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Numerisches Programmieren - Winter 17

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Term
Winter 2017
Lecturer
Univ.-Prof. Dr. Hans-Joachim Bungartz
Time and Place
Vorlesung: Dienstag, 15:30-17:15 Uhr im MI HS1
Übungen: siehe unter Übungstermine
Audience
Studiengang Informatik (Bachelor), Studiengang Informatik: Games Engineering (Bachelor)
Tutorials
Michael Obersteiner, Philipp Samfass
Exam
02.03.2018
Semesterwochenstunden / ECTS Credits
5 SWS (2V + 3Ü) / 6 Credits
TUMonline
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Willkommen zur Veranstaltung Numerisches Programmieren im Wintersemester 2017!

Die Vorlesung Numerisches Programmieren ist eine Pflichtveranstaltung im Bachelor Informatik, bestehend aus einer zweistündigen Vorlesung mit Klausur und einem dreistündigen Übungsteil. Dementsprechend richtet sie sich primär an Studierende der Informatik (Bachelor) im 4./5. Semester. Vorausgesetzt werden fundierte Kenntnisse aus den Vorlesungen Lineare Algebra für Informatiker und Analysis für Informatiker sowie der Programmiersprache Java. Alle weiteren Informationen zu Vorlesung, Übungsbetrieb, Programmieraufgaben und Klausur finden Sie unten.

Contents

Aktuelles

  • Die Klausureinsicht findet am Dienstag den 17.4.2018 von 9 - 11 Uhr in raum 02.07.014 statt.
  • Krankheitsbedingt entfallen heute leider Übung 2 und 4! Bitte besuchen Sie diese Woche alternative Übungen.
  • Übung 12 entfällt am 01.02.2018! Bitte besuchen Sie eine der parallel stattfindenden Übungen!
  • Übung 5 entfällt am 30.01.2018! Bitte besuchen Sie stattdessen Übung 15.
  • Da es dieses Semester 13 Übungen gibt wird die Notenbonusregelung zugunsten der Studenten auf 9 von 13 Anwesenheiten (+70% Punkte in den Programmieraufgaben) geändert.
  • Die Klausur wurde auf Bitten einiger Studenten auf 8 Uhr nach vorne verlegt!
  • Die Musterlösungen enthalten jetzt wie in der Evaluation gewünscht auch die Angaben der jeweiligen Aufgabe.
  • Übung 17 fällt am Donnerstag den 21.12 aus. Bitte besuchen sie alternative Übungen in dieser Woche.
  • Update: Übungen 2 und 4 finden wieder statt!
  • Programmieraufgabe 3 ist in Moodle online!
  • Wie angekündigt fällt am 28.11 die Vorlesung aus!
  • Am Dienstag den 14.11 finden zwischen 10 und 12 Uhr keine Übungen aufgrund der Studentische Vollversammlung statt. Alle mit diesem Zeitslot überlappende Übungen (Nr. 5 und 15) fallen demnach aus! Bitte besuchen sie alternative Übungen in dieser Woche.
  • Am Mittwoch den 8.11 finden zwischen 10 und 12 Uhr keine Übungen aufgrund der Fachschaftsvollversammlung statt. Bitte besuchen sie alternative Übungen in dieser Woche.
  • In der Woche vom 30.10.2017 - 3.11.2017 fallen sowohl die Vorlesung (Feiertag) als auch die Übungen aus.
  • Übung 2 fällt am 23.10 aus. Besuchen Sie bitte stattdessen Übung 1.
  • Übungen 7 und 12 werden doch stattfinden (siehe unten)
  • Die erste Vorlesung findet am Dienstag den 17.10 statt
  • Die Übungen beginnen in der 2. Vorlesungswoche (23-27.10)

Vorlesung

Allgemeine Hinweise finden Sie im Merkblatt zur Veranstaltung.

