Computational science

Computational science betreft het construeren wiskundige modellen en kwantitatieve analyse en het toepassen computers te analyseren en wetenschappelijke problemen. In praktijk is het meestal de toepassing van computersimulatie en andere vormen van berekening van numerieke analyse en theoretische informatica problemen in verschillende wetenschappelijke disciplines.

Het veld is verschillend van theorie en laboratorium experiment dat de traditionele vormen van wetenschap en techniek zijn. De wetenschappelijke berekeningen aanpak is om inzicht te krijgen, met name door de analyse van wiskundige modellen uitgevoerd op computers.

Wetenschappers en ingenieurs ontwikkelen van computerprogramma's, software, die modelsystemen bestudeerd en uitvoeren van deze programma's met verschillende sets van de input parameters. In sommige gevallen zijn deze modellen vereisen enorme hoeveelheden berekeningen worden veelal uitgevoerd op supercomputers of gedistribueerde computerplatforms.

Numerieke analyse is een belangrijke onderbouwing voor de technieken die gebruikt worden in computationele wetenschappen.

Toepassingen van computational science

Probleem domeinen voor computational science / wetenschappelijk rekenen zijn onder andere:

Numerieke simulaties

Numerieke simulaties hebben verschillende doelstellingen, afhankelijk van de aard van de taak die wordt gesimuleerd:

  • Reconstrueren en te begrijpen bekende evenementen.
  • Voorspel de toekomst of onopgemerkt situaties.

Model montage en data-analyse

  • Adequaat tune modellen of het oplossen van vergelijkingen op de opmerkingen, onder voorbehoud van het model beperkingen te reflecteren.
  • Gebruik grafentheorie modelleren netwerken, zoals het verbinden individuen, organisaties, websites en biologische systemen.

Computationele optimalisatie

  • Optimaliseren bekend scenario.
  • Machine learning

Methoden en algoritmen

Algoritmen en wiskundige methoden die worden gebruikt in computationele wetenschappen zijn gevarieerd. Algemeen toegepaste methoden omvatten:

  • Numerieke analyse
  • Toepassing van Taylor series als convergente en asymptotische serie
  • Berekenen van derivaten door Automatic differentiatie
  • Berekenen van derivaten door eindige verschillen
  • Grafiek theoretische suites
  • Hoge orde verschil benaderingen via Taylor serie en Richardson extrapolatie
  • Methoden van integratie op een uniforme mesh: rechthoek regel, trapezium regel Simpson regel
  • Runge Kutta methode voor het oplossen van gewone differentiaalvergelijkingen
  • Monte Carlo methoden
  • Moleculaire dynamica
  • Lineair programmeren
  • Tak en cut
  • Tak en Bound
  • Numerieke lineaire algebra
  • Berekenen van de LU factoren door Gauss eliminatie
  • Cholesky factorisaties
  • Discrete Fourier transformatie en toepassingen.
  • De methode van Newton
  • Tijd stepping methoden voor dynamische systemen

Programmeertalen en computeralgebra systemen vaak gebruikt voor de meer wiskundige aspecten van de wetenschappelijke computing-toepassingen omvatten R, TK Solver, MATLAB, Mathematica, Scilab, GNU Octave, Python met scipy en PDL. Hoe meer computationeel intensieve aspecten van wetenschappelijke berekeningen gebruiken vaak een variant van C of Fortran en geoptimaliseerd algebra libraries zoals BLAS of LAPACK.

Computational science toepassingsprogramma's vaak model real-world veranderende omstandigheden, zoals het weer, luchtstroming rond een vliegtuig, auto lichaam vervorming in een crash, de beweging van sterren in een sterrenstelsel, een explosief, etc. Dergelijke programma's kunnen een 'logische creëren mesh 'in het computergeheugen, waar elk item komt overeen met een gebied in de ruimte en bevat informatie over die aan het model relevante ruimte. Bijvoorbeeld in weermodellen, zou elk item een ​​vierkante kilometer zijn; met grond hoogte, de huidige windrichting, vochtigheid, temperatuur, druk, enz. Het programma zou de waarschijnlijke volgende staat op basis van de huidige toestand, te berekenen in gesimuleerde tijd stappen, het oplossen van vergelijkingen die beschrijven hoe het systeem functioneert; en herhaal het proces om de volgende status te berekenen.

De term computationele wetenschapper wordt gebruikt om iemand bekwaam in wetenschappelijke berekeningen te beschrijven. Deze persoon is meestal een wetenschapper, een ingenieur of een toegepaste wiskundige die geldt high-performance computing op verschillende manieren om de state-of-the-art te gaan in hun respectievelijke disciplines in de toegepaste natuurkunde, scheikunde of techniek. Scientific Computing heeft ook steeds meer invloed op andere gebieden, waaronder de economie, biologie en geneeskunde.

Computational science wordt nu algemeen beschouwd als een derde modus van de wetenschap, vullen en toe te voegen aan het experimenteren / observatie en theorie. De essentie van computational science is numeriek algoritme en / of computationele wiskunde. In feite, heeft aanzienlijke inspanning in computationele wetenschappen besteed aan de ontwikkeling van algoritmes, de efficiënte implementatie in programmeertalen, en validatie van computationele resultaten. Een verzameling van problemen en oplossingen in computationele wetenschappen kan worden gevonden in Steeb, Hardy, Hardy en Stoop, 2004.

Reproduceerbaarheid en een open onderzoek informatica

De complexiteit van computationele methoden is een bedreiging voor de reproduceerbaarheid van het onderzoek. Jon Claerbout is prominent te wijzen dat reproduceerbaar onderzoek vereist archiveren en documenteren van alle ruwe data en alle code wordt gebruikt om een ​​resultaat te verkrijgen. Nick Barnes, in het Science Code Manifest voorgestelde vijf principes die moeten worden gevolgd bij de software wordt gebruikt in een open wetenschappelijke publicatie. Tomi Kauppinen et al. vastgesteld en omschreven Linked Open Science, een benadering van wetenschappelijke activa onderling te verbinden transparante, reproduceerbare en transdisciplinair onderzoek mogelijk te maken.

Tijdschriften

De meeste wetenschappelijke tijdschriften accepteren geen software papers, omdat een beschrijving van een redelijk volwassen software meestal niet aan het criterium van de nieuwigheid. Buiten computer wetenschap zelf, zijn er slechts enkele tijdschriften gewijd aan wetenschappelijke software. Opgericht tijdschriften als Elsevier Computer Physics Communications publiceren papieren die niet open-access. Om deze kloof, een nieuw tijdschrift getiteld Open onderzoek berekening werd aangekondigd in 2010 te vullen; sloot in 2012 zonder een document hebben gepubliceerd, een gebrek aan middelen waarschijnlijk als gevolg van overmatige kwaliteitseisen. Een nieuw initiatief werd gelanceerd in 2012, het Journal of Research Open Software.

Onderwijs

Wetenschappelijke berekening wordt meestal onderzocht door middel van een toegepaste wiskunde en informatica-programma, of binnen een standaard wiskunde, wetenschappen, techniek of programma. Bij sommige instellingen een specialisatie in wetenschappelijke berekening kan worden verdiend als een "kleine" in een ander programma. Echter, er zijn steeds vele bachelor- en masteropleidingen in computationele wetenschappen. Sommige scholen bieden ook de Ph.D. in computational science, computational engineering, computational wetenschap en techniek, of wetenschappelijke berekening.

Er zijn ook programma's op gebieden zoals computationele fysica, computationele chemie, enz.

Aanverwante gebieden

  • Bioinformatica
  • Cheminformatica
  • Chemometrie
  • Computational archeologie
  • Computationele biologie
  • Computationele chemie
  • Computational economics
  • Elektromagnetische computerberekeningen
  • Computational Engineering
  • Computational finance
  • Computational fluid dynamics
  • Computational forensics
  • Computational geofysica
  • Computationele informatica
  • Computationele intelligentie
  • Computational wet
  • Computationele taalkunde
  • Computationele wiskunde
  • Computational mechanica
  • Computational Neuroscience
  • Computational deeltjesfysica
  • Computational physics
  • Computational sociologie
  • Computationele statistieken
  • Computeralgebra
  • Milieu-simulatie
  • Financiële modellering
  • Geografisch informatiesysteem
  • High performance computing
  • Machine learning
  • Netwerkanalyse
  • Neuro
  • Numerieke lineaire algebra
  • Numerieke weersvoorspelling
  • Patroonherkenning
  • Wetenschappelijke visualisatie
(0)
(0)
Commentaren - 0
Geen commentaar

Voeg een reactie

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tekens over: 3000
captcha