Вычислительный (или компьютерный) эксперимент во многом аналогичен обычному (натурному). Это и планирование экспериментов, и создание экспериментальной установки, и выполнение контрольных испытаний. Затем следует проведение серийных опытов, обработка экспериментальных данных, их интерпретация и т. д. Однако вычислительный эксперимент проводится не над реальным объектом, а над его математической моделью.
Широкое применение ЭВМ в математическом моделировании, на основе хорошо разработанной теории, позволяет получать значительные практические результаты. И можно говорить о вычислительном эксперименте как о новой технологии и методологии научных и прикладных исследований.
Достоинства вычислительного эксперимента очевидны. Вычислительный эксперимент, как правило, дешевле физического. В этот эксперимент можно легко и безопасно вмешиваться. Его можно повторить и прервать в любой момент. В ходе этого эксперимента можно смоделировать условия, которые не получается воссоздать в лаборатории.
В ряде случаев проведение натурного эксперимента бывает затруднено или просто невозможно, так как изучаются быстропротекающие процессы, исследуются труднодоступные или вообще недоступные (пока) объекты и т.д. Часто проведение полномасштабного натурного эксперимента сопряжено с губительными или непредсказуемыми последствиями, с опасностью для жизни и здоровья человека (ядерная зима, поворот сибирских рек, генетическая модификация растений и животных). Нередко требуется исследование и прогнозирование результатов катастрофических явлений (глобальное потепление климата, землетрясение, авария ядерного реактора АЭС). В таких случаях вычислительный эксперимент может (и должен!) стать основным средством исследования. Заметим, что с его помощью оказывается возможным прогнозировать свойства новых, еще не созданных конструкций и материалов на стадии их проектирования. Применение вычислительного эксперимента в медицине позволяет изучать и предсказывать влияние медикаментов на состояние пациента, проводить предоперационное моделирование.
Основное ограничение вычислительного эксперимента определяются математической моделью лежащей в его основе.
Есть у вычислительного эксперимента и ограничения, связанные с математической стороной исследований. Например, с помощью численного подхода нельзя получить общей формулы, позволяющей оценить совместное влияние параметров, входящих в уравнения модели, на решение этих уравнений. Полное представление о таком влиянии дает только аналитическое исследование. Но далеко не всегда, для сложных задач в их полной постановке (без упрощений), аналитическое решение может быть найдено.
Нелинейные законы, большое число уравнений в модели и сложные геометрические формы исследуемых объектов часто создают непреодолимые сложности для существующих аналитических методов. С помощью же вычислительного эксперимента все эти трудности успешно преодолеваются.
Вычислительный эксперимент не может полностью заменить натурный, и будущее за их разумным сочетанием. Результаты натурного опыта являются фундаментом для построения теории на основе которой создается математическая модель. И надежным критерием, подтверждающим достоверность ее выводов, опять же является практика. Поэтому к результатам численного эксперимента, необходимо подходить с осторожностью, особенно, если в его основе лежит новая теория, либо используемые параметры модели находятся на границе области ее применимости.
В заключение хотелось бы отметить главное, что надо помнить, при проведении вычислительных экспериментов. Все существующие в настоящее время теории, применяемые на практике, включают в себя элементы эмпирического характера. Успех применения таких теорий в очень большой степени зависит от удачного задания исходных данных и выбора модели. Выбор этот предоставляется исследователю. Именно поэтому компьютер можно рассматривать лишь как своего партнера. Необходимо знать особенности математической модели, лежащей в основе вычислительного эксперимента, теорию на основе которой построена модель, ее допущения и ограничения.
Только при этом условии широкое применение специально «обученной» ЭВМ в прикладных исследованиях даёт положительный результат. Формальное же проведение расчетов может легко ввести в заблуждение!