МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского Социологический факультет УТВЕРЖДАЮ ___________________________ "__" _________ 2011 г. Рабочая программа дисциплины (модуля) ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СОЦИАЛЬНОЭКОНОМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Направление подготовки 081100 – Государственное и муниципальное управление Профиль подготовки Квалификация (степень) выпускника Бакалавр Форма обучения очная Саратов 2011 1. Цели и задачи дисциплины. Программа «Основы математического моделирования социальноэкономических систем» составлена в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального обучения для направления подготовки 081100 – Государственное и муниципальное управление (квалификация (степень) бакалавр). Дисциплина «Основы математического моделирования социальноэкономических систем» относится к вариативной части математического и естественно-научного цикла. Математическое моделирование - это средство изучения реального объекта, процесса или системы путем их замены математической моделью, более удобной для экспериментального исследования с помощью ЭВМ. Изучение дисциплины «Основы математического моделирования социально-экономических систем» направлено на достижение следующих целей: приобретение студентами знаний об основах современных методов математического моделирования и исследования социально-экономических процессов, а также методов и способов использования математического моделирования в управлении производственными, муниципальными и государственными структурами с применением современных компьютерных и информационных технологий. Основные задачи дисциплины: выработать представления о моделировании социальных процессов; способствовать установлению взаимосвязей реальных процессов, явлений и их математических моделей, научить разрабатывать алгоритмы реализации математических моделей для социально-экономических процессов, реализации моделей на практике; подготовить к эффективной работе в современной организации. 2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата. Дисциплина «Основы математического моделирования социальноэкономических систем» относится к вариативной части математического и естественно-научного цикла. Математические методы являются интегративной дисциплиной, обеспечивают взаимосвязь естественных и социальных дисциплин. Изучение основ математического моделирования направлено на приобретение навыков работы с математическим инструментарием, анализа и прогнозирования социальных процессов, знаний основ методики оптимизации социально-экономических процессов. 3. Компетенции обучающегося, формируемые в результатам освоения дисциплины «Основы математического моделирования». Процесс изучения дисциплины направлен на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО по направлениям подготовки 040100 – Социология: общекультурных (ОК): владение культурой мышления, способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1); способность находить организационно-управленческие решения в нестандартных ситуациях (ОК-4); осознание социальной значимости своей будущей профессии, формирование высокой мотивации к выполнению профессиональной деятельности (ОК-8); использование основных положений и методов социальных, гуманитарных и общественных наук при решении социальных и профессиональных задач, способность анализировать социально-значимые проблемы и процессы (ОК-9); способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-11); владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-13); способность к социальной и профессиональной адаптации; профессиональных (ПК): способностью применять в профессиональной деятельности базовые и профессионально-профилированные знания и навыки по основам социологической теории и методам социологического исследования (ПК-1); умением оценивать соотношение планируемого результата и затрачиваемых ресурсов (ПК-7); умением обрабатывать и анализировать данные для подготовки аналитических решений, экспертных заключений и рекомендаций (ПК-8); способностью использовать методы сбора, обработки и интерпретации комплексной социальной информации для решения организационно-управленческих задач, в том числе находящихся за пределами непосредственной сферы деятельности (ПК11); умением определять социальные, политические, экономические закономерности и тенденции (ПК-16); умением обобщать и систематизировать информацию для создания баз данных, владением средствами программного обеспечения анализа и моделирования систем управления (ПК-17); способностью адаптировать основные математические модели к конкретным задачам управления (ПК-23); умением моделировать административные процессы и процедуры в органах государственной власти субъектов Российской Федерации (ПК-25). В результате изучения дисциплины студент должен знать: теоретические основы моделирования как научного метода; основные задачи, решаемые с помощью математического моделирования; современные математические методы и компьютерные средства моделирования социальных процессов; условия применения математических методов для формализации социальных процессов; когнитивный инструментарий, облегчающий поиск эффективных решений социальных проблем; Иметь представление: об истории и развитии математического моделирования; о роли моделирования в социологии; об условиях и границах применимости моделирования; об основных видах содержательных и формальных моделей социальных процессов; о прогнозировании будущего и оценке рисков, основанных на адекватных научных моделях Уметь: анализировать поставленную задачу и выявлять логические взаимосвязи; строить базовые математические модели исследуемых систем проводить аналитическое исследование и оптимизацию моделей; уметь применять полученные знания при изучении других дисциплин социологического цикла для оптимизации процессов обработки социологических данных. Владеть: основными навыками построения, аналитического и численного исследования математических моделей сложных социальных систем с применением компьютерных технологий. 4. Структура и содержание дисциплины Трудоёмкость дисциплины составляет 5 зачётных единиц - 180 часов, из них 72 аудиторных. № п/п Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) Раздел дисциплины Семе стр семи нарс кие СРС Формы промежуточной аттестации (по семестрам) лек ции практ ическ ие 1,2 4 4 8 тест 1 Математическое компьютерное моделирование 2 Динамические 7 модели социальных процессов 3,4,5 6 6 12 тест 3 Применение 7 аппарата теории игр к моделированию социальных явлений 6,7,8 6 6 12 реферат, тест 4 Правило большинства 7 9,10 4 4 8 тест 5 Оптимизационные модели 7 11,12, 8 8 16 контрольная работа 4 4 8 тест 6 и 7 Неделя семестра Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Модели и методы 7 измерения в 13,14 15,16 социологии 7 Использование 7 различных методов анализа эмпирических данных ИТОГО 17,18 4 4 8 реферат 36 36 72 экзамен 1. Математическое и компьютерное моделирование Тема 1. Классификация видов моделирования Тема 2. Математическое моделирование сложных систем Понятие сложной системы. Понятие математического моделирования. Тема 3. Проблемы математического моделирования социальных процессов Особенности применения математических методов в социальных науках. Границы применимости математических методов. Основные классы математических методов в социологии. 2. Динамические модели социальных процессов Тема 4. Дифференциальные уравнения. Обыкновенные дифференциальные уравнения первого порядка. Уравнения с разделяющимися переменными. Другие типы уравнений и систем дифференциальных уравнений. Тема 5. Процессы социального взаимодействия в малых группах Простая форма детерминистской модели процесса. Процессы с обратной связью. Модель Саймона Тема 6. Процессы социальной диффузии в больших группах Базисная модель. Процесс диффузии «с истощением». Процесс диффузии «с заражением». Процесс диффузии «с истощением и заражением». 3. Применение аппарата теории игр к моделированию социальных явлений Тема 7. Элементы теории игр Понятие матричной игры. Стратегии матричной игры. Седловая точка и цена игры. Равновесие по Нэшу. Тема 8. Моделирование конфликтных ситуаций Конфликтная ситуация. Внешние факторы по отношению к конфликту. Рефлексивное управление. Передача информации. 4. Правило большинства. Тема 9. Проблема правила большинства Процедура голосования. Правила голосования (относительного большинства, относительного большинства, Борда, Кондорсе, диктатора). Пример. Тема 10. Уязвимость схем голосования Факторы, существенные при выборе процедуры голосования. Аксиомы коллективного предпочтения. Теорема Эрроу. 5. Оптимизационные модели. Тема 11. Задача линейного программирования. Постановка задачи линейного программирования. Основная теорема линейного программирования. Графический метод решения задачи линейного программирования. Симплекс-метод. Тема 12. Выпуклое программирование. Постановка задачи выпуклого программирования. Метод множителей Лагранжа. 6. Модели и методы измерения в социологии. Тема 13. Проблема измерения. Измерение и классификация. Критерии классификации методов измерения. Шкалирование. Тема 14. Математические методы в анализе эмпирической информации. Математическое ожидание и дисперсия. Мода, медиана, квартили. Распределение Гаусса. Однофакторный анализ. Проверка гипотезы о независимости двух случайных величин. Корреляция. Коэффициенты ранговой корреляции. Коэффициент Пирсона. 7. Использование различных методов анализа эмпирических данных. Тема 15. Регрессионная модель Множественная регрессия. Оценка параметров регрессионной модели по методу наименьших квадратов. Тема 16. Задача классификации. Постановка задачи классификации. Применение методов классификации. Дискриминантный анализ. Тема 17. Деревья решений. Деревья решений и области их применения. Структура дерева решений. Алгоритм формирования дерева решений по выборке. Пример построения дерева решения 5. Образовательные технологии. В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки реализация компетентностного подхода предусматривает широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий (кроссворд, кейсметод, решение проблемной ситуации мозговой атакой, рефераты и доклады, компьютерное тестирование) в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков студентов. 6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины. В список базовых объектов самостоятельной работы студентов входят следующие: Учебные тексты (литература, периодика, Интернет); Специальные тексты (материалы выступлений, презентаций); лекционные слайды; медиа-презентации, медиа-сопровождение лекций. Варианты использования указанных объектов следующие: изучение (прочтение, просмотр); передача сути и содержания (пересказ); анализ и критика содержания текста с точки зрения обсуждения использования инструментария предметной области; подготовка выступления по теме предметной области с использованием примеров, заимствованных в изученных объектах; использование примеров и иллюстраций из книг и повседневной жизни при ответе на экзамене/зачете. Примерный перечень вопросов для самостоятельной работы 1. Язык математики, его значение, языковые особенности математического моделирования явлений и процессов социальной природы 2. Направления прикладного системного анализа. 3. Когнитивный подход к изучению социальных систем. 4. Роль моделирования в социологии. 5. Основные понятия теории социальных изменений. 6. Когнитивный подход к анализу социокультурной динамики. 7. Свойства и принципы математического моделирования явлений и процессов социальной природы 8. Теоретико-групповой подход к моделированию воспроизводственных циклов общественных систем. 9. Моделирование жизнедеятельности социальных групп спектрами воспроизводственных циклов в сферах их образа жизни. Представление социума и его развитие как динамического изменения системы взаимодействующих циклов жизнедеятельности. 10. Инновационные процессы. 11. Моделирование цикла Кондратьева как инновационного цикла в смене технологических укладов. 12. Социально-демографические циклы смены поколений. Модели Мальтуса, Ферхюльста и Лесли. 13. Моделирование процесса возникновения городского населения – «нижегородская модель». 14. Динамическая модель этнической самоидентификации для исследования этно-политических конфликтов. 15. Переходные процессы в социальных системах. 16. Когнитивная модель Г.Бейтсона (схема) и объяснение ущербности западной техногенной цивилизации. 17. Современные теории структурной динамики. 18. Формальные модели социальных процессов. Примерные задания Задание №1 . Приводится пример построения предметной модели в соответствии с определением модели. Пример: Перестановка мебели – моделирование комнаты прямоугольником бумаги с отрезками для окон и двери и бумажными фигурами для мебели, находящимися в геометрически подобных отношениях с реальными размерами комнаты и предметами мебели. Приведите в виде описанной модели характерную, для каких либо этносов организацию их жилого пространства, например, русской избы, японского домика для чайной церемонии и т.д. Задание № 2. Привести примеры «физического» моделирования семейных отношений и знакового моделирования отношений в малых группах. Задание №3. Построить графы n = 5, 6 и 7 – мерных кубов. Представив ребро куба как полярную шкалу, например, «смелый – робкий», «красивый – безобразный» и т.п., построить для полюсов шкалы внутренне непротиворечивый классификатор личности, индивида – из 2n классов. Задание №4 . Используя материал лекций, построить орграф и определить гамильтонов путь: «в каком порядке одеваться бойцу- новобранцу, чтобы не получить наряды вне очереди при утреннем построении»; Ф – галифе; М – подсумок; Г – гимнастерка; Р – ремень; Ш – скатка из шинели; П – портянки; С – сапоги; К – «калаш». Г М; Г Р; Р Ш; П С; Ф П; Ф Р; Ф С; Ф Г; П К; Г Ш; Р М Ш К; М Ш; … ? Задание №5 . Используя материал лекций, построить орграф и определить гамильтонов путь: «на основе анализа действий противостоящих сторон при протекании сражения на Куликовом поле составить алгоритм победы русских войск». Результат анализа представить в виде символьной записи, аналогичной записи в задаче 4). Задание № 6. Пусть заданы две переменные а и b, которые могут принимать только два значения (0, 1). Написать таблицы логического умножения и сложения (булевы операции) этих переменных. Задание № 7. Пусть задан некоторый 4-х вершинный орграф без петель. Построить матрицу этого графа. Получить квадрат этой матрицы, в котором операции арифметического сложения и умножения заменены булевыми операциями. Задание № 8. Пусть задана группа перeстановок на множестве из трех элементов {1, 2, 3}. Каков порядок этой группы? Построить таблицу умножения для всех перестановок группы. На базе таблицы умножения найти две подгруппы этой группы. Как соотносятся порядки этих подгрупп с порядком группы? Задание №9. Нарисовать граф, являющийся ключевым условием невозможности существования интервального графа. Задание № 10. Модельно представив некий социум в качестве системы связанных колебательных контуров (осцилляторов), дать интерпретацию обрыва части этих связей, например, из-за сужения межсубъектных коммуникаций в силу роста связных и транспортных тарифов, с помощью теоремы Рэлея-Куранта –Фишера. Задание № 11. Если принять справедливой модель хаотизации процессов в социуме и допустить сохранность его связности, то какой параметр в этой модели описания социума является определяющим в оценке времени его распада? Задание № 12. Написать простейшее демографическое уравнение и проинтерпретировать изменение численности популяции в зависимости от соотношения коэффициентов рождаемости и смертности. Задание № 13 Написать аналитическое выражение для определения периода цикла этнической самоидентификации. Во сколько раз надо изменить и как (увеличить или уменьшить?) порог восприятия аудио-, видио- информации, чтобы уменьшить этот период в два раза? Вопросы для письменной работы Билет 1 1. Дать определение модели, используя диаграмму. Привести примеры моделирования (для социальных процессов, явлений и т.п.). 2. Зачем моделируют? 3. Чему равна сумма квадратов членов последовательности Фибоначчи ? Билет 2 1. Дать определение модели, используя диаграмму. Привести примеры моделирования (для социальных процессов, явлений и т.п.). 2. Почему моделируют? 3. Вывести формулу «золотого вурфа»: W = Fn+2/2 Fn . Билет 3 1. Что такое алгоритм? Привести примеры алгоритмов описания процессов “живой природы”. 2. Показать на двойной триаде взаимосвязь между моделью, алгоритмом и программой и объяснить, зачем модельер должен быть «полиглотом». 3. Привести пример геометрического алгоритма какого-либо процесса или явления из жизни социума. Билет 4 1. Что такое алгоритм? В чем отличие программы от алгоритма? 2. Что такое познавательная модель - ПМ? Какие ПМ вы знаете? Объясните, зачем модельеру надо знать все множество ПМ. 3. Привести пример геометрического алгоритма какого-либо процесса или явления из жизни социума. Билет 5 1. Нарисовать схему для этапов моделирования в социологии. 2. Сформулировать основные позиции «примерной» Программы социологического исследования и объяснить место моделирования в его методологии. 3. В качестве одного из методических принципов исследования многомерного объекта с помощью теории графов доказать теорему о сведении конечного многомерного графа к графу трехмерному. Каков смысл «проклятия размерности» в данном контексте? Билет 6 1. Нарисовать схему для этапов моделирования в социологии. 2. Сформулировать основные позиции Программы социологического исследования и объяснить место моделирования в его методологии. 3. Объяснить самые общие методические принципы исследования многомерного объекта с помощью теории графов. Задача: Зная графовый образ 4- х мерного куба, построить аналогичный граф для 5-ти мерного куба. Используя полученный граф, привести пример типов индивидов, получающихся из комбинаторики полярных качеств на шкалах «семантического дифференциала», например, для 3-х мерного куба: «смелый-быстрый-сильный», «робкиймедлительный-слабый», «смелый – медлительный – сильный» и т.д. Билет 7 1. Аксиоматика Хайдера знаковых 3-графов структурного баланса для моделирования отношений в малых группах. Критерий сбалансированности знакового графа (теорема Хайдера-Картрайта- Харари ). 2. Понятие гамильтонового пути, теоремы Кёнига (Фаулкса), Дирака и примеры упорядочения множества факторов, детерминирующих некоторое качество социальной системы. Смысл умножения квадратных матриц на себя в задачах на поиск гамильтонова пути. 3. Применить теорему Картрайта – Хайдера – Харари к оценке сбалансированности ниже приведенного знакового графа: - Задача . Матрицей 5х5 задан знаковый граф для отношений между А – Алексеем, Б – Борисом, В – Валей, Г – Галей, Д- Данилой А +1 0 -1 -1 +1 -1 0 -1 Б 0 -1 0 +1 В -1 0 0 +1 -1 -1 +1 +1 Г Д 1) используя матрицу, построить граф «симпатий – антипатий» в группе из 5 человек; 2) применяя теорему Картрайта-Хайдера-Харари, ответить на вопрос о сбалансированности отношений в этой группе. Билет 8 1. Что такое «проклятие перебора» в науках о живом, и как эта трудность преодолевается прикладной теорией графов? 2. Применение булевой алгебры в алгоритме Фаулкса. Рассказать на примере последовательность операций в алгоритме Фаулкса. 3. Задача. Матрицей 5х5 задан знаковый граф для отношений между А – Александрой, Б – Борисом, В – Верой, Г – Гришей, Д- Дашей А -1 0 +1 +1 -1 +1 0 +1 Б 0 +1 0 -1 В +1 0 0 -1 +1 +1 -1 -1 Г Д 1) используя матрицу, построить граф «симпатий – антипатий» в группе из 5 человек; 2) применяя теорему Картрайта-Хайдера-Харари, ответить на вопрос о сбалансированности отношений в этой группе. Билет 9 1. Назовите фазы моделирования, предшествующие математической формализации. 2. Назовите 3- 5 качественных отличий математических моделей в социологии от аналогичных моделей в естествознании (воспользоваться «метафорической графикой»). 3. Пусть задано шесть операций: A, B, C, D, E, F, между которыми существуют следующие соотношения: A B B C CD ED FD AD BD FE AF BE BF Построить орграф и найти, удостовериться, что существует хотя бы один гамильтонов путь. Обозначить на графе хотя бы один из них. Вопросы к зачету по дисциплине «Основы математического моделирования социально-экономических процессов» 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Классификация видов моделирования Понятие сложной системы. Понятие математического моделирования. Особенности применения математических методов в социальных науках. Границы применимости математических методов. Основные классы математических методов в социологии. Обыкновенные дифференциальные уравнения первого порядка. Уравнения с разделяющимися переменными. Другие типы уравнений и систем дифференциальных уравнений. Процессы социального взаимодействия в малых группах. Простая форма детерминистской модели процесса. Процессы с обратной связью. Модель Саймона. Процессы социальной диффузии в больших группах. 15. Базисная модель. 16. Процесс диффузии «с истощением». 17. Процесс диффузии «с заражением». 18. Процесс диффузии «с истощением и заражением». 