Numerische Verfahren

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http://www.tu-harburg.de/~matjz/work/lectures/numver/.

Dieses ist die Internetseite der Vorlesung "Numerische Verfahren" von Jens-Peter M. Zemke. Ich bin der Oberingenieur des Institutes für Numerische Simulation E-10 der Technischen Universität Hamburg-Harburg (kurz TUHH).

Die Vorlesung "Numerische Verfahren" war eine Pflichtvorlesung, wurde 2002 ins Leben gerufen und wendete sich an Studierende im vierten Semester des Diplom-Studienganges Bauingenieurwesen und Umwelttechnik. Ich habe diese Vorlesung vom Sommersemester 2004 bis zum Sommersemester 2008 gehalten. Die Vorlesung ist nicht im aktuellen Bachelor/Master-Programm enthalten und wurde daher zum letzten Mal im Sommersemester 2008 angeboten. Interessierte haben aber die Möglichkeit, sich die verwandte Vorlesung "Numerische Methoden" aus dem Bachelor-Programm anzuhören.

Allgemeines

Auf dieser Seite finden Sie Informationen zur Vorlesung, zum Skript, zu den Übungen, zur Klausur und zu weiterführender Literatur.

Noch findet meine Sprechstunde auch für Studierende des Studienganges Bauingenieurwesen und Umwelttechnik statt: Mittwoch von 10.00 Uhr bis 11.00 Uhr im "Lindwurm", Schwarzenbergstraße 95, Gebäude E, dritter Stock, Raum 3.044.

Die Vorlesung

Der Vorlesungsinhalt gliedert sich nach Kapiteln wie folgt:

Kapitel 1: Einleitung
Zahlendarstellung: Festpunktdarstellung, Gleitpunktdarstellung; Rundungsfehler und Gleitpunktrechnung.
Kapitel 2: Interpolation
Problemstellung; Polynominterpolation: Lagrangesche Interpolationsformel, die Newtonsche Interpolationsformel, Fehlerbetrachtungen; Spline-Interpolation: stückweise lineare Funktionen, kubische Splines.
Kapitel 3: Numerische Integration
Konstruktion von Quadraturformeln; Fehler von Quadraturformeln; Quadraturformeln von Gauß; adaptive Quadratur; numerische Differentiation.
Kapitel 4: Lineare Systeme
Zerlegung regulärer Matrizen; Modifikationen des Gaußschen Verfahrens; Störungen linearer Systeme; Software für lineare Gleichungssysteme.
Kapitel 5: Lineare Ausgleichsprobleme
Normalgleichungen; Orthogonale Zerlegung von Matrizen; Singulärwertzerlegung; Pseudoinverse; Störung von Ausgleichsproblemen; Regularisierung.
Kapitel 6: Eigenwertaufgaben
Vorbetrachtungen; Potenzmethode; der QR-Algorithmus.
Kapitel 7: Nichtlineare Gleichungssysteme
Fixpunktsatz für kontrahierende Abbildungen; Nullstellen reeller Funktionen: Newton-Verfahren, einschließende Verfahren; Newton-Verfahren für Systeme; Quasi-Newton-Verfahren; nichtlineare Ausgleichsprobleme.
Kapitel 8: Einschrittverfahren
Das Eulersche Polygonzugverfahren; allgemeine Einschrittverfahren; explizite Runge-Kutta-Verfahren; Schrittweitensteuerung; eingebettete Runge-Kutta-Verfahren.
Kapitel 9: Mehrschrittverfahren
Konsistenz; Stabilität; Adams-Bashforth-Verfahren; Adams-Moulton-Verfahren; Prädiktor-Korrektor-Verfahren; BDF-Verfahren.
Kapitel 10: Steife Probleme
Motivation; Stabilitätsgebiete: A-Stabilität, A(α)-Stabilität; implizite Runge-Kutta-Verfahren; Rosenbrock-Verfahren; Bemerkungen zur Wahl der Verfahren.

