01046021 varsavsky- modelos matemáticos y experimentación numérica

5/20/2018 01046021 VARSAVSKY- Modelos Matem ticos y Experimentaci n Num rica

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_________________________________________________________________________________Sntesis del captulo I Modelos matemticos y experimentacin numricaAMRICA LATINA: Modelos matemticos. Ensayos de aplicacin de modelos de experimentacin numrica a la

poltica econmica y las ciencias sociales.Oscar Varsavsky, Editorial Universitaria. Chile, 1971.

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Sntesis del captulo I Modelos matemticos y experimentacin numrica

Oscar Varsavsky, del libro AMRICA LATINA: Modelos matemticos. Ensayos de

aplicacin de modelos de experimentacin numrica a la poltica econmica y las ciencias

sociales.

Editorial Universitaria. Chile, 1971.

GENERALIDADES SOBRE MODELOS

La palabra modelo ser usada siempre en el sentido de imagen o representacin generalmente

incompleta y simplificada- de un sistema, proceso, organismo, fenmeno, artefacto, sociedad o

ente de cualquier clase, material o abstracto.

Al ente representado lo llamaremos siempre sistema. Todo sistema tiene componentes con

ciertas caractersticas o atributos y vinculadas por ciertas relaciones o conexiones, que son almenos las categoras que ms usamos al analizarlo.

Otra manera de considerar un sistema es el de la caja negra: Slo se distingue la salida

caracterstica de todo sistema, que describen lo que hace, el resultado de su actividad y la

entrada: factores variables que pueden influir sobre la salida. No se analiza el interior de la caja:

su mecanismo o teora.

Las caractersticas parciales o globales del sistema pueden variar a lo largo del tiempo: los

sistemas ms interesantes son dinmicos.

Los historiadores hacen modelos de civilizaciones, pases, pocas; los novelistas hacen modelosde grupos humanos imaginarios. La Anatoma, Fisiologa y Psicologa, ms el examen clnico, dan

al mdico un modelo de su paciente. Las leyes fsicas no son modelos, sino sugerencias para

relaciones entre componentes de los sistemas fsicos. Un nio tiene un modelo de cmo funciona

su televisor muy diferente al tcnico que lo construy, o al de un fsico terico.

Vemos con esto que no es posible olvidar al modelista al hablar de modelos. El modelista no

tiene por qu ser un individuo aislado; supondremos siempre que se trata d un equipo que aporta

varias experiencias individuales, adems de la experiencia social comn a todos. Pero de todos

modos un sistema puede tener diferentes modelos ni los mdicos ni los historiadores se ponen

fcilmente de acuerdo- incluso porque la experiencia hace cambiar de modelo a un mismo

modelista: el nio puede convertirse en fsico.

El uso de los modelos que ms nos interesa aqu es el que consiste en extraer conclusiones por

analoga: cualquier cosa que el modelo sugiera o implique puede a veces debe- tener su anlogo

en el sistema por l representado. En particular se pretende que sirvan como instrumento de

decisin, y a veces de prediccin cuantitativa. Para esto, por supuesto, la analoga tiene que ser

bastante completa y creble.

Otro uso de los modelos, menos mencionado pero tal vez no menos importante, es como simple

instrumento de descripcin y explicacin tentativas en los problemas cuya principal dificultad

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radica en la falta de definicin clara y unnime de las ideas.

Conceptos como sociedad, cultura, vida, yo, inteligencia, tienen un significado tan rico y complejo

que no se ha conseguido expresar de manera completa y satisfactoria para todos. Ms notable

an es esta situacin en los conceptos ticos y filosficos. Los modelos pueden usarse aqu para

intentar la reconstruccin de conceptos, que consiste simplemente en hacer modelos que imiten

algunas de las caractersticas de los conceptos y los sistemas tpicos en que aparecen, con susproblemas ms visibles. En etapas sucesivas se van agregando nuevas caractersticas que se

percibe que faltan, diversificando los modelos para seguir las distintas corrientes de opinin, si no

hay unanimidad. De esta manera aparecern por lo menos las dificultades lgicas (incoherencias,

huecos, etc.) y los caminos para superarlas. Se espera tambin que permita comparar claramente

las distintas opiniones, y mostrar qu atributos son incorporables al concepto y cules carecen de

significado racional.

