Über diesen Kurs

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This course gives you an introduction to modeling methods and simulation tools for a wide range of natural phenomena. The different methodologies that will be presented here can be applied to very wide range of topics such as fluid motion, stellar dynamics, population evolution, ... This course does not intend to go deeply into any numerical method or process and does not provide any recipe for the resolution of a particular problem. It is rather a basic guideline towards different methodologies that can be applied to solve any kind of problem and help you pick the one best suited for you.
The assignments of this course will be made as practical as possible in order to allow you to actually create from scratch short programs that will solve simple problems. Although programming will be used extensively in this course we do not require any advanced programming experience in order to complete it.

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Ca. 23 Stunden zum Abschließen

Englisch

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Dozenten

Dozentenbewertung

4,16/5 (88 Bewertungen)

Lehrplan - Was Sie in diesem Kurs lernen werden

Inhaltsbewertung89%(2,814 Bewertungen)

Woche1

Woche 1

2 Stunden zum Abschließen

Introduction and general concepts

This module gives an overview of the course and presents the general ideas about modeling and simulation. An emphasis is given on ways to represent space and time from a conceptual point of view. An insight of modeling of complex systems is given with the simulation of the grothw and thrombosis of giant aneurysms. Finally, a first class of modeling approaches is presented: the Monte-Carlo methods.

2 Stunden zum Abschließen

7 Videos (Gesamt 85 min), 1 Lektüre, 1 Quiz

Woche2

Woche 2

3 Stunden zum Abschließen

Introduction to programming with Python 3

3 Stunden zum Abschließen

12 Videos (Gesamt 94 min), 2 Lektüren, 3 Quiz

12 Videos

Introduction to high performance computing for modeling4mConcepts of code optimization6mConcepts of parallelism4mPalabos, a parallel lattice Boltzmann solver5mAn introduction to Python 36mRunning a Python program6mVariables and data types11mOperators8mConditional Statements7mLoops7mFunctions15mNumPy11m

2 Lektüren

Course slides10mDive into python 310m

3 praktische Übungen

Introduction to programming with Python 330mProject - Piles30mProject - Class:Integration30m

Woche3

Woche 3

4 Stunden zum Abschließen

Dynamical systems and numerical integration

Dynamical systems modeling is the principal method developed to study time-space dependent problems. It aims at translating a natural phenomenon into a mathematical set of equations. Once this basic step is performed the principal obstacle is the actual resolution of the obtained mathematical problem. Usually these equations do not possess an analytical solution and advanced numerical methods must be applied to solve them. In this module you will learn the basics of how to write mathematical equations representing natural phenomena and then how to numerically solve them.

4 Stunden zum Abschließen

9 Videos (Gesamt 92 min), 3 Lektüren, 3 Quiz

9 Videos

General introduction to dynamical systems6mThe random walk14mGrowth of a population8mBalance equations I8mBalance equations II13mIntegration of ordinary differential equations7mError of the approximation8mThe implicit Euler scheme11mNumerical integration of partial differential equations13m

3 Lektüren

Course slides10mReferences for numerical analysis10mA reference for the random walk10m

3 praktische Übungen

Dynamical systems and numerical integration30mThe implicit Euler scheme30mProject - Lotka-Volterra30m

Woche4

Woche 4

3 Stunden zum Abschließen

Cellular Automata

3 Stunden zum Abschließen

7 Videos (Gesamt 108 min), 2 Lektüren, 2 Quiz

Woche5

Woche 5

4 Stunden zum Abschließen

Lattice Boltzmann modeling of fluid flow

4 Stunden zum Abschließen

8 Videos (Gesamt 94 min), 1 Lektüre, 4 Quiz

8 Videos

Computational Fluid Dynamics: Overview11mEquations and challenges9mFrom Lattice Gas to Lattice Boltzmann9mMacroscopic Variables13mCollision step: the BGK model12mStreaming Step8mBoundary Conditions21mFlow around an obstacle6m

1 Lektüre

Course slides10m

4 praktische Übungen

Optional - Equations and challenges30mLattice Boltzmann modeling of fluid flow30mProject - Flow around a cylinder30mCollision Invariant30m

Woche6

Woche 6

3 Stunden zum Abschließen

Particles and point-like objects

A short review of classical mechanics, and of numerical methods used to integrate the equations of motions for many interacting particles is presented. The student will learn that the computational expense of resolving all interaction between particles poses a major obstacle to simulating such a system. Specific algorithms are presented to allow to cut down on computational expense, both for short-range and large-range forces. The module focuses in detail on the Barnes-Hut algorithm, a tree algorithm which is popular a popular approach to solve the N-Body problem.

3 Stunden zum Abschließen

6 Videos (Gesamt 86 min), 1 Lektüre, 2 Quiz

6 Videos

Particles and point-like objects: Overview6mNewton’s laws of motion, potentials and forces15mTime-integration of equations of motion10mThe Lennard-Jones potential: Introducing a cut-off distance16mThe n-body problem: Evaluation of gravitational forces21mBarnes-Hut algorithm: using the quadtree16m

1 Lektüre

Course slides10m

2 praktische Übungen

Particles and point-like objects30mProject - Barnes-Hut Galaxy Simulator30m

Woche7

Woche 7

2 Stunden zum Abschließen

Introduction to Discrete Events Simulation

In this module, we will see an alternative approach to model systems which display a trivial behaviour most of the time, but which may change significantly under a sequence of discrete events. Initially developed to simulate queue theory systems (such as consumer waiting queue), the Discrete Event approach has been apply to a large variety of problems, such as traffic intersection modeling or volcanic hazard predictions.

2 Stunden zum Abschließen

6 Videos (Gesamt 70 min), 1 Lektüre, 2 Quiz

Woche8

Woche 8

2 Stunden zum Abschließen

Agent based models

2 Stunden zum Abschließen

6 Videos (Gesamt 71 min), 1 Lektüre, 2 Quiz

Bewertungen

4.2

98 Bewertungen

5 stars
49,41 %
4 stars
34,01 %
3 stars
9,30 %
2 stars
4,06 %
1 star
3,19 %

Top-Bewertungen von SIMULATION AND MODELING OF NATURAL PROCESSES

von SB24. Juli 2019

In depth analysis of simulating processes, from mathematics to algorithms.

von FO3. März 2023

A perfect course learning you exactly what you want step by step

von GS27. Sep. 2019

Extremely good course with excellent python codes for interesting applications

von SM2. Sep. 2020

I really enjoyed this course. This course has motivated me to learn more computational tools to apply in any field of sciences. It was thoroughly designed and challenging.

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Häufig gestellte Fragen

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Simulation and modeling of natural processes