маг - (МИИГАиК) - Кафедра вычислительной техники и

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ» (МИИГАиК)
Утвержден
Учебно-методической
комиссией МИИГАиК
от «____»__________2014__ г.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Решение научных задач в среде MATLAB
Направление подготовки
120100 Направление: "Геодезия и дистанционное зондирование"
Профиль подготовки
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
Квалификация (степень)
магистр
Форма обучения
очная
Москва
2014 год
1. Пояснительная записка
Цели и задачи курса
Учебная дисциплина «Решение научных задач в среде MATLAB»
входит в раздел «М1.В.ДВ Базовая часть, Дисциплины по выбору» по
направлению подготовки «Геодезия и дистанционное зондирование».
Освоение курса начинается с изучения пакета прикладных
математических
программ
Scilab,
предоставляющего
открытое
математическое обеспечение для инженерных (технических) и научных
расчётов. Это самая полная общедоступная альтернатива MATLAB.
Отличие
от
некоторых
коммерческих
программ
заключается
в
бесплатности, свободности, в маленьком размере – дистрибутив занимает
порядка 100 МБ против более чем двухгигабайтного пакета MATLAB.
Имеется также возможность запуска в консоли без использования
графического интерфейса, в том числе в версии под Windows
Это
позволяет производить автоматизированные вычисления, есть пакетный
режим.
В курсе подробно обсуждается переход от системы Scilab к системе
MATLAB – мощному пакету прикладных программ для решения задач
технических вычислений и одноименному языку программирования,
используемому в самом пакете. MATLAB используют более 1 000 000
инженерных и научных работников, он работает на большинстве
современных операционных систем.
Целью освоения учебной дисциплины «Решение научных задач в
среде MATLAB» является:

формирование знаний об основных методах постановки и
решения научных задач

обучение принципам работы с системами компьютерной
математики Scilab и MATLAB

формирование компетенций, определяющих способность к
использованию теоретических
знаний и
практических навыков в
профессиональной деятельности при анализе, разработке и применении
методик и алгоритмов решения научных задач с помощью систем
компьютерной математики, в частности с помощью систем Scilab и Matlab.
Содержание дисциплины «Решение научных задач в среде
MATLAB» является логическим продолжением дисциплин «Математика»,
«Физика», «Информатика», «Технология программирования» и служит
основой освоения дисциплин «Информационные технологии в геодезии и
дистанционном
зондировании»,
«Современные
компьютерные
и
информационные технологии», «Автоматизированные системы сбора и
обработки
результатов
дистанционного
зондирования»,
«Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение
задач геодезии и дистанционного зондирования».
В результате освоения дисциплины «Решение научных задач в
среде
MATLAB»
обучающиеся
должны
достигнуть
следующих
результатов:
Знать: основные методы постановки научных задач и основные
способы решения научных задач с помощью систем компьютерной
математики.
Уметь: осуществлять математическую постановку научных задач
и осуществлять решение поставленных задач с помощью систем
компьютерной математики Scilab и MATLAB.
Владеть: методологией решения научных задач с помощью систем
компьютерной математики.
Процесс освоения дисциплины «Решение научных задач в среде
MATLAB» направлен на формирование следующих компетенций:
Код
компетенции
Наименование компетенции
Общекультурные компетенции
обладать способностью совершенствовать и развивать свой
интеллектуальный и общекультурный уровень
обладать способностью к самостоятельному обучению новым
методам исследования, к изменению научного и научнопроизводственного профиля своей профессиональной деятельности
обладать способностью самостоятельно приобретать с помощью
информационных технологий и использовать в практической
деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях
знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности
обладать способностью анализировать, критически оценивать и
интегрировать опыт практической деятельности и исследований в
профессиональной области и социально-личностной сфере
ОК-1
ОК-2
ОК-5
ОК-7
Профессиональные компетенции
обладать способностью к разработке алгоритмов, программ и методик
решения задач в области геодезии и дистанционного зондирования
обладать способностью к организации и проведению экспериментов,
обладать обработке, обобщению, анализу и оформлению достигнутых
результатов
обладать способностью изучать и моделировать физические поля
Земли и планет
обладать готовностью к профессиональной педагогической
деятельности
обладать готовностью к созданию баз и банков данных цифровой
топографо-геодезической и тематической информации
обладать способностью к внедрению технологий мультимедийного,
виртуального, многомерного цифрового пространственного
моделирования для принятия научно-исследовательских и
производственно-технологических решений
ПК-2
ПК-3
ПК-5
ПК-6
ПК-11
ПК-12
Виды занятий и методики обучения
При реализации программы дисциплины «Решение научных задач
в среде MATLAB» занятия проводятся:
 В виде лабораторных работ (36 ч) в компьютерном классе,
оснащенном
компьютерным
мультимедийным
проектором
и
интерактивной доской. Все компьютеры подключены к интернету. Во
время занятий используются различные методики и методы обучения:
опрос, дискуссия, участие в коллективных проектах и т.д.