Conviene distinguir dos niveles de modelos: mental y explcito. A los modelos explcitos los

dividiremos en tres clases: verbales, fsicos y matemticos, y entre estos ltimos ubicaremos la

Experimentacin Numrica.

a) Modelo mental de un sis tema

Contiene lo que sabemos y pensamos acerca del sistema a partir del momento en que lo

individualizamos y aprendemos a reconocerlo. Est formado por una descripcin del sistema

componentes y caractersticas que hemos aprendido a diferenciar en l- y una explicacin o teora

de su funcionamiento relaciones causales (siempre hipotticas) entre sus componentes- que nos

permite creer que podemos predecir en algn grado su comportamiento su salida-, y controlarlo

en algn otro grado.

Este modelo o imagen mental va corrigindose por ensayo y error, por experiencia propia o

comunicada, irracional o cientfica. Est en constante cambio en muchas de sus partes; otras, al

contrario, adquieren una rigidez casi total con el tiempo: prejuicio y dogmas.

Los criterios con que se construyen estos modelos son: importancia, conveniencia, experiencia y

razonamiento lgico; el orden, depende de la persona y el problema, pero en general lo ms

importante es la importancia, y lo menos frecuente, la deduccin lgica.

Los conceptos que se usan en la descripcin no son precisos sino difusos y cambiantes. No estn

todos presentes en la mente a la vez, lo cual explica que puedan cambiar de significado en partes

distintas del mismo modelo. Estas incoherencias dificultan mucho el comportamiento racional; ms

bien estimulan la paricin de asociaciones variadas, nuevos conceptos y un comportamiento

intuitivo cuando no simplemente irracional.

As una propiedad que la Lgica representa por el conjunto bien definido de los individuos que la

poseen- es aqu en realidad un conjunto borroso, al que cada individuo tiene un grado o

probabilidad de pertenecer, muchas veces intermedio entre s y no, y adems no conocido

conscientemente. En cada oportunidad se lo ubica en s o en no, pero esa ubicacin no es

permanente ni consistente.






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Las relaciones o hiptesis estn asimismo borrosamente definidas; no funcionan siempre de la

misma manera. Segn el uso que se quiere hacer del modelo, aparecen y desaparecen factores,

cadenas completas de relaciones son reemplazadas por afirmaciones apriorsticas, sofsticas o

irracionales, destinadas a obtener los resultados deseados.

[...]

b) Modelos explcitos

Son representaciones o sea, modelosde los modelos mentales, que los hacen comunicables,

estables y mejor definidos.

La relacin entre un modelo mental y su modelo explcito gira alrededor del concepto de

fidelidad, pero es muy compleja. Por una parte el modelo explcito difcilmente podr ser muy fiel

al mental, puesto que ste incluye todos los factores imaginables, con distintos pesos, y

explicitarlos requerira un tiempo enorme durante el cual el modelo mental puede haber sufrido

muchos cambios. Es necesario cortar en alguna parte, y as los modelos explcitos son siempre

simplificaciones: el modelo mental es ms rico, y por lo tanto mejor adaptado a mtodos de tipointuitivo.

Pero desde otro punto de vista, la fidelidad total no es conveniente, pues supondra aceptar todos

los defectos inconsistencias, lagunas, borrosidades- del modelo mental. En la prctica, por el

contrario, el modelo explcito influye sobre el mental a medida que se va construyendo y pone en

evidencia sus defectos.

La explicitacin tiene adems el efecto de favorecer los criterios objetivos (razonamiento lgico,

experiencia) contra los subjetivos (importancia, conveniencia).

Puede llegar un momento en esta interaccin en que el modelista acepta el modelo explcito; lo

usa tentativamente como sustituto del mental, y entonces queda sometido a las reglas de

validacin emprica.

[...]

b.1) Modelos verbales

Son las descripciones de modelos mentales en el lenguaje ordinario. El lenguaje ordinario se

adapt para describir sistemas importantes para la supervivencia y logr un xito considerable.

Pinsese que con unas pocas frases sobre cmo cultivar el trigo se tuvo un modelo que fue

suficiente para cambiar el destino de muchos pueblos, y que sera prcticamente imposible de

explicitar en el lenguaje de la fsica atmica, por ejemplo.

