Detail předmětu
Vysoce náročné výpočty
FIT-VNVAk. rok: 2020/2021
Předmět je zaměřen na praktické metody řešení náročných vědecko-technických úloh. Provádí se srovnání numerických metod a hodnotí se stabilita numerického výpočtu. Důraz je kladen na pochopení problematiky metod proměnného řádu a kroku (hp-metody). Pro numerické řešení obyčejných diferenciálních rovnic se používá originální metoda založená na přímém využití Taylorovy řady. K dispozici je simulační jazyk TKSL (FOS) s rovnicovým zápisem zadaného problému. Uvádí se těsná souvislost rovnicového a blokového zápisu a analyzuje se blokové schéma jako datový vstup. Analyzují se následující technické problémy: Řešení rozsáhlých soustav algebraických a diferenciálních rovnic, výpočet určitých integrálů, řešení elektrických obvodů, řešení úloh z oblasti mechaniky a proudění kapalin. Většina technických úloh vede na maticový zápis. Jednotlivé technické problémy budou rovněž řešeny v prostředí MATLAB/Simulink.
Jazyk výuky
Počet kreditů
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Schopnost transformovat vědecko-technické úlohy na paralelní výpočty.
Pro vybrané zájemce bude uskutečněna návštěva superpočítače na VŠB v Ostravě (Anselm, Salomon) a návštěva spolupracujícího pracoviště na TU Wien.
Způsob a kritéria hodnocení
Učební cíle
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky
Základní literatura
Burden, R. L.: Numerical analysis, Cengage Learning, 2015
Butcher, J. C.: Numerical Methods for Ordinary Differential Equations, 3rd Edition, Wiley, 2016.
Corliss, G. F.: Automatic differentiation of algorithms, Springer-Verlag New York Inc., 2002
Duff, I. S.: Direct Methods for Sparse Matrices (Numerical Mathematics and Scientific Computation), Oxford University Press, 2017
Golub, G. H.: Matrix computations, Hopkins Uni. Press, 2013
Griewank, A.: Evaluating Derivatives: Principles and Techniques of Algorithmic Differentiation, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2008
Hairer, E., Norsett, S. P., Wanner, G.: Solving Ordinary Differential Equations I, vol. Nonstiff Problems. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1987.
Hairer, E., Wanner, G.: Solving Ordinary Differential Equations II, vol. Stiff And Differential-Algebraic Problems. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1996.
Kunovský, J.: Modern Taylor Series Method, habilitation thesis, VUT Brno, 1995
LeVeque, R. J.: Finite Difference Methods for Ordinary and Partial Differential Equations: Steady-State and Time-dependent Problems (Classics in Applied Mathematics), 2007
Meurant, G.: Computer Solution of Large Linear System, North Holland, 1999
Press, W. H.: Numerical recipes : the art of scientific computing, Cambridge University Press, 2007
Saad, Y.: Iterative methods for sparse linear systems, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2003
Shampine, L. F.: Numerical Solution of ordinary differential equations, Chapman and Hall/CRC, 1994
Strang, G.: Introduction to applied mathematics, Wellesley-Cambridge Press, 1986
Strikwerda, J. C.: Finite Difference Schemes and Partial Differential Equations, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2004
Šebesta, V.: Systémy, procesy a signály I. VUTIUM, Brno, 2001.
Vavřín, P.: Teorie automatického řízení I (Lineární spojité a diskrétní systémy). VUT, Brno, 1991. (CS)
Doporučená literatura
Hairer, E., Norsett, S. P., Wanner, G.: Solving Ordinary Differential Equations I, vol. Nonstiff Problems. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1987. (EN)
Hairer, E., Wanner, G.: Solving Ordinary Differential Equations II, vol. Stiff And Differential-Algebraic Problems. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1996. (EN)
Kozubek, T., Brzobohatý, T., Jarošová, M., Hapla, V., Markopoulos, A.: Lineární algebra s MATLABem, učební text MI21 VŠB-TU Ostrava, 2012 (elektronicky dostupné z http://mi21.vsb.cz/sites/mi21.vsb.cz/files/unit/linearni_algebra_s_matlabem.pdf) (CS)
Lecture notes in PDF format (EN)
Přednášky ve formátu PDF (CS)
Source codes (TKSL, MATLAB) of all computer laboratories (EN)
Vitásek, E.: Základy teorie numerických metod pro řešení diferenciálních rovnic. Academia, Praha 1994. (CS)
Zdrojové programy (TKSL, MATLAB, Simulink) jednotlivých počítačových cvičení (CS)
Zařazení předmětu ve studijních plánech
- Program IT-MGR-2 magisterský navazující
obor MGM , 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
obor MBI , 0 ročník, letní semestr, volitelný
obor MBS , 0 ročník, letní semestr, volitelný
obor MIN , 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
obor MIS , 0 ročník, letní semestr, volitelný
obor MMI , 0 ročník, letní semestr, volitelný
obor MMM , 0 ročník, letní semestr, povinný
obor MPV , 0 ročník, letní semestr, volitelný
obor MSK , 0 ročník, letní semestr, volitelný - Program MITAI magisterský navazující
specializace NISY , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NADE , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NBIO , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NCPS , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NEMB , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NHPC , 1 ročník, letní semestr, povinný
specializace NGRI , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NIDE , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NISD , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NMAL , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NMAT , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NNET , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NSEC , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NSEN , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NSPE , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NVER , 0 ročník, letní semestr, volitelný
specializace NVIZ , 0 ročník, letní semestr, volitelný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
Vyučující / Lektor
Osnova
- Metodika sériového a paralelního výpočtu (zpětnovazební stabilita paralelních výpočtů), obyčejné diferenciální rovnice (ODR) vyššího řádu, Cauchyho (počáteční) úloha
- Transformace ODR vyššího řádu na soustavu ekvivalentních rovnic prvního řádu, ekvivalence rovnicové a blokové reprezentace úlohy, Routh-Hurwitzovo kritérium stability
- Analytické řešení lineární ODR prvního a druhého řádu, simulace přechodových dějů RLC obvodů.
- Analytické řešení lineární ODR vyšších řádů, Bairstowova metoda pro hledání kořenů algebraických rovnic vysokých stupňů
- Numerické řešení ODR - jednokrokové metody, explicitní versus implicitní metody, konvergence a stabilita numerických metod, stiff systémy.
- Metodika tvořících diferenciálních rovnic, tvorba autonomních systémů, nelineární úloha matematického kyvadla
- Řešení soustav lineárních algebraických rovnic (SLAR) - maticová reprezentace problému, přímé řešiče, LU rozklady, pivoting
- Řešení SLAR - iterační metody, řídké matice, typy chyb v numerických výpočtech
- Regulační obvody
- Numerické řešení určitých integrálů na vybraných elementech v 1D, 2D, 3D, Gaussovo kvadraturní pravidlo, Fourierova řada
- Řešení praktických problémů popsaných parciálními diferenciálními rovnicemi (PDR)
- Řešení praktických problémů popsaných PDR
- Řešení praktických problémů popsaných PDR
Cvičení na počítači
Vyučující / Lektor
Osnova
- Simulační systém TKSL (FOS), MATLAB, Simulink
- Testovací příklady řešení exponenciálních funkcí
- Diferenciální rovnice 1. řádu
- Diferenciální rovnice 2. řádu
- Generování funkcí času
- Generování funkcí obecné proměnné
- Výpočet určitých integrálů
- Soustava lineárních algebraických rovnic
- Modelování elektronických obvodů
- Laplaceova rovnice
- Rovnice vedení tepla
- Vlnová rovnice
- Regulační obvody