616-3031/01 – Aplikovaná matematika (AM)

Garantující katedraKatedra ochrany životního prostředí v průmysluKredity6
Garant předmětuRNDr. Jan Bitta, Ph.D.Garant verze předmětuRNDr. Jan Bitta, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinný
Ročník1Semestrzimní
Jazyk výukyčeština
Rok zavedení2019/2020Rok zrušení
Určeno pro fakultyFMTUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
BIT02 RNDr. Jan Bitta, Ph.D.
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 3+3
kombinovaná Zápočet a zkouška 18+0

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

- Znalost možností, omezení a chyb matematických modelů a numerických výpočtů - Znalost základních metod pro analytický a numerický výpočet řešení počátečních úloh pro obyčejné diferenciální rovnice - Znalost základních metod pro analytický a numerický výpočet řešení okrajových úloh pro obyčejné diferenciální rovnice - Znalost základních metod pro analytický a numerický výpočet řešení okrajových úloh pro parciální diferenciální rovnice - Schopnost aplikovat získané znalosti o numerických algoritmech

Vyučovací metody

Přednášky
Cvičení (v učebně)

Anotace

Aplikovaná matematika je odvětví matematiky zabývající se studiem těch oblastí matematiky, které se používají jako vhodný nástroj v nějakém nematematickém oboru. Rozvíjí matematické metody používané mimo samotnou matematiku, upřesňuje způsob, kterým je takové metody možné použít, a ručí za správnost jimi dosažených výsledků.

Povinná literatura:

BIRD, R. Byron, Warren E. STEWART a Edwin N. LIGHTFOOT. Přenosové jevy: sdílení hybnosti, energie a hmoty. Přeložil Štefan ŠALAMON, přeložil Vladimír MÍKA. Praha: Academia, 1968. DONT, Miroslav. Úvod do parciálních diferenciálních rovnic. Praha: České vysoké učení technické, 1997. ISBN 80-01-01676-5. FEISTAUER M. Diskrétní metody řešení diferenciálních rovnic. Praha: SPN, 1981.

Doporučená literatura:

JENSON, Victor George a Godfrey Vaughan JEFFREYS. Matematické metódy v chemickom inžinierstve. Bratislava: Alfa, c1973. KUBÍČEK, Milan. Numerické algoritmy řešení chemickoinženýrských úloh. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1983. ŠKRÁŠEK, Josef a Zdeněk TICHÝ. Základy aplikované matematiky II: integrální počet, nekonečné řady, diferenciální geometrie, obyčejné a parciální diferenciální rovnice, funkce komplexní proměnné, Laplaceova transformace, diferenční rovnice. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1986. REKTORYS, Karel. Přehled užité matematiky II. 6. přeprac. vyd. Praha: Prometheus, 1995. ISBN 80-85849-62-3.

Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta

- kontrolní test - aktivní účast na cvičeních

E-learning

Další požadavky na studenta

- zápočtový test - aktivní účast na cvičeních

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

1. Úvod do předmětu. Modelování. Fyzické a abstraktní modely. Matematické modelování, výpočtová matematika. Chyby v matematických modelech. Metody verifikace modelů. Apriorní a aposteriorní odhad chyb. Využití matematických modelů v praxi. 2. Základní pojmy v přenosových jevech 1. – skaláry, vektory – kartézská a geometrická reprezentace vektorů, vektorové prostory, dimenze vektorových prostorů. Skalární, vektorový a tenzorový součin vektorů a jejich geometrické významy. Matice – jevy reprezentované pomocí matic, singulární a regulární matice, determinant matice a jeho geometrický význam, transpozice matic, symetrické matice, vlastní čísla a vlastní vektory matice. 3. Základní pojmy v přenosových jevech 2. – Tenzory, vztah tenzorů k vektorům a maticím, základy tenzorového počtu, diferenciální operace s tenzory. Základy teorie pole – skalární a vektorové pole, gradient skalárního pole, divergence a rotace vektorového pole a jejich geometrický význam, skalární potenciál vektorového pole. 4. Počáteční úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice – Formulace počáteční úlohy pro rovnici prvního řádu. Formulace počáteční úlohy pro soustavy rovnic prvního řádu. Formulace počáteční úlohy pro rovnici n-tého řádu a její převod na soustavu rovnic 1. řádu. Věta o existenci řešení počáteční úlohy 1. řádu. Vztahy mezi Lipschitzovskými, spojitými a spojitě diferencovatelnými funkcemi. Vlastnosti řešení ¨počáteční úlohy 1. řádu. 5. Analytické metody řešení ODR – Metoda přímé integrace, metoda separace proměnných, lineární rovnice n-tého řádu a soustavy lineárních rovnic. Charakteristické funkce, fundamentální řešení, metoda variace konstant. 6. Numerické metody řešení ODR 1 – Diskretizace úloh. Obecné numerické schéma řešení ODR. Explicitní a implicitní metody. Jedno- a vícekrokové metody. Eulerova metoda – explicitní, implicitní, lichoběžníková. Interpolace funkcí – Lagrangeova interpolace, Hermitova interpolace. 7. Numerické metody řešení ODR 2 – Konsistence, stabilita a konvergence numerických schémat. Rychlost konvergence úloh. Podmíněnost úloh. Počítačová reprezentace čísel. Zaokrouhlovací chyby. Konvergence a stabilita postupů založených na Eulerově metodě. Metody typu prediktor-korektor. Metody typu Runge-Kutta. 8. Okrajové úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice 1 – Formulace okrajové úlohy. Okrajové podmínky – Dirichletova, Neumannova okrajová podmínka, Newtonova okrajová podmínka, samoadjugovaný tvar lineární ODR 2. řádu. Ortogonální funkce a jejich základní vlastnosti. Fourierovy řady. Homogenní okrajové úlohy. Vlastní čísla a vlastní funkce homogenní okrajové úlohy. Analytické řešení pomocí přímé integrace. Fourierova metoda. 9. Okrajové úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice 2 – Numerické řešení okrajových úloh pomocí metody sítí (metoda konečných diferencí). Numerické schéma metody, reprezentace okrajových podmínek. Vlastnosti momentové matice. Speciální Gaussova eliminace pro třípásové matice. Konvergence metody sítí. Stacionární jednorozměrné vedení tepla v tyči, desce, válci a kouli. Omezení metody sítí. 10. Okrajové úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice 3 – Metoda konečných prvků pro okrajové úlohy ODR. Slabá formulace úlohy, Galerkinovské aproximace, Courantova báze. Vlastnosti matice tuhosti. Konvergence metody konečných prvků. Adaptivní zjemňování výpočetní sítě. 11. Okrajové úlohy pro parciální diferenciální rovnice 1 – Formulace okrajových úloh pro PDR. Lineární parciální diferenciální rovnice 2. řádu a jejich klasifikace. Okrajové podmínky pro PDR. Metoda separace proměnných (Fourierova metoda). Metoda kombinace proměnných u parabolických úloh. Metoda fundamentálního řešení (Greenova funkce). 12. Okrajové úlohy pro parciální diferenciální rovnice 2 – Numerické řešení okrajových úloh pro PDR metodou sítí (metoda konečných diferencí). Požadavky na výpočetní síť pro zajištění konvergence úlohy. Numerické řešení okrajových úloh pro PDR metodou konečných prvků. Časově proměnné úlohy, metoda časových řezů pro parabolické úlohy. Časové řezy typu – explicitní, implicitní, Crank-Nicholson. 13. Okrajové úlohy pro parciální diferenciální rovnice 3 – Aplikace analytických a numerických postupů na úlohy – nestacionární vedení tepla v poloomezeném tělese. Symetrický a nesymetrický ohřev omezené desky. Ohřívání desky konečné tloušťky. Řešení okrajových úloh difúzních rovnic.

Podmínky absolvování předmětu

Prezenční forma (platnost od: 2019/2020 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 40  10
        Zkouška Zkouška 60  10
Rozsah povinné účasti: 80% účast ve cvičeních

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.ZaměřeníFormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2021/2022 (N0712A130004) Chemické a environmentální inženýrství P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2021/2022 (N0713A070004) Tepelně energetické inženýrství P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2021/2022 (N0713A070004) Tepelně energetické inženýrství K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2020/2021 (N0712A130004) Chemické a environmentální inženýrství P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2020/2021 (N0713A070004) Tepelně energetické inženýrství K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2020/2021 (N0713A070004) Tepelně energetické inženýrství P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2019/2020 (N0713A070004) Tepelně energetické inženýrství P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2019/2020 (N0713A070004) Tepelně energetické inženýrství K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2019/2020 (N0712A130004) Chemické a environmentální inženýrství P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku