Закреплена за кафедрой | Кафедра радиофизики и теоретической физики |
---|---|
Направление подготовки | 03.03.02. Физика |
Форма обучения | Очная |
Общая трудоемкость | 4 ЗЕТ |
Учебный план | 03_03_02_Ф-3-2020 |
|
|
Распределение часов по семестрам
Курс (семестр) | 2 (3) | Итого | ||
---|---|---|---|---|
Недель | 19 | |||
Вид занятий | УП | РПД | УП | РПД |
Лекции | 18 | 18 | 18 | 18 |
Лабораторные | 36 | 36 | 36 | 36 |
Сам. работа | 90 | 90 | 90 | 90 |
Итого | 144 | 144 | 144 | 144 |
Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году
Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании
кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики
Протокол от 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор А. А. Лагутин
1.1. | выработка у студентов навыков алгоритмического программирования и навыков работы с компьютером; освоение алгоритмического программирования; знакомство с возможностями использования компьютера для решения прикладных задач; освоение основных методов и средств применения современных информационных технологий для решения типовых задач информационного обеспечения. |
---|
Цикл (раздел) ООП: Б1.Б |
ОПК-5 | способностью использовать основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации и навыки работы с компьютером как со средством управления информацией |
ПК-1 | способностью использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин |
В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
3.1. | Знать: |
---|---|
3.1.1. | о современных численных методах, используемых для решения различных задач и обработки экспериментальных данных; о сложности и ограничениях, связанных как с самими методами, так и с компьютерной техникой. |
3.2. | Уметь: |
3.2.1. | Применять основные численные методы для решения стандартных задач. Анализировать области применимости конкретных методов. Разрабатывать программы (подпрограммы), реализующие эти численные методы. |
3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
3.3.1. | Использования численных методов, для решения стандартных вычислительных задач. При необходимости, самостоятельно разрабатывать и писать программы, реализующие необходимые численные методы. Использования численных методов и реализующих их программ (подпрограмм), для решения физических задач. Работы с библиотеками программ, используемыми в научных расчетах; |
Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
---|---|---|---|---|---|---|
Раздел 1. Введение | ||||||
1.1. | Введение. Место численных методов в научных исследованиях. Проблемы реализации методов на компьютере. Язык программирования FORTRAN. | Лекции | 3 | 1 | ОПК-5 | Л3.1, Л1.2 |
1.2. | Место численных методов в научных исследованиях. Проблемы реализации методов на компьютере. Язык программирования FORTRAN. | Сам. работа | 3 | 4 | ОПК-5 | Л3.1, Л1.2 |
Раздел 2. Машинная арифметика и ошибки вычислений | ||||||
2.1. | Особенности машинной арифметики. Машинное представление чисел. Машинные константы. Ошибки в научных вычислениях. Плохо обусловленные задачи. | Лекции | 3 | 1 | ОПК-5 | Л1.2 |
2.2. | Машинная арифметика и ошибки вычислений | Лабораторные | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
2.3. | Машинная арифметика и ошибки вычислений | Сам. работа | 3 | 10 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
Раздел 3. Решение системы линейных алгебраических уравнений | ||||||
3.1. | СЛАУ. Методы Зейделя, Крамера, обратных матриц, и др. Типы матриц. Нормы векторов и матриц. Контроль точности. Метод Гаусса. LU-факторизация. Близкие к нулю главные элементы. Вектор ошибки и невязка. Число обусловленности. Подпрограмма SGEFS. | Лекции | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.2 |
3.2. | Решение системы линейных алгебраических уравнений. | Лабораторные | 3 | 4 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
3.3. | Решение систем уравнений. | Сам. работа | 3 | 10 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
Раздел 4. Интерполяция | ||||||
4.1. | Задача интерполяции. Базисные функции. Полиномиальная интерполяция. Степенной базис. Базис Лагранжа. Кусочная интерполяция. Кусочно-кубическая интерполяция. Пакет PCHIP. | Лекции | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.2 |
4.2. | Интерполяция | Лабораторные | 3 | 8 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
4.3. | Интерполяция | Сам. работа | 3 | 10 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
Раздел 5. Численные квадратуры | ||||||
5.1. | Задача интегрирования. Элементарные квадратурные формулы. Двухточечное правило Гаусса. Метод Гаусса-Кронрода. Автоматические и адаптивные алгоритмы. Интегрирование по бесконечным отрезкам. Многомерные интегралы. Подпрограммы численного интегрирования. | Лекции | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.2 |
5.2. | Численные квадратуры. | Лабораторные | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
5.3. | Численные квадратуры. | Сам. работа | 3 | 4 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
Раздел 6. Аппроксимация данных (метод наименьших квадратов) | ||||||
6.1. | Задача аппроксимации. Метод наименьших квадратов. Процедура исследования данных. Нормальные уравнения. Ортогональные факторизации. Преобразование Хаусхолдера. Подпрограмма SQRLS. | Лекции | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.2 |
6.2. | Аппроксимация данных (метод наименьших квадратов) | Лабораторные | 3 | 4 | ОПК-5 | Л3.1, Л1.2 |
6.3. | Аппроксимация данных (метод наименьших квадратов) | Сам. работа | 3 | 10 | ОПК-5 | Л3.1, Л1.2 |
Раздел 7. Решение нелинейных уравнений Файл | ||||||
7.1. | Определение и основные отличия нелинейных уравнений. Метод дихотомии. Метод Ньютона. Метод секущих. Метод простой итерации. Системы нелинейных уравнений. Подпрограммы для решения нелинейных уравнений и их систем. | Лекции | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.2 |
7.2. | Решение нелинейных уравнений Файл | Лабораторные | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
7.3. | Решение нелинейных уравнений Файл | Сам. работа | 3 | 4 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
Раздел 8. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем | ||||||
8.1. | Определение и свойства дифференциальных уравнений. Решение ОДУ Уравнения высокого порядка и системы уравнений. Устойчивые и неустойчивые уравнения. Исследование устойчивости. Жесткие уравнения. Явные и неявные методы. Метод Эйлера, метод трапеций. Многошаговые методы. Многозначные методы. | Лекции | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.2 |
8.2. | Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. | Лабораторные | 3 | 10 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
8.3. | Решение обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем | Сам. работа | 3 | 12 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
Раздел 9. Оптимизация и нелинейный метод наименьших квадратов | ||||||
9.1. | Постановка задачи. Одномерная оптимизация. Метод Ньютона. Унимодальные функции. Методы Фибоначчи и золотого сечения. Многомерная оптимизация. Метод наискорейшего спуска. Метод Нелдера-Мида. Программы поиска минимума. | Лекции | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.2 |
9.2. | Оптимизация и нелинейный метод наименьших квадратов | Лабораторные | 3 | 4 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
9.3. | Оптимизация и нелинейный метод наименьших квадратов | Сам. работа | 3 | 12 | ОПК-5 | Л1.1, Л3.1, Л1.2 |
Раздел 10. Методы Монте-Карло | ||||||
10.1. | Понятие случайности. Методы Монте-Карло. Определение. Случайные числа. Равномерное и нормальное распределение. Генераторы случайных чисел. Моделирование случайных величин с произвольным распределением. Использование случайных чисел в математике и физике. | Лекции | 3 | 2 | ОПК-5 | Л1.2 |
10.2. | Методы Монте-Карло | Сам. работа | 3 | 14 | ОПК-5 | Л1.2 |
5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
