Modeling Physical Processes in Matlab Program Package

Description: The course is dedicated to teaching the basics of computer modeling of physical processes. Each topic of the lecture contains theoretical material, a description of mathematical methods used to build computer models of physical processes, building models from the fundamental laws of physics, computer modeling of complex objects in the Matlab program, as well as problems for independent solution. The MATLAB package is used as the base software product.

Amount of credits: 6

Пререквизиты:

• Mathematics 1

Course Workload:

Component: Component by selection

Cycle: Base disciplines

Goal

• Preparing a bachelor to receive new information, to work with packages of ready-made programs, modeling of physical phenomena, work in interdisciplinary areas of scientific research;
• Preparation of a bachelor who is able to present, justify and defend the results of your own research and conclusions, be aware of responsibility for making professional decisions.

Objective

• Выработать у студентов глубокие знания основ математического моделирования физических процессов; умение применять эти знания для решения и анализа конкретных задач физической технологии с использованием математических методов и программу Matlab.

Learning outcome: knowledge and understanding

• - базовые знания в области моделирования; - знания по компьютерному моделированию физических процессов; - основные критерии математического моделирования и создание с их помощью математических моделей объектов естественно-физической природы.

Learning outcome: applying knowledge and understanding

• в области математического моделирования для решения и анализа конкретных задач с использованием математических методов и компьютерных программ.

Learning outcome: formation of judgments

• - формирование представлений об изучаемом процессе или явлении; - формирование современного научного мировоззрения и повышению их профессиональной прикладной подготовки. - развитие у студентов научного мышления.

Learning outcome: communicative abilities

• - быть способным работать в команде, корректно отстаивать свою точку зрения, предлагать новые решения; - подготовка к проектной деятельности для анализа и проектирования современных математических и компьютерных моделей для производственных и технологических процессов.

Learning outcome: learning skills or learning abilities

• - уметь выбирать критерии математического моделирования научно- технических задач, описывать процессы математическими уравнениями; - иметь навыки грамотного построения математической модели процесса, подбора численных методов, выбора методов ее дискретизации и разработки численного алгоритма расчета с применением ПЭВМ, - создавать компьютерную модель, выполнять анализ результатов численного моделирования; - владеть навыками приобретения новых знаний, необходимых для повседневной профессиональной деятельности и продолжения образования в магистратуре; - стремиться к профессиональному и личностному росту.

Teaching methods

Подготовка и защита студентами докладов и обзоров литературы по заданной теме позволяет расширить научный кругозор студентов, повысить навык работы с учебной и научной отечественной и зарубежной литературой, развить языковые навыки, повысить математическую подготовку, укрепить междисциплинарные связи, развить навык систематизировать и свободно излагать перед аудиторией материал по заданной теме, заложить основы для дальнейшей исследовательской работы.

Assessment of the student's knowledge

Teacher oversees various tasks related to ongoing assessment and determines students' current performance twice during each academic period. Ratings 1 and 2 are formulated based on the outcomes of this ongoing assessment. The student's learning achievements are assessed using a 100-point scale, and the final grades P1 and P2 are calculated as the average of their ongoing performance evaluations. The teacher evaluates the student's work throughout the academic period in alignment with the assignment submission schedule for the discipline. The assessment system may incorporate a mix of written and oral, group and individual formats.

The evaluating policy of learning outcomes by work type

Evaluation form

The student's final grade in the course is calculated on a 100 point grading scale, it includes:

• 40% of the examination result;
• 60% of current control result.

The final grade is calculated by the formula:

 

Where Midterm 1, Midterm 2are digital equivalents of the grades of Midterm 1 and 2;

E is a digital equivalent of the exam grade.

Final alphabetical grade and its equivalent in points:

The letter grading system for students' academic achievements, corresponding to the numerical equivalent on a four-point scale:

Topics of lectures

• Основные понятия математического и компьютерного моделирования физических процессов
• Метод прогонки
• Метод дробных шагов (МДШ)
• Метод матричной прогонки
• Методы Якоби, Зейделя, верхней релаксации
• Математическое моделирование экологических задач
• Моделирование внутренних течений
• Математическое моделирование химических процессов на заводе
• Метод Фурье для трехмерного уравнения Пуассона
• Модель океана
• Математическое моделирование прогноза погоды
• Моделирование тропических циклонов
• Модель ближнего космоса
• Модель электролиза алюминия
• Уравнение Рейнольдса
• Уравнение Рейнольдса для сил напряжения

Key reading

• Самарский Л. А. Михайлов А. П. Математическое моделирование Идеи. Методы. Примеры. 2-е изд. М. Фиэматлит, 2005. – 320 с.
• Булавин, Л.А. Компьютерное моделирование физических систем: Учебное пособие / Л.А. Булавин, Н.В. Выгорницкий, Н.И. Лебовка. - Долгопрудн: Интеллект, 2011. - 352 c.
• Бакланова О.Е. Математическое и компьютерное моделирование физических процессов: Курс лекций для бакалавров специальности 5В070500 «Математическое и компьютерное моделирование». – Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2015. – 114 с.
• Бакланова О.Е. Математическое и компьютерное моделирование физических процессов: Методические указания к практическим занятиям для бакалавров специальности 5В070500 «Математическое и компьютерное моделирование».– Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2015. – 52 с.
• Бакланова О.Е. Математическое и компьютерное моделирование физических процессов: Методические указания к СРСП и СРС для бакалавров специальности 5В070500 «Математическое и компьютерное моделирование».– Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2015. – 26 с.
• Бакланова О.Е., Квасов А.И., Хакимзянов Г.С., Швец О.Я. Основы математического моделирования: Учебное пособие. – Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2013. – 126 с.
• Жумагулов Б.Т., Абдибеков У.С., Исахов А.А. Основы математического и компьютерного моделирования естественно-физических процессов: учебник. – Алматы: Казак университетi, 2014. – 208 c.
• Исахов А.А. Практикум по математическому и компьютерному моделированию естественно-физических процессов: учебник. – Алматы: Казак университетi, 2015. – 144 c.
• Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М., Галин В.Я., Глазунов А.В., Грицун А.С., Дианский Н.А., Толстых М.А., Чавро А.И. Моделирование климата и его изменений. - М.: Мир. 2005. - 138 с.
• Дымников В.П. и др. Моделирование климата и его изменений. Москва: Мир. 2007г.
• Володин Е.М. Математическое моделирование общей циркуляции атмосферы. Курс лекций. Институт вычислительной математики РАН, 2007г.
• Марчук Г.И. Математические модели в иммунологии и эпидемиологии инфекционных заболеваний / А.А.Романюха; под ред. Г.И.Марчука. - Москва: Бином. Лаборатория знаний, 2012. - 293 с.

Further reading

• Королев, А.Л. Компьютерное моделирование / А.Л. Королев. - М.: БИНОМ. ЛЗ, 2013. - 230 c.
• Пененко В.В. Методы численного моделирования атмосферных процессов. Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования. Том 1. Вычислительная математика. – М.: Наука, 2005.