Detail předmětu

Vysoce náročné výpočty

FIT-VNDAk. rok: 2021/2022

Předmět je zaměřen na praktické metody řešení náročných vědecko-technických výpočtů. Provádí se rozbor numerického řešení soustav diferenciálních rovnic a hodnotí se paralelní spolupráce mikroprocesorů na principu diferenciálního počtu. 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. Uvádí se numerické výpočty se zaměřením na následující technické problémy: řešení rozsáhlých soustav diferenciálních rovnic, řešení rozsáhlých soustav algebraických rovnic, řešení parciálních diferenciálních rovnic, stiff systémy, úlohy z regulace, elektrická simulace VLSI obvodů, modelování mechanických soustav, elektrostatické a elektromagnetické pole. Součástí předmětu je analýza paralelních algoritmů a návrh specializovaných architektur pro numerické řešení diferenciálních rovnic. Většina technických úloh vede na maticový zápis. Jednotlivé technické problémy budou rovněž řešeny v prostředí MATLAB/Simulink.

Okruhy otázek k SDZ

  1. Analytické řešení diferenciálních rovnic.
  2. Numerické řešení diferenciálních rovnic.
  3. Extrémně přesné řešení diferenciálních rovnic metodou Taylorovy řady, knihovní podprogramy přesných výpočtů.
  4. Paralelní vlastnosti metody Taylorovy řady, základy programování specializovaných paralelních úloh s využitím diferenciálního počtu (těsná souvislost rovnicového a blokového zápisu).
  5. Adjungované diferenciální operátory a paralelní řešení diferenciálních rovnic s časově proměnnými koeficienty.
  6. Metodika řešení rozsáhlých soustav algebraických rovnic převodem na obyčejné diferenciální rovnice.
  7. Fourierova řada a určité integrály.
  8. Simulace elektrických obvodů.
  9. Řešení praktických problémů popsaných parciálními diferenciálními rovnicemi.
  10. Koncepce elementárního procesoru specializovaného paralelního výpočetního systému.

Jazyk výuky

čeština

Garant předmětu

Ing. Václav Šátek, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav inteligentních systémů (UITS)

Výsledky učení předmětu

Schopnost analýzy vybraných metod numerického řešení diferenciálních rovnic pro extrémně přesné a rychlé řešení vědecko-technických úloh.
  • Samostatné řešení netriviální soustavy diferenciálních rovnic.

Prerekvizity

Numerická matematika

Učební cíle

Získat přehled a základy praktického využití vybraných metod numerického řešení diferenciálních rovnic pro extrémně přesné a rychlé řešení náročných vědecko-technických výpočtů.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

V průběhu semestru budou probíhat bodovaná počítačová cvičení. Libovolné cvičení bude možnost v závěrečných týdnech semestru nahradit.

Doporučená literatura

Brdička M., Samek L., Sopko B.: Mechanika kontinua, Academia, 2005
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
Čermák, L., Hlavička, R.: Numerické metody I, II, CERM, učební text FSI VUT Brno, 2008. (elektronicky dostupné z http://math.fme.vutbr.cz/Home/cermakl/soubory-ke-stazeni)
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.
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)
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
Přednášky ve formátu PDF
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.
Vitásek,E.: Základy teorie numerických metod pro řešení diferenciálních rovnic. Academia, Praha, 1994.
Zdrojové programy (TKSL, MATLAB, Simulink) jednotlivých počítačových cvičení

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program DIT doktorský 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program DIT doktorský 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný

  • Program VTI-DR-4 doktorský

    obor DVI4 , 0 ročník, letní semestr, volitelný

  • Program VTI-DR-4 doktorský

    obor DVI4 , 0 ročník, letní semestr, volitelný

  • Program DIT-EN doktorský 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program DIT-EN doktorský 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný

  • Program VTI-DR-4 doktorský

    obor DVI4 , 0 ročník, letní semestr, volitelný

  • Program VTI-DR-4 doktorský

    obor DVI4 , 0 ročník, letní semestr, volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Václav Šátek, Ph.D.

Osnova

  1. Metodika sériového a paralelního výpočtu (zpětnovazební stabilita paralelních výpočtů)
  2. Extrémně přesné řešení diferenciálních rovnic metodou Taylorovy řady
  3. Paralelní vlastnosti metody Taylorovy řady
  4. Základy programování specializovaných paralelních úloh s využitím diferenciálního počtu (těsná souvislost rovnicového a blokového zápisu)
  5. Paralelní řešení obyčejných diferenciálních rovnic s konstatními koeficienty
  6. Adjungované diferenciální operátory a paralelní řešení diferenciálních rovnic s časově proměnnými koeficienty
  7. Metodika řešení rozsáhlých soustav algebraických rovnic převodem na obyčejné diferenciální rovnice
  8. Paralelní aplikace Bairstowovy metody při hledání kořenů algebraických rovnic vysokých stupňů
  9. Fourierova řada a určité integrály
  10. Simulace elektrických obvodů
  11. Řešení praktických problémů popsaných parciálními diferenciálními rovnicemi
  12. Knihovní podprogramy přesných výpočtů
  13. Koncepce elementárního procesoru specializovaného paralelního výpočetního systému

Cvičení na počítači

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Václav Šátek, Ph.D.

Osnova

  1. Simulační systém TKSL (FOS), MATLAB, Simulink
  2. Testovací příklady řešení exponenciálních funkcí
  3. Diferenciální rovnice 1. řádu
  4. Diferenciální rovnice 2. řádu
  5. Generování funkcí času
  6. Generování funkcí obecné proměnné
  7. Výpočet určitých integrálů
  8. Soustava lineárních algebraických rovnic
  9. Modelování elektronických obvodů
  10. Laplaceova rovnice
  11. Rovnice vedení tepla
  12. Vlnová rovnice
  13. Regulační obvody

Konzultace v kombinovaném studiu

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Václav Šátek, Ph.D.