The Hong Kong University of Science and Technology

Numerical Methods for Engineers

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The Hong Kong University of Science and Technology

Numerical Methods for Engineers

Dieser Kurs ist Teil von Spezialisierung „Mathematics for Engineers“

Unterrichtet in Deutsch (KI-Synchronisation)

Jeffrey R. Chasnov

TOP-LEHRKRAFT

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Was Sie lernen werden

  • MATLAB and the foundations of scientific computing

  • Root finding methods such as Newton's method, and numerical linear algebra using the LU decomposition

  • Integration methods such as adaptive quadrature, and interpolation algorithms using a cubic spline

  • Numerical methods for solving ODEs, such as Runge-Kutta, and the finite difference method for solving PDEs

Kompetenzen, die Sie erwerben

  • Kategorie: Scripting
  • Kategorie: Simulations
  • Kategorie: Computational Thinking
  • Kategorie: Applied Mathematics
  • Kategorie: Integral Calculus
  • Kategorie: Plot (Graphics)
  • Kategorie: Programming Principles
  • Kategorie: Numerical Analysis
  • Kategorie: Calculus
  • Kategorie: Scientific Visualization
  • Kategorie: Engineering Analysis
  • Kategorie: Differential Equations
  • Kategorie: Algorithms
  • Kategorie: Linear Algebra

Werkzeuge, die Sie lernen werden

  • Kategorie: Matlab
  • Kategorie: Mathematical Software

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8 Aufgaben

Unterrichtet in Deutsch (KI-Synchronisation)
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In diesem Kurs gibt es 6 Module

MATLAB is a high-level programming language extensively utilized by engineers for numerical computation and visualization. We will learn the basics of MATLAB: how real numbers are represented in double precision; how to perform arithmetic with MATLAB; how to use scripts and functions; how to represent vectors and matrices; how to draw line plots; and how to use logical variables, conditional statements, for loops and while loops. For your programming project, you will write a MATLAB code to compute the bifurcation diagram for the logistic map.

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14 Videos14 Lektüren2 Aufgaben9 App-Elemente

Root finding is a numerical technique used to determine the roots, or zeros, of a given function. We will explore several root-finding methods, including the Bisection method, Newton's method, and the Secant method. We will also derive the order of convergence for these methods. Additionally, we will demonstrate how to compute the Newton fractal using Newton's method in MATLAB, and discuss MATLAB functions that can be used to find roots. For your programming project, you will write a MATLAB code using Newton's method to compute the Feigenbaum delta from the bifurcation diagram for the logistic map.

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12 Videos8 Lektüren1 Aufgabe3 App-Elemente1 Plug-in

Numerical linear algebra is the term used for matrix algebra performed on a computer. When conducting Gaussian elimination with large matrices, round-off errors may compromise the computation. These errors can be mitigated using the method of partial pivoting, which involves row interchanges before each elimination step. The LU decomposition algorithm must then incorporate permutation matrices. We will also discuss operation counts and the big-Oh notation for predicting the increase in computational time with larger problem sizes. We will show how to count the number of required operations for Gaussian elimination, forward substitution, and backward substitution. We will explain the power method for computing the largest eigenvalue of a matrix. Finally, we will show how to use Gaussian elimination to solve a system of nonlinear differential equations using Newton's method. For your programming project, you will write a MATLAB code that applies Newton's method to the Lorenz equations.

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13 Videos10 Lektüren1 Aufgabe4 App-Elemente

The computation of definite integrals is known as quadrature. We will explore the fundamentals of quadrature, including elementary formulas for the Trapezoidal rule and Simpson’s rule; development of composite integration rules; an introduction to Gaussian quadrature; construction of an adaptive quadrature routine where the software determines the appropriate integration step size; and the usage of the MATLAB function integral.m. Additionally, we will learn about interpolation. A good interpolation routine can estimate function values at intermediate sample points. We will learn about linear interpolation, commonly employed for plotting data with numerous points; and cubic spline interpolation, used when data points are sparse. For your programming project, you will write a MATLAB code to compute the zeros of a Bessel function. This task requires the combination of both quadrature and root-finding routines.

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13 Videos11 Lektüren1 Aufgabe3 App-Elemente

We will learn about the numerical integration of ordinary differential equations (ODEs). We will introduce the Euler method, a single-step, first-order method, and the Runge-Kutta methods, which extend the Euler method to multiple steps and higher order, allowing for larger time steps. We will show how to construct a family of second-order Runge-Kutta methods, discuss the widely-used fourth-order Runge-Kutta method, and adopt these methods for solving systems of ODEs. We will show how to use the MATLAB function ode45.m, and how to solve a two-point boundary value ODE using the shooting method. For your programming project, you will conduct a numerical simulation of the gravitational two-body problem.

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13 Videos9 Lektüren1 Aufgabe3 App-Elemente

We will learn how to solve partial differential equations (PDEs). While this is a vast topic with various specialized solution methods, such as those found in computational fluid dynamics, we will provide a basic introduction to the subject. We will categorize PDE solutions into boundary value problems and initial value problems. We will then apply the finite difference method for solving PDEs. We will solve the Laplace equation, a boundary value problem, using two methods: a direct method via Gaussian elimination; and an iterative method, where the solution is approached asymptotically. We will next solve the one-dimensional diffusion equation, an initial value problem, using the Crank-Nicolson method. We will also employ the Von Neumann stability analysis to determine the stability of time-integration schemes. For your programming project, you will solve the two-dimensional diffusion equation using the Crank-Nicolson method.

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17 Videos15 Lektüren2 Aufgaben4 App-Elemente

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„Es ist eine großartige Erfahrung, in meinem eigenen Tempo zu lernen. Ich kann lernen, wenn ich Zeit und Nerven dazu habe.“

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„Bei einem spannenden neuen Projekt konnte ich die neuen Kenntnisse und Kompetenzen aus den Kursen direkt bei der Arbeit anwenden.“

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„Man lernt nicht nur, um bei der Arbeit besser zu werden. Es geht noch um viel mehr. Bei Coursera kann ich ohne Grenzen lernen.“

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Geprüft am 17. Juli 2023

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Geprüft am 2. Jan. 2023

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