一些常见模型类型与分类的初步讨论

如题所述

第1个回答  2022-07-19
现今,模型这一概念的重要性和普及性正在日趋增长。除了科学、教育和传统的工程领域,诸如软件开发领域,近十年对模型的重视也有空前的提升。随着计算机技术的普及和应用,模型的重要性前所未有地提升。例如本论坛关注的另一个重要领域,企业(或业务)建模的领域,也是在这样的背景之下。在《 模型(model)概念的一些近义或相关语汇 》中,我从词义的角度讨论了“模型”(models)的一些近义或相关词汇。一些近义词,例如“模子”(mould)、模特、型号、典型(archetype),本身就可以理解为某一类的模型。但多数常见和基本的模型分类,并未明确地包含在这些近义中,有许多相当不同的事物,被人们称为模型。虽然其中有一些看似相差甚远,但我们希望找到一些线索和理由,最终理解它们为什么都被称为模型。

从日常生活和学习的角度看,最常见的模型,是“比例模型”(scale models)或实物模型。它们是一些按原物比例缩小(或放大)物体。例如,各式的建筑模型、飞机模型、汽车模型、沙盘模型、生物器官模型、分子或晶体结构模型等。看起来,这一类模型似乎十分明确、易于识别,但也不难发现一些令人困惑例子。例如:

“物理模型”(physical models)和“数学模型”(mathematical models)是科学研究领域常见的模型划分,也是学术研究中讨论模型概念时,最重视的基本类型。

对物理模型最基本的理解,是物质的实体,与其目标实体具有某种相似性。相似性和“成比例”,虽然有关系,亦有不同。将前面所说的比例模型,归入物理模型,似乎异议不大,但反过来,若说所有的物理模型都与其目标物具有某种比例关系,就不那么容易判断了。

数学模型,也许可以比喻为科学殿堂上的皇后。数学模型的基本形式是方程式。如果仅仅在这个意义下解释,这个概念似乎相当明确,没有什么暧昧之处。但从“数学的”意义上稍加延伸,就会出现一些问题。例如:

在数理逻辑分支“模型论”(Model Theory)中,将形式语言的陈述(句子集合)称为“理论”(theory),而该理论的模型(model),是一种数学结构(structure),它能够“解释”(interpret)理论中的句子,令它们都成立。换言之,模型论中的模型,是满足其理论的解释,是一种数学结构。这个“解释”(interpretation),也就是中文所说方程式的“解”。例如:对于理论“x + y = 1”,{1, 0}, {0.2, 0.8 }, {-1, 2} 等等,都是其解,也就是其模型。

数理逻辑模型的概念与一般意义的“数学模型”、“理论模型”的区别,并不应看作一种偶然的用语巧合或引申使用造成的矛盾。在更广泛的意义上考察模型及其使用之后,我认为,模型论无疑是关于模型的一般性理论最重要的数学基础之一。一些近期的研究(例如在本体、语义网领域的一些研究)也可以发现一些端倪。

也许在许多研究者心目中,数学模型是精确、严格的数学语言的运用。但透过模型论,我们可以理解到,e=mc^2这样纯数学表达,与“张三今年 30 岁”这样的自然语言陈述相同的一面。它们都是一个语言上的陈述,其意义(是否成立),可以通过对应的结构(模型论模型)加以解释。

前面提到,在科学领域常所说的“数学模型”(表现为方程式)和“理论模型”,既有联系也有区别。其中的困惑之一,就在于一个“理论”到底意味着什么?许多情况下,科学家可能会强调,精确的理论,就是数学描述,此时,说“理论模型”,基本等同于“数学模型”,但也有很多理论,未必呈现为“方程式”,或者,除了方程式,相关的语言陈述也是不可省略的。更典型的,一种理论,不但需要有某些语言的陈述、方程式,还需要某种“想象的图景”——这样的情形,在理论物理学领域司空见惯。

