Použití počítačů ve fyzice (NOFY 084)

Akademický rok 2023-2024

Rozvrh cvičení

Výuka probíhá prezenčně ve čtvrtek 14:50 - 16:20, počítačová učebna N10, Impakt, Troja.

Cíl cvičení

Účelem cvičení je pohrát si s jednoduchými fyzikálními problémy, vyzkoušet si různé způsoby jejich řešení (i triviální řešení je řešení) a naučit se analzyovat a zobrazovat obdržené výsledky. Většina příkladů bude demonstrována v populárním programovacím jazyce Python, ale dojde i na základy psaní textů v LaTeXu a úvod do použítí komerčního nástroje Mathematica. V průběhu cvičení se také naučíte základy verzovacího systému Git a základy práce v týmu. Další informace k předmětu jsou na stránce SISu.

Ve cvičení nebude probíhat systematická výuka žádného programovacího jazyka ani numerických algoritmů. Pro prohloubení vašich znalostí doporučuji specializované přednášky na oboru fyzika, například

NEVF523 - Numerické metody počítačové fyziky

NPRF050 - Programování v Pythonu

NEVF107 - C++ pro fyziky

NPRF020 - Úvod do programování v prostředí MATLAB, Octave a Scilab

NPRF006 - Pokročilé metody programování

NTMF048 - Použití systémů počítačové algebry ve fyzice

NJSF081 - Software a zpracování dat ve fyzice částic

a nepřeberně přednášek na oboru informatika.

Co se bude probírat

Fyzika, matematika, numerika, algoritmy

• Řešení diferenciálních rovnic, řešení pohybových rovnic
• Fitování, aproximace, optimalizace
• Náhodná čísla, náhodné procházky, metoda Monte-Carlo
• Lineární algebra, spektrální rozklad matic
• Fourierova transformace
• Práce s algebraickými výrazy, symbolické manipulace, program Mathematica

Techniky

• Python, Mathematica
• Správa verzí, Git, GitHub
• Úvod do obsluhy událostí
• Úvod do paralelního programování
• Psaní odborného textu v LaTeXu

Uvedený seznam není závazný. Jelikož se jedná o volitelný předmět, lze témata přizpůsobit přáním a schopnostem účastníků kurzu.

Zápočet

Klasifikovaný zápočet bude udělen za vypracování a obhajobu zápočtového programu nebo jiné zápočtové práce, k jejímuž vypracování je nebytné použití počítače.

Zápočtová práce:

Téma programu nebo zápočtové práce si můžete zvolit zcela dle svých zájmů, ale mělo by odpovídat zaměření předmětu, tedy být vztažené k fyzice. Program nebo práce by neměly být totožné s těmi, za které jste (byli, budete) klasifikováni v jiných předmětech, a neměly by být kopií nebo triviální úpravou prací běžně dostupných na webu. Doporučuji vám, abyste se mnou svůj nápad konzultovali, než ho začnete vypracovávat.

Kromě svých nápadů se můžete přihlásit i na některou z následujících úloh:

Název	Odkaz (obsahuje zadání)	Velikost skupiny
Isingův model	github.com/CU-ComputersInPhysics/Ising	1-4
Fourierova analýza časové řady	github.com/CU-ComputersInPhysics/Fourier	1-2
Pes a myslivec (stíhací křivka)	github.com/CU-ComputersInPhysics/Myslivec	1-4
Kulečník ve tvaru stadionu	github.com/CU-ComputersInPhysics/Stadion	1-4
Lineární urychlovač částic	github.com/CU-ComputersInPhysics/Urychlovac	1-4

Pokyny k vypracování

• Program nebo práci můžete vypracovávat jednotlivě nebo ve skupině. Při práci ve skupině musí být zdokumentováno, kdo se podílel na které části práce.
• Programovat nemusíte v Pythonu, ale je nutné, aby byl program čitelný a spustitelný pomocí veřejně dostupných nástrojů nebo pomocí nástrojů, ke kterým má naše fakulta licenci.
• Program by měl obsahovat stručnou dokumentaci popisující, jaké metody či algoritmy jste použili, co program počítá, jak se spouští a jak se ovládá. Alternativně je možné se domluvit, že mi osobně nebo online program představíte.
• Vypracovaný program nebo práci (pokud to její charakter umožňuje) budu přijímat v elektronické podobě jako repozitář na githubu nebo v univerzitním gitlabu. Repozitář může být buď veřejný nebo soukromý, ke kterému mě přidáte jako spolupracovníka: mé uživatelské jméno na githubu je PavelStransky.
• Pokud se rozhodnete vypracovat program z výše uvedeného seznamu, přihlašte se na něj pomocí odkazů, které vám rozešlu do mailu v pondělí 27.5.2024.

Rozsah

K zápočtu stačí odevzdat funkční program, který bude mít cca 200 řádek efektivně napsaného kódu. Berte prosím toto číslo jako orientační: pokud napíšete kvalitní a zajímavý program kratšího rozsahu, uznám Vám ho. To samozřejmě platí i o programu většího rozsahu.

Termín

Zápočtovou práci dokončete a do repozitáře nahrajte prosím nejpozději dva týdny před koncem akademického roku 2023/2024, aby bylo dost času opravit případné nedostatky. Doporučuji Vám, abyste program vypracovali ještě před letními prázdninami.

Programovací jazyky a vývojové prostředí

Ačkoliv převážná část předmětu bude demonstrována příklady v programovacím jazyce Python 3 a vývojovém prostředí Visual Studio Code, rozhodně není nutné, abyste úkoly nebo zápočtové programy vypracovávali pomocí stejných nástrojů. Zvolte si sami, jaký jazyk či vývojové prostředí jsou vám sympatické. Obecně doporučuji takové programovací jazyky, které mají dobrou podporu, jsou živé a ideálně pro které existují kvalitní numerické knihovny a knihovny pro vykreslování grafů. Sám jsem zběhlý v jazycích C/C++, C#, Python, Julia, Mathematica, PHP, Javascript, SQL; v nich vám budu schopen nejsnáze poradit a pomoci, pokud budete potřebovat.

Poznámky ke cvičení

Během dálkové výuky v době koronavirové pandemie jsem sepsal studijní text, jehož součástí jsou i vzorově vypracované úlohy dostupné v repozitáři na Githubu. Velké části témat z textu se budeme věnovat i letos, a proto lze brát tento text jako studijní materiál.

Probraná látka

1. cvičení	22.2.2024	Úvod, organizace cvičení Náhodná procházka ve 2D	Anketa
2. cvičení	29.2.2024	Úvod do verzování pomocí Git git init, add, commit, status, log
3. cvičení	7.3.2024	Náhodná procházka v obecné dimenzi Větve v Gitu, návrat k předchozím verzím git branch, switch, merge
4. cvičení	14.3.2024	Hledání minima funkce pomocí náhodné procházky Vzdálené repozitáře, github fork, pull request
5. cvičení	21.3.2024	Metoda Monte-Carlo
6. cvičení	28.3.2024	Úvod do psaní textů v LaTeXu	Hustý LaTeXový soubor se všemi nejčastěji používanými příkazy a fígly. Pojednání o kvadratické funkci v LaTeXu vzniklé na cvičení.
7. cvičení	4.4.2024	Integrace Monte-Carlo
8. cvičení	11.4.2024	Úvod do paralelního programování
9. cvičení	18.4.2024	Řešení obyčejných diferenciálních rovnic I
10. cvičení	25.4.2024	Řešení obyčejných diferenciálních rovnic II
11. cvičení	2.5.2024	Řešení parciálních diferenciálních rovnic
12. cvičení	9.5.2024	Wolfram Mathematica Symbolické výpočty
13. cvičení	16.5.2024	Fourierova transformace
14. cvičení	23.5.2024	Kafe (práce se soubory, optimalizace, modelování)

Literatura

Na webu existuje nepřeberné množství tutoriálů a návodů k Pythonu a jeho knihovnám, které vám pomůžou s konkrétními problémy. Odpovědi najdete na diskuzních fórech (např. Stack Overflow) nebo dotazem na chatbot (např. Chat GPT).

Pokročilejší monografie, v nichž naleznete seriózní příklady využití programovacího jazyka Python ve vědě:

[1]	P.R. Turner, T. Arildsen, K. Kavanagh, Applied Scientific Computing With Python (Springer 2018)
[2]	R. Johansson, Numerical Python: Scientific Computing and Data Science Applications with Numpy, SciPy and Matplotlib (Springer 2019)
[3]	S. Nagar, Introduction to Python for Engineers and Scientists (Springer 2018)
[4]	S. Lynch, Dynamical Systems with Applications using Python (Springer 2018)
[5]	B.J. Korites, Python Graphics: A Reference for Creating 2D and 3D images (Springer 2018)

Algoritmy obecně:

[6]	M. Mareš, T. Valla, Průvodce labyrintem algoritmů (CZ.NIC 2022)

Náhodně vybrané (ale zajímavé) eseje k programování obecně:

[7]	S. Wolfram, What Is ChatGPT Doing... and Why Does It Work? (2023)
[8]	I. Suzdalnitski, Object-Oriented Programming - The Trillion Dollar Disaster (2019)
[9]	Ch. Scalfani, Goodbye, Object Oriented Programming (2016)

Konzultace

Pokud se chcete na cokoliv zeptat nebo si potřebujete něco vyjasnit, stavte se na konzultaci.