Adaptado pues a modelar ciertos sistemas, el lenguaje ordinario tiene rutinas que hacen que

esos modelos parezcan muy sencillos. Al aparecer sistemas muy diferentes comenzaron a verse

sus deficiencias e insuficiencias: no es bastante preciso, no sirve para manejar muchos factores al

mismo tiempo ni para iterar un razonamiento sencillo muchas veces; no es eficiente para razonar

a nivel general y abstracto.

La Matemtica y las ciencias naturales fueron las primeras en buscar nuevos lenguajes para

explicitar sus modelos.






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[...]

b.2) Modelos f sicos

Son representaciones de modelos mentales por medio de objetos o sistemas materiales, sean

artificiales o naturales.

Ejemplos: un modelo fsico de un avin es en realidad modelo del modelo mental del avin real elmodelo del avin puede preceder al avin real-, el modelo fsico de un ro cambia a medida que

nuestro conocimiento del ro cambia.

Todo experimento de laboratorio se hace con un modelo fsico. Un cobayo puede servir de modelo

de un hombre, para ciertos propsitos. Los modelos en escala, reducida o aumentada, son

conocidos por todos.

Al representa las componentes de un sistema con materiales fsicos, y sus relaciones por

interacciones fsicas, qumicas o biolgicas, se alcanza la deseada claridad y estabilidad de los

conceptos, y una simplicidad de manejo que puede ser decisiva. La complejidad que puedenalcanzar no es suficiente para las ciencias sociales, y el costo en general es elevado. Obligan

entonces a simplificaciones indebidas.

Tienen adems el defecto de introducir aspectos ajenos al problema, debido a los materiales

empleados, o a la escala. Y si bien no hay peligro de que nadie confunda el gusto de la manzana

con el de la pintura que la representa en una naturaleza muerta, hay muchos casos los modelos

hidrulicos por ejemplo- en que no es fcil separar los efectos espreos.

Estos modelos tienen una utilidad grande en las ciencias naturales, y como instrumentos

educativos (pinsese en los juguetes). Las computadoras son quizs el mximo ejemplo de su

podero.

b.3) Modelos formales o matemticos

Son los que usan como lenguaje a la Matemtica en sus distintas ramas.

Puesto que la formalizacin es un lenguaje creado especialmente para facilitar los razonamientos

lgico-deductivos, es natural que los modelos matemticos tengan xito en eliminar los defectos

principales que sealamos en los modelos mentales, y que el lenguaje verbal y el fsico slo

reparan a medias: inconsistencias, lagunas, borrosidad de conceptos y relaciones, poca

reproducibilidad, dificultad para hacer cadenas largas de implicaciones.

El modelo matemtico garantiza que se obtendrn muchas conclusiones vlidas, y slo

conclusiones vlidas, de las hiptesis que constituyen el modelo mental, sin introducir otras

hiptesis de contrabando.

[...]

GENERALIDADES SOBRE CONSTRUCCIN DE MODELOS MATEMTICOS

El concepto de componente puede ser tomado como primitivo. La misma palabra sistema evoca

un conjunto de componentes interconectadas, como las piezas de un mecanismo. Con cada






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componente se asocian sus atributos: variables referidas a l, y, adems, variables globales, que

se refieren a todo el sistema o a varios componentes al mismo tiempo.

Formalmente, una componente de un sistema no es ms que un subconjunto de variables de ste.

A veces se pide que entre las variables de dos componentes pueda establecerse una

correspondencia de significado. As en un modelo demogrfico, las componentes pueden ser las

regiones en que se divide el pas, y las variables de cada una llevan nombres comunes, comopoblacin masculina de 18 aos. Puede haber distintos criterios para definir componentes, que

incluso se superpongan parcialmente. As, en el ejemplo dado, podran tomarse a la vez como

componentes los sectores productivos del pas, o los grupos ocupacionales.

Con la palabra variable se designan los atributos o caractersticas que distinguimos en el

sistema, para indicar que tienen varios valores posibles y pueden variar de valor en el tiempo.

Los posibles valores de una variable forman un conjunto que llamamos su rango. El rango puede

tener todas las estructuras de los nmeros reales (suma, producto, orden, distancia, etc.), slo

algunas (frecuentemente el orden) o absolutamente ninguna (clases de una clasificacincualitativa, atributos que simplemente existen o no, etc.). A eso nos referimos cuando hablamos

de variables cuantitativas, cualitativas o intermedias.

Por conveniencia prctica, los valores de las variables se simbolizan casi siempre con nmeros,

por lo antedicho, eso no implica ninguna afirmacin sobre la posibilidad, realismo o conveniencia

de usar las estructuras de los nmeros.

As, si la variable es religin, y su rango est formado por los valores cristiana, mahometana,

hind, budista, etc., podemos simbolizar estos valores mediante los nmeros 1, 2, 3, 4, ..., pero

con eso no estamos aceptando que el budismo (4) est ms lejos del cristianismo (1), que elHinduismo (3) del islamismo (2), o que haya un orden segn el cual 1 es anterior (mejor, ms

popular, o lo que sea) que 2, etc. y mucho menos que 3 sea en algn sentido la suma de 1 y 2.

[...]

Esta definicin amplia del rango de una variable incluye entonces valores aleatorios y con error.

Como las mediciones siempre tienen una precisin determinada (y las computadoras un nmero

finito de cifras) y cotas mxima y mnima, es posible considerar que toda variable tiene rango

finito.

Este punto de vista opuesto al clsico esfuerzo por cuantificar lo ms posible todas las variables-tiene muchas ventajas conceptuales y se adapta mejor a la computacin. Para nosotros todas las

variables tendrn pues rango finito, y el uso de nmeros reales se considerar una aproximacin a

veces conveniente.

Decir que la variable es aleatoria significa entonces que se asignar una probabilidad a cada uno

de los valores de su rango. Si la estructura algebraica del rango lo permite, podr definirse un

valor medio y dems parmetros estadsticos.

El tiempo tambin se considera una variable discreta, pues siempre puede darse un intervalo

mnimo por debajo del cual no hay cambio que interese ni prctica ni tericamente, para el






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sistema en estudio. An los sistemas fsicos de alguna complejidad, en ltima instancia se

analizan numricamente, lo cual implica usar tiempo discreto.

Cada atributo del sistema es entonces una serie temporal que indica el valor de esa variable en

cada intervalo. La eleccin del tamao del intervalo no es trivial: no puede ser demasiado pequeo

porque alarga los clculos y aumenta los errores numricos, ni ms grande que la duracin de los

procesos ms cortos. No es forzoso usar intervalos de la misma duracin.

El comportamiento de un sistema se describe a lo largo del tiempo mediante un conjunto de

atributos, caractersticas, sntomas o ndices; series temporales que llamaremos "variables de

estado porque sus valores en el tiempo dado constituyen el estado del sistema en ese momento.

Las variables de estado deben incluir todos los atributos del sistema importantes por s mismos o

necesarios para explicar su funcionamiento. Dependen de los objetivos del estudio: el nivel de

ruido en una fbrica puede ser una variable de estado importante para un mdico, pero no para el

inspector de impuestos.

Cuando se estudia un sistema social en un momento dado por medio de un censo o encuesta, lasvariables de estado son las preguntas del cuestionario, y sus rangos las respuestas posibles. La

misma encuesta, repetida trimestralmente, dara una serie temporal trimestral para cada variable.

Las componentes estn conectadas por hiptesis o leyes sobre las relaciones causales entre sus

atributos. Componentes y conexiones dan una imagen grfica del sistema, en rigor innecesaria,

pero cmoda para pensar.

Los distintos tipos de variables y conexiones pueden describirse mejor haciendo un esquema de

cmo construir un modelo matemtico. Se supone en primer lugar que el sistema en estudio est

bien identificado, cosa que no siempre ocurre en la prctica y que depende de la imagen delmundo que tenga el investigador (por ejemplo, para decidir si ciertos factores se consideran

pertenecientes al sistema o al medio).

Primer paso: se expresan los objetivos del estudio en trminos de variables bien definidas en

cuanto a su contenido emprico: las variables de salida o indicadores. Bien definidas significa que

se dan sus rangos y se sabe como evaluarlas en la realidad a satisfaccin del usuario. Este paso

es la descripcin normativa del sistema; contiene todo lo que interesa averiguar como objetivo del

estudio. Todas las dems variables se introducen y tratan en funcin de stas. Las variables de

salida son variables de estado.

Segundo paso: se identifican todas aquellas variables que influyen sobre los valores de la salida.

Vamos a distinguir tres tipos de ellas:

i) Controles o variables instrumentales

Sus valores durante el perodo en estudio pueden variarse a voluntad, dentro de ciertos lmites.

Las decisiones se refieren a ellos.

Son exgenos, y representan las polticas a ensayar. A veces no parecen exgenos pues sus

valores dependen de lo que ocurre en el sistema; pero en realidad lo que es exgeno es la






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estrategia o plan de accin, que tiene previstas de antemano respuestas a todas las

eventualidades.

Hay un tipo d modelos (como los juegos de empresa) en que el usuario se informa de tanto en

tanto del estado del sistema y en ese momento elige los valores de los controles, en vez de tener

todo decidido desde el comienzo.

ii) Variables exgenas o condiciones de contorno

Influyen en el sistema pero no son influidos por l en primera aproximacin- ni controlables a

voluntad.

iii) Variables endgenas

Son todas las dems variables necesarias para calcular la salida, incluso las de salida. Sus

valores se calculan en funcin de las exgenas, los controles, y valores anteriores de ellas

mismas.

Algunas se introducen simplemente por comodidad de clculo: se las llama variables intermedias;las dems son las variables de estado: tienen inters propio porque sus valores constituyen por

definicin la descripcin del sistema. De stas hay que dar los valores iniciales, del perodo

bsico, o sea el anterior al primer perodo que se calcula.

Tercer paso: se dan las hiptesis sobre el mecanismo causal del sistema, es decir, se indica

explcitamente cmo calcular la salida en funcin de las dems variables endgenas, exgenas y

controles.

Dados los valores de la entrada (controles, exgenas y valores iniciales de las variables de

estado) se llega a los valores de la salida por una sucesin de pasos intermedios; cada uno destos es una relacin o conexin (ley natural o simple hiptesis) entre varias variables, que

permite calcular algunas de ellas, conocidas las dems.

Esta conexin puede ser:

Una definicin, explcita o implcita

Una ley o hiptesis causal (ecuacin de comportamiento), en la que algunas de las variablesfuncionan como factores independientes causas- y otras como dependiendo causalmente de

aquellas.

[...]

MODELOS DE SIMULACIN

Este nombre se aplica hoy a todo modelo matemtico ms o menos realista que se resuelve

numricamente.

Las definiciones en boga son muy amplias:

Naylor (1966) define simulacin como una tcnica numrica para hacer experimentos en una

computadora digital, que usa ciertos tipos de modelos matemticos y lgicos que describen el

comportamiento d un sistema durante extensos perodos de tiempo real.






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Segn Mize y Cox (1968) Simulacin es un proceso de hacer experimentos con un modelo de un

sistema en vez de, 1) experimentos sobre el sistema mismo, o 2) solucin analtica directa de

algn problema asociado con el sistema.

[...]

Churchman (1963), en cambio, recalca que la diferencia entre los modelos de Simulacin y los

dems es que las reglas de validacin son non-error free; requieren un muestreo de entidades

relevantes.

[...]

Algunas caractersticas generales de estos problemas:

Son procesos, con varias etapas cuya secuencia temporal es importante.

Sus componentes son desagregados al mximo

El proceso es esencialmente aleatorio: casi todas las etapas y relaciones contienen variables

aleatorias cuya distribucin es dato.

Son modelos genricos: aunque el sistema en estudio es muchas veces nico, el proceso que

interesa se repite en la realidad muchas veces en iguales condiciones a lo largo del tiempo, lo

cual permite estimar empricamente las distribuciones de las variables aleatorias y otros datos,

y verificar predicciones del modelo antes de usarlo como criterio de decisin.

Interesa el funcionamiento del sistema en estado estacionario, de equilibrio.

El medio ambiente es relativamente controlable. Las variables son casi todas cuantificables.

Ocupan una posicin media entre los sistemas tpicamente fsicos y los sociales.Un modelo de simulacin es una descripcin formalizada en lenguaje de computadora- de todos

los detalles relevantes del proceso en estudio, en su secuencia real, incluyendo todos los factores

que se desee y tomando en cuenta todos los lapsos que transcurren. Todas las incertidumbres

estn dadas explcitamente mediante variables aleatorias.

Un experimento numrico con ese modelo consiste en simular un caso particular. Se hace correr

el modelo en la computadora con valores fijos para los parmetros ciertos, y generando por medio

de nmeros al azar (con las distribuciones dadas) los valores de las variables aleatorias. Esto se

hace durante un tiempo que se considera significativo, o hasta que alguna convencin da el

experimento por terminado.

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