مدل های کامپیوتری چگونه پیش بینی می‌کنند

در حال حاضر رایانه‌ها می‌توانند ضربه یک بازیکن را در حین تمرین فوتبال تجزیه و تحلیل کنند و پیش بینی کنند توپ به کجا خواهد خورد.

موفقیت در گل زدن به عوامل بسیاری بستگی دارد. فاصله از نقطه هدف، قدرت ضربه زدن، تمرکز و حتی زاویه پا، همه بر روی نتیجه تاثیر می‌گذارند. حتی جهت و سرعت باد نیز نتیجه را تغییر خواهد کرد. هر یک از این عوامل به عنوان یک متغیر شناخته می‌شوند. این بدان معنی است که هر کدام می‌توانند متفاوت باشند یا تغییر کنند. برخی متغیرها نیز می‌توانند بر یکدیگر تاثیر بگذارند.

اگر ضربه شما فقط به یک متغیر بستگی داشته باشد، احتمالا می‌توانید این توپ را به داخل دروازه شوت کنید. اما به محض اینکه متغیرهای چندگانه وارد بازی می‌شوند، مغز انسان سخت‌تر می‌تواند نتیجه را محاسبه کند. خوشبختانه، یک برنامه کامپیوتری جدید می‌تواند این کار را با سرعت تقریبا بالایی انجام دهد.

این برنامه کامپیوتری هر متغیری را که درگیر است، در نظر می‌گیرد. پس از آن، تقریبا هر تاثیری را برای پیش بینی (یا مدل) اضافه می‌کند، همانطور که در دنیای واقعی اتفاق می‌افتد و بر اساس تمام محاسبات، نشان می‌دهد که آیا شما به هدف ضربه خواهید زد یا خیر.

چنین مدل کامپیوتری همچنین می‌تواند به شما اجازه دهد متغیرهای مختلف را تنظیم کنید و آزمایش کنید که چگونه ممکن است نتیجه را تغییر دهید. چه می‌شود اگر باد بوزد؟ چه می‌شود اگر باران بیاید و یا رطوبت اضافی در هوا باعث شود تا توپ کمی بیشتر با زمین اصطکاک پیدا کند؟ رایانه می‌تواند محاسبات خود را دوباره تغییر دهد، هر عامل را با یک یا چند ترکیب متفاوت تغییر می‌دهد.

امروزه مدل‌های کامپیوتری مختلفی در اطراف ما استفاده می‌شود. بعضی از آنها، مانند همین مدل فوتبال که توضیح داده شد، روی ورزش تمرکز می‌کنند. سایر مدل‌ها به سوالاتی در مورد آب و هوا و کشاورزی پاسخ می‌دهند. برخی از مدل‌ها نیز با شبکه‌ها ارتباط برقرار می‌کنند. این مدل‌ها نشان می‌دهند که شما چه وب سایت‌ها و رسانه‌های اجتماعی را دوست دارید. آنها اخبار، فیلم‌ها یا موسیقی آنلاین را توصیه می‌کنند.

در حال حاضر، تحقیقات جدید منجر به ساخت مدل‌هایی حتی کارآمدتر از کامپیوتر شده است که برای مطالعه انواع خاصی از شبکه‌ها استفاده می‌شود. نتایج ممکن است در توسعه داروهای جدید، در صرفه جویی در اکوسیستم‌ها و حتی در حل جنایات کمک کند.

با دنیای واقعی شروع کنید

مدل‌ها برای نشان دادن برخی چیزهای واقعی تولید می‌شوند. دانشمندان به مدل‌های کامپیوتری به عنوان نمایندگان مجازی اشاره می‌کنند. آنها از داده‌ها، ریاضیات و برنامه نویسی کامپیوتری ساخته شده‌اند. اگرچه آنها فقط در یک کامپیوتر وجود دارند، اما می‌توانند به ما کمک کنند که درک کنیم دنیای واقعی چگونه کار می‌کند.

مدل کامپیوتری پیش بینی هوا

یوشنگ فنگ توضیح می‌دهد: تمام مدل‌های کامپیوتری بصورت انتزاعی هستند. او یک مهندس بیومکانیک در دانشگاه تگزاس در سن آنتونیو است.

