Matematičko modeliranje u inženjerstvu

S ciljem njegova boljeg razumijevanja i predviđanja budućih pojava, stvarni svijet opisujemo matematičkim modelima. Matematički model opis je nekog sustava ili pojave matematičkim jezikom, a proces razvoja matematičkog modela naziva se matematičko modeliranje. S obzirom na to da je stvarni svijet presložen da bismo njegove dijelove ili pojave modelirali u izvornom obliku, pri razvoju matematičkog modela odabiremo koja ćemo svojstva iz stvarnog svijeta uzeti u obzir, a koja ćemo zanemariti. Matematički model aproksimacija je stvarnog svijeta koja u pravilu ne opisuje posve precizno pojave iz stvarnog svijeta, ali kod dobrog modela ta će rješenja za svrhu u koju je model razvijen biti dovoljno bliska stvarnom svijetu. Osnova matematičkog modeliranja jest identificiranje uzročno-posljedičnih veza između ulaznih parametara i pojave koja se modelira. Korištenje matematičkog jezika pri zapisivanju odabranih uzročno-posljedičnih veza i pretpostavki na kojima se model zasniva stavlja nam na raspolaganje niz matematičkih teorija i tehnika te računalnih metoda za rješavanje problema. Cilj kolegija Matematičko modeliranje u inženjerstvu jest upoznati studente s osnovnim tehnikama matematičkog modeliranja kao što su dimenzijska analiza, primijenjena asimptotska analiza i metoda perturbacija te njihovom primjenom na konkretnim fizikalnim i inženjerskim problemima. U okviru kolegija studenti će naučiti odgovoriti na pitanja kao što su: kako se širi epidemija, zašto se u prometu zastoj giba unatrag, zašto nam se prolijeva kava dok hodamo sa šalicom u ruci, zašto leopard nema točkice na repu, kako se stvaraju solitoni, na koji način se širi informacija među ljudima, kako optimalno baciti loptu na slobodnom bacanju i mnoga druga.

Kolegij Matematičko modeliranje u inženjerstvu predaje se kao izborni kolegij u 5. semestru preddiplomskog studija, a nositelji su Dario Bojanjac i Mario Bukal. Na službenoj stranici kolegija možete pronaći sve detalje oko upisa i sve obavijesti oko izvođenja kolegija.

 

Tjedni plan nastave:

  1. Uvod u matematičko modeliranje. Dimenzijska analiza. Proračun oslobođene energije u testu Trinity.
  2. Teorija perturbacija i metoda balansa. Primjena na model harmoničkog oscilatora.
  3. Sustavi običnih diferencijalnih jednadžbi, prostor stanja, točke ekvilibrijuma i linearizacija.
  4. Modeliranje širenja epidemije. Analiza osnovnog SIR modela.
  5. Imunitet krda. Napredniji modeli širenja epidemije.
  6. Modeli suprotstavljenih populacija. Analiza Lotka-Volterrinog modela.
  7. Hodgkin–Huxleyev i FitzHugh–Nagumov model.
  8. Međuispit
  9. Einsteinovo objašnjenje Brownovog gibanja. Fokker-Planckova jednadžba.
  10. Modeliranje kontinuuma. Polje i potencijal. Gaussov zakon.
  11. Izvod zakona sačuvanja. Empirijski zakoni ponašanja. Modeliranje širenja topline.
  12. Separacija varijabli i stacionarno rješenje modela difuzije.
  13. Samoslična rješenja. Fundamentalno rješenje i princip superpozicije.
  14. Jednadžbe reakcije i difuzije.
  15. Završni ispit

 

Literatura:

D. J. Wollkind, B. J. Dichone: Comprehensive Applied Mathematical Modeling in the Natural and Engineering Sciences, Springer 2018

D. F. Parker, Fields, Flows and Waves, Springer Science & Business Media 2012

 

Dodatna literatura iz područja matematičkgo modeliranja u inženjerstvu:

D. S. Lemons: A Student's Guide to Dimensional Analysis, Cambridge University Press 2017

S. Howson: Practical Applied Mathematics: Modelling, Analysis, Approximation, Cambridge University Press

E. CumberbatchA. Fitt: Mathematical Modeling: Case Studies from Industry, Cambridge University Press

 

Popularna literatura iz područja matematičkog modeliranja:

K. Schmidt-Nielsen, Scaling: Why Is Animal Size So Important?, Cambridge University Press, 2008

J. Ellenberg, How Not to Be Wrong: The Power of Mathematical Thinking, Penguin Books 2015

G. West, Scale: The Universal Laws of Life and Death in Organisms, Cities and Companies, Penguin Books 2018

R. W. Hamming, The Art of Doing Science and Engineering: Learning to Learn, Stripe Press 2020

 

Znanstveni radovi o modeliranju zanimljivih pojava:

J. B. Keller: Ponytail Motion, SIAM J. APPL. MATH. 70, No. 7, pp. 2667–2672, video

C.J. Efthimiou, M.D. Johnson: Domino Waves, SIAM Review, 2007, Vol. 49, No. 1 : pp. 111-120, video

H. C. Mayer and R. Krechetnikov: Walking with coffee: Why does it spill?, Phys. Rev. E 85, 046117, 2012, video

L. Bocquet: The physics of stone skipping, American Journal of Physics 71, 150 (2003), video

M. E. Caplan: Calculating the Potato Radius of Asteroids using the Height of Mt. Everest

I. Barzykina: The physics of an optimal basketball free throw

H. W. Hethcote: The Mathematics of Infectious Diseases, SIAM Rev., 42(4), 599–653

J. M. Prusa: Hydrodynamics of a Water Rocket, SIAM Rev., 42(4), 719–726, video

A. Turing: The Chemical Basis of Morphogenesis, Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 1952 237, 37-72

 

Slični kolegiji u svijetu:

Mathematical modelling with PDE, The University of Warwick

Modellieren mit partiellen Differentialgleichungen, TU Wien

Methods of Applied Mathematics, Courant Institute of Mathematical Sciences

Perturbation Methods, University of Oxford

Zeitabhängige Probleme in Physik und Technik, TU Wien

 

Komentari studenata:

  • Posebno mi se sviđa što se cijeli kolegij temelji na proučavanju i modeliranju stvarnih modela koje ćemo često viđati u praksi. Ovo je jedan od rijetkih predmeta koji se ne temelji na principu sjedi i štrebaj, već na čistom intuitivnom i logičkom razmisljanju. Odlično obavljen posao i svaka čast profesoru.
  • Docent Bojanjac se iznimno trudi pribliziti studentima gradivo i rado ce ponoviti vise puta na razlicite nacine kako bi osigurao razumijevanje. Polaganje predmeta je prilagodeno interesima studenata kao i njihovim preferencijama prema nacinu ostvarivanja bodova. Profesor je iznimno vrijedan nastavnik i znanstvenik. Summa cum laude za profesora Bojanjca!
  • Odlično objašnjavate. Objasnili ste mi i neke rupe u znanju nekih drugih predmeta koje nisam ni znala da imam. Imam osjećaj da mi je mozak narastao nakon svakog predavanja. Sviđa mi se opuštena atmosfera, pravo je osvježenje nakon nekih drugih kolegija/predavanja...
  • Odnos prema studentima, ugodna atmosfera i nestvaranje stresa oko formalnog ocjenjivanja.
  • Profesor je stvorio ugodnu radnu atmosferu gdje je svako pitanje dobrodošlo, vidi se da mu je glavna želja da studenti usvoje gradivo te da što bolje razumiju ono što radimo na satu, potiče način razmišljanja da je najbitnija stvar pokušati nešto, bez obzira ako prvih par puta ne uspiješ.
  • Jako cijenim što nastavnik izlaganju nek nove ideje pristupa iz više različitih perspektiva. Mislim da to znatno ubrzava proces učenja. Nastavnik dobro bira te perspektive i tako omogućuje da što više studenata razumije gradivo s obzirom na to da da svaki od njih stvari shvaća na drukčiji nacin. Sviđa mi se njegov pristup objašnjavanju matematike: paralelno nam govori kako se neki problem rješava i obrazlaže dio matematičke pozadine. Mnoge stvari koje sam naucio na matematičkim kolegijima do sad su mi puno bolje sjele zbog ovakvog pristupa. Mislim da ovako nesto može produbiti razumijevanje nekih matematičkih koncepata.

Repozitorij