ETY-213 Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές ΙI
Εισαγωγή στην Αριθμητική Ανάλυση

Διδάσκων

Σταμάτης Σταματιάδης

email: stamatis@materials.uoc.gr
τηλέφωνο: 2810394284
γραφείο: Γραφείο B-201, Κτήριο Επιστήμης Υπολογιστών

Ώρες και Αίθουσες Διδασκαλίας

Θεωρία: Τετάρτη 17:00-19:00, Αιθ. 2, Κτίριο Φυσικής.
Εργαστήριο: Πέμπτη 17:00-20:00, στο εργαστήριο υπολογιστών, αιθ. ΗΥ 2, στο Κτίριο Φυσικής.

Ανακοινώσεις

1 Φεβρουαρίου 2020

Το μάθημα αρχίζει την Τετάρτη 5 Φεβρουαρίου, σύμφωνα με το πρόγραμμα.

14 Μαρτίου 2020

Η σχεδιαζόμενη πρόοδος για τις 26/3 αναβάλλεται.

16 Μαρτίου 2020

Θα γίνει τηλεδιδασκαλία του μαθήματος την Τετάρτη 18/3, στις 17:00 (έναρξη διάλεξης 17:15). Επισκεφθείτε το link.

18 Μαρτίου 2020

Θα γίνει τηλεδιδασκαλία του μαθήματος την Τρίτη 24/3, στις 17:00 (έναρξη διάλεξης 17:15). Επισκεφθείτε το link.

24 Μαρτίου 2020

Θα γίνουν ασκήσεις του μαθήματος την Πέμπτη 26/3, στις 17:00 (έναρξη 17:15). Επισκεφθείτε το link.

24 Μαρτίου 2020

Θα γίνει τηλεδιδασκαλία του μαθήματος την Τετάρτη 1/4, στις 17:00 (έναρξη διάλεξης 17:15). Επισκεφθείτε το link.

1 Απριλίου 2020

Θα γίνει τηλεδιδασκαλία του μαθήματος την Τετάρτη 8/4, στις 17:00 (έναρξη διάλεξης 17:15). Επισκεφθείτε το link.

8 Απριλίου 2020

Θα γίνει τηλεδιδασκαλία του μαθήματος την Τετάρτη 29/4, στις 17:00 (έναρξη διάλεξης 17:15). Επισκεφθείτε το link.

29 Απριλίου 2020

Θα γίνει τηλεδιδασκαλία του μαθήματος την Τετάρτη 6/5, στις 17:00 (έναρξη διάλεξης 17:15). Επισκεφθείτε το link.

7 Μαΐου 2020

Η θεωρία και οι ασκήσεις του μαθήματος έχουν ολοκληρωθεί.

16 Ιουνίου 2020

Η εξέταση του μαθήματος θα γίνει τη Δευτέρα 29 Ιουνίου, στις 17:00-19:00, με φυσική παρουσία στην αίθουσα ΗΥ 2 του Φυσικού.

Το θεωρητικό μέρος της εξέτασης θα διαρκέσει 40' και η συμμετοχή του στον τελικό βαθμό είναι 33%. Σε αυτό οι σημειώσεις και τα βιβλία δεν επιτρέπονται. Μπορείτε να έχετε μαζί σας μία σελίδα Α4 με τύπους που θα επιλέξετε (και θα γράψετε) εσείς. To κομπιουτεράκι είναι απαραίτητο.

Το υπολογιστικό μέρος της εξέτασης θα διαρκέσει 80' και η συμμετοχή του στον τελικό βαθμό είναι 67%. Σε αυτό μπορείτε να έχετε δικό σας υπολογιστή, ανοιχτά βιβλία, κλπ.

Αντικείμενο –Σκοπός

Το μάθημα ασχολείται με τη διαδικασία αριθμητικής επίλυσης διαφόρων φυσικών προβλημάτων στον υπολογιστή ακολουθώντας τα παρακάτω βήματα

Διατύπωση μαθηματικού μοντέλου,
Αριθμητική ανάλυση και ανάπτυξη αλγορίθμων,
Υλοποίηση, εκτέλεση και μελέτη αποτελεσμάτων.

Το μάθημα απευθύνεται σε φοιτητές Φυσικού και ΤΕΤΥ που γνωρίζουν μαθηματικά Α' έτους (Γενικά Μαθηματικά Ι & ΙΙ, Μαθηματικά για Φυσικούς Ι / Εφαρμοσμένα Μαθηματικά, Διαφορικές Εξισώσεις Ι) και προγραμματισμό ΗΥ σε οποιαδήποτε γλώσσα προγραμματισμού.

