моделирование в Ms Excel течения жидкости с помощью клеточного автомата

E-Book Overview

Представлено описание разработки в электронных таблицах модели ламинарного течения жидкости в канале с наличием препятствий различной формы. Приведены эксперименты с моделью и использование ее для изучения свойств треугольника Паскаля. Сформулированы задания для самостоятельной работы решения олимпиадной задачи с помощью клеточного автомата

E-Book Content

Ìîäåëèðîâàíèå â MS Excel òå÷åíèÿ æèäêîñòè ñ ïîìîùüþ êëåòî÷íîãî àâòîìàòà Ïàíüãèí Àëåêñàíäð Âèêòîðîâè÷ ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ Â MS EXCEL ÒÅ×ÅÍÈß ÆÈÄÊÎÑÒÈ Ñ ÏÎÌÎÙÜÞ ÊËÅÒÎ×ÍÎÃÎ ÀÂÒÎÌÀÒÀ ÂÂÅÄÅÍÈÅ Ïðåäëàãàåòñÿ ðàçðàáîòêà â ýëåêòðîííîé òàáëèöå MS Excel ïðèëîæåíèÿ äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ ïðîöåññà òå÷åíèÿ æèäêîñòè â êàíàëå ñ íàëè÷èåì ïðåïÿòñòâèé ðàçëè÷íîé ôîðìû. Èñïîëüçîâàíèå ïðîñòåéøåé òåõíèêè êëåòî÷íîãî àâòîìàòà (ÊÀ) ïîçâîëÿåò íàãëÿäíî ïðåäñòàâèòü ïðîöåññû, äëÿ îïèñàíèÿ êîòîðûõ òðåáóåòñÿ ãðîìîçäêèé àïïàðàò âû÷èñëèòåëüíûõ ìåòîäîâ ðåøåíèÿ ñëîæíîé ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé. Äâóìåðíûé ÊÀ ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ïðÿìîóãîëüíîé ñåòêè m × n, â êîòîðîé çà êâàíòîâàííûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè ∆t ÷èñëîâûå çíà÷åíèÿ â êàæäîé êëåòêå èçìåíÿþòñÿ ïî íåêîòîðîìó çàäàííîìó çàêîíó, â çàâèñèìîñòè îò çíà÷åíèé (êàê ïðàâèëî) ñîñåäíèõ êëåòîê íà ïðåäûäóùåì âðåìåííîì øàãå. Íàèáîëåå èçâåñòíûì âàðèàíòîì ÊÀ ÿâëÿåòñÿ èãðà «Æèçíü» Äæ. Êîíâýÿ. Êëåòî÷íûå àâòîìàòû ÿâëÿþòñÿ ïðîîáðàçàìè ñîâðåìåííîãî íåéðîñåòåâîãî ìîäåëèðîâàíèÿ. Ïðè èçó÷åíèè «ïðîòåêàíèÿ» ñëîæíûõ ïðîöåññîâ â èññëåäóåìîé ñèñòåìå (îáúåêòå) èõ íå âñåãäà óäàåòñÿ îïèñàòü àíàëèòè÷åñêèìè çàâèñèìîñòÿìè, îäíàêî ïðèìåíåíèå ñòîõàñòè÷åñêèõ (âåðîÿòíîñòíûõ) ìåòîäîâ íà óðîâíå ëîêàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé ñïîñîáíî ïðàâèëüíî îòðàçèòü ïîâåäåíèå ñèñòåìû â öåëîì [1]. Òàáëè÷íîå ïðåäñòàâëåíèå äàííûõ â MS Excel, âñòðîåííûé ÿçûê VBA ÿâëÿþòñÿ óäîáíûìè è ïîíÿòíûìè ñðåäñòâàìè äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ è âèçóàëèçàöèè ðàáîòû ÊÀ.  êà÷åñòâå ñàìîñòîÿòåëüíîé ðàáîòû ñ ïîìîùüþ ÊÀ ïðåäëàãàåòñÿ ñìîäåëèðîâàòü è îòûñêàòü ðåøåíèå îäíîé îëèìïèàäíîé çàäà÷è. ÏÎÑÒÐÎÅÍÈÅ ÌÎÄÅËÈ Îïðåäåëèì êàíàë, ïî êîòîðîìó «òå÷åò æèäêîñòü», êàê ïîëå 11 ×19, ñîñòîÿùåå èç íàáîðà A2:K20 ÿ÷ååê Excel. Îòôîðìàòèðóåì åãî íàäëåæàùèì îáðàçîì (ðèñóíîê 1), èçìåíèâ øèðèíó ñòîëáöîâ è ïðîðèñîâàâ ãðàíèöû ÿ÷ååê ðàáî÷åãî ïîëÿ. Æèäêîñòü ïðåäñòàâëÿåì êàê «êîëè÷åñòâî ìîëåêóë» â çàäàííîé