طراحان کامپیوتر با ویژگی‌های مهم چیزی در دنیای واقعی شروع می‌کنند. در ماه اکتبر 2013، فنگ و دانشجویانش یک مدل کامپیوتری جدید را برای فوتبال آمریکایی معرفی کردند. کار این تیم با تماشای بازیکنان واقعی فوتبال آغاز شد. آنها قوانین مختلف فیزیکی را زمانی که بازیکنان بازی می‌کنند، شناسایی کردند. سپس قوانینی را با استفاده از ریاضی بیان کردند.

به عنوان مثال، یکی از قوانین فیزیک که ابتدا توسط اسحاق نیوتون بیان شده است توضیح می‌دهد که نیرویی که به توپ در حال حرکت وارد می‌شود نیرویی است که برابر با سرعت شتاب (F = m x a) است. عبارات ریاضی مانند این، به معادلات معروف هستند. معادلات دیگری که تیم فنگ استفاده کردند منعکس کننده اثرات چرخش توپ، باد و سایر عوامل اضافی بود.

نوشتن یک مدل کامپیوتری پایان کار نیست. محققان باید بدانند که آیا این مدل کار می‌کند.

فرض کنید یک مدل آب و هوایی را طراحی کرده‌اید. برای آزمایش آن، شما ممکن است داده‌های واقعی را از سال قبل به آن وارد کنید. اگر مدل برف را برای روزهای گرم و آفتابی پیش بینی کرد، قطعا اشتباه است. به همین دلیل شما باید به عقب برگردید و با مدل کار کنید.

یک مدل باید قابل اعتماد نیز باشد زیرا شما نمی‌خواهید آن را فقط یک بار استفاده کنید. محققان ممکن است مدل‌ها را هزاران یا حتی میلیون‌ها بار آزمایش کنند تا مطمئن شوند که کار می‌کنند. لیزاسو می‌گوید، مدل سازی کامپیوتر نیز یک مفهوم تکاملی است. او می‌گوید: هدف این است که مدل‌های موجود را بهبود بخشند و ویژگی‌های اضافی به آن اضافه کنند تا بتوانند بهتر عمل کنند.

قبل از اینکه یک مدل کامپیوتری بتواند به شناخت دنیای واقعی کمک کند، باید اطلاعات داشته باشد. افرادی که مدل می‌سازند، باید به کامپیوتر آنچه را که در ارتباط با داده‌ها است، بگویند. این کارشناسان این کار را با الگوریتم انجام می‌دهند.

کیمکو توضیح می‌دهد: الگوریتم فقط یک سری دستورالعمل برای چگونگی انجام کاری است. این دستورالعمل به رایانه می‌گوید که چگونه تصمیم گیری کند و زمان انجام محاسبات را یادآور می‌شود. دستورالعمل‌های آنها باید برای انواع مدل‌های مختلف، متفاوت باشد.

به عنوان مثال، جان لایزو، بر روی مدل‌های کشاورزی مجازی در دانشگاه فنی مادرید در اسپانیا کار می‌کند. مدل‌های او می‌توانند میزان تولید محصول را برآورد کنند. پیش بینی این مدل‌ها به صفات شناخته شده محصولات خاص، شرایط آب و هوایی، نوع خاک و سایر عوامل وابسته است.
کشاورزان می‌توانند با استفاده از این مدل پیش بینی کنند که چگونه تغییر در شرایط آب و هوایی، آبیاری و یا استفاده از کودها بر روی برداشت محصول آنها تاثیر می‌گذارد.مدل های کامپیوتری لیزاسو می‌توانند در صورت تغییر وضعیت شرایط بدون نیاز به انتظار کشیدن برای رشد محصولات واقعی و مشاهده نتیجه، خیلی سریع آن را پیش بینی کنند. این مدل می‌تواند در زمان و پول کشاورزان صرفه جویی کند. حتی کشاورزان می‌توانند با استفاده از این مدل پیش بینی کنند که چگونه تغییر در شرایط آب و هوایی، آبیاری و یا استفاده از کودها بر روی برداشت محصول آنها تاثیر می‌گذارد. کشاورزی مجازی می‌تواند دهه‌های آینده را نیز پیش بینی کند. مثل اینکه تغییرات آب و هوایی، درجه حرارت و بارندگی چگونه بر روی مناطق مختلف تاثیر می‌گذارد. مدل سازی می‌تواند نشان دهد که محصولات چگونه به چنین تغییراتی پاسخ خواهند داد.

منبع: ساینس نیوز فور استیودنتس