Detail předmětu

Numerické metody I

FSI-SN1Ak. rok: 2024/2025

Kurz Numerické metody I představuje první systematický výklad některých základních metod numerické matematiky jako samostatné vědní disciplíny. Získané znalosti jsou předpokladem pro úspěšné zvládnutí speciálních partií numerické matematiky, které přímo souvisejí s numerickým řešením inženýrských problémů.
Hlavní témata: Přímé a iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. Interpolace. Metoda nejmenších čtverců. Numerické derivování a integrování. Řešení nelineárních rovnic. Zvládnutí probírané látky si studenti prokáží tak, že samostatně zpracují semestrální projekt.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

Garant předmětu

doc. Ing. Petr Tomášek, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav matematiky (ÚM)

Vstupní znalosti

Diferenciální a integrální počet funkcí jedné a více proměnných. Základy lineární algebry. Základy programování v MATLABu.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

PODMÍNKY PRO UDĚLENÍ ZÁPOČTU: Účast ve cvičeních, zpracování projektů a úkolů zadaných ve cvičeních, ve kterých studenti zúročí poznatky získané na přednáškách. Získání minimálně poloviny z možných 30 bodů ve vědomostním zápočtovém testu a v testu s využitím programů vytvořených ve cvičeních.
ZKOUŠKA se skládá z písemné (max. 75 bodů) a ústní části (max.25 bodů). Za zkoušku student obdrží 0 až 100 bodů.
CELKOVÉ HODNOCENÍ na základě bodů získaných u zkoušky: 100--90: A (výborně), 89--80: B (velmi dobře), 79--70: C (dobře), 69--60: D (uspokojivě), 59--50: E (dostatečně), 49--0: F (nevyhovující).


Účast na přednáškách je žádoucí, účast ve cvičeních je povinná. Výuka probíhá podle týdenních rozvrhů. Způsob náhrady zameškané výuky je plně v kompetenci cvičícího.

Učební cíle

Cílem předmětu Numerické metody I je seznámit studenty se základními numerickými metodami. V tomto kurzu se rovněž klade značný důraz na počítačovou realizaci jednotlivých metod. Studenti by měli pochopit podstatu metod a znát jejich přednosti a nedostatky. Pozornost je rovněž věnována otázkám stability a podmíněnosti jednotlivých numerických úloh. Důležitou součástí předmětu je samostatná práce na zadaných projektech.
Předmět Numerické metody I seznámí studenty se základní kolekcí úloh numerické matematiky. Studenti získají znalosti o přímých a iteračních metodách řešení soustav lineárních rovnic, o interpolaci, o metodě nejmenších čtverců, o numerickém derivování a integrování a o řešení nelineárních rovnic. Získané znalosti si studenti ověří a prohloubí zpracováním několika projektů.

Základní literatura

A. Quarteroni, R. Sacco, F. Saleri: Numerical Mathematics, Springer, Berlin, 2000
C.B. Moler: Numerical Computing with Matlab, Siam, Philadelphia, 2004.
G. Dahlquist, A. Bjork: Numerical Methods, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1974.
J.H. Mathews, K.D. Fink: Numerical Methods Using MATLAB, Pearson Prentice Hall, New Jersey, 2004.
M.T. Heath: Scientific Computing. An Introductory Survey. Second edition. McGraw-Hill, New York, 2002.

Doporučená literatura

L. Čermák, R. Hlavička: Numerické metody, CERM, Brno, 2008.
L. Čermák: Vybrané statě z numerických metod. [on-line], available from: http://mathonline.fme.vutbr.cz/Numericke-metody-I/sc-1150-sr-1-a-141/default.aspx.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program B-MAI-P bakalářský 3 ročník, zimní semestr, povinný

  • Program C-AKR-P celoživotní vzdělávání v akr. stud. programu

    specializace CZS , 1 ročník, zimní semestr, volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Petr Tomášek, Ph.D.

Osnova

1. Úvod do problematiky numerických metod: chyby v numerických výpočtech, reprezentace čísel v počítači, podmíněnost úloh, stabilita algoritmů.
2. Gaussova eliminační metoda. LU rozklad. Výběr hlavních prvků.
3. Řešení soustav se speciálními maticemi. Stabilita a podmíněnost. Analýza chyb.
4. Klasické iterační metody: Jacobiova, Gaussova-Seidelova, SOR, SSOR.
5. Zobecněná metoda minimálních reziduí, metoda sdružených gradientů.
6. Lagrangeův, Newtonův a Hermitův interpolační polynom. Interpolace po částech lineární, po částech kubická Hermitova.
7. Kubický interpolační splajn. Metoda nejmenších čtverců: prokládání dat křivkami, řešení přeurčených soustav.
8. QR transformace a singulární rozklad v metodě nejmenších čtverců.
9. Metody ortogonalizace (Householderova, Givensova a Gramova-Schmidtova metoda).
10. Numerické derivování: základní formule, Richardsonova extrapolace.
11. Numerické integrování: Newtonovy-Cotesovy formule, Rombergova integrace, Gaussovy formule, adaptivní integrace.
12. Řešení jedné nelineární rovnice: metoda bisekce, Newtonova metoda, metoda sečen, metoda regula falsi, metoda inverzní kvadratické interpolace, metoda prosté iterace.
13. Řešení soustav nelineárních rovnic: Newtonova metoda, metoda prosté iterace.

Cvičení s počítačovou podporou

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Mgr. Jitka Zatočilová, Ph.D.

Osnova

Ke každému z témat přednášky studenti sestavují programy v MATLABu a ověřují, jak metody fungují. Kromě toho studenti samostatně zpracovávají zadané projekty.