Computerstøttet beregning



Relaterede dokumenter
Noter til Computerstøttet Beregning Taylors formel

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 15

Matematisk modellering og numeriske metoder

Programmering. Det rent og skært nødvendige, det elementært nødvendige! Morten Dam Jørgensen

Repræsentation af tal

Fagets IT Introduktion til MATLAB

Lineær Algebra, kursusgang

Læringsmål Faglige aktiviteter Emne Tema Materialer

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Sandsynlighed (DM538)

Perspektiverende Datalogikursus

Årsplan for 7. klasse, matematik

Varmeligningen og cosinuspolynomier.

DM507 Algoritmer og datastrukturer

Projekt 4.9 Bernouillis differentialligning

Robusthed i geometriske algoritmer

Introduktion til DM507

Matematik-teknologi 3. semester Projekt introduktion

Matematik. Matematiske kompetencer

Oversigt over Forenklede Fælles Mål i forbindelse med kapitlerne i MULTI. Modellering

M2CAL2 Calculus og Indledende Lineær algebra

OPGAVER 1. Approksimerende polynomier. Håndregning

Repræsentation af tal

IMADAs Fagråd. Evalueringsrapport. Matematik & Datalogi. 2. juni Kontaktpersoner

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 19

CAS som grundvilkår. Matematik på hf. Marts 2015 Bodil Bruun, fagkonsulent i matematik stx/hf

Faglig årsplan Skolerne i Oure Sport & Performanc. Læringsmål Faglige aktiviteter. Emne Tema Materialer. ITinddragelse.

Roskilde Universitet Studienævn for Naturvidenskabelige uddannelser

CIVILINGENIØR, CAND. POLYT. I ROBOTTEKNOLOGI Master of Science in Robot System Engineering

3. klasse 6. klasse 9. klasse

Studieretningsprojekt i matematik og biologi Lotka-Volterra modellen en beskrivelse af forholdet mellem byttedyr og rovdyr

Fag- og indholdsplan 9. kl.:

Space Challenge og Undervisningsminsteriets Fælles Mål for folkeskolen

Årsplan 8. klasse matematik Uge Emne Faglige mål Trinmål Materialer/ systemer 33 og løbende

faglig INfORMATION 2011/2012 bacheloruddannelsen I matematik science.au.dk

MM01 (Mat A) Ugeseddel 1

Studieretningsprojekt i matematik og biologi Lotka-Volterra modellen en beskrivelse af forholdet mellem byttedyr og rovdyr

Matematikkens metoder illustreret med eksempler fra ligningernes historie. Jessica Carter Institut for Matematik og Datalogi, SDU 12.

t a l e n t c a m p d k Matematik Intro Mads Friis, stud.scient 7. november 2015 Slide 1/25

Undervisningsbeskrivelse

Referat fra semestergruppemøde nr. 1 Sundhedsteknologi 2. semester

Bits, bit operationer, integers og floating point

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave C

Et udtryk på formena n kaldes en potens med grundtal a og eksponent n. Vi vil kun betragte potenser hvor grundtallet er positivt, altså a>0.

10.klasse. Naturfaglige fag: Matematik, Fysik/kemi. Matematik. Formål for faget matematik

Årsplan i matematik klasse

Indholdsfortegnelse. Side 1 af 8

Newton-Raphsons metode

Bedømmelse og eksamen, 24 nov. 2014, Københavns Universitet. Diskussionsgruppe. Simon Lex Institut for Antropologi

Reaktionskinetik - 1 Baggrund. lineære og ikke-lineære differentialligninger. Køreplan

Differentialkvotient bare en slags hældning

Principper for Samtidighed og Styresystemer

Lineær Algebra, kursusgang

Lokalt ekstremum DiploMat 01905

CIVILINGENIØR, CAND. POLYT. I ROBOTTEKNOLOGI Master of Science in Robot Systems Engineering

TW 2011/12. Fag: Matematik Klasse: 9. Mandag, Tirsdag, fredag. Formål for faget matematik:

Selam Friskole Fagplan for Matematik

Årsplan for matematik

Klassen er sammenlæst, altså 5 og 6 klasse på en og samme tid. Samtidig er klassen pt på ca 11 elever ialt.

Matematik samlet evaluering for Ahi Internationale Skole

Semesterbeskrivelse Innovation og Digitalisering, 1. semester.

Evaluering af matematik undervisning

Note omkring RSA kryptering. Gert Læssøe Mikkelsen Datalogisk institut Aarhus Universitet

Transkript:

CSB 2009 p. 1/16 Computerstøttet beregning Lektion 1. Introduktion Martin Qvist qvist@math.aau.dk Det Ingeniør-, Natur-, og Sundhedsvidenskabelige Basisår, Aalborg Universitet, 3. februar 2009 people.math.aau.dk/ qvist/teaching/csb-09

CSB 2009 p. 2/16 Hvad er CSB? Computerstøttet beregning (på engelsk, Scientific Computing), er: Et matematikkursus: Vi arbejder med matematiske problemer, matematiske begreber og giver matematiske argumenter

CSB 2009 p. 2/16 Hvad er CSB? Computerstøttet beregning (på engelsk, Scientific Computing), er: Et matematikkursus: Vi arbejder med matematiske problemer, matematiske begreber og giver matematiske argumenter Et datalogikursus: Vil vil beskæftige os med algoritmer til løsning af problemerne, analysere algoritmerne (kompleksitet og konvergensrate) og implementere algoritmerne

CSB 2009 p. 2/16 Hvad er CSB? Computerstøttet beregning (på engelsk, Scientific Computing), er: Et matematikkursus: Vi arbejder med matematiske problemer, matematiske begreber og giver matematiske argumenter Et datalogikursus: Vil vil beskæftige os med algoritmer til løsning af problemerne, analysere algoritmerne (kompleksitet og konvergensrate) og implementere algoritmerne Et fysikkursus: Problemstillingerne vil (bl.a.) være motiveret udfra fysiske fænomener

CSB 2009 p. 2/16 Hvad er CSB? Computerstøttet beregning (på engelsk, Scientific Computing), er: Et matematikkursus: Vi arbejder med matematiske problemer, matematiske begreber og giver matematiske argumenter Et datalogikursus: Vil vil beskæftige os med algoritmer til løsning af problemerne, analysere algoritmerne (kompleksitet og konvergensrate) og implementere algoritmerne Et fysikkursus: Problemstillingerne vil (bl.a.) være motiveret udfra fysiske fænomener Det handler om algoritmer til beregning af approksimationer til eksakte matematiske objekter og om vurdering af den følgende fejl

CSB 2009 p. 3/16 Tværfagligt snit CSB er et hastigt voksende felt indenfor anvendt matematik, som indeholder elementer af Ingeniørvidenskab: Problemerne er hentet fra virkelighedens verden og formuleret i matematisk terminologi (differentialligninger, integralligninger etc. ) Datalogi: Problemerne kan ikke løses eksakt (i modsætning til det I har set på Matematik 1!), så derfor må vi bruge computere til at beregne en numerisk løsning Matematik: Matematikken fortæller os hvordan en numerisk løsning kan beregnes og hvor god den er. Eller måske vigtigere: at det ikke går galt.

CSB 2009 p. 4/16 Eks. på CSB Vejrudsigt: Gigantisk dynamisk system. Begyndelsesbetingelserne er kendt (vejret lige nu) og dynamikken er (delvis) fastlagt af systemer af differentialligninger (www.dmi.dk) Simulering af komplekse mekaniske systemer: Ballistik, fjedersystemer, stive legemers bevægelse. Fænomenets fysik er beskrevet udfra Newtons mekanik (www.myphysicslab.com/collision.html) Computerspil og animerede tegnefilm: Physically based modelling. For at lave realistiske animationer modelleres fysiske fænomener og deres interaktion (delvist) ved differentialligninger. CERN

CSB 2009 p. 5/16 Fra studieordningen Formålet med CSB er Teori: At de studerende opnår et grundlæggende kendskab til nogle metoder og algoritmer for computerstøttede beregninger... Praktisk:...at de opnår erfaring med anvendelsen af disse metoder og algoritmer på konkrete store beregninger

CSB 2009 p. 6/16 Indhold Introduktion til Maple og Matlab Repræsentation af tal i en computer. Afrundingsfejl Løsning af ikke-lineære ligninger Taylors formel og approksimation af funktioner Interpolation Numerisk integration Numerisk løsning af differentialligninger Numerisk lineær algebra Eksempler på store beregninger

CSB 2009 p. 7/16 Materialer Peter R. Turner, Guide to Scientific Computing, Macmillan Press 2000 Maple og Matlab. Kan hentes gratis på tnb.aau.dk/edb/software Hjemmeside med spisesedler, eksempler osv.: people.math.aau.dk/~qvist/teaching/csb-09

CSB 2009 p. 8/16 Form og forventninger Samme form som i andre matematikkurser: Repetition - Opgaveregning - Forelæsning

CSB 2009 p. 8/16 Form og forventninger Samme form som i andre matematikkurser: Repetition - Opgaveregning - Forelæsning Hvordan du kommer igennem kurset: Arbejd seriøst under opgaveregning

CSB 2009 p. 8/16 Form og forventninger Samme form som i andre matematikkurser: Repetition - Opgaveregning - Forelæsning Hvordan du kommer igennem kurset: Arbejd seriøst under opgaveregning Spørg hjælpelæreren og mig

CSB 2009 p. 8/16 Form og forventninger Samme form som i andre matematikkurser: Repetition - Opgaveregning - Forelæsning Hvordan du kommer igennem kurset: Arbejd seriøst under opgaveregning Spørg hjælpelæreren og mig Frygt ikke Maple (eller Matlab)

CSB 2009 p. 8/16 Form og forventninger Samme form som i andre matematikkurser: Repetition - Opgaveregning - Forelæsning Hvordan du kommer igennem kurset: Arbejd seriøst under opgaveregning Spørg hjælpelæreren og mig Frygt ikke Maple (eller Matlab) Imellem to kursusgange: Studer i dybden allerede gennemgået stof og læs kursorisk det nye stof

CSB 2009 p. 8/16 Form og forventninger Samme form som i andre matematikkurser: Repetition - Opgaveregning - Forelæsning Hvordan du kommer igennem kurset: Arbejd seriøst under opgaveregning Spørg hjælpelæreren og mig Frygt ikke Maple (eller Matlab) Imellem to kursusgange: Studer i dybden allerede gennemgået stof og læs kursorisk det nye stof Feedback: Kommentarer og spørgsmål omkring form og indhold modtages med glæde!

CSB 2009 p. 8/16 Form og forventninger Samme form som i andre matematikkurser: Repetition - Opgaveregning - Forelæsning Hvordan du kommer igennem kurset: Arbejd seriøst under opgaveregning Spørg hjælpelæreren og mig Frygt ikke Maple (eller Matlab) Imellem to kursusgange: Studer i dybden allerede gennemgået stof og læs kursorisk det nye stof Feedback: Kommentarer og spørgsmål omkring form og indhold modtages med glæde! Eksamen: SE-kursus = eksamen.

CSB 2009 p. 9/16 Repræsentation af reelle tal Problem: Repræsentation af et reelt tal på computer. Balancegang mellem præcision og hukommelse.

CSB 2009 p. 9/16 Repræsentation af reelle tal Problem: Repræsentation af et reelt tal på computer. Balancegang mellem præcision og hukommelse. Eksempel x = e 5 = 148, 413159102577... Med 4 betydende cifre: x 148, 4 Notation: 148, 4 = +1, 484 10 2 = 1 10 2 + 4 10 1 + 8 10 0 + 4 10 1

CSB 2009 p. 9/16 Repræsentation af reelle tal Problem: Repræsentation af et reelt tal på computer. Balancegang mellem præcision og hukommelse. Eksempel x = e 5 = 148, 413159102577... Med 4 betydende cifre: x 148, 4 Notation: 148, 4 = +1, 484 10 2 = 1 10 2 + 4 10 1 + 8 10 0 + 4 10 1 fortegn mantissa base eksponent

CSB 2009 p. 10/16 Binær repræsentation Binær repræsentation: x +1, 001010001101 2 7 Det vil sige: x = (2 7 + 2 4 + 2 2 + 2 2 + 2 3 + 2 5) = 148, 40625 = +1, 4840625 10 2 Binær repræsentation benyttes i de fleste computere.

CSB 2009 p. 11/16 Generel base Sætning: Givet et grundtal β N,β > 1. Da findes for ethvert reelt tal x en repræsentation x = ±f β E = hvor mantissaen d k β k+e k=0 = d 0 β E + d 1 β 1+E + d 2 β 2+E +, f = d 0,d 1 d 2 d 3..., d k N, 0 d k < β, d 0 0 og eksponenten E Z.

CSB 2009 p. 12/16 Flydende tal Givet en base β (eks.: 2, 10, 16,... ) og x > 0, x = f β E mantissa eksponent Repræsentationen kaldes normaliseret hvis 1 f < β Opgave: Angiv den normaliserede flydende decimaltals-repræsentation af og den binære... x = 25 2

CSB 2009 p. 13/16 Afrunding af flydende tal Der opereres med fire typer af afrunding. I Maple er det styret af system-variablen Rounding. Type Maple retning symmetrisk Rounding:=nearest afskære Rounding:=0 0 nedrunde Rounding:=-infinity oprunde Rounding:=infinity

CSB 2009 p. 14/16 IEEE standard Acceptabel løsning: IEEE-standard for (binær) repræsentation af flydende tal, der benyttes i mange arkitekturer. single-precision: bruger 32 bits per tal double-precision: bruger 64 bits per tal Fordeling: Antal bits Single-precision Double-precision Fortegn 1 1 Eksponent 8 11 Mantissa 24 53 Bemærk: Det første 1-tal i den normaliserede binære repræsentation er unødvendig at gemme (implicit bit).

CSB 2009 p. 15/16 Flydende tal i Maple I Maple håndteres tallene helst eksakt som brøker Med kommandoen evalf(x) konverteres tallet x til et flydende tal, et såkaldt software float. Antal betydende cifre er styret af variablen Digits; basen er 10. Med kommandoen evalhf(x) konverteres tallet x til et flydende tal, et såkaldt hardware float. Repræsentationen afhænger da af maskinens arkitektur. Basen vil typisk være 2.

CSB 2009 p. 16/16 Opgaveregning Vi ses igen kl. 15:30.