Энтропии и фракталы в анализе данных Лектор: к.ф.-м.н., с.н.с. Чумак Олег Васильевич (кафедра экспериментальной астрономии физического факультета МГУ) Код курса: Статус: Аудитория: Семестр: Трудоёмкость: Лекций: Семинаров: Практ. занятий: Отчётность: Начальные компетенции: Приобретаемые компетенции: обязательный специальный 8 2 з.е. 16 часов 16 часов 4 часа экзамен М-ПК-1, М-ПК-6 М-ПК-3, М-ПК-4 Аннотация курса В лекционном курсе содержатся базовые понятия энтропийно-фрактального анализа наблюдательных и экспериментальных данных, продуцируемых сложными системами с нестационарным и хаотическим поведением. В рамках курса студенты знакомятся с основами предмета и методами расчета энтропий и мультифрактальных спектров, приобретают практические навыки работы в области фрактального анализа данных. В качестве примеров рассматриваются реальные данные разной природы и размерностей, в том числе ряды видеоизображений, получаемых с бортов космических аппаратов (КА). Образовательные технологии Курс имеет электронную версию для презентации. Лекции читаются с использованием современных мультимедийных возможностей и проекционного оборудования. Логическая и содержательнометодическая взаимосвязь с другими частями анализа данных Курс читается в рамках решения одной из главных задач кафедры: подготовки специалистов в области обработки огромных объемов данных, получаемых с бортов КА. Он дополняет базовые курсы «Методы обработки наблюдений», «Обнаружение и фильтрация стохастических сигналов в астрономии» а также специальный курс «Астросинергетика». Дисциплины и практики, для которых освоение данного курса необходимо как предшествующего Научно-исследовательская практика, научноисследовательская работа, дисциплины, связанные с современными методами анализа данных. Основные учебные пособия, обеспечивающие курс Основные учебнометодические работы, обеспечивающие курс Основные научные статьи, обеспечивающие курс 1. Чумак О.В. – Энтропии и фракталы в анализе данных. МГУ, М.-И., РХД, 2011 (в печати). 2. Морозов А.Д. – Введение в теорию фракталов. ИКИ, М.-И., РХД, 2002. 1. Мандельброт Б.Б.- Фрактальная геометрия природы. (под. ред. В.А. Садовничего и др.) М.-И., РХД. 2002г. 2. Мандельброт Б.Б. - Самоаффинные фрактальные множества - "Фракталы в физике" -М.: Мир, 1988 3. Федер Е. - Фракталы. М.: Мир, 1991. 4. Шредер М. - Фракталы, хаос, степенные законы. М.-И., РХД, 2001. 1. A second-order phase transition in upper layers of the Sun - Proc of Fourth SOHO Workshop: Helioseismology. Pacific Grove. California, 2-6 of April 1995, p. 529-530 2. Фрактальная размерность теней солнечных пятен. - Труды АФИ АН КазССР, т.51 1992. 3. Multifractal Analysis of Solar Magnetograms, Solar Physics, Volume 228, Issue 1-2, pp. 29-42 4. Spontaneous Breaking of Symmetry and Phase Transition in the Upper Layers of the Sun. – Astron.&Astroph. Trans. , 1996, Vol.10, pp.263-265. 5. Size-flux relation in active regions. - Chinese Journal Astron. and Astroph., Vol. 3, No. 2, 2003, pp.175-182. 6. Self-similar and self-affine structures in observational data on solar activity – Asrton&Astroph. Trans. V.24, №2, 2005, pp.93-99 Контроль успеваемости Промежуточная аттестация проводится на 8 неделе в форме коллоквиума с оценкой. Критерии формирования оценки – уровень знаний пройденной части курса. Текущая аттестация проводится еженедельно. Критерии формирования оценки – посещаемость занятий, активность студентов на лекциях, уровень подготовки к семинарам. Программа курса по неделям освоения Введение в Interactive Data Language (IDL). Назначение и возможности IDL. Ресурсы IDL. Основы программирования на IDL. Встроенные библиотеки. Создание IDL приложений (недели 1-2). Энтропия в термодинамике и в кинетической теории. Энтропия в теории информации. Универсальность энтропии. Различные обобщения энтропии. Энтропия в астрофизике. Энтропия и фрактальный анализ (недели 3-4). Мера Хартли. Теорема Хартли. Энтропия Шеннона. Негэнтропия и информация. Энтропия неравновероятных состояний. Как вычисляют энтропию Шеннона? (неделя 5). Понятие временного ряда. Понятие одномерного покрытия и меры на выборке. Первая и вторая энтропии Шеннона. Энтропия Реньи. Перестановочная энтропия (недели 6-7). Двумерное покрытие и вероятностная мера. Подробный разбор примеров вычисления структурной энтропии CCD изображения (неделя 8). Энтропия Больцмана и Шеннона. Сумма по состояниям и вероятностная мера. Интерпретации предельных значений двух энтропий. Ортогональные вероятностные пространства. Энтропии высших порядков (неделя 9). Фракталы и их свойства. Парадокс Лебега и производные Гельдера. Конструктивные фракталы: Канторова пыль, фрактал Минковского, фракталы Серпинского и др. (неделя 10). Природные фракталы. Размерность Хауздорфа, бокс алгоритм, скейлинг. Соотношения «масса-радиус», «периметр-площадь» и «площадь-объем». Информационная размерность. Корреляционная размерность (недели 11-12). Понятие мультифрактала. Спектр размерностей Реньи. Расчет мультифрактальных спектров размерностей. Бокс алгоритм для CCD изображений (недели 13-14). Специальные методы расчета фрактальных размерностей временных рядов. Элементы R/S анализа. Алгоритм Грасбергера – Прокачча. Перестановочная размерность (недели 15-16).