 В виде консультаций (2 ч на человека) по курсовым работам
В
виде
самостоятельной
работы
(88 ч)
студентов
под
руководством преподавателя.
Формы контроля
Рубежный контроль (контроль выполнения лабораторных работ)
В течение курса изучения дисциплины студенты выполняют
лабораторные работ по всем разделам дисциплины. Задания к выполнению
индивидуальных самостоятельных работ сформулированы для каждой
лабораторной работы.
Рубежный контроль (контроль выполнения курсовой работы)
Темы курсовых работ сформулированы в 6-м разделе УМК.
Консультации и текущий контроль осуществляется в течение всего
семестра. Происходит публичная защита курсовой работы.
Итоговый контроль по курсу
Для контроля усвоения данной дисциплины учебным планом
предусмотрен экзамен. Теоретические экзаменационные вопросы к
экзамену сформулированы в 8-м разделе. Практические задания к
экзамену выбираются из лабораторных работ. Оценка за экзамен является
итоговой по дисциплине и проставляется в Приложении к диплому.
2. Методические рекомендации по изучению дисциплины
• На изучение дисциплины отводится 36 часов лабораторных
занятий и 88 часов самостоятельной работы студентов.
•
«Сценарий
последовательное
изучения
изучение
дисциплины»
теоретического
материала,
предполагает
выполнение
лабораторных работ и написание курсовой работы.
• Большой массив теоретических и практических материалов
выложен в интернете по адресу http://foist.esy.es/Mindex.htm.
• Общение преподавателя со студентами происходит как в
активном, так и интерактивном режиме с помощью интернета.
3. Учебно-тематический план курса
1
2
3
4
Лабораторные
4
5
6
7
3
СРС (час)
Практические
2
Методика решения научных
задач с помощью систем
компьютерной математики
Система компьютерной
математики Scilab
Сравнительный анализ
систем компьютерной
математики Scilab и Matlab
Решение научных задач в
Scilab и Matlab
Семинары
ДИСЦИПЛИНЫ
Лекции
1
Раздел
Семестр
№ п/п
ВИДЫ АУДИТОРНОЙ
РАБОТЫ (ЗАНЯТИЙ)
(ЧАС)
8
1
4
8
1
12
32
1
4
8
1
16
40
36
88
27
Аттестация (экзамен)
ИТОГО:
151
4. Программа дисциплины (содержание курса)
Раздел 1. Методика решения научных задач с помощью систем
компьютерной математики
Сравнительный
Численные и
обзор
систем
символьные вычисления
компьютерной
математики.
в системах компьютерной
математики. Графика и анимация в системах компьютерной математики.
Раздел 2. Система компьютерной математики Scilab
Инсталляция Scilab. Обзор внутренних и внешних (интернет)
ресурсов. Интерфейс, командное окно, окно редактирования. Простейшие
вычисления. Циклы. Матрицы и векторы. Графические окна, построение
двумерных и трехмерных графиков. Анимация. Решение нелинейных
уравнений. Численное интегрирование и дифференцирование. Решение
дифференциальных уравнений.
Раздел 3. Сравнительный анализ систем компьютерной
математики Scilab и Matlab
Организация численных расчетов в Scilab и Matlab. Сравнение
графических
возможностей.
Анимационные
Возможности
по
графических
созданию
возможности
приложений.
