歴史的には、シミュレーションという用語はいくつかの分野で独自に使われていた。しかし、20世紀になって、一般システム理論やサイバネティックスの研究により、コンピュータの各種利用をシミュレーションという用語で表すようになり、用語としての意味が統一されていった。
物理的シミュレーションと対話型シミュレーション [編集]
「物理的シミュレーション」とは、何らかの物理的な物体で実物を置き換えることを指す。置換する物体としては、実物よりも小さいものや安価なものが選ばれる。
「対話型シミュレーション」は物理的シミュレーションの特殊形態であり、シミュレーション環境内に人間が入り込むものを指す。例えば、フライトシミュレータやドライブシミュレータがある。
コンピュータシミュレーション [編集]
コンピュータシミュレーションは、実世界や何らかの仮説的状況をコンピュータ上でモデル化するもので、それによってそのシステムがどのように作用するのかを研究することができる。変数を変化させることで、システムの振る舞いについて予測を立てることができる。
コンピュータシミュレーションの面白い応用として、コンピュータを使ってコンピュータをシミュレートするというものがある。関連するソフトウェアとして、コンピュータ・アーキテクチャ・シミュレータと呼ばれるものは、命令セットシミュレータとフルシステムシミュレータに分けられる。
コンピュータシミュレーションは、物理学/化学/生物学における様々な自然科学的システムのモデル化、経済学/社会科学における人間に関わるシステムのモデル化、さらには工学におけるシステムのモデル化において、それらシステムの作用について洞察を得る助けとなる。シミュレーションにコンピュータを使うことの利便性を表す例として、ネットワーク交通量シミュレーションがある。このようなシミュレーションにおいては、その環境についての初期設定を変更するとモデルの振る舞いが変化する。一般にコンピュータシミュレーションは、人間との対話を排除した形で行われるものとされる。
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古来、システムの形式的モデル化には数学が用いられ、解析的な解を求めることで、あるパラメータと初期条件におけるシステムの振る舞いを予測する。コンピュータシミュレーションは、そのような単純な解法が不可能な場合の補助あるいは置換として使われることが多い。コンピュータシミュレーションには様々なタイプがあるが、それらに共通するのは、システムが取りうる全ての状態を列挙するのが不可能あるいは現実的でない場合に、そのモデルの代表的シナリオの標本を生成しようとするという点である。
モンテカルロ法や確率論的モデリングによるコンピュータシミュレーションは、モデル化が非常に簡単という特徴がある。
計算機科学におけるシミュレーション [編集]
計算機科学では、「シミュレーション」という言葉には特別な意味がある。アラン・チューリングは、離散状態機械の状態遷移表をコンピュータ上に置き、その機械の動作を行わせることを「シミュレーション」とした。
コンピュータ・アーキテクチャにおいては、扱いにくい種類のコンピュータで動作するプログラムの実行にシミュレータが使われたり、マイクロプログラムや場合によっては商用アプリケーションのデバッグにシミュレータが使われる。シミュレータではプログラマが任意の時点で様々な情報を参照することが可能であり、実行速度も好きなように設定できる。シミュレータを使ってフォルトツリー解析を行うこともある。また、大規模集積回路の論理設計は実際に製造に入る前にシミュレータでテストされる。例えば、シンボリックシミュレーションと呼ばれる手法がある。
理論計算機科学では、状態遷移系間の関係を「シミュレーション」と呼ぶ。これは特に操作的意味論の研究で使われる。
最適化問題の分野では、物理プロセスのシミュレーションが進化的計算と共に使われ、制御戦略の最適化を行う。