарады. Параметрлердің дұрыстығын тексеру оңай болғанымен, модельдің жалпы математикалық түрінің жарамдылығын тексеру қиын болуы мүмкін. Әдетте, дифференциалдық теңдеулерді қолданатын модельдерге қарағанда, статистикалық модельдердің дұрыстығын тексеру үшін көбірек математикалық құралдар әзірленген. Кейде, параметрлік емес статистиканың құралдарын белгілі бір таралымға деректердің қаншалықты сәйкес келетінін бағалау үшін немесе модельдің математикалық түрі туралы ең аз болжамдар жасайтын жалпы модельді құру үшін қолдануға болады.

Үлгінің қолданылу аясы

Модельдің қолданылу аясын бағалау, яғни модельдің қандай жағдайларға қолданылатынын анықтау, оңай болмауы мүмкін. Егер модель деректер жиынтығына негізделген болса, белгілі деректер қай жүйелер немесе жағдайлар үшін "типі" жиынтық екенін анықтау қажет. Модельдің дерек нүктелері арасындағы жүйе қасиеттерін қаншалықты жақсы сипаттайтыны интерполяция деп аталады, ал байқалған деректерден тыс оқиғалар немесе дерек нүктелері үшін осы сұрақ экстраполяция деп аталады. Модельдің қолданылу аясының типтік шектеулеріне мысал ретінде Ньютонның классикалық механикасын қарастырғанда, Ньютонның озық құралдарсыз өлшемдер жасағанын, сондықтан жарық жылдамдығына жуық жылдамдықпен қозғалатын бөлшектердің қасиеттерін өлшемегенін атап айтуға болады. Сондай-ақ, ол молекулалар және басқа да кішкентай бөлшектердің қозғалысын емес, тек макро бөлшектердің қозғалысын ғана өлшеген. Оның моделі күнделікті өмірдегі физика үшін жеткілікті болғанымен, осы салаларға жақсы экстраполяцияланбауы таңқаларлық емес.

Философиялық ойлар

Модельдеудің көптеген түрлері себеп-салдарлық байланыс туралы тұжырымдарды ашық немесе жасырын түрде қамтиды. Бұл, әдетте (бірақ әрқашан емес), дифференциалдық теңдеулерді қолданатын модельдерге қатысты. Модельдеудің мақсаты әлемді түсінуді арттыру болғандықтан, модельдің дұрыстығы оның эмпирикалық байқауларға сай келуімен ғана шектелмейді, сонымен қатар модельде бастапқыда сипатталғаннан тыс жағдайларға немесе деректерге экстраполяциялау мүмкіндігіне де байланысты. Мұны сапалық және сандық болжамдар арасындағы айырмашылық ретінде қарастыруға болады. Сондай-ақ, егер модель зерттелген құбылыстың тікелей зерттеуінен алынғаннан артық жаңа түсінік бермесе, онда ол құндысыз деп есептелуі мүмкін. Мұндай сынның мысалы – оптималды жем іздеу теориясының математикалық модельдері эволюцияның және экологияның негізгі принциптерінен асып түспейді деген пікір. Сондай-ақ, математикалық модельдеу математикалық ұғымдар мен тілді пайдаланғанымен, ол математиканың жеке саласы емес және міндетті түрде математикалық логикаға бағынбайды, бірақ көбінесе ғылымның немесе техникалық пәннің бір саласы болып табылады, оған сәйкес ұғымдар мен дәлелдеу стандарттары тән. Көлік құралының бастапқы орны, бағыты және жылдамдығын, арақашықтықтың уақыт пен жылдамдықтың көбейтіндісі ретінде есептеу арқылы болжау – тағы бір қарапайым мысал. Бұл, формалды түрде қолданылғанда, инерциялық есептеу деп аталады. Математикалық модельдеу міндетті түрде формалды математиканы қажет етпейді; жануарлардың инерциялық есептеуді қолданатыны көрсетілген. Халық санының өсуі. Халық санының өсуінің қарапайым (бірақ жуық) моделі – Мальтустың өсу моделі. Халық санының өсуінің біршама нақты және кеңінен қолданылатын моделі – логистикалық функция және оның кеңейтімдері. Потенциалдық өрістегі бөлшектің моделі. Бұл модельде бөлшек – кеңістікте траекторияны сипаттайтын, массалық нүкте ретінде қарастырылады, ол уақыт функциясы ретінде кеңістіктегі координаттарын беретін функциямен сипатталады. Потенциалдық өріс функциямен берілген, ал траектория, яғни функция, дифференциалдық теңдеудің шешімі болып табылады: оны былай да жазуға болады: Бұл модель бөлшектің нүктелік масса екенін қабылдайды, бұл модельді қолданатын көптеген жағдайларда дұрыс емес екені белгілі; мысалы, планеталық қозғалыс моделі ретінде. Тұтынушының рационалды мінез-құлқының моделі. Бұл модельде тұтынушы нарықтық бағасы бар тауарлардың таңдауына тап болады деп есептеледі. Тұтынушының ординалдық пайдалылық функциясы бар деп есептеледі (ординалдық, себебі екі пайдалылық арасындағы айырмашылықтың белгісі ғана маңызды, олардың абсолюттік деңгейі емес), тұтылатын тауарлардың мөлшеріне байланысты. Модельде тұтынушының белгілі бір бюджеті бар деп есептеледі, ол тауарлардың векторларын сатып алу үшін қолданылады, осылайша пайдалылықты барынша арттыруға жету үшін. Осы модельдегі рационалды мінез-құлық мәселесі математикалық оптимизация мәселесіне айналады, яғни: мынаған сәйкес: Бұл модель экономикалық тепе-теңдіктің болуын және Парето тиімділігін көрсету үшін жалпы тепе-теңдік теориясы сияқты әртүрлі экономикалық контекстерде қолданылған. Көршілік сезім моделі – бұл бастапқыда хаотикалық саңырауқұлақ желісінен саңырауқұлақтардың қалыптасуын түсіндіретін модель. Компьютерлік ғылымда математикалық модельдер компьютерлік желілерді модельдеу үшін қолданылуы мүмкін. Механикада математикалық модельдер ракета моделінің қозғалысын талдау үшін пайдаланылуы мүмкін.

Арнайы қолдану

Пападимитрио, Файвос. (2010). Кеңістіктік экологиялық кешенді жүйелердің математикалық модельдеуі: бағалау. География, Қоршаған орта, Тұрақтылық 1(3), 67-80. Эмилия Винники және Ричард Г. Уайттың "Жұқпалы ауруларды модельдеуге кіріспе" еңбегі.