Программа дисциплины Уравнения математической физики для направления 010500. 62 «Прикладная математика и информатика»
Вид материала | Программа дисциплины |
- Правительство Российской Федерации Национальный исследовательский университет Высшая, 139.37kb.
- Программа дисциплины ф дифференциальные уравнения для студентов специальности 010501, 101.63kb.
- Программа дисциплины математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения., 139.76kb.
- Программа дисциплины дс. 08 «Информационная безопасность» для студентов специальности, 149.66kb.
- Программа дисциплины Современная прикладная алгебра для направления 010500 Прикладная, 214.78kb.
- Программа дисциплины Численные методы для направления 010500. 62 «Прикладная математика, 159.87kb.
- Рабочая программа по дисциплине «Языки программирования и методы трансляции» для направления, 233.24kb.
- Программа дисциплины Теоретические основы информатики и архитектура ЭВМ для направлений, 240.65kb.
- Программа дисциплины, 64.95kb.
- Рабочая программа По дисциплине "Методы оптимизации " Для направления 010500 «Прикладная, 109.25kb.
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Факультет бизнес-информатики, отделение прикладной математики и информатики
Программа дисциплины Уравнения математической физики
для направления 010500.62 «Прикладная математика и информатика»
подготовки бакалавра
Автор программы:
Злотник А.А., д.-ф.м.н., проф., электронный адрес: azlotnik2007@mail.ru
Одобрена на заседании кафедры высшей математики на факультете экономики
«___»____________ 2011 г.
Зав. кафедрой Ф.Т. Алескеров
Рекомендована секцией УМС «___»____________ 2011 г.
Председатель
Утверждена УС факультета «___»____________ 2011 г.
Ученый секретарь ________________________
Москва, 2011
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления 010500.62 «Прикладная математика и информатика» подготовки бакалавра, изучающих дисциплину Уравнения математической физики.
Программа разработана в соответствии с:
- образовательным стандартом НИУ ВШЭ по направлению 010500.62 «Прикладная математика и информатика», уровень подготовки: бакалавр, утвержденным Ученым советом НИУ ВШЭ 02.07.2010 г., протокол № 15
- образовательной программой 010500.62, направление «Прикладная математика и информатика» подготовки бакалавра
- Рабочим учебным планом университета по направлению 010500.62 «Прикладная математика и информатика» подготовки бакалавра, одобренным Ученым советом факультета бизнес-информатики 26.04.2011 г.
2Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины Уравнения математической физики являются приобретение базовых знаний - постановкам основных задач, свойствам и методам их анализа и решения, формирование умения аналитически решать соответствующие конкретные задачи, приобретение навыков изучения свойств решений основных задач.
3Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
- знать основные уравнения математической физики, постановки соответствующих краевых задач, задач Коши и начально-краевых задач для них, основные свойства решений этих задач и методы их исследования и нахождения
- уметь аналитически решать стандартные указанные задачи с помощью метода разделения переменных и метода интегральных представлений решения
- иметь навыки изучения свойств решений указанных задач
В результате освоения дисциплины студент осваивает следующие компетенции:
Компетенция | Код по ФГОС/ НИУ | Дескрипторы – основные признаки освоения (показатели достижения результата) | Формы и методы обучения, способствующие формированию и развитию компетенции |
Способность приобретать новые знания с использованием научной методологии и современных образовательных и информационных технологий | ОНК-6 | Дает правильные определения основных понятий, формулировки теорем, воспроизводит их доказательства, правильно применяет методы решения конкретных задач | лекции, семинарские занятия, самостоятельная работа |
Способность порождать новые идеи (креативность) | ОНК-7 | Умеет решать нестандартные задачи теоретического характера | лекции, решение нестандартных задач на семинарских занятиях, выполнение заданий для самостоятельной работы |
Способность рефлексии и критического переосмысления накопленного опыта | СЛК-2 | Умеет решать предложенные задачи на основе полученного опыта решения аналогичных задач | выполнение домашних заданий, контрольных работ |
Способность демонстрации общенаучных базовых знаний естественных наук, математики и информатики, понимание основных фактов, концепций, принципов теорий, связанных с прикладной математикой и информатикой | ПК-1 | Демонстрирует понимание физических основ изучаемых уравнений и методов их анализа и решения | лекции, выполнение заданий для самостоятельной работы |
Способность понимать и применять в исследовательской и прикладной деятельности современный математический аппарат | ПК-2 | Правильно применяет изученные ранее методы математического анализа и освоенные методы данной дисциплины | лекции, выполнение заданий на семинарских занятиях, домашних заданий, контрольных работ, заданий для самостоятельной работы |
4Место дисциплины в структуре образовательной программы
Настоящая дисциплина относится к циклу дисциплин ОПД.00 Общие профессиональные дисциплины направления (ОПД.Ф.00 Федеральный компонент) и блоку дисциплин, обеспечивающих профессиональную подготовку.
Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах:
- математический анализ
- геометрия и алгебра
- дифференциальные уравнения
Для освоения учебной дисциплины, студенты должны владеть следующими знаниями и компетенциями:
- дифференциальным и интегральным исчислением функций одной и многих переменных, теорией функциональных рядов и рядов Фурье
- многомерными линейными преобразованиями, основными понятиями евклидовых пространств
- теорией и методами решения задачи Коши, краевых задач и задач на собственные значения для линейных обыкновенных дифференциальных уравнений.
Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении следующих дисциплин:
- численные методы
5Тематический план учебной дисциплины
№№ | Название темы | Всего часов | Аудиторные часы | Самост. работа | |
лекции | семинары | ||||
0.1 | Введение. Классификация линейных дифференциальных уравнений 2-го порядка с частными производными | 5 | 1 | 1 | 3 |
1.1 | Фундаментальное решение уравнения Лапласа. Формулы Грина. Интегральное представление Грина. Функция Грина задачи Дирихле для уравнения Пуассона | 15 | 3 | 3 | 12 |
1.2 | Метод Фурье для уравнения Лапласа | 12 | 2 | 2 | 8 |
1.3 | Гармонические функции | 16 | 3 | 3 | 10 |
1.4 | Краевые задачи для уравнения Пуассона и их простейшие свойства | 18 | 3 | 3 | 12 |
1.5 | Цилиндрические функции | 10 | 2 | 2 | 6 |
1.6 | Энергетический метод. Обобщенная и вариационная постановки краевых задач для уравнения Пуассона | 8 | 2 | 2 | 6 |
2.1 | Задача Коши для уравнения теплопроводности. Фундаментальное решение. Интегральное представление решений. Принцип максимума и его приложения | 20 | 4 | 4 | 12 |
2.2 | Начально-краевые задачи для уравнения теплопроводности | 16 | 3 | 3 | 10 |
3.1 | Задача Коши для уравнения колебаний струны и волнового уравнения. Формулы Даламбера, Кирхгофа и Пуассона | 20 | 4 | 4 | 12 |
3.2 | Начально-краевые задачи для волнового уравнения. Их решение методом разделения переменных. Энергетический метод | 18 | 3 | 3 | 11 |
| Итого | 162 | 30 | 30 | 102 |
6Формы контроля знаний студентов
Тип контроля | Форма контроля | 1 год | Параметры | |
3 | 4 | | ||
Текущий (неделя) | Контрольная работа | 9 | | Письменная аудиторная работа на 2 часа по разделу 1 |
Домашнее задание | | 8 | Письменная домашняя работа, включающая 4 отдельных задания по разделам 2 и 3. Каждое задание сдается через неделю после выдачи | |
Итоговый | Экзамен | | 4 | Письменный экзамен на 4 часа |
6.1Критерии оценки знаний, навыков
Для текущего контроля студент должен продемонстрировать владение методами решения конкретных задач по разделу 1, прежде всего методом Фурье (для контрольной работы) и по разделам 2 и 3, прежде всего методом интегральных представлений и методом разделения переменных (для домашнего задания). Компетенции ОНК-6, СЛК-2, ПК-2.
Для итогового контроля (экзамена) студент должен продемонстрировать знание основных постановок рассмотренных задач и относящихся к ним результатам и методам решения, методами доказательства результатов, а также умение решать конкретные типичные задачи. Компетенции ОНК-6, СЛК-2, ПК-1, ПК-2.
Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале.
Выдача домашних заданий осуществляется дистанционно.
7Содержание дисциплины
Введение
0.1. Классификация линейных дифференциальных уравнений 2-го порядка с частными производными
- Общий вид и основные типы линейных дифференциальных уравнений 2-го порядка с частными производными. Типичные примеры.
- Преобразование дифференциального уравнения 2-го порядка с частными производными при линейной замене переменных. Независимость типа уравнения от выбора системы координат и простейший (канонический) вид уравнения в фиксированной точке.
Количество часов аудиторной работы: лекции 1 час, семинары 1 час.
Общий объем самостоятельной работы: 3 часа.
Литература по разделу: [1]-[3].
Раздел 1. Уравнения Лапласа и Пуассона
1.1. Фундаментальное решение уравнения Лапласа. Формулы Грина. Интегральное представление Грина. Функция Грина задачи Дирихле для уравнения Пуассона
- Радиально симметричные решения уравнения Лапласа. Фундаментальное решение уравнения Лапласа. Оценки его производных.
