Teaching page G. Sleijpen

Modellen en simulatie, blok 4, voorjaar 2013

Course code: WISB134

INSTRUCTEURS

Klik de naam voor contact gegevens.
(FG = Freudenthal Gebouw, voorheen Wiskunde Gebouw)
Docent: Gerard L.G. Sleijpen (@uu.nl, FG 504, 030 253 1732)
Practicumleiders en assistenten:
        Groep 1, BBL 169,
               Ori Yudilevich (@uu.nl, FG 706, 030 253 1562),
               Nina E. Rosa (@students.uu.nl)
        Groep 2, BBL 103 106,
               Roy L.M. Wang (@uu.nl, FG 804, 030 253 4630),
               Judith M.J. Stoef (@students.uu.nl), Bas te Kolste
De groepsindeling wordt in het begin van de cursus vastgelegd en kan daarna niet meer gewijzigd worden (in verband met het nakijken en nabespreken van de verslagen).

TIJD en PLAATS

Blok 4: week 17 tot en met week 26, met uitzondering van week 21 (20 en 22 mei).

Activiteit Tijd Plaats
Hoorcollege Maandag 9:00 - 10:45
Woensdag 9:00 - 10:45
Ruppert Paars
Ruppert Paars
Werkcollege/
computer practicum
Maandag 11:00 - 12:45
Woensdag 11:00 - 12:45
BBL 169, 103-106  
BBL 169, 103-106  
Tentamen Maandag, 1 juli, 9:00 - 12:00 Educatorium Gamma Zaal
Hertentamen Maandag, 19 augustus, 9:00 - 12:00 BBL 061

Locaties: Martinus Ruppert Gebouw (Google maps), zaal Paars;
Buys Ballot Gebouw [Lab] (Google maps), BBL 169, 103, 106.

STUDIEBELASTING

ECTS : 7.5 studiepunten

Met een gemiddelde studiebelasting van 60 ECTS per jaar of 15 ECTS per periode, wordt verwacht dat je aan een vak van 7.5 ECTS dat in twee periodes gegeven wordt –als Modellen en Simulatie– gemiddeld zo'n 10 uur per week werkt (gedurende 18 weken).

INHOUD

In dit vak staat de betekenis van de wiskunde voor wetenschap en maatschappij centraal. We maken kennis met wiskundige modellen voor verschijnselen in de biologie, de mechanica en de economie. Voor elk van deze probleemgebieden worden vervolgens wiskundige technieken gepresenteerd die ontleend zijn aan de lineaire algebra, de theorie van iteratie en differentievergelijkingen en de theorie van differentiaalvergelijkingen. Achtereenvolgens komen wat de wiskunde betreft aan de orde: iteratie van functies, bifurcaties, Markov processen, differentievergelijkingen lineair en niet-lineair, differentiaalvergelijkingen van eerste en tweede orde en optimalisatie d.m.v. de simplexmethode.

WERKWIJZE

In tegenstelling tot wat je gewend bent van andere wiskundevakken ligt de nadruk niet zozeer op het zorgvuldig formuleren en bewijzen van stellingen, maar vooral op toepassingen waarbij de computer een sleutelrol vervult. De typische gang bij het opstellen en toepassen van een wiskundig model zou je in drie fasen kunnen opsplitsen:

  • Geconfronteerd met een onopgelost probleem of onbegrepen fenomeen uit natuurkunde, scheikunde, biologie, economie of noem maar op, probeer je allereerst een vertaling te maken naar een wiskundige formulering. Je maakt hierbij doorgaans gebruik van vereenvoudigingen, waarbij je natuurlijk probeert te voorkomen dat de essentie van het probleem verloren gaat (modelvorming).

  • Vervolgens ga je het wiskundige probleem, al dan niet numeriek, analyseren. Hierbij zul je vaak je toevlucht nemen tot computers (simulatie), maar niet voordat je zorgvuldig over het probleem hebt nagedacht.

  • Tenslotte interpreteer je de wiskundige uitspraken binnen haar wetenschappelijk context.

Dit is slechts een schets. In de praktijk zul je vaak tussen deze fasen heen en weer springen om je model waar nodig te corrigeren of te verfijnen.

De eerste en derde fase lenen zich vooral voor bespreking tijdens een hoorcollege of theoretisch practicum, terwijl je met de tweede fase het best ervaring kunt opdoen terwijl je achter een computer zit. Als je deze werkwijze voor ogen houdt zul je begrijpen dat het practicum een integraal onderdeel van het vak uitmaakt, en dat tijdens het practicum intensief gebruik zal worden gemaakt van de computer. Van een aantal opgaven moet een verslag worden gemaakt.

CURSUSMATERIAAL

Bij het college en de practica wordt gebruik gemaakt van het dictaat
     • Modellen en Simulatie (pdf) van Frits Beukers.
Het dictaat is verkrijgbaar bij de boekverkoop van A-Eskwadraat, BBL 238.

Voor een aantal opgaves zijn er
     • Mathematica notebooks.
Onder deze link vindt de liefhebber ook een paar Matlab routines die als illustratie op het college gebruikt worden.

Tijdens het eerste werkcollege wordt er een cursus (tutorial)
     • Inleiding Mathematica (screencast, tutorial materiaal)
gegeven door Dr. Wilberd van der Kallen. (Onder de laatste link vind je ook materiaal voor een cursus Inleiding Latex).

Onderstaande transparanten van de colleges die dit jaar (2013) nog niet gegeven zijn, zijn die van de cursus van afgelopen jaar. Wellicht dat de transparanten voor gebruik bijgewerkt zullen worden. In dat geval zal de oude variant vervangen worden door de nieuwe.

Van een aantal opgaven is een uitwerking beschikbaar (pdf, 05-06-2013). De collectie uitwerkingen zal in loop van de komende weken uitegebreid worden.

TOETSING

Er dienen drie verslagen ingeleverd te worden. Hier vind je instructies over het schrijven van een verslag en de wijze waarop een verslag beoordeeld wordt. Lees deze instructies zorgvuldig door.

Aan het eind van het cursus is een tentamen. Het eindcijfer E komt tot stand door een gewogen gemiddelde te nemen van

  • de beoordelingen V1, V2, V3 voor de drie in te leveren verslagen
  • en het cijfer T (H) voor het tentamen (hertentamen)
mits voor het laatste minimaal een 5 behaald is:

   E = 0.15*V1 +0.3* V2 + 0.3*V3 + 0.25*max(T,H)    mits    max(T,H) ≥ 5.

Tentamen en hertentamen gaan allebei over de inhoud van de hele cursus.

Het dictaat en kopieën van de transparanten mag je bij het tentamen raadplegen en een eenvoudige rekenmachine mag je gebruiken. Uitwerkingen van opgaven mag je echter niet inzien (het dictaat en de transparanten kunnen daarom alleen geraadpleegd worden als het voor de surveillant onmiddellijk duidelijk is dat er geen uitwerkingen van opgaven in bijgeschreven zijn).

Deelresultaten uit de cursus van 'n voorgaand jaar (ingeleverde opgaven e.d.) zijn dit jaar niet meer geldig.

TENSLOTTE

Tenslotte nog een waarschuwing: Het is gebleken dat het vak door studenten in het verleden als zeer moeilijk werd ervaren. Niet zozeer de zwaarte als wel de diversiteit aan onderwerpen –en bijgevolg het rappe tempo waarin deze de revue passeren– is een van de redenen hiervoor. Een tweede reden is de ietwat andere invalshoek dan je wellicht gewend bent: minder diepgang, maar een grotere reikwijdte zogezegd. Laat dit alles vooral geen afschrikking zijn: Modellen en Simulatie is een boeiend vak dat duidelijk maakt hoe belangrijk wiskunde is bij het oplossen van maatschappelijk relevante vraagstukken.

Rooster

Per week hebben we twee colleges. Globaal doen we een hoofdstuk per week. De details hieronder voor de colleges die dit jaar nog niet gegeven zijn, zijn die van de cursus van afgelopen jaar. De details zullen t.z.t. bijgewerkt worden.

  • College 1 en 2.
    Populatiegroei van één soort en recursies, recursies in één variabele (theorie), logistische groei   (zie hoofdstuk 1).
    Bijbehorende opgaven hoofdstuk 1 voor het werkcollege: 1.4.1-10.
    Bij een aantal opgaven zou het notebook “Recursies” van Arjen Baarsma (2011) behulpzaam kunnen zijn. (Een oudere versie is “iteratie” en, toegespitst op de logistische groei, heeft Tammo Jan Dijkema het notebook “logistgr” van behulpzame commentaren voorzien.)
    Het eerste verslag gaat over opgave 1.4.11 (herten populatie), in te leveren aan het begin van werkcollege 5. Hoe inleveren?
  •  College nummer
     Week nummer
     Verslag inleveren 
     Huidige week 
      Col    W Datum
      1- 2    17 22-24/4
      3- 4    18 29/4-1/5
      5- 6    19 6-8/5
      7- 8    20 13-15/5
     
      9-10    22 27-29/5
    11-12    23 3-5/6
    13-14    24 10-12/6
    15-16    25 17-19/6
    17-18    26 24-26/6
    Tent      27 1/7
     
    HTent 19/8
  • College 3 en 4.
    Lesliematrices, matrixrecursie (theorie), stelling van Perron-Frobenius, Markovketens (theorie)   (zie hoofdstuk 2).
    Bijbehorende opgaven hoofdstuk 2 voor het werkcollege: 2.6.1, 2.6.4-7, 2.6.8, 2.6.12-13, 2.6.15, 2.6.18.
  • College 5 en 6.
    Markovketens (voorbeelden)   (zie hoofdstuk 2).
    Algemene recursie in Rm, modellen, stabiliteit   (zie hoofdstuk 3).
    Resterende opgaven hoofdstuk 2: 2.6,9, 2.6.11 en 2.6.18.
    Bijbehorende opgaven hoofdstuk 3 voor het werkcollege: 3.4.1-4.
    Het tweede verslag gaat over opgave 3.4.6 (De stuiterende bal). In te leveren aan het begin werkcollege 9. Hoe inleveren?
  • College 7 en 8.
    Chaos voor algemene recursies in Rm   (zie hoofdstuk 3).
    Een dimensionale differentiaalvergelijkingen van orde 1, lineaire differentiaalvergelijkingen met constante coëfficiënten   (zie sectie 4.1).
    Uit hoofdstuk 3 voor het werkcollege: 3.4.4, 3.4.5.
    Uit hoofdstuk 4 voor het werkcollege: 4.4.1.a,b,c, 4.4.2.a,b,d, 4.4.3, 4.4.4, 4.4.6 (met uitgebreiding 4.4.6.d), 4.4.9, 4.4.12-14.
  • College 9 en 10.
    Stelsels differentiaalvergelijkingen van orde 1, autonome stelsels differentiaalvergelijkingen in R^2: het lineaire geval (de secties 5.1 en 5.2) .
    Stelsels differentiaalvergelijkingen van orde 1 en 2, lineaire differentiaalvergelijkingen met constante coëfficiënten   (zie sectie 4.2).
    Harmonische oscillator, resonantie (sektie 4.3).
    Meer informatie over de Tacoma brug:
           http://ta.twi.tudelft.nl/nw/users/vuik/information/tacoma.html
           http://www.cornelsen.de/physikextra/htdocs/Resonanz.html
           http://www.bernd-nebel.de/bruecken/4_desaster/tacoma/tacoma.html
    Over ongewenste resonanties (flutter) in vliegtuigen:
          http://whatreallyhappened.com/WRHARTICLES/airbus.html?q=airbus.html

    Theoretische discussie n analoog aan die in het dictaat en in het college:
           Klassieke Mechanica/Trillingen in WIKIBOOKS
    Werkcollege 10:   4.4.0, 4.4.10.a en e, 4.4.11, 4.4.16
    Het derde verslag gaat over opgave 4.4.19 (het veersysteem van een Volvo). (Opgaven 4.4.15-17 geven ‘analyse technieken’. technieken die tijdens het college besproken zijn. Je kunt meer details vinden op de transparanten). In te leveren aan het begin werkcollege 15. Hoe inleveren?
  • College 11.
    Stelsels differentiaalvergelijkingen, autonome stelsels in R^2: algemeen. (Sectie 5.3).
    Werkcollege 11:   5.6.1,   5.6.6,   5.6.13.
  • College 12
    Stelsels differentiaalvergelijkingen, autonome stelsels in R^2: algemeen. Chaos in autonome stelsels in R^3. Numeriek oplossen. (De secties 5.3, 5.4, 5.5).
    Werkcollege 12:   5.6.14 (a)t/m(f),   5.6.12,   5.6.13.
    Meer informatie over de Lorenz attractor:
           YouTube: “An Introduction to Chaos Theory with the Lorenz Attractor” (van MathemagicalProofs, 10:20)
           YouTube “Attracteurs étranges : L’effet papillon ” (van Jos Leys, 13:22. Diverse mooie annimaties van de Lorenz contractor.)

    De dubbele slinger is een ander relatief simpel voorbeeld waarbij zich chaos voordoet. De dubbele slinger beweegt zich in een vlak (de fysische ruimte is 2-dimensionaal), de fase ruimte is 4-dimensionaal:
           Doppelpendel (in de duitse Wikipedia. Een helder annimatie met een compacte formulering van de bewegingsvergelijking.)
  • College 13 .
    Lineaire programmering, lineaire ongelijkheden (Secties 6.1-2).
    Extra opgave bij hoofdstuk 5 (Epidemie).
    Bijbehorende opgaven hoofdstuk 6 voor het werkcollege: 6.5.1, 6.5.2, 6.5.4, 6.5.11-13 (kan zonder de simplex methode).
  • College 14.
    Lineaire programmering, de simplexmethode (Sectie 6.3).
    Bijbehorende opgaven hoofdstuk 6 voor het werkcollege: 6.5.2 (met de simplex methode), 6.5.3, 6.5.7, 6.5.14
  • College 15 .
    Lineaire programmering, de simplexmethode (Sectie 6.4) en Speltheorie (Hoofdstuk 7)
    Opgave voor het werkcollege: 6.5.7, 6.5.10, 6.5.14 en 7.3.3 (uitwerking 7.3.3).
  • College 16.
    Spel theorie (Hoofdstuk 7) en Simulated Annealing (Hoofdstuk 8) (de Matlab programma's annealing en annealingTSP illusteren de werking van simulated annealing)
    Opgave voor het werkcollege: 7.3.2. Tentamen, 17 april 2009 (met uitwerking)
  • College 17 Tentamen, 29 juni 2011.
    Werkcollege 17.
    Tentamen, 18 april 2008
  • Tentamen (27 juni) over Hoofdstuk 1 tot en met hoofdstuk 7 van het dictaat.




  © Gerard L. G. Sleijpen   <G.L.G.Sleijpen@uu.nl>
  Last modified: