Средства вычислительной техники широко применяются во всех областях науки. Их правильное применение существенно влияет на эффективность исследования, заметно изменяет организационные формы научной работы.
ЭВМ делятся на две большие группы: аналоговые и цифровые. Аналоговые машины широко применяют в исследованиях. Достоинство: быстрота, наглядность, удобно исследовать влияние факторов на протекание процесса. Недостаток: малая точность, отсутствие памяти, необходимость сборки блок-схемы для решения каждой задачи. Основное применение – интегрирование нелинейных дифференциальных уравнений, решение которых аналитически невозможно. Кроме того, с их помощью решают задачи оптимизации, моделирования и т.д.
Этапы решения задачи на аналоговых вычислительных машинах:
– математическая формализация условий задачи, т.е. составление системы уравнений, определение граничных и начальных условий;
– составление блок-схемы;
– расчет масштабных коэффициентов;
– сборка и настройка блок-схемы;
– пробное решение и отладка программы;
– решение и регистрация результатов.
Более широкими возможностями по сравнению с аналоговыми машинами обладают цифровые ЭВМ. Важное их преимущество состоит в наличии специальных средств управления, позволяющих выполнять действия над числами в определенной последовательности (программы). Кроме того, они точны и универсальны. Эти машины эффективно решают разнообразные задачи, в том числе и в диалоговом режиме. В последнем случае компьютер превращается в мощный придаток человеческого мозга.
Решение задачи на ЭВМ состоит из таких основных этапов:
– математическая формализация задачи;
– разработка алгоритма (выбор метода решения);
– составление программы для конкретной ЭВМ;
– подготовка цифровых данных к вводу в машину;
– отладка программы;
– решение задачи.
С момента появления (1946 г.) первой цифровой машины, ЭВМ прошли в своем развитии сложный путь. Сменилось уже несколько поколений, каждые 10 лет на смену приходит новое, которое существенно превосходит своих предшественников. В настоящее время цифровые вычислительные машины чаще называют компьютерами. Слово компьютер означает «вычислитель». Это связано с тем, что первые машины создавались как устройства для вычислений. Современные компьютеры превратились в универсальные средства для обработки всех видов информации, используемых человеком.
Каждый компьютер, согласно принципам фон Неймана, содержит следующие устройства:
– арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
– устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
– запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
– внешние устройства для ввода и вывода информации.
Сам по себе компьютер является просто ящиком с набором электронных схем. Он не обладает знаниями ни в одной из областей своего применения. Все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьютере программах. Поэтому для эффективного использования вычислительной машины необходимо знать назначение и свойства необходимых для работы с ним программ.
Программы, работающие на компьютере, можно подразделить на три категории:
– прикладные программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых пользователям работ (редактирование текстов, рисование картинок, обработку информационных массивов и т.д.);
– системные программы, выполняющие различные вспомогательные функции, например, создание копий используемой информации, проверку работоспособности устройств компьютера и т.д. Основную роль играет операционная система – программа, управляющая компьютером, запускающая все другие программы и выполняющая для них различные сервисные функции;
– инструментальные системы (системы программирования), обеспечивающие создание новых программ для компьютера.
В научных исследованиях вычислительная техника применяется очень широко. С помощью компьютера автоматизируется процесс поиска и систематизации научной информации, ЭВМ широко применяют в вычислительном эксперименте, для автоматизации физического эксперимента и обработки его результатов.
Ручной поиск научной информации с помощью каталогов в библиотеке весьма трудоемок. Истинная автоматизация поиска достигается с помощью компьютера, локальных сетей и Inter Net (Inter Net – это общемировая совокупность компьютерных сетей, связывающих между собой миллионы компьютеров). Компьютерные базы данных, кроме адресного шифра и поискового образа информации, содержат еще библиографическое описание, ссылки на литературу, а в ряде случаев и видеокопию.
При проведении вычислительного эксперимента требуется выполнять большое число математических операций, например, интегрирование, решение систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений и т.д. Вычисление интегралов и бесконечных рядов без особых трудностей можно выполнить с помощью компьютера, так как для решения этих задач имеются стандартные программы.
При проведении сложного физического эксперимента (испытание образцов пород на ниспадающей ветви диаграммы загружения, поляризационно-оптическое моделирование и т.д.), связанного с изменением большого количества параметров и необходимостью управления экспериментом, невозможно обойтись без ЭВМ. Кроме того, в математическое обеспечение компьютера входит набор программ обработки данных, планирования и управления экспериментом, сервисные программы, обеспечивающие удобство связи исследователя с системой, что позволяет экспериментатору быть активным звеном, не только наблюдать, но и вмешиваться в эксперимент, т.е. управлять им.
При выполнении студентами НИР также целесообразно использовать вычислительную технику, применение которой позволяет:
– облегчить выполнение сложных расчетов, благодаря чему студент может уделить больше внимания творческой части решаемой задачи;
– выработать у студента навыки алгоритмического мышления.
Разработка алгоритма вычисления и составление программы на ЭВМ может являться темой индивидуального или группового задания по НИРС.
ЛЕКЦИЯ 5