систем.
Сравнение
возможностей по моделированию динамических систем – Simulink и
Scicos.
Конвертация программ из одной системы в другую.
Раздел 4. Решение научных задач в Scilab и Matlab
Решение задач одномерной и многомерной динамики. Численное и
аналитическое решения уравнений движения Ньютона.
экспериментальных
данных.
Аппроксимация
Обработка
объемных
тел
многогранными поверхностями. Анимация движения тел в трехмерном
пространстве. Решение оптимизационных задач.
5. Планы практических (лабораторных) занятий
Тема
№
Первый раздел дисциплины
1
Сравнительный обзор систем компьютерной математики.
Численные и символьные вычисления в системах компьютерной
2
математики. Графика и анимация в системах компьютерной
математики.
Второй раздел дисциплины
Инсталляция Scilab. Обзор внутренних и внешних (интернет)
3
ресурсов. Интерфейс, командное окно, окно редактирования.
Простейшие вычисления.
4
5
Циклы. Матрицы и векторы.
Графические окна, построение двумерных и трехмерных графиков.
Анимация.
6
Решение нелинейных уравнений.
7
Численное интегрирование и дифференцирование.
8
Решение дифференциальных уравнений.
Третий раздел дисциплины
9
10
Сравнительный анализ систем компьютерной математики Scilab и
Matlab.
Конвертация программ из одной системы в другую.
Четвертый раздел дисциплины
11
Решение задач одномерной и многомерной динамики.
12
Численное и аналитическое решения уравнений движения Ньютона.
13
Обработка экспериментальных данных.
14
Аппроксимация объемных тел многогранными поверхностями.
15
Анимация движения тел в трехмерном пространстве.
16
Решение оптимизационных задач.
6. Темы курсовых работ
1. Сравнение графических возможностей Scilab и Matlab.
2. Сравнение анимационных возможностей Scilab и Matlab.
3. Изображение многогранных тел в среде MATLAB.
4. Анимация вращательного движения многогранных тел в среде
MATLAB.
5. Особенности
компьютерного
построения
графиков
быстро
осциллирующих функций.
6. Одномерная динамика. Логистическое семейство, построение
бифуркационной диаграммы.
7. Квадратичные семейства отображений окружности и сферы.
8. Динамика Ньютона. Планер Жуковского.
9.Динамика Ньютона. Сила Лоренца и движение в скрещенных полях.
10. Случайные блуждания и броуновское движение на плоскости.
11. Случайные блуждания и броуновское движение в пространстве.
12. Любой раздел из книг Cleve Moler, Experiments with MATLAB или
Numerical Computing with MATLAB.
7. Методические рекомендации по выполнению курсовых работ
Курсовая работа должна быть выполнена в системе Scilab и/или
MATLAB. Приветствуется параллельное выполнение работы в любой
другой альтернативной системе компьютерной математики. Консультации
проводятся как в аудиторном режиме, так и в дистанционном – через
интернет. Завершенная работа представляется в виде презентации. Защита
курсовой работы осуществляется в виде публичной дискуссии.
8. Контрольные теоретические вопросы по курсу к экзамену
Раздел 1
1. Отличительные особенности системы компьютерной
математики Mathcad
2. Отличительные особенности системы компьютерной
математики Mathematica
3. Отличительные особенности системы компьютерной
математики Maple
4. Отличительные особенности системы компьютерной
математики MATLAB
5. Отличительные особенности системы компьютерной
математики Scilab
Раздел 2
1. Отличительные особенности интерфейса среды Scilab
2. Задание переменных, системные переменные
3. Ввод чисел и представление результатов вычислений
4. Функции в Scilab
5. Циклы в Scilab
6. Ввод и формирование массивов и матриц
7. Графические окна, построение двумерных графиков
8. Построение трехмерных графиков
9. Анимации
10. Решение алгебраических уравнений
11. Решение трансцендентных уравнений
12. Системы уравнений
13. Численное интегрирование
14. Численное дифференцирование
15. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений в Scilab
Раздел 3
1. Сравнительный анализ систем Scilab и MATLAB
2. Конвертация текстов программ
Раздел 4
1. Графический анализ поведения итераций функций одного
переменного
2. Логистическое семейство, бифуркационная диаграмма
3. Семейства квадратичных отображений окружности,
бифуркационные диаграммы
4. Итерации квадратичного отображения сферы
5. Уравнения движения Ньютона
6. Численное решение уравнений движения Ньютона
7. Численное решение уравнений движения при наличии
сопротивления и подъемной силы
8. Численное решение уравнений движения заряженной частицы
9. Метод наименьших квадратов
10. Интерполяция функций
11. Аппроксимация объемных тел многогранными поверхностями
12. Анимация движения тел в трехмерном пространстве
13. Поиск экстремума функции одной переменной
14. Поиск экстремума функции нескольких переменной
15. Решение задач линейного программирования
9. Список основной и дополнительной литературы
а) основная литература:
1.