19. Понятие матричной игры. 20. Стратегии матричной игры. 21. Седловая точка и цена игры. 22. Равновесие по Нэшу. 23. Конфликтная ситуация. 24. Внешние факторы по отношению к конфликту. 25. Рефлексивное управление. 26. Передача информации. 27. Процедура голосования. 28. Правила голосования (относительного большинства, относительного большинства, Борда, Кондорсе, диктатора). 29. Факторы, существенные при выборе процедуры голосования. 30. Аксиомы коллективного предпочтения. 31. Теорема Эрроу. 32. Постановка задачи линейного программирования. 33. Основная теорема линейного программирования. 34. Графический метод решения задачи линейного программирования. 35. Симплекс-метод. 36. Постановка задачи выпуклого программирования. 37. Метод множителей Лагранжа. 38. Измерение и классификация. 39. Критерии классификации методов измерения. 40. Шкалирование. 41. Математическое ожидание и дисперсия. 42. Мода, медиана, квартили. 43. Распределение Гаусса. 44. Однофакторный анализ. 45. Проверка гипотезы о независимости двух случайных величин. 46. Корреляция. 47. Коэффициенты ранговой корреляции. 48. Коэффициент Пирсона. 49. Множественная регрессия. 50. Оценка параметров регрессионной модели по методу наименьших квадратов. 51. Постановка задачи классификации. 52. Применение методов классификации. 53. Дискриминантный анализ. 54. Деревья решений и области их применения. 55. Структура дерева решений. 56. Алгоритм формирования дерева решений по выборке. 57. Пример построения дерева решения. 7. Учебно-методическая литература по курсу «Основы математического моделирования» Основная литература: 1. Агабекян Р.Л., Кириченко М.М., Усатиков С.В. Математические методы в социологии. Анализ данных и логика вывода в эмпирическом исследовании. Учеб. пособие для вузов. Ростов-на-Дону: Феникс, 2005. 2. Гуц А.К., Фролова Ю.В. Математические методы в социологии/ Изд.2/ Синергетика: от прошлого к будущему. – М.: URSS, 2010. – 216 с. Дополнительная литература: 1. Дудов С.И., Сидоров С.П. Курс математической экономики. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2002. 2. Плотинский Ю.М. Модели социальных процессов. M.: Логос, 2001. 3. Протасов И.А. Теория игр и исследование операций. М.: Гелиос АРВ. 2003. 4. Гуц А.К., Коробицын В.В., Лаптев А.А., Паутова Л.А., Фролова Ю.В. Социальные системы. Формализация и компьютерное моделирование: Учебное пособие. Омск: Омск. гос. ун-т, 2000 5. Гуц А.К., Коробицын В.В., Лаптев А.А., Паутова Л.А., Фролова Ю.В. Компьютерное моделирование. Инструменты для исследования социальных систем: Учебное пособие. Омск: Омск. гос. ун-т, 2001 6. Ромашкина Г.Ф. Моделирование в системе управления социальными процессами. ТГНГУ, Тюмень: Вектор Бук, 2002 г. 189 с. 7. Ромашкина Г.Ф. Теоретико-социологические аспекты моделирования в управлении. Тюмень: ТГНГУ, 2003. 186 с Интернет-ресурсы Адреса электронных библиотек: http://web-local.rudn.ru – учебный портал РУДН http://venec.ulstu.ru/lib/ – электронная библиотека полнотекстовых учебных и научных изданий УлГТУ http://www.twirpx.com – большая библиотека по различным направлениям http://www.edu.ru – федеральный портал «Российское образование» http://www.intuit.ru – Интернет-Университет Информационных Технологий http://www.ph4s.ru/book_pc_model.html – электронные учебники по моделированию http://lib.socio.msu.ru – Электронная библиотека социологического факультета МГУ. http://www.i-u.ru – Русский Гуманитарный Интернет-Университет http://www.elitarium.ru – дистанционное интернет-образование http://orel.rsl.ru/ – открытая русская электронная библиотека. 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля) Компьютерный класс, оргтехника, мульти-медиа, доступ к сети интернет (во время самостоятельной подготовки). Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 081100 – Государственное и муниципальное управление (квалификация (степень) бакалавр). Автор: Седавкина Ю.А., ассистент кафедры социальной информатики _______ Зав. кафедрой социальной информатики _________ И.Г. Малинский Программа одобрена на заседании кафедры теории и истории социологии социологического факультета СГУ Протокол № от ____________ 2011 года. Декан социологического факультета, _________ Г.В. Дыльнов