скачать М.1. 4 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ (ИЭЭ) ___________________________________________________________________________________________________________ Направление подготовки: 140400 Электроэнергетика и электротехника Магистерская программа: Техника и электрофизика высоких напряжений Квалификация (степень) выпускника: магистр Форма обучения: очная РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ^
Москва – 2011 ^ Целью дисциплины является формирование знаний о численных методах, находящих применение при решении научных и инженерных задач техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН): о методах решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), нелинейных уравнений и их систем, задач безусловной оптимизации, интерполяции и приближения функций, приближённого вычисления определённых интегралов и производных, решения задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) и их систем. По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:
^
^ Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла М.1 основной образовательной программы подготовки магистров по профилю “Техника и электрофизика высоких напряжений” направления 140400 Электроэнергетика и электротехника. Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: “Высшая математика”, “Информационные технологии”, “Физика”, “Теоретические основы электротехники”, “Дополнительные главы математики”. Знания, полученные при освоении дисциплины, необходимы при выполнении магистерской диссертационной работы и при изучении дисциплин “Спецвопросы математического моделирования”, “Спецвопросы программного обеспечения в электроэнергетике”. ^ В результате освоения учебной дисциплины, обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования: Знать:
Уметь:
Владеть:
^ 4.1. Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.
^ 4.2.1. Лекции: 1 семестр 1. Введение в математическое моделирование Математическое моделирование и вычислительный эксперимент, их роль в различных областях ТЭВН. Схема вычислительного эксперимента. Вычислительный алгоритм. Требования к вычислительным методам. Погрешности округления. Представление и округление вещественных чисел в компьютере. Накопление погрешностей округления. Разностные уравнения первого порядка. Оценки погрешностей округления. 2. Методы решения систем линейных алгебраических уравнений Прямые методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Метод Гаусса численного решения СЛАУ и условия его применимости. Связь метода Гаусса с разложением матрицы СЛАУ на множители. Теорема об LU-разложении. Элементарные треугольные матрицы. Решение СЛАУ методом LU-разложения. Обращение матрицы. Обусловленность СЛАУ. Устойчивость СЛАУ. Число обусловленности. Влияние погрешностей округления при решении СЛАУ методом Гаусса. Понятие о методах регуляризации. Итерационные методы решения СЛАУ. Итерационные методы Якоби и Зейделя. Исследование сходимости итерационных методов. Методы минимальных невязок и поправок. Метод скорейшего спуска. Метод сопряжённых градиентов. Выбор итерационных параметров и оценка погрешности в методе сопряжённых градиентов. 3. Методы решения нелинейных уравнений и их систем Итерационные методы решения нелинейных уравнений. Метод простых итераций и условия его сходимости. Метод Ньютона и его сходимость. Итерационное решение систем нелинейных уравнений. 4. Основы решения нелинейных задач математического программирования Постановка задачи математического программирования. Задачи безусловной и условной оптимизации. Метод Лагранжа. Особенности отыскания решений в задачах математического программирования с ограничениями в виде равенств и неравенств. Основы численного решения задач безусловной оптимизации. Метод Ньютона 2-го порядка точности. Квазиньютоновские методы. Градиентные методы. Метод покоординатного спуска. Метод наискорейшего спуска. Метод сопряжённых градиентов. 5. Интерполяция и приближение функций одной переменной Понятия интерполяции и приближения функции, заданной таблично. Кусочно-линейная интерполяция. Сплайн-интерполяция. Приближение функции степенным многочленом с использованием метода наименьших квадратов. 6. Приближённое вычисление определённых интегралов функций одной переменной Понятие о приближённом вычислении определённого интеграла. Формула прямоугольников. Формула трапеций. Формула Симпсона. Оценка погрешности методом Рунге. Автоматический выбор шага интегрирования. Метод Гаусса вычисления определённых интегралов. Основная теорема. Существование и единственность квадратурных формул наивысшей алгебраической степени точности. Свойства квадратурных формул Гаусса. 7. Численное дифференцирование Способы конечно-разностной аппроксимации производной, порядок точности разностной аппроксимации. Некорректность операции численного дифференцирования. Применение интерполирования для приближённого вычисления производной функции. 8. Численные методы решения задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений Постановка задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). Явный и неявный методы Эйлера. Методы Рунге-Кутта, их общая формулировка. Семейство методов второго порядка точности и их сходимость. Методы третьего и четвёртого порядка точности. Многошаговые разностные методы. Формулировка методов. Погрешность аппроксимации, устойчивость и сходимость разностных методов. Явные и неявные многошаговые методы Адамса. Численное интегрирование жёстких систем ОДУ. Условно и абсолютно устойчивые разностные методы. Понятие жёсткой системы дифференциальных уравнений. Нелинейные системы дифференциальных уравнений. Специальные определения устойчивости. Чисто неявные разностные методы. ^ 1 семестр №1. Применение программы Scilab для проведения вычислительных экспериментов в различных областях ТЭВН. №2. Численное решение СЛАУ прямым методом Гаусса и итерационным методом Зейделя. №3. Итерационное решение нелинейных уравнений методом Ньютона. №4. Вычисление экстремума функции одной переменной методом Ньютона. №5. Контрольная работа: численные методы решения СЛАУ, нелинейных уравнений, поиска экстремумов функций. №6. Сплайн-интерполяция таблично заданной функции при помощи кубических сплайнов. №7. Приближённое вычисление определённых интегралов функции одной переменной методами трапеций и Симпсона. №8. Численное решение ОДУ явным и неявным методами Эйлера. №9. Численное решение ОДУ методом Рунге-Кутта второго порядка точности. ^ 1 семестр №1. Определение экстремума функции двух переменных при помощи численных методов Ньютона и сопряжённых градиентов. №2. Приближение функции, заданной таблично, при помощи метода наименьших квадратов. №3. Вычисление определённого интеграла функции одной переменной методами трапеций, Симпсона и Гаусса. №4. Численное решение системы ОДУ явным и неявным методами Эйлера, методами Рунге-Кутта второго, третьего и четвёртого порядка точности. ^ Расчётные задания учебным планом не предусмотрены. 4.5. Курсовые проекты и курсовые работы Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрен. ^ Лекционные занятия проводятся в форме лекций в традиционной форме, а также с использованием компьютерных презентаций в формате Microsoft PowerPoint. ^ предусматривают решение студентами задач на персональных компьютерах с применением программы Scilab. Лабораторные работы предусматривают решение студентами индивидуальных заданий на персональных компьютерах с применением программы Scilab. Самостоятельная работа включает подготовку к тестам, контрольным работам и лабораторным работам, подготовку к зачету и экзамену. ^ Для текущего контроля успеваемости используются письменные тесты, контрольные работы и защиты лабораторных работ. Аттестация по дисциплине – экзамен. Оценка за освоение дисциплины, определяется как оценка на экзамене в 1 семестре. В приложение к диплому вносится оценка за 1 семестр. ^ 7.1. Литература: а) основная литература:
б) дополнительная литература:
^ а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы: Программное обеспечение – программа Scilab. Интернет-ресурс www.tvn-moscow.ru, www.scilab.org. б) другие: не предусмотрены. ^ Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабжённой персональными компьютерами для проведения практических занятий и лабораторных работ, а также мультимедийными средствами для представления презентаций лекций. Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и магистерской программе «Техника и электрофизика высоких напряжений». ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ: к.т.н., доцент Белогловский А.А. "УТВЕРЖДАЮ": Зав. кафедрой Техника и электрофизика высоких напряжений к.т.н., профессор Хренов С.И.
|