Основы моделирования биологических процессов и систем

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИИ
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ОСНОВАМ
МОДЕЛИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
ВОЛГОГРАД 2012
Структура контролируемых элементов дисциплины
Наименование раздела дисциплины
Код
раздела
1.
Введение
2.
Основные понятия в теории моделирования
3.
Специфика моделирования живых систем
4.
Общая методология построения математических моделей
5.
Колебания в биологических системах
6.
Моделирование динамических систем. Модели биологических сообществ
7.
Имитационные модели
8.
Объектно- ориентированное моделирование
9.
Пакеты визуального моделирования
10.
Заключение
Кодификатор дисциплины
Контролируемое содержание
дисциплины
Код
Элементы содержания
элемента
дисциплины (темы)
содержания
1.01
2.01
Цели и задачи
дисциплины.
Перечень контролируемых учебных элементов
Студент должен
1. Введение
Знать: место в программе подготовки
специалистов по биомедицинской технике,
разделы дисциплины, связь с другими
дисциплинами учебного плана, характеристику
учебной нагрузки по дисциплине и
литературных источников.
Уметь: ориентироваться в основных разделах
дисциплины.
2. Основные понятия в теории моделирования
Понятие модели.
Знать: объекты, цели и задачи моделирования,
классификацию методов моделирования, связь
моделирования с различными науками ,
компьютерные и математические модели ,
регрессионные, имитационные, качественные
модели, принципы имитационного
моделирования и примеры моделей, понятие
2.02
3.01
3.02
4.01
4.02
адекватности модели.
Уметь: различать компьютерные,
математические, регрессионные, имитационные,
качественные модели.
Обобщенный алгоритм
Знать: постановку задачи , цель моделирования
построения модели.
, оптимизация структуры ,формализацию
содержательной части модели, алгоритмизацию
процессов функционирования моделируемой
системы , принятие решений по результатам
модели, построить концептуальную модель.
Уметь: производить расчёты параметров
модели и принимать решения по результатам
модели.
3. Специфика моделирования живых систем
История первых
Знать: современную классификацию моделей
моделей в биологии.
биологических процессов, понятие
биологической модели, биологический объект
моделирования и его свойства.
Уметь: моделировать динамику живых систем.
Условия подобия двух
Знать: константы подобия, пример
объектов.
экстраполяции результатов комбинированного
воздействия факторов среды с
экспериментальных животных на человека
,сходственные параметры математических
моделей, процедура переноса.
Уметь: построить функциональную
зависимость, связывающих масштабы
сходственных параметров с размерами тела
животных и человека.
4. Общая методология построения математических моделей
Модели, приводящие к
Знать: модели, приводящие к одному
одному
дифференциальному уравнению, методы оценки
дифференциальному
устойчивости, понятие решения одного
уравнению.
автономного дифференциального уравнения,
устойчивость состояния равновесия, состояние
равновесия.
Уметь: производить расчет линейного
дифференциального уравнения .
Непрерывные модели.
Знать: экспоненциальный рост, логистический
рост, модели с наименьшей критической
численностью, модели с неперекрывающимися
поколениями, дискретное логистическое
уравнение, диаграмма и лестница Ламерея,
Типы решений при разных значениях параметра.
Матричные модели популяций. Влияние
запаздывания. Вероятностные модели
Уметь: производить расчет при разных
значениях параметра: монотонные и затухающие
решения, циклы, квазистохастическое поведение,
вспышки численности.
4.03
Модели, описываемые
системами двух
автономных
дифференциальных
уравнений.
4.04
Метод Ляпунова
линеаризации систем в
окрестности
стационарного
состояния.
5.01
6.01
6.02
7.01
Знать: главные изоклины. Фазовая плоскость.
Фазовый портрет. Метод изоклин. Устойчивость
стационарного состояния. Линейные системы.
Типы особых точек: УЗЕЛ, СЕДЛО, ФОКУС,
ЦЕНТР
Уметь: построить систему координат и понять
поведение особых точек
Знать: уравнения Вольтерра .Примеры
исследования устойчивости стационарных
состояний моделей биологических систем.
Уравнения Лотки. Метод функции Ляпунова.
Уметь: производить расчеты по уравнениям
Лотки, Вольтерра.
5. Колебания в биологических системах
Понятие автоколебаний. Знать: изображение автоколебательной системы
на фазовой плоскости. Предельные циклы.
Условия существования предельных циклов.
Рождение предельного цикла. Мягкое и жесткое
возбуждение колебаний. Модель брюсселятор.
Бифуркация Андронова-Хопфа. Примеры
автоколебательных моделей процессов в живых
системах. Колебания в темновых процессах
фотосинтеза. Автоколебания в модели
гликолиза. Клеточные циклы. Внутриклеточные
колебания концентрации кальция.
Уметь: описать механизм автоколебаний.
6. Моделирование динамических систем. Модели биологических сообществ
Основные понятия
Знать: аттракторы. Предельные множества.
теории динамических
Странные аттракторы. Размерность странных
систем.
аттракторов. Динамический хаос.
Диссипативные системы. Линейный анализ
устойчивости траекторий. Устойчивость
хаотических решений.
Уметь: описать эволюцию систем во времени
Стационарные
Знать: модель четырехвидовой системы.
состояния и
Трофические системы с фиксированным
динамические режимы в количеством вещества.
сообществе из трех
Уметь: разбираться в трофических системах.
видов.
7. Имитационные модели
Структура, требования, Знать: специфику имитационного
процесс имитации.
моделирования биологических процессов и
систем. Этапы имитационного моделирования.
Оценка адекватности имитационной модели.
Содержательное описание объекта
моделирования и его концептуальную модель.
Способы формального представления
имитационной модели: активностями, аппаратом
событий, транзактами, агрегатами и процессами.
Специализированные языки имитационного
8.01
9.01
9.02
9.05
моделирования. Проведение машинных
экспериментов с моделью и анализ результатов
моделирования.
Уметь: привести примеры построения и
исследования имитационных моделей в медикобиологических исследованиях и моделировать с
помощью Matlab Simulink.
8. Объектно- ориентированное моделирование
Основные понятия.
Знать: библиотеку классов. Численное решение.
Использование
Уметь: проводить расчеты.
технологии объектноориентированного.
9. Пакеты визуального моделирования
Существующие
Знать: подсистема SIMULINK пакета MATLAB;
подходы к визуальному EASY5 (Boeing); подсистема SystemBuild пакета
моделированию
MATRIXX (Integrated Systems, Inc. ); VisSim
сложных динамических (Visual Solution),"20- SIM" (Controllab Products
систем. Пакеты
B.V); Dymola (Dymasim); Omola, OmSim (Lund
"блочного
University).
моделирования"
Уметь: работать с подсистемами
Пакеты "физического
моделирования"
Стандарт при обмене
Знать: Язык Modelica (The Modelica Design
описаниями моделей
Group).
между различными
Уметь: моделировать языком Modelica
пакетами.
Пакеты,
ориентированные на
схему гибридного
автомата
Знать: Shift (California PATH), отечественный
пакет Model Vision Studium.
Уметь: моделировать языком Model Vision
Studium.
10.Заключение
Основные тенденции и
Знать: Основные тенденции и направления
направления развития
развития методов моделирования биологических
методов моделирования процессов и систем.
биологических
Уметь: Разбираться в методах моделирования
процессов и систем.
биологических процессов и систем
1.ВВЕДЕНИЕ
1.1 Какой раздел не входит в дисциплину «основы моделирования
биологических процессов и систем »?
а) теории динамических систем.
б) метод Ляпунова в окрестности стационарного состояния
в) пассивные элементы электронных цепей и узлов
г) автоколебания
2.Основные понятия в теории моделирования
2.1 Что не входит в ряд общих требований к моделям
а) полнота
б) адекватность
в) ломкость
г) гибкость
2.2 Какие основные этапы предполагает моделирование?
а) разработка модели
б) исследование модели и получение выводов
в) усовершенствование модели
г) описание модели
2.3 Выберите правильные варианты составляющих 2-го этапа моделирования:
а) структурная модель
б) экспериментальная модель
в) компьютерная модель
г) статистическая модель
д) информационная модель
2.4 Выберите лишние варианты составляющих 3-го этапа моделирования:
а) цель эксперимента
б) анализ результатов
в) план эксперимента
г) описание эксперимента
д) проведение исследования
2.5 Продолжите высказывание: Тестирование – это…
а) процесс анализа построения модели;
б) процесс проверки правильности построения модели;
в) процесс алгоритмизации построенной модели;
г) процесс формализации построенной модели;
д) процесс разработки модели.
2.6 Выберите правильные варианты составляющих 1-го этапа моделирования:
а) проведение исследования;
б) описание задачи;
в) алгоритмизация задачи;
г) формализация задачи;
д) цель моделирования.
3.Специфика моделирования живых систем
3.1 Какие два основных подхода к моделированию живых систем?
а) создание динамических моделей
б) алгоритмическое моделирование
в) математическое моделирование
г) непрерывное моделирование
3.2 На чем не основываются динамические модели?
а) на данных биохимии
б) молекулярной биологии
в) цитологии
г) химической кинетике
д) биофизике
е) ДНК генетической информации
3.3 Продолжите высказывание : Открытые системы –
а) непрерывно взаимодействуют с внешней средой в форме обмена энергией, веществом,
информацией
б) функционируют вдали от термодинамического равновесия и, следовательно, требуют
энергетических затрат для поддержания существования;
в) объединяют воедино процессы различной физической природы ( электричество, механика,
магнетизм, химия, оптика и др.) с бес прецедентным для неживой природы диапазоном
характерных пространственных масштабов величин и временных масштабов процессов,
обусловливающих существование системы
3.4 Продолжите высказывание: Неравновесные системы а) непрерывно взаимодействуют с внешней средой в форме обмена энергией, веществом,
информацией
б) функционируют вдали от термодинамического равновесия и, следовательно, требуют
энергетических затрат для поддержания существования;
в) объединяют воедино процессы различной физической природы ( электричество, механика,
магнетизм, химия, оптика и др.) с бес прецедентным для неживой природы диапазоном
характерных пространственных масштабов величин и временных масштабов процессов,
обусловливающих существование системы
3.5 Продолжите высказывание: Мультишкальные системы –
а) непрерывно взаимодействуют с внешней средой в форме обмена энергией, веществом,
информацией
б) функционируют вдали от термодинамического равновесия и, следовательно, требуют
энергетических затрат для поддержания существования;
в) объединяют воедино процессы различной физической природы ( электричество, механика,
магнетизм, химия, оптика и др.) с бес прецедентным для неживой природы диапазоном
характерных пространственных масштабов величин и временных масштабов процессов,
обусловливающих существование системы
3.6 При условии подобия, какими могут быть объекты?
а) сходственными
б) физическими
в) логическими
г) материальными
3.7 Перечислите способы определения критериев подобия
а) способ анализа уравнений
б) способ анализа размерностей
в) способ подстановки
г) способ подбора
3.8 Кем были сформулированы дополнительные положения о подобии?
а) Н.Е. Жуковсковским
б) В.А. Вениковым
в) Д. Релеем
г) Ф. Букингемом
4. Общая методология построения математических моделей
4.1 Какие требования предъявляются математическим моделям?
а) универсальность
б) адекватность
в) точность
г) экономичность
д) многофункциональность
е) гибкость
4.2 Продолжите высказывание: Линейные моделиа) способность отражать нужные свойства объекта с погрешностью не выше заданной.
б) все функции и отношения, описывающие модель линейно зависят от переменных
в) включает описание связей между основными переменными моделируемого объекта в
установившемся режиме без учета изменения параметров во времени.
г) модели, в которых установлено взаимно-однозначное соответствие между
переменными описывающими объект или явления.
4.3 Продолжите высказывание: Детерменированные моделиа) это модели, в которых установлено взаимно-однозначное соответствие между
переменными описывающими объект или явления.
б) оцениваются степенью совпадения значений характеристик реального объекта и
значения этих характеристик полученных с помощью моделей.
в) все функции и отношения, описывающие модель линейно зависят от переменных
г) это исследование, какого либо объекта или системы объектов путем построения и
изучения их моделей
4.4 Продолжите высказывание: Стахостическая модель а) связь между переменными носит случайный характер, иногда это бывает
принципиально
б) включает описание связей между основными переменными моделируемого объекта в
установившемся режиме без учета изменения параметров во времени.
в) характеризует полноту отображения моделью изучаемых свойств реального объекта
г) описывает связи между основными переменными моделируемого объекта при переходе
от одного режима к другому.
4.5 Какие бывают модели по характеру режимов?
а) статистическими
б) динамическими
в) линейные
г) смешанные
4.6. Какие этапы относятся к формализации?
а) устанавливается класс задач, к которым может быть отнесена полученная
математическая модель объекта. значения некоторых параметров на этом этапе еще могут
быть не конкретизированы.
б) на этом этапе устанавливаются окончательные параметры моделей с учетом условия
функционирования объекта. для полученной математической задачи выбирается какойлибо метод решения или разрабатывается специальный метод.
в) разработав алгоритм, пишется программа, которая отлаживается, тестируется и
получается решение нужной задачи.
г) сопоставляется полученное и предполагаемое решение, проводится контроль
погрешности моделирования.
4.7 Какие этапы относятся к реализации модели?
а) устанавливается класс задач, к которым может быть отнесена полученная
математическая модель объекта. значения некоторых параметров на этом этапе еще могут
быть не конкретизированы.
б) на этом этапе устанавливаются окончательные параметры моделей с учетом условия
функционирования объекта. для полученной математической задачи выбирается какойлибо метод решения или разрабатывается специальный метод.
в) разработав алгоритм, пишется программа, которая отлаживается, тестируется и
получается решение нужной задачи.
г) сопоставляется полученное и предполагаемое решение, проводится контроль
погрешности моделирования.
4.8. Продолжите высказывание: математическая модельа) компьютерная программа, которая описывает структуру и воспроизводит поведение
реальной системы во времени.
б) описывает поведение системы для всех моментов времени из некоторого промежутка.
в) среди параметров модели есть временной параметр, т. е. она отображает систему
(процессы в системе) во времени.
г) представление реальности, один из вариантов модели, как системы, исследование
которой позволяет получать информацию о некоторой другой системе
4.9 Как называется функция Ляпунова, если она определенно –положительна и
определенная отрицательна?
а) знакоопределенной
б) знакопостоянной
5.Колебания в биологических системах
5.1 Что соответствует автоколебаниям?
а) нелинейные ограничители
б) предельные циклы
в) структурная модель
г) статистическая модель
5.2. Какие основные элементы можно выделить в простейших автоколебательных
системах?
а) колебательная система с затуханием
б) нелинейный ограничитель
в) звено обратной связи
г) предельные циклы
д) усилитель, содержащий источник энергии и преобразователь энергии источника в энергию
колебаний
5.3. Какое из данных уравнений является основной моделью при анализе периодических
автоколебаний?
а)
б)
в)
5.4 Какое из данных уравнений является уравнением Ван-дер-Поля ?
а)
б)
в)
5.5 Бифуркация Андронова — Хопфа какие потери устойчивости включает в себя?
а) спонтанная потеря устойчивости
б) плавная потеря устойчивости
в) мягкая потеря устойчивости
г) жёсткая потеря устойчивости
5.6 Какой из данных предельных циклов на фазовой плоскости является устойчивым?
5.7 Какой из данных фокусов является неустойчивым?
5.8 В каком промежутке времени варьируется период колебания внутриклеточной
концентрации кальция ?
а) 1,5-10 мин
б) 0,5-7 мин
в)1,5-7 мин
г) 0,5-10 мин
5.9 На основе какой модели сначала были предсказаны колебательные реакции в системе
гликолиза?
а) математической
б) непрерывной
в) алгоритмической
г) структурной
6. Моделирование динамических систем. Модели биологических сообществ
6.1 Аттракторы классифицируют по:
а) статистический
б) регулярности самого аттрактора
в) формализации понятия стремления
г) локальности
6.2 Аттракторы делят на:
а) регулярные
б) странные
в) максимальные
г) глобальности
д) многозначности
6.3 «Наименьшее множество, к которому стремится траектория типичной начальной
точки» к какому аттрактору относится данное определение?
а) статистический аттрактор
б) аттрактор Милнора
в) минимальный аттрактор
г) максимальный аттрактор
6.4 Продолжите высказывание: Странный аттрактор-это
а) это отталкивающий множество неустойчивых траекторий в фазовом
пространстве диссипативной динамической системы
б) это притягивающее множество неустойчивых траекторий в фазовом
пространстве диссипативной динамической системы
6.5 Продолжите высказывание: Диссипативная система-это
а) это закрытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия.
б) это открытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия.
в) это открытая система, которая оперирует вблизи от термодинамического равновесия.
г) это закрытая система, которая оперирует вблизи от термодинамического равновесия.
6.6 Кем введен термин «диссипативная структура»?
а) Пригожин.И
б) Лиувилль.Ж
в) Николис Г
г) Ванаг В.
6.7 Как выглядит поведение явления нелинейной системы динамического хаоса ?
а) случайным
б) неслучайным
7.Имитационные модели
7.1 Какое из данных высказываний не относится к основным задачам имитационного
моделирования?
а) проверка гипотез о взаимодействии отдельных элементов и подсистем
б) прогноз поведения при изменении внутренних характеристик и внешних условий
в) оптимизация управления
г) прогноз поведения системы при различных внешних воздействиях, различных способах
управления и прочее
7.2 Продолжите высказывание: имитационная модель а) компьютерная программа, которая описывает структуру и воспроизводит поведение
реальной системы во времени.
б) описывает поведение системы для всех моментов времени из некоторого промежутка.
в) среди параметров модели есть временной параметр, т. е. она отображает систему
(процессы в системе) во времени.
г) представление реальности, один из вариантов модели, как системы, исследование
которой позволяет получать информацию о некоторой другой системе
7.3 Какие работы включает в себя испытание имитационной модели?
а) задание исходной информации
б) верификацию имитационной модели
в) проверку адекватности модели
г) калибровку имитационной модели
д) исследование свойств модели
е) оценка погрешности имитации
7.4 На каком языке в первые были описаны постоянные для имитации последовательности
операций ?
а) GPSS
б) ALGOL
в) FORTRAN
г) Q-GERT
7.5 Какие изменения невозможны в модели при калибровке ?
а) глобальные структурные изменения
б) глобальное изменение регрессионных зависимостей
в) локальные структурные изменения
г) изменение так называемых калибровочных параметров
8. Объектно- ориентированное моделирование
8.1 Продолжите высказывание: Основные прецедентыа) представляют самые общие процессы, например покупку товара
б ) описывают процессы, которые могут быть не реализованы в системе
в) представляют менее значительные или более редкие процессы, такие как запрос на
ассортимент новых товаров.
г) развернутые прецеденты, выражающие общую сущность процесса без детализации их
реализации
8.2 Продолжите высказывание: Атрибуты системы-это
а) авторизация кредитных платежей
б) нефункциональные качества системы
в) внутренний ресурс системы
9. Пакеты визуального моделирования
9.1 Simulink применяется для решения задач какого моделирования?
а) алгоритмического
б) имитационного
в) математического
г) событийного
9.2 На какие группы можно разделить современные универсальные пакеты визуального
моделирования ?
а) пакеты, использующие язык блочного моделирования
б) пакеты, использующие язык физического моделирования
в) пакеты, использующие математическое моделирование
г) пакеты, ориентированные на использование схемы гибридного автомата
10.Заключение
10.1 На какие виды можно разделить моделирование?
а) структурное
б) искусственное
в) материальное
г) идеальное
Ключи:
1.1-в
2.1-в
3.1-а,б
4.1-а,б,в,г
5.1-б
6.1-б,в,г
7.1-г
8.1-а
9.1-б,г
2.2-а,б
2.3-в,д
2.4-в,д
2.5-б
2.6-б,г,д
3.2-е
3.3-а
3.4-б
3.5-в
3.6-в,г
3.7-а,б,в
3.8-б
4.2-б
4.3-а
4.4-а
4.5-а,б
4.6-а
4.7-в
4.8-г
4.9-а
5.2-а,б,в,д
5.3-в
5.4-в
5.5-в,г
5.6-а
5.7-в
5.8-г
5.9-а
6.2-а,б,г
6.3-б
6.4-б
6.5-б
6.6-а
6.7-а
7.2-а
7.3-а,б,в,г
7.4-в
7.5-б
8.2-б
9.2-а
10.1-в,г