Grundlage für "Numerische Verfahren" ist die Beherrschung des Stoffes aus der Mathematik I-III, vor allem der Linearen Algebra. Aus der Analysis benötigt man die Entwicklung einer Funktion nach Taylor, und für Kapitel 8-10 erweist sich ein (vorheriges) Repertorium der Theorie der (gewöhnlichen) Differentialgleichungen als hilfreich.

Evaluation

Falls Sie die Vorlesung seinerzeit gehört haben, können Sie die Vorlesung bei Mein.Prof.de bewerten. Die Vorlesung ist dort unter dem folgenden Link bewertbar:

http://www.meinprof.de/uni/kurs/72707.

Bitte achten Sie dabei auf die korrekte Angabe des Semesters.

Das Skript

Das Inhaltsverzeichnis ist oben im Abschnitt "Die Vorlesung" aufgeschlüsselt.

Hier die Links auf zwei Skriptversionen:

  1. Die letzte in sich konsistente Version des Skriptes (Sommersemester 2007, Version vom 04.04.2005).
  2. Die letzte Version des Skriptes (Sommersemester 2007, Version vom 16.05.2007).

Im Sommersemester 2008 wurden die Folien grundlegend überarbeitet und im Laufe des Semesters nach Fertigstellung in der Auflistung des Vorlesungsinhaltes verlinkt. Bei Unklarheiten im Skript schauen Sie daher bitte, ob diese auch in den Folien vorliegen.

Die Übungen

Es wurden Übungsblätter ausgegeben, die als Ergänzung zur Vorlesung, vor allem aber als Vorbereitung auf die abschließende Klausur anzusehen sind. Die Übungen bestehen haputsächlich aus Programmieraufgaben; Sie sollten wenigstens versucht haben, die Programmierung zu bewerkstelligen, denn nur durch eigene Erfahrungen, vor allem durch eigene Fehler, lernt man den Stoff und gewinnt ganz neue Einsichten.

Näheres zu den Übungen, die Übungsblätter und die ausgegebenen Lösungen finden Sie auf der Seite

http://www.tu-harburg.de/~matjz/work/exercises/numver/.

Die Klausur

Die Vorlesung "Numerische Verfahren" wurde mit einer anschließend stattfindenden Klausur abgeprüft. Die alten Klausuren werden von mir als Musterlösung (ohne Gewähr) ins Netz gehängt:

Danke für die Hinweise auf kleine Fehler in einigen der alten Musterlösungen. Die zur Verfügung gestellten PDF-Dateien sind bereits korrigiert.

Die letzte Klausur ist korrigiert:

Matrikelnummer
20624519
Punkte
62
Note
3.0

Weiterführende Literatur

Da ein Skript immer nur eine Sichtweise auf ein Thema oder Thememkreis geben kann, ist es eigentlich immer von Vorteil, andere Literatur, und damit andere Sichtweisen, hinzuzuziehen.

Natürlich sind Sie zur Vorsicht angehalten, denn nicht jeder Autor behandelt jedes Thema mit gleichem Interesse und unter den gleichen Aspekten, und wir sind daran interessiert, Ihnen die im Skript dargebotene Perspektive näher zu bringen. Allerdings kann es durchaus sein, daß just dieser Ansatz auf Ihrem gewohnten Lernverhalten senkrecht steht.

Jede Art der Heranführung an den Themenkreis "Numerische Verfahren" (in mathematischer Strenge, mit vielen Beispielen, auf der Basis von Bildern, an dreidimensionale Anschauung oder an Gegebenheiten der Physik angelehnt, etcpp.) in das Skript einzubauen, würde mit Sicherheit zwar nicht den Stoffumfang, aber sehr wohl den Skriptumfang sprengen.

Nach diesen einleitenden Worten eine kleine Auswahl an empfohlener Literatur zum Thema "Numerische Verfahren":

Stoer
Numerische Mathematik 1
Stoer/Bulirsch
Numerische Mathematik 2
Deuflhard/Hohmann
Numerische Mathematik I
Deuflhard/Bornemann
Numerische Mathematik II
Schwarz
Numerische Mathematik

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