ÿ÷åéêå. Ïåðâîíà÷àëüíî ïîëå ïóñòîå. Çàäàäèì ïðåïÿòñòâèÿ â ïîëå (óäîáíî çíà÷åíèÿìè –100, ïðè ìàëîì ðàçìåðå ÿ÷ååê «ïðåïÿòñòâèå» îòîáðàçèòñÿ, êàê ##). Ïðåäïîëàãàåì, ÷òî çà âðåìåííîé øàã êàæäàÿ ìîëåêóëà äâèãàåòñÿ âíèç íà ñëåäóþùèé ðÿä ïî íåêîòîðûì ïðåäîïðåäåëåííûì ïðàâèëàì. ÏÐÀÂÈËÀ ÊËÅÒÎ×ÍÎÃÎ ÀÂÒÎÌÀÒÀ Îáîçíà÷èì, èñïîëüçóÿ îáîçíà÷åíèÿ [2], ÷åðåç ui,j(tk) – ÷èñëî ìîëåêóë â êëåòêå ïîëÿ (i – ñòðîêà, j – ñòîëáåö) â ìîìåíò âðåìåíè tk. Ïðåäïîëàãàåì, ÷òî âðåìÿ èçìåíÿåòñÿ äèñêðåòíî tk+1 = tk + ∆t, (k = 0, 1, ...), â îäèí è òîò æå ìîìåíò ñîâåðøàåòñÿ äâèæåíèå ìîëåêóë äëÿ êàæäîãî ðÿäà ñåòêè è äëÿ êàæäîé çàíÿ- ØÊÎËÀ ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÏÐÎÃÐÀÌÌÈÐÎÂÀÍÈß 51 Ïàíüãèí À.Â. òîò æå ìîìåíò âðåìåíè). Îãðàíè÷åíèå d ïî ïóíêòó 2 ñíèìàåòñÿ ïðè ñìåùåíèè âäîëü ðÿäà, â êîòîðîì íàõîäèòñÿ ìîëåêóëà. Íà îäíîé èç ñòîðîí ñåòêè (âî «âõîäÿùåì» ðÿäó â ïåðâîé ñòðîêå Excel) ïðåäïîëàãàåòñÿ ïðèñóòñòâèå çà åäèíèöó âðåìåíè ïîòîêà íîâûõ ìîëåêóë, äâèæåíèå êîòîðûõ ðåãóëèðóåòñÿ òåìè æå ñàìûìè çàêîíàìè. ÇÀÄÀÍÈÅ ÈÑÕÎÄÍÛÕ ÄÀÍÍÛÕ Ðèñóíîê 1. òîé ïîçèöèè. Ïðàâèëà, ïî êîòîðûì ôîðìèðóåòñÿ ìîäåëü èñïîëüçóåìîãî êëåòî÷íîãî àâòîìàòà, ñõåìàòè÷íî îïèñûâàþòñÿ íà ðèñóíêå 2. 1. Åñëè ui,j (tk) = p, òî êàæäàÿ ìîëåêóëà â ïîçèöèè (i, j) (íà ðèñóíêå 2 ÿ÷åéêà ñâåòëîñåðîãî – íà ýêðàíå ãîëóáîãî – öâåòà) ìîæåò çàíÿòü íîâóþ ïîçèöèþ (i + 1, j + r) â ìîìåíò âðåìåíè tk+1, ãäå r – öåëîå ñëó÷àéíîå ÷èñëî èç çíà÷åíèé –1, 0 è 1. 2. Åñëè ui+1, j+r (tk+1) > d, ãäå d – çàäàííîå ìàêñèìàëüíîå ÷èñëî ìîëåêóë, êîòîðîå ìîæåò ïîìåñòèòüñÿ â îäíó îòäåëüíóþ ÿ÷åéêó (áîëåå òåìíàÿ òîíàëüíîñòü ñåðîãî – íà ýêðàíå ñèíåãî – íà ðèñóíêå 2) ïðè ïðîäâèæåíèè â ñëåäóþùèé ðÿä, òî ìîëåêóëà îñòàåòñÿ â
You might also like

Algorithm Theory — Swat 2002: 8th Scandinavian Workshop On Algorithm Theory Turku, Finland, July 3–5, 2002 Proceedings
Authors: Torben Hagerup , Rajeev Raman (auth.) , Martti Penttonen , Erik Meineche Schmidt (eds.)    143    0


The Curve Shortening Problem
Authors: Kai-Seng Chou , Xi-Ping Zhu    158    0


Advances In Discrete Tomography And Its Applications
Authors: Gabor T. Herman , Attila Kuba    116    0


Digital Image Processing: Piks Scientific Inside
Authors: William K. Pratt    158    0



Programming In Haskell
Authors: Graham Hutton    159    0


Linear Programming: Theory And Extensions
Authors: George B. Dantzig , Mukund N. Thapa    187    0


Linear Programming And Its Applications
Authors: H.A. Eiselt , C.-L. Sandblom    128    0


An Invariant Approach To Statistical Analysis Of Shapes
Authors: Subhash R. Lele , J. T. Richtsmeier    98    0