Διδακτέα Ύλη

Η διδακτέα ύλη του μαθήματος περιλαμβάνει

Συστήματα αρίθμησης. Πρότυπα ΙΕΕΕ ακεραίων και πραγματικών αριθμών. Αναπαράσταση αριθμών στον υπολογιστή.
Αριθμητική επίλυση μη γραμμικής εξίσωσης. Ορισμοί - Χρήσιμα Θεωρήματα. Μέθοδοι: διχοτόμησης, ψευδούς σημείου, τέμνουσας, Müller, γενική επαναληπτική μέθοδος (σταθερού σημείου), Ηοuseholder (Newton-Raphson, Halley).
Επίλυση συστήματος γραμμικών εξισώσεων. Απευθείας μέθοδοι (Απαλοιφή Gauss, Gauss-Jordan, LU). Επαναληπτικές μέθοδοι (Gauss-Seidel, Jacobi, SOR). Άλλες μέθοδοι.
Εφαρμογές: Υπολογισμός ορίζουσας πίνακα, αντίστροφου πίνακα, ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων. Επίλυση μη γραμμικών συστημάτων.
Προσέγγιση συναρτήσεων μιας μεταβλητής/συνόλου σημείων: Παρεμβολή με πολυώνυμο, με λόγο πολυωνύμων, με πολυώνυμα κατά τμήματα, με spline. Φαινόμενο Runge. Αριθμητική παραγώγιση.
Προσαρμογή ευθείας γραμμής σε πειραματικά δεδομένα με τη μέθοδο Eλάχιστων Tετραγώνων. Προσαρμογή πολυωνυμικής, λογαριθμικής και εκθετικής καμπύλης. Συντελεστής γραμμικής συσχέτισης.
Aριθμητική ολοκλήρωση. Kανόνες Tραπεζίου και Simpson. Γενικοί τύποι Newton-Cotes. Mέθοδοι Gauss (Legendre, Hermite, Laguerre, Chebyshev). Μέθοδος Clenshaw–Curtis. Άλλες μέθοδοι.
Aριθμητική επίλυση συνήθων διαφορικών εξισώσεων. Mέθοδοι Euler (explicit/implicit), Taylor, Runge-Kutta 2ης και 4ης τάξης. Επίλυση συστημάτων διαφορικών εξισώσεων α' βαθμού. Επίλυση διαφορικών εξισώσεων ανώτερου βαθμού.
Άλλα θέματα (ενδεικτικά: FFT, εύρεση ακρότατων συνάρτησης, κ.α.).

Διδακτικά Βοηθήματα

Κεντρικό ρόλο στην ανάπτυξη του μαθήματος παίζει η ιστοσελίδα του με σχετικές ανακοινώσεις, εργαστηριακές ασκήσεις και άλλο υλικό. Η διδασκαλία του μαθήματος βασίζεται στις διαλέξεις και στις εργαστηριακές ασκήσεις.

Συνοπτική αλλά πλήρης ανάπτυξη της ύλης γίνεται στις σημειώσεις. Οι σημειώσεις αυτές ακολουθώνται στις διαλέξεις.

Εξετάσεις

Στο μάθημα γίνονται δώδεκα εργαστήρια. Η παρουσία είναι προαιρετική. Η ενεργός συμμετοχή στο εργαστήριο μετρά θετικά.

Επειδή η Θεωρία και το Εργαστήριο σχετίζονται αρκετά, συνιστάται ιδιαίτερα η παρακολούθηση και των διαλέξεων και των εργαστηρίων. Οι διαλέξεις μέσα από παραδείγματα θα σας βοηθήσουν να κατανοήσετε την ύλη που παραδόθηκε, ώστε να προετοιμαστείτε για την πρόοδο και τις εργαστηριακές ασκήσεις στον υπολογιστή.

Πρόοδος

Στο μάθημα δίνεται προαιρετική πρόοδος. Η εξεταστέα ύλη της προόδου περιλαμβάνει τα κεφάλαια 2-4 των σημειώσεων. Συγκεκριμένα:

Επίλυση μη γραμμικών εξισώσεων
Επίλυση γραμμικών συστημάτων και εφαρμογές
Προσέγγιση-Παρεμβολή συναρτήσεων

Τελική εξέταση

Η εξεταστέα ύλη της τελικής εξέτασης περιλαμβάνει όλη την ύλη, δηλαδή την ύλη της προόδου και τα κεφάλαια 5,7 των σημειώσεων.

Διαδικασία εξέτασης

Η εξέταση περιλαμβάνει μόνο ασκήσεις και γίνεται σε δύο μέρη διάρκειας 60 λεπτών το καθένα: θεωρία και εργαστηριακές ασκήσεις (στον υπολογιστή). Κατά την εξέταση της θεωρίας μπορείτε να έχετε μαζί σας μία σελίδα Α4 με όποιες σημειώσεις θέλετε. Το κομπιουτεράκι είναι απαραίτητο. Κατά την εξέταση του εργαστηρίου είστε ελεύθεροι να χρησιμοποιήσετε τις σημειώσεις ή οποιοδήποτε βιβλίο.

ΚΙΝΗΤΑ ΤΗΛΕΦΩΝΑ ΑΠΑΓΟΡΕΥΟΝΤΑΙ.

Τελικός βαθμός

O τελικός βαθμός υπολογίζεται από

το βαθμό της προόδου (40% του συνολικού βαθμού).
το βαθμό της τελικής εξέτασης (60% του συνολικού βαθμού).

Παρατηρήσεις

Αν ο βαθμός στην τελική εξέταση είναι μεγαλύτερος από το βαθμό της προόδου (ή αν ο φοιτητής δεν συμμετείχε στην πρόοδο), ο βαθμός της τελικής εξέτασης μετρά κατά 100%.

Αν ο βαθμός της προόδου είναι πολύ μεγαλύτερος (κατά την κρίση του εξεταστή) από το βαθμό της τελικής εξέτασης, δεν υπολογίζεται στη διαμόρφωση του τελικού βαθμού.

Ο βαθμός της προόδου δεν υπολογίζεται στο βαθμό της επαναληπτικής εξεταστικής (Σεπτεμβρίου).

Θέματα Εξετάσεων και Προόδων

Έτος	Πρόοδος	Τελική εξέταση	Επαναληπτική εξέταση
2005-2006		A	A
2006-2007	A	A	A
2007-2008	Α Β Γ	Α Β Γ Δ	A
2008-2009	A	A	A
2009-2010	A	A	A
2010-2011	A	A	A
2011-2012	A	A	A
2012-2013	A	A	A
2013-2014	A	A
2014-2015	A	A
2015-2016	A	A
2016-2017	A	A Β
2017-2018	A	A
2018-2019	A	A
2019-2020		A

Διαλέξεις

Πρώτη: Διαδικαστικά. Δυαδικό σύστημα, αναπαράσταση ακεραίων και πραγματικών, συνέπειες (σφάλμα, διάδοση σφάλματος, ευστάθεια, χάος).
Δεύτερη: Εύρεση ριζών: Μέθοδοι διχοτόμησης, ψευδούς θέσης, τέμνουσας.
Τρίτη: Εύρεση ριζών: Μέθοδοι Müller, σταθερού σημείου, Newton-Raphson, Halley
Τέταρτη: Γραμμικά συστήματα: Cramer, Gauss, Gauss-Jordan, LU
Πέμπτη: Γραμμικά συστήματα: Gauss-Jacobi, Gauss-Seidel, SOR, αντίστροφος πίνακας, ορίζουσα, ιδιοτιμές-ιδιοδιανύσματα. Επίλυση μη γραμμικών συστημάτων.
Έκτη: Προσέγγιση συναρτήσεων: Πολυώνυμο, σφάλμα, φαινόμενο Runge, λόγος πολυωνύμων, Padé, ευθύγραμμα τμήματα, spline.
Παρουσίαση
Έβδομη: Προσέγγιση: παράγωγοι, ελάχιστα τετράγωνα.
Παρουσίαση
Όγδοη: Ολοκλήρωση: μέθοδοι τραπεζίου, Simpson 1/3 και 3/8. Μέθοδος παραγωγής τύπων Newton-Cotes (ανοιχτών-κλειστών). Ολοκλήρωση: μέθοδος Romberg, μέθοδοι Gauss, μέθοδος Clenshaw–Curtis.
Παρουσίαση
Ένατη: Διακριτός μετασχηματισμός Fourier. Αλγόριθμος FFT (Fast Fourier Transform).
Παρουσίαση
Δέκατη: Διαφορικές Εξισώσεις: μέθοδοι Τaylor, Εuler (explicit και implicit), Runge-Kutta 2ης και 4ης τάξης. Συστήματα διαφορικών εξισώσεων. Διαφορικές εξισώσεις ανώτερης τάξης.
Παρουσίαση
Ενδέκατη: Συλλογές συναρτήσεων BLAS/LAPACK
Παρουσίαση
Δωδέκατη: Δεν έγινε
Δέκατη τρίτη: Δεν έγινε

Ασκήσεις Εργαστηρίου

Βιβλιογραφία

Steven C. Chapra, Raymond P. Canale, "Αριθμητικές Μέθοδοι για Μηχανικούς", έκδοση 7η. Εκδόσεις Τζιόλα. 2016.
Γ. Δ. Ακρίβης και Β.Α. Δουγαλής, "Εισαγωγή στην Aριθμητική Aνάλυση", Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 2015, 4^η έκδοση.
Μπακόπουλος Α. και Ι. Χρυσοβέργης, «Εισαγωγή στην Aριθμητική Aνάλυση», Εκδ. Συμεών, 1996.
Σ. Περσίδης και X. Bάρβογλης, «Aριθμητική Aνάλυση με Eφαρμογές στη Φυσική», Θεσσαλονίκη, (1984).
Kincaid, D. and Cheney, W. «Mathematics of Scientific Computing», 3^rd eds., Brooks/Cole, 2002.
Ι. D. Kahaner, C. Moler, S. Nash, «Numerical methods and software», Prentice Hall, (1989).

Πληθώρα άλλων βιβλίων Αριθμητικής Ανάλυσης υπάρχουν στη βιβλιοθήκη του Πανεπιστημίου Κρήτης ή σε ηλεκτρονική μορφή στο Διαδίκτυο.

Δωρεάν Compilers της Fortran

SilverFROST FTN95 έκδοση για Windows Οδηγίες χρήσης
GNU Fortran έκδοση για Windows ή MacOS

ETY-213 Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές ΙIΕισαγωγή στην Αριθμητική Ανάλυση