从模型论的立场上,可以这样说明:一般科学领域所说的模型,至少有两种基本类型,一种是数学陈述,它们在模型论中属于“理论”。一种是某种特定的结构,它们在模型论中,属于理论的解释,是“结构/模型”。同时,在一般科学领域,这两种模型,又都可以称为理论(或理论的组成部分)。换言之,科学领域常用的词语“模型”、“理论”,都是相对意义上的,视其具体对象而定。二者的对应关系,则都可以基于模型论中的“理论-模型”对应关系来理解。例如前面“电子云”的例子:所谓电子云,实际上就是对量子力学关于电子在原子核周围分布概率的“解”的形象称谓,并且常常被具体的画出来。从模型论立场看,电子密度分布函数是“理论”,电子云是其解,即模型,是一种结构。当我们笼统地将“电子云”称为一种理论模型时,既包括其数学描述(方
程式),也可包括这个数学描述的解。在宏观领域,“黑洞”是与此相似的例子。

许多对模型的分类,都把各种“图画”或“图像”归为模型的一个基本类别(这里是泛指各种图画、图像、图形等等,英文中,有 pictures, drawiings, paintings, graphics 等等)。作为模型,就和种种“图画”的近义语一样麻烦。

描述性模型(descriptive models)这种说法常被提到,在不同的场合,其所指可能有非常大的差别,关键就在于什么是“描述”。这涉及了对模型的一种基本理解,即它是对目标物构成某种描述。

一些关于模型的定义,运用了“同态”(homomorphism)映射这一数学概念。有人把具有同态对应的模型,直接称为“同态模型”。这种思路应该说源于模型讨论中的另一种更普遍的思路,即“相似性”。从数学应用的角度,以同态作为相似性的数学模型(或解释),似乎已经普遍接受。作为模型的研究,我们特别有兴趣的一个地方,是同态与模型论的关系。关于这个课题,在《认知结构三角模型及映像、模型与理论概念》中有初步的涉及。

本文并没有试图对现有的模型的分类进行汇总——这个工作,实际上相当庞大。选取讨论的几种模型,也未必都是最有代表性或最重要的。许多重要的模型类型未有提及。例如“计算机模型”:这是个含糊的说法,可包括各种基于计算机储存、显示的模型,计算机可处理的模型、对计算机系统或对象建立的模型、对计算机所处理的问题建立的模型、处理问题的方法/算法模型等等。一种看来相当明显的趋势就是,计算机技术的出现,使模型的重要性和作用空前提升。这不仅仅是一种模型的表达方式、支持技术或使用领域的扩展,这背后有着深远的理论乃至哲学内涵。

许多学者都认为,“模型”在科学、哲学等领域是相当重要的概念,但同时它也相当暧昧,人们对模型的认识,还存在诸多空白。人们迄今并没有关于模型的,公认的一般性理论体系。甚至还没有普遍接受的、明确的分类。

本文选取了一些常见或典型的模型类型加以简单讨论。通过这些简单分析可以看到,“模型”一词在不同的语境之中,有着相当不同的含义。不同的分类,常常相互重叠甚至矛盾。在对多种多样的模型的观察、讨论中,我们发现,模型论的模型概念,虽然与日常习惯中的模型概念有很大不同,但它可能是认识、理解一般模型,将各种各样不同的模型联系起来的基础。而相关的另一个重要的数学基础,同态,在“模型”的应用上与模型论的关系,将是一个非常有趣,可能还有待澄清的课题。这个课题需要相当的数学基础,很希望能得到相关数学领域学者关注,与感兴趣的朋友共同探讨。

有可能在各种不同语境中相当不同的模型概念之上,提炼出一些更加基本的东西,譬如关于什么是模型更一般的理解与界定。

在实际应用和讨论的经验中发现,对模型概念的习惯或狭隘理解,常常阻碍对模型应用或建模问题的认识。本文的讨论,也许能对此有所帮助,并作为日后导入一般性模型概念的一个引子。

原发: 企业工程论坛,2010-06-11,
http://www.ee-forum.org/wp/pub/ty/2010-06-p1152.html
(修改了文中链接)

作者印:dcb442