Folien begleitend zur Vorlesung

Vorlesung Datum Thema
1 17.10.2017 Introduction and Literature

Motivation and Introduction

2 24.10.2017 Interpolation
3 18.11.2017 Numerical Integration
4 05.12.2017 Systems of Linear Equations
5 12.12.2017 Ordinary Differential Equations
6 19.12.2017 Iterative Methods: Roots and Optima
7 23.01.2018 Iterative Methods: The Symmetric Eigenvalue Problem
8 06.02.2018 Hardware-Aware Numerics

Folien von Prof. Huckle aus dem SoSe 2017

Vorlesung Datum Thema
1 25.04.2017 Warum Numerik/Rechnerarithmetik und Rundungsfehler
2 02.05.2017 Rechnerarithmetik und Rundungsfehler
3 09.05.2016 Kondition, Stabilität
4 16.05.2016 Lineare Gleichungssysteme
5 23.05.2016 Lineare Gleichungssysteme 2
6 30.05.2016 Interpolation
7 13.06.2016 Interpolation 2, Quadratur


Folien von Prof. Bungartz aus dem WiSe 2012/13

Vorlesung Datum Thema
1 22.10.2012 Introduction and Literature

Motivation and Introduction

2 05.11.2012 Interpolation
3 19.11.2012 Numerical Integration
4 10.12.2012 Direct Methods for Solving Systems of Linear Equations
5 17.12.2012 Ordinary Differential Equations
6 14.01.2013 Iterative Methods: Roots and Optima
7 28.01.2013 Iterative Methods: The Symmetric Eigenvalue Problem
8 04.02.2013 Hardware-Aware Numerics

Literatur

Zur Vertiefung der Inhalte, als Lernvorlage und Nachschlagewerk empfiehlt sich insbesondere das Buch von Prof. Huckle Numerik für Informatiker (als eBook von der Bibliothek verfügbar in der alten Auflage). Einen kleinen Ausschnitt aus der Vielzahl an Veröffentlichungen zu den Themen der Vorlesung stellt die folgende Literaturliste dar.

  • Dahmen, Reusken: Numerik für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 2. Auflage 2008
  • Huckle, Schneider: Numerische Methoden - Eine Einführung für Informatiker, Naturwissenschaftler, Ingenieure und Mathematiker, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 2. Auflage 2006
  • Späth: Numerik - eine Einführung für Mathematiker und Informatiker, Vieweg, Braunschweig-Wiesbaden, 1994
  • Schwarz: Numerische Mathematik, Teubner, Stuttgart, 4. Auflage 1997 (Nachdruck 2001)
  • Stoer, Bulirsch: Numerische Mathematik, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, Band 1 (10. Auflage 2007) und Band 2 (5. Auflage 2005)
  • Press, Flannery, Teukolsky, Vetterling: Numerical Recipes Cambridge University Press, http://www.nr.com/
  • Golub, Ortega: Scientific Computing: An Introduction with Parallel Computing Academic Press, 1993
  • Java Blockkurs des Wintersemesters 05/06
  • Java-Seiten von Sun Microsystems
  • Java FAQ Archives

Korrektur von Druckfehlern der 1. Auflage des Buches von Prof. Huckle

Lösungen zu einigen Aufgaben des Buches von Prof. Huckle

Gute Grundlagenbuch zur Wiederholung/Auffrischung/Vertiefung:

  • Arens, Hettlich, Karpfinger, Kockelkorn, Lichtenegger, Stachel: Mathematik, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2008

Übungen

Die Aufgabenblätter und die Lösungen aus den Tutorien finden sie hier im Laufe des Semesters als PDF zum Download.

Die Anmeldung zu den Tutorgruppen erfolgt über Tutoranmeldung.

Bitte beachten Sie den angebotenen Notenbonus zur Honorierung reger Übungsteilnahme.


Aufgaben & Lösungen

Hier finden Sie die Angabenblätter sowie (nach Ablauf der jeweiligen Übungswoche) die Musterlösungen zu den Tutorübungen.

  • Basiswissen Numerisches Programmieren
    Diese Aufgaben sollten Sie mit Ihrem Wissen aus der Oberstufe und den Vorlesungen Lineare Algebra und Analysis für Informatiker bewältigen. Sie dienen lediglich der Wiederholung und zur Orientierung an den als bekannt vorausgesetzten Grundlagen dieser Veranstaltung.
Aufgabennr. Besprechungstermin Thema Aufgabenstellung Musterlösung Tutