Что означает прямое моделирование?

В своих исследованиях экзопланет я слышал, как многие люди говорили о «прямом моделировании атмосфер экзопланет». Я не знаю, что означает «вперед» в «прямом моделировании» и как оно сравнивается с «обратным моделированием», если это вообще вещь.

Что такое прямое моделирование и почему оно настолько особенное, что его нужно отличать от обычного простого моделирования?

Существуют разные способы моделирования чего-либо. Из того, что вы спрашиваете, есть два основных типа моделирования: прямое моделирование и обратное моделирование.

Прямое моделирование

В этом типе моделирования у вас есть конкретная модель, которая определяет «текущее» состояние вашей системы. В случае атмосфер экзопланет это, вероятно, будет что-то, что определяет молекулярное содержание, уровень ионизации, плотность и т. Д. Атмосферы экзопланеты. Затем вы используете известную физику / математику вашей системы, чтобы решить, как она будет себя вести. В этой настройке вы создали систему для предсказания состояний системы по заранее определенной физической модели.

Такой пример - кто-то, создающий свою собственную атмосферу экзопланеты в модели, и затем говорящий: хорошо, что происходит, когда я проливаю свет в этой атмосфере. Какие наблюдения я могу записать?

Обратное моделирование

В некотором смысле это противоположность прямого моделирования, хотя на самом деле это не означает, что вы работаете с моделью, чтобы заглянуть в прошлое. Вместо этого, что происходит с этой настройкой, так это то, что вы знаете конкретное состояние или результат и хотите создать модель своей системы, которая может создавать указанное состояние. По сути, вы хотите, чтобы ваша модель достигла определенного состояния, когда закончите вычисление. Если это так, у вас есть достаточная уверенность в том, что ваша модель была некоторым показателем того, на что действительно похожа ваша система.

В этой ситуации вы должны измерить компоненты атмосферы, например, радиус планеты как функцию длины волны, а затем создать модель атмосферы, которая, мы надеемся, сможет воспроизвести ваши наблюдения. Если вы можете, тогда надежда состоит в том, что модель точно представляет, какова ваша система.

Прямое моделирование - это использование модели для моделирования результата. Проблема получения модели для получения данных из ввода называется прямой задачей .

Прямая модель принимает определенные параметры и создает данные, которые затем можно сравнить с фактическими наблюдениями.

Прямое моделирование, по-видимому, широко используется в науках о Земле, например, в отношении моделей глобального климата, сейсмических явлений и т. Д.

Прямая задача (прямая задача, нормальная задача): проблема вычисления того, что следует наблюдать для конкретной модели, например, вычисление гравитационной аномалии, которая наблюдалась бы для данной модели соляного купола. ( Словарь наук о Земле )

Противоположная процедура называется обратной задачей :

Обратной проблемой в науке является процесс расчета по совокупности наблюдений причинных факторов, которые их породили: например, вычисление изображения в компьютерной томографии, восстановление источника в акустике или вычисление плотности Земли по измерениям ее гравитационного поля. ,

Это называется обратной проблемой, потому что она начинается с результатов, а затем вычисляет причины. Это обратная задача, которая начинается с причин, а затем вычисляет результаты.

Решение обратной задачи означает, учитывая набор наблюдений, построение модели, которая их учитывает.

Я полагаю, что следует ожидать, что атмосферы экзопланет будут изучены с помощью прямого моделирования, потому что у нас уже есть адекватные атмосферные модели для Земли и понимание, чтобы приспособить их к другим планетам, в то время как у нас пока нет адекватной характеристики атмосфер экзопланет.

$A$

$y$$x$

• $x$$y$

• $y$$x$$A$

$Ax$$Ax$

Обратное моделирование - это то, где вы используете функции своих данных, чтобы оценить набор основных параметров вашей физической модели происходящего.

Прямое моделирование - это то, где вы используете свою модель для прогнозирования того, что вы будете наблюдать, и используете сравнение этих прогнозов с вашими данными, чтобы вывести параметры вашей модели.

Простой пример экзопланеты. Рассмотрим малую выборку кривой лучевой скорости. Вы можете подогнать синусоиду (или решение эллиптической орбиты) к этим данным и оценить период, амплитуду лучевой скорости, а затем вывести минимальную массу для орбитальной экзопланеты, включив эти числа вместе с оценкой массы звезды в функцию массы формула.

Подход прямого моделирования должен начинаться с массы звезды и планеты, указывать орбитальный период и наклон, а затем прогнозировать то, что будет наблюдаться, включая, если необходимо, функции, которые учитывают недостатки и неопределенности в измерениях. Многие такие модели создаются и сравниваются с наблюдениями до тех пор, пока не удастся оценить функции вероятности для каждого из параметров модели.

Чтобы увидеть разницу между прямой и обратной моделями, рассмотрим наше понимание того, что атом может поглощать и излучать только определенные дискретные длины волн света. Это то, что мы наблюдаем ; на основе этих наблюдений мы можем построить простую (обратную) модель строения атома. Но только после того, как у нас была хорошо развитая модель атома, такая как квантовая теория, мы смогли предсказать поглощение и излучение любого атома.

Прямое моделирование основано на этих хорошо разработанных представлениях и, как правило, является наиболее полезной формой моделирования.

Однако обратные модели важны, когда у нас еще нет хорошего понимания системы; в этом случае специальные модели могут в конечном итоге привести нас к разработке совершенно новых моделей и понятий - как это было в случае понимания атомов и молекул до того, как квантовая теория была полностью разработана.

Я хотел бы добавить к ответу pablodf76, что совершенно правильно, сказать, что часто прямое моделирование используется для решения обратной задачи. . Это, безусловно, самый распространенный контекст, в котором я видел этот термин в астрономической литературе.

В целом, наличие прямой модели, а также понимание вашей неопределенности измерений - это то же самое, что наличие функции правдоподобия. (Более общая вещь - думать о вашей форвардной модели как о вероятностной). Прямая модель переходит от базовых параметров к данным (прямая задача) и объединяется со статистическими методами - используя MCMC для выборки из апостериорного значения или, например, для вычисления оценки параметра максимального правдоподобия - для решения обратной задачи.

Что такое прямое моделирование и почему оно настолько особенное, что его нужно отличать от обычного простого моделирования?

В этом контексте авторы, вероятно, пытаются подчеркнуть, что они пришли к своей оценке / опережению параметров атмосферы с подробной атмосферной моделью в сочетании с некоторой формой статистического вывода.