Алексеев Е.Р., Чеснокова О.В., Рудченко Е.А. Scilab. Решение
инженерных и математических задач. М.: ALT Linux, 2008, 260 с.
Имеется в открытом доступе
http://docs.altlinux.org/books/2008/altlibrary-scilab-20090409.pdf
2.
Scilab for very beginners. Имеется в открытом доступе
file:///C:/Users/%D0%B4%D0%BE%D0%BC/Downloads/Scilab_beginne
rs%20(3).pdf
3.
Cleve Moler, Experiments with MATLAB. Имеется в открытом доступе
http://www.mathworks.com/moler/exm/
4.
Cleve Moler, Numerical Computing with MATLAB. Имеется в открытом
доступе http://www.mathworks.com/moler/index_ncm.html
б) дополнительная литература:
1.
Хант Б.Р., Matlab R2007 с нуля. М.: «Лучшие книги», 2008, 354 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1.
Сайт разработчиков Scilab http://www.scilab.org/
2.
М.И. Павлова,
Руководство
по
работе
с
пакетом
SCILAB.
http://www.csa.ru/~zebra/my_scilab/
3.
А. Панов, страница поддержки курса http://foist.esy.es/Mindex.htm
10. Словарь терминов и персоналий (глоссарий)
Система
компьютерной
математики
(СКМ)
–
класс
универсальных компьютерных систем, позволяющих проводит численные
и символьные вычисления. К ним относятся, например Mathcad,
Mathematica, Maple, MATLAB, Scilab.
Mathcad – система компьютерной алгебры из класса систем
автоматизированного проектирования, ориентированная на подготовку
интерактивных
документов
с
вычислениями
и
визуальным
сопровождением, отличается легкостью использования и применения для
коллективной работы.
Mathematica – система компьютерной алгебры, используемая во
многих научных, инженерных, математических и компьютерных областях.
Maple – программный пакет, система компьютерной алгебры.
Система Maple предназначена для символьных вычислений, хотя имеет
ряд средств и для численного решения дифференциальных уравнений и
нахождения интегралов. Обладает развитыми графическими средствами.
Имеет собственный язык программирования, напоминающий Паскаль.
MATLAB – пакет прикладных программ для решения задач
технических вычислений и одноименный язык программирования,
используемый в этом пакете.
Scilab
–
пакет
прикладных
математических
программ,
предоставляющий открытое окружение для инженерных (технических) и
научных расчётов. Это самая полная общедоступная альтернатива
MATLAB.
Cleve Barry Moler – американский математик и программист,
специализирующийся на численном анализе. Изобрел MATLAB – пакет
для численных вычислений.
Исаак Ньютон – английский физик, математик, механик и
астроном,
один
фундаментального
из
создателей
труда
классической
«Математические
физики.
начала
Автор
натуральной
философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три
закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал
дифференциальное и интегральное исчисления, теорию цвета, заложил
основы
современной
физической
оптики,
создал
многие
другие
математические и физические теории.
Хендрик Антон Лоренц – нидерландский физик-теоретик, лауреат
Нобелевской премии по физике. Известен, прежде всего, своими работами
в области электродинамики и оптики.
Николай Егорович Жуковский – русский механик, создатель
аэродинамики как науки.
11. Задачи к лабораторным работам и к экзамену