除以零错误是否表明概念模型不好?

计算科学 数值建模 造型
2021-11-26 09:54:21

当我们创建现实世界系统的数值模型时,我们通常会经历几个阶段(来自 Abramowitz 2010):

  • 感知模型,我们在其中考虑系统的相关组件
  • 一个概念模型,我们在其中考虑这些组件之间的关系
  • 一个数学模型,我们提出方程式和公式来表达概念模型
  • 一个数值模型,它允许计算机在给定的时空尺度上估计数学模型的结果

除以零错误是模型过早死亡的常见原因。有时这只是由于糟糕的编程。但是如果我们排除这种可能性(假设一个完美的程序员),除以零错误是否表明概念模型是错误的?也就是说,假设在现实世界中从未发生过被零除的错误是否合理?我想这个问题预设了数学在某种程度上是“真实的”,对此相关性的评论也将不胜感激。

参考

1个回答

我们应该记住,模型只是现实的一部分(狭窄部分)的表示,因此除以零误差或其他数学误差(例如负浓度)不一定是概念模型中的缺陷,只是该模型的使用超出了其适当的应用范围。

例如,让我们考虑一个基于 Monod 方程在有氧条件下(消耗葡萄糖和氧气)的酿酒酵母生长模型。我近似认为有很多葡萄糖,所以它没有限制,方程变得更容易。

我的概念模型是:“生物质通过使用培养基中的氧气来生长,此外,我知道它还需要其他化合物,例如葡萄糖、铵、磷酸盐和金属”。间歇反应器中过程的质量平衡可写为:

dXdt=YX/SμMAXCOK+COX
dCOdt=μMAXCOK+COX

然而,我知道酿酒酵母也消耗铵作为氮的来源。如果我想跟踪过程中的铵浓度,我必须写:

dCNHdt=YNH/SμMAXCOK+COX

这个方程的问题是,如果铵受到限制,浓度可能低于零并变为负值,因为 Monod 方程中没有考虑到这种限制。

我的观点是,概念模型没有错,但它的数学实现会根据应用范围而变化。这是一个微不足道的案例,应用范围很容易看出,因为它取决于决定哪些是限制性化合物,但在其他模型中,了解数学实现是否遵循概念模型可能要复杂得多。

总而言之,除以零不一定是概念模型问题。可能是您将模型应用到不应该存在的地方。