1. Место численных методов в решении научных и исследовательских задач. Машинная арифметика. Ошибки. 2. Место численных методов в решении научных и исследовательских задач. Машинное представление чисел. Ошибки. 3. Решение систем линейных алгебраических уравнений. Преимущества и недостатки основных методов (метод Крамера, метод обратных матриц, метод Зейделя). Контроль ошибок. Метод Гаусса и проблемы его реализации. 4. Решение систем линейных алгебраических уравнений. Контроль ошибок. LU-факторизация. 5. Решение систем линейных алгебраических уравнений. Проблемы реализации метода Гаусса. Вектор ошибки и невязка. Число обусловленности матрицы. 6. Решение систем линейных алгебраических уравнений. Нормы векторов и матриц. Число обусловленности матрицы и его интерпретация. 7. Задача интерполяции. Связь задачи интерполяции с задачей решения систем линейных алгебраических уравнений. Интерполяция и аппроксимация. Полиномиальная интерполяция и проблемы ее реализации. 8. Задача интерполяции. Связь задачи интерполяции с задачей решения систем линейных алгебраических уравнений. Степенной базис. Базис Лагранжа. Кусочно-кубическая интерполяция. 9. Вычисление определенного интеграла. Связь численного интегрирования с задачей интерполяции. Элементарные квадратурные формулы. 10. Вычисление определенного интеграла. Связь численного интегрирования с задачей интерполяции. Правило Ньютона-Котеса. Двухточечное правило Гаусса. 11. Вычисление определенного интеграла. Связь численного интегрирования с задачей интерполяции. Метод Гаусса-Кронрода. Автоматические и адаптивные алгоритмы. 12. Вычисление интеграла по бесконечным отрезкам. Усечение отрезка. Замена переменной. Формула Гаусса-Лагера. Правило th. 13. Аппроксимация данных. Постановка задачи. Интерполяция и аппроксимация. Метод наименьших квадратов. Аппроксимация с весами. 14. Аппроксимация данных. Метод наименьших квадратов. Шкалированные невязки. Использование нормальных уравнений. 15. Аппроксимация данных. Метод наименьших квадратов. Ортогональные факторизации. QR-факторизация. 16. Аппроксимация данных. Метод наименьших квадратов. Проблемы приведения матрицы коэффициентов к треугольному виду. Преобразование Хаусхолдера. 17. Нелинейные уравнения. Связь с задачей решения систем линейных алгебраических уравнений. Метод дихотомии. Метод Ньютона. Метод секущих. 18. Нелинейные уравнения. Связь с задачей решения систем линейных алгебраических уравнений. Метод Мюллера. Системы нелинейных уравнений. 19. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Отличие задач решения ОДУ и вычисления определенных интегралов. Уравнения высокого порядка и системы уравнений. Метод Эйлера. 20. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Устойчивые и неустойчивые уравнения. Собственные значения и матрица Якоби. Жесткие задачи. 21. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Явный и неявный метод Эйлера. Метод трапеций. 22. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Многошаговые методы. Общая разностная схема. Методы Адамса, Гира, Рунге-Кутты 4-го порядка. Многозначные методы. 23. Решение задач оптимизации. Связь решения задачи оптимизации с решением нелинейных уравнений. Одномерная оптимизация. Метод Ньютона и проблемы его реализации. 24. Решение задач оптимизации. Связь решения задачи оптимизации с решением нелинейных уравнений. Одномерная оптимизация. Унимодальные функции. Метод Фибоначчи. Метод золотого сечения. 25. Решение задач оптимизации. Многомерная оптимизация. Метод Ньютона. Метод наискорейшего спуска. 26. Численные методы Монте-Карло. Случайные числа. Равномерное и нормальное распределение. Использование случайных величин для вычисления определенного интеграла. 27. Численные методы Монте-Карло. Случайные числа. Генераторы случайных чисел (конгруэнтный целочисленный генератор Лемера, генератор Фибоначчи). 28. Численные методы Монте-Карло. Моделирование случайных величин: дискретные случайные величины, метод обратных функций, метод Неймана, обобщенный метод отказов, метод суперпозиции. |
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
См. приложение |
6.1. Рекомендуемая литература | ||||
6.1.1. Основная литература | ||||
Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
Л1.1 | А. Маркус | Современный Fortran на практике: учебник | ДМК Пресс, 2015 // ЭБС "Лань", 2016 | e.lanbook.com |
Л1.2 | Е.В. Крахоткина | Численные методы в научных расчетах: учебное пособие | Ставрополь : СКФУ, 2015 // ЭБС "Университетская библиотека online" | biblioclub.ru |
6.1.3. Дополнительные источники | ||||
Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
Л3.1 | Н.В. Волков | Программирование: учебное пособие | Изд-во АлтГУ, 2014 // ЭБС АлтГУ, 2016 | elibrary.asu.ru |
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
Название | Эл. адрес | |||
Э1 | Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета | elibrary.asu.ru | ||
Э2 | Электронно-библиотечная система издательства «Лань» | e.lanbook.com | ||
Э3 | Электронно-библиотечная система «Университетская библиотека онлайн» | biblioclub.ru | ||
Э4 | Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ» | www.intuit.ru | ||
Э5 | Курс на Едином образовательном портале АлтГУ | portal.edu.asu.ru | ||
6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
Windows 7 Professional, № 60674416 от 17.07.2012 (бессрочная); Office 2010 Professional, № 49464762 от 14.12.2011 (бессрочная); Open Office, http://www.openoffice.org/license.html Visual Studio, https://code.visualstudio.com/license Python c расширениями PIL, Py OpenGL, https://docs.python.org/3/license.html FAR, http://www.farmanager.com/license.php?l=ru 7-Zip, http://www.7-zip.org/license.txt AcrobatReader, http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf Chrome; http://www.chromium.org/chromium-os/licenses Eclipse (PHP,C++, Phortran), http://www.eclipse.org/legal/eplfaq.php DjVu reader, http://djvureader.org/ Lazarus, http://wiki.lazarus.freepascal.org/Lazarus_Faq#Licensing Putty, https://putty.org.ru/licence.html QTEPLOT, http://www.qtiplot.com/doc/manual-en/index.html NETBEANS, https://netbeans.org/about/legal/index.html R STUDIO (open source), http://www.rstudio.com/ MingGW, http://mingw.org/license Scilab, http://www.scilab.org/en/scilab/license | ||||
6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
При выполнении лабораторных работ преимущество отдается изучению возможностей свободного программного обеспечения: gfortran - компилятор языка программирования Fortran (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html), gcc - компилятор языков программирования C, C++ (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html), FreePascal - компилятор языка программирования Pascal (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html), Geany — среда разработки (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html). Часть изучаемого программного обеспечения доступна в дисплейных классах факультета (Windows-аналоги программ), другая часть размещена на кафедральном сервере 10.0.10.60 под управлением системы GNU/Linux в модификации Ubuntu (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html), доступ студентов к которому обеспечивается по сетевым протоколам SSH и HTTP. |
Аудитория | Назначение | Оборудование |
---|---|---|
308К | лаборатория компьютерных технологий - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Учебная мебель на 15 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска маркерная; компьютеры Aquarius STd MS_SC140, монитор BENQ 17'' (5шт.), компьютеры Парус 945 MSI, монитор LG 17'' (5 шт.) Fast Ethernet Swich Allied Telesyn 1; методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсам "Алгоритмы и языки программирования", "Численные методы и математическое моделирование", "Вычислительная физика", "Компьютерная радиофизика". |
Помещение для самостоятельной работы | помещение для самостоятельной работы обучающихся | Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ |
Учебная аудитория | для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик | Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска) |
При выполнении лабораторных работ по каждой из тем рекомендуется разобрать задачу, определить место в алгоритме, в котором требуется использование библиотченых подпрограмм. К зачету принимаются только те лабораторные работы, которые дают исчерпывающий ответ на поставленную задачу (отчет, графики, ответы на контрольные вопросы). |