- Первая и вторая формулы Грина.
- Интегральное представление Грина.
- Фундаментальное решение уравнения Лапласа как его решение в смысле обобщенных функций.
- Постановка задачи Дирихле для уравнения Пуассона.
- Функция Грина задачи Дирихле для уравнения Пуассона. Интегральное представление решения этой задачи.
- Свойство симметрии функции Грина.
- Функция Грина задачи Дирихле для уравнения Пуассона в шаре.
- Формула Пуассона для решения задачи Дирихле для уравнения Лапласа в шаре.
- Теорема о свойствах функции, определенной формулой Пуассона.
1.2. Метод Фурье для уравнения Лапласа
- Решения с разделяющимися переменными уравнения Лапласа в полярных координатах.
- Формальное решение в виде ряда Фурье задачи Дирихле для уравнения Лапласа в круге.
- Теорема о строгом обосновании метода Фурье для задачи Дирихле для уравнения Лапласа в круге.
- Связь решения в виде ряда Фурье и формулы Пуассона для задачи Дирихле для уравнения Лапласа в круге.
- Метод Фурье для уравнения Лапласа в прямоугольнике.
1.3. Гармонические функции
- Гармонические функции. Лемма об интеграле от оператора Лапласа от гладкой функции.
- Формулы среднего значения для гармонических функций.
- Обратная теорема о среднем значении.
- Строгий принцип максимума.
- Четыре следствия принципа максимума для гармонических функций.
- Лемма Хопфа.
- Принцип максимума и принцип минимума для супер- и субгармонических функций.
- Теорема о неравенстве Харнака для функций, гармонических в области.
- Теорема о регулярности гармонических функций.
1.4. Краевые задачи для уравнения Пуассона и их простейшие свойства
- Формулировки трех основных краевых задач для уравнения Пуассона.
- Теорема о свойствах краевой задачи Неймана для уравнения Пуассона.
- Теорема об априорной оценке краевой задачи Дирихле для уравнения Пуассона. Ее следствие.
- Теорема о свойствах третьей краевой задачи для уравнения Пуассона. Ее следствие.
- Понятие корректности задачи математической физики.
- Пример Адамара некорректной краевой задачи для уравнения Пуассона.
- Постановка задач на собственные значения для уравнения Пуассона.
- Теорема о свойствах задач на собственные значения для уравнения Пуассона.
1.5. Цилиндрические функции
- Уравнение Бесселя порядка ν.
- Функция Бесселя порядка ν и ее свойства.
- Функция Бесселя порядка –ν. Общий вид решения уравнения Бесселя порядка ν при нецелом ν.
- Функция Неймана. Общий вид решения уравнения Бесселя порядка ν при целом ν.
- Рекуррентные формулы для функций Бесселя и их следствия.
- Формула для интеграла от квадрата цилиндрической функции порядка ν с весом .
1.6. Энергетический метод. Обобщенная и вариационная постановки краевых задач для уравнения Пуассона
- Интегральное тождество для решения задачи Дирихле для уравнения Пуассона.
- Обобщенная постановка задачи Дирихле для уравнения Пуассона. Теорема о решении задачи Дирихле для уравнения Пуассона в обобщенной постановке.
- Неравенство Фридрихса.
- Теорема о единственности и энергетической оценке решения задачи Дирихле для уравнения Пуассона.
- Интегральное тождество для решения второй и третьей краевых задач для уравнения Пуассона.
- Теорема о единственности и энергетической оценке решения третьей краевой задачи для уравнения Пуассона.
- Энергетический функционал для задачи Дирихле для уравнения Пуассона. Вариационная постановка этой задачи.
- Теорема о вариационной постановке задачи Дирихле для уравнения Пуассона.
- Энергетический функционал для третьей краевой задачи для уравнения Пуассона. Вариационная постановка этой задачи.
- Теорема о вариационной постановке третьей краевой задачи для уравнения Пуассона.
Количество часов аудиторной работы: лекции 15 час., семинары 15 час.
Общий объем самостоятельной работы: 54 час.
Литература по разделу: [1]-[3].
Раздел 2. Уравнение теплопроводности
2.1. Задача Коши для уравнения теплопроводности. Фундаментальное решение. Интегральное представление решений. Принцип максимума и его приложения
- Постановка задачи Коши для уравнения теплопроводности.
- Задача Коши для преобразования Фурье решения задачи Коши для уравнения теплопроводности. Формула для преобразования Фурье решения.
- Определение фундаментального решения уравнения теплопроводности. Его явный вид.
- Интегральное представление решения задачи Коши для уравнения теплопроводности.
- Свойства фундаментального решения уравнения теплопроводности.
- Теорема о свойствах интегрального представления решения задачи Коши для однородного уравнения теплопроводности.
- Теорема о свойствах интегрального представления решения задачи Коши для неоднородного уравнения теплопроводности с нулевой начальной функцией.
- Принцип максимума и минимума для супер- и субпараболических функций.
- Теорема о равномерной двусторонней оценке решения задачи Коши для уравнения теплопроводности.
- Замечания и следствие к теореме о равномерной двусторонней оценке решения задачи Коши для уравнения теплопроводности.
2.2. Начально-краевые задачи для уравнения теплопроводности
- Постановки трех начально-краевых задач для уравнения теплопроводности.
- Теорема о равномерной двусторонней оценке решения первой краевой задачи для уравнения теплопроводности.
- Замечания и следствие к теореме о равномерной двусторонней оценке решения первой краевой задачи для уравнения теплопроводности.
- Решения с разделяющимися переменными начально-краевых задач для уравнения теплопроводности.
- Формальное решение в виде ряда начально-краевых задач для уравнения теплопроводности.
- Теорема об экспоненциальной стабилизации решения первой и третьей начально-краевых задач для однородного уравнения теплопроводности.
- Теорема об энергетической оценке решений трех начально-краевых задач для уравнения теплопроводности.
- Следствие о единственности и непрерывной зависимости от начальной функции и правой части решений трех начально-краевых задач для уравнения теплопроводности.
Количество часов аудиторной работы: лекции 7 час., семинары 7 час.
Общий объем самостоятельной работы: 22 часа.
Литература по разделу: [1]-[3].
Раздел 3. Уравнение колебаний струны и волновое уравнение
3.1. Задача Коши для уравнения колебаний струны и волнового уравнения. Формулы Даламбера, Кирхгофа и Пуассона
- Постановка задачи Коши для уравнения колебаний струны.
- Вывод формулы для общего решения однородного уравнения колебаний струны.
- Формула Даламбера для решения задачи Коши для однородного уравнения колебаний струны. Единственность решения задачи Коши.
- Принцип Дюамеля и вывод формулы для решения задачи Коши для неоднородного уравнения колебаний струны с нулевыми начальными данными.
- Замечания о формуле Даламбера. Характеристический треугольник. Равномерная оценка решения задачи Коши для уравнения колебаний струны и его непрерывная зависимость от данных.
- Функция Кирхгофа. Решение задачи Коши для однородного трехмерного волнового уравнения с нулевой первой начальной функцией и произвольной второй начальной функцией.
- Решение задачи Коши для однородного трехмерного волнового уравнения с произвольной первой начальной функцией и нулевой второй начальной функцией.
- Решение общей задачи Коши для трехмерного волнового уравнения.
- Метод спуска. Преобразование функции Кирхгофа в функцию Пуассона. Решение общей задачи Коши для двумерного волнового уравнения.
- Анализ формулы Кирхгофа для локализованного в шаре в начале координат возмущения нулевых начальных данных. Сферическая волна. Передний и задний фронт.
3.2. Начально-краевые задачи для волнового уравнения. Их решение методом разделения переменных. Энергетический метод
- Постановка трех начально-краевых задач для волнового уравнения.
- Решения с разделяющимися переменными начально-краевых задач для волнового уравнения.
- Формальное решение в виде ряда начально-краевых задач для однородного волнового уравнения.
- Формальное решение в виде ряда начально-краевых задач для неоднородного волнового уравнения с нулевыми начальными функциями.
- Формальное решение в виде ряда общих начально-краевых задач для волнового уравнения.
- Энергетическое равенство для второй и третьей начально-краевых задач для волнового уравнения. Физический смысл равенства и его отдельных слагаемых. Случай однородного волнового уравнения.
- Энергетическая оценка решений начально-краевых задач для волнового уравнения.
- Следствия энергетической оценки решений начально-краевых задач для волнового уравнения.
Количество часов аудиторной работы: лекции 7 час., семинары 7 час.
Общий объем самостоятельной работы: 23 часа.
Литература по разделу: [1]-[3].
8Образовательные технологии
Лекции и семинарские занятия.
8.1Методические рекомендации преподавателю
8.2Методические указания студентам
9Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента
9.1Тематика заданий текущего контроля
Контрольная работа проводится по материалу раздела 1 и содержит задачи на решение краевых задач для уравнения Пуассона методом Фурье.
Домашнее задание состоит из 4 отдельных заданий по материалу разделов 2 и 3 и содержит задачи на интегральные представления решений задач Коши для уравнения теплопроводности и уравнения колебаний струны/волнового уравнения и на метод разделения переменных для решения начально-краевых задач для этих уравнений, а также на вывод оценок решений этих задач с помощью принципа максимума и энергетического метода.
9.2Вопросы для оценки качества освоения дисциплины
Отдельные вопросы программы дисциплины из раздела 7 являются одновременно вопросами к экзамену.
9.3Примеры заданий промежуточного /итогового контроля
10Порядок формирования оценок по дисциплине
Оцениваются аудиторная, самостоятельная, текущая и экзаменационная работы студента. Соответствующие оценки определяют итоговую оценку.
Аудиторная работа оценивается по результатам 3 письменных тестов, а также посещения семинарских занятий и активности студента на них. Тесты даются на 1 час по различным темам, предполагают полный ответ на вопросы (а не ответы типа да/нет) и оцениваются максимум в 2.5 балла каждый (пропорционально количеству и полноте правильных ответов). Посещение семинарских занятий и активность студента на них оцениваются максимум в 2.5 балла. Накопленная оценка Оаудиторная по 10-ти балльной шкале за работу на семинарских занятиях определяется перед итоговым контролем.
Самостоятельная работу студентов оценивается по результатам выполнения 7 домашних работ по разделу 1. Оценка Осам. работа по 10-ти балльной шкале ставится пропорционально общему количеству решенных задач с учетом правильности и полноты решений. Накопленная оценка за самостоятельную работу определяется перед итоговым контролем.
Текущий контроль делается по результатам выполнения контрольной работы и домашнего задания. Контрольная работа проводится в письменном виде в аудитории на 2 часа и содержит задачи по разделу 1. Оценка Ок/р по 10-ти балльной шкале ставится пропорционально общему количеству решенных задач с учетом правильности и полноты решений. Домашнее задание, включенное в РУП, состоит из 4 отдельных заданий по разделам 2 и 3. Оценка Одз по 10-ти балльной шкале ставится пропорционально общему количеству решенных задач с учетом правильности и полноты решений. Накопленная оценка за текущий контроль учитывает результаты студента следующим образом:
Отекущий = 0.5·Ок/р + 0.5·Одз
и определяется перед итоговым контролем. Способ округления накопленной оценки текущего контроля: арифметический.
Экзаменационная работа студента оценивается следующим образом. На экзамене предлагается ответить на 6 вопросов программы по разным темам курса и решить 2 задачи. Два ответа на вопросы программы должны быть даны с доказательством и оцениваются максимум в 2 балла каждый. Еще четыре ответа на вопросы программы даются без доказательств и оцениваются максимум в 0.5 балла каждый. Решения задач оцениваются максимум в 2 балла каждое. Баллы выставляются в зависимости от правильности и полноты данного ответа (решения) и формируют оценку Оэкзамен по 10-ти балльной шкале.
Результирующая оценка за итоговый контроль в форме экзамена выставляется по следующей формуле:
Оитоговый = 0.5·Оэкзамен + 0.2·Отекущий +0.15·Осам. работа + 0.15·Оаудиторная.
Способ округления накопленной оценки итогового контроля в форме экзамена: арифметический. При этом оценка за экзамен является блокирующей.
Студентам предоставляется однократная возможность до экзамена пересдать низкие результаты за текущий контроль и (или) самостоятельную работу и (или) аудиторную работу, если
0.2·Отекущий +0.15·Осам. работа + 0.15·Оаудиторная < 4.5 балла,
а соответствующая из оценок также < 4.5 балла.
На пересдаче студенту не предоставляется возможность получить дополнительный балл для компенсации оценки за текущий контроль.
В диплом ставится оценка за итоговый контроль, которая является результирующей оценкой по учебной дисциплине.
11Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
11.1Базовый учебник
11.2Основная литература
1. Олейник О.А. Лекции об уравнениях с частными производными. М.: БИНОМ, 2005 (и другие издания).
2. Свешников А.Г., Боголюбов А.Н., Кравцов В.В. Лекции по математической физике. М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 1993.
3. Эванс Л.К. Уравнения с частными производными. Новосибирск: Изд-во Тамара Рожковская, 2003.
11.3Дополнительная литература
1. Будак Б.М., Самарский А.А., Тихонов А.Н. Сборник задач по математической физике. М.: Физматлит, 2003 (и другие издания).
11.4Справочники, словари, энциклопедии
11.5Программные средства
11.6Дистанционная поддержка дисциплины
Домашние задания, вопросы к тестам и задания для самостоятельной работы высылаются студентам через Интернет.