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La simulation informatique ou numérique est l'exécution d'un programme informatique sur un ordinateur ou réseau en vue de simuler un phénomène physique réel et complexe (par exemple : la chute et les rebonds d’un corps sur un support mou, la résistance d’une plateforme pétrolière à la houle, la fatigue d’un matériau sous sollicitation vibratoire, l'usure d’un roulement à billes…). Les simulations numériques scientifiques reposent sur la mise en œuvre de modèles théoriques utilisant souvent la technique des éléments finis. Elles sont donc une adaptation aux moyens numériques de la modélisation mathématique, et servent à étudier le fonctionnement et les propriétés d’un système modélisé ainsi qu’à en prédire son évolution. On parle également de calcul numérique. Les interfaces graphiques permettent la visualisation des résultats des calculs par des images de synthèse.
Ces simulations informatiques sont rapidement devenues incontournables pour la modélisation des systèmes naturels en physique, chimie et biologie, mais également des systèmes humains en économie et en science sociale. Elles permettent de limiter le risque et d'éviter le coût d'une série d'épreuves réelles (ex. : essais de véhicules). Elles peuvent offrir un aperçu sur le développement d'un système trop complexe pour simuler avec de simples formules mathématiques (ex. : ouragan)[1].
La simulation numérique est utilisée pour :
En sciences sociales, la simulation informatique fait partie d'un des cinq angles de collecte de données dans la méthode plus générale dite de percolation de données[2], qui couvre aussi conjointement les méthodes quantitatives et qualitatives, la revue des écrits (y compris les écrits scientifiques), et les interviews d'experts. À ce chapitre, la percolation des données offre une vision et une méthode plus complètes que la triangulation des données lors de l'analyse des phénomènes sous observation.
Les résultats de la simulation numérique ne sont pas la réalité. Des écarts, voire des comportements radicalement différents peuvent apparaître entre les deux (par exemple : simulations numériques des prévisions météorologiques). La simulation numérique n’est qu’une représentation du réel assise sur le modèle théorique sous-jacent. Si le modèle théorique ainsi informatisé ou ses paramètres d'entrée sont erronés, les résultats calculés sont faux et peuvent amener à des prises de décision elles-mêmes erronées. En particulier, un modèle est construit pour un usage donné et son emploi dans un autre contexte a de fortes chances d’engendrer des résultats faux (voir validation des simulations).
Cette critique épistémologique peut être résumée ainsi : « la carte n’est pas le territoire »[réf. nécessaire].
La simulation numérique tend à devenir un outil indispensable d’ingénierie des objets industriels complexes du fait de sa rapidité de mise en œuvre (par exemple : simulation de crashes automobiles, exploration des domaines de vol aéronautiques, simulation de bombes atomiques…). Elle ne doit cependant pas être utilisée sans prise de recul scientifique, ni prudence professionnelle.
L’analyse critique des résultats, la vérification de la validité des modèles théoriques utilisés, la confrontation des résultats prédits à l’expérience… sont des réflexes d’ingénieur nécessaires et qui font alors partie même de l’éthique du professionnel utilisateur.
La simulation informatique est apparue en même temps que l’informatique pour les besoins du projet Manhattan pendant la Seconde Guerre mondiale, afin de modéliser le processus de détonation nucléaire. La première simulation numérique « civile » en physique théorique fut l’expérience de Fermi-Pasta-Ulam (1953). Depuis, elle a évolué parallèlement à l’informatique.
On peut distinguer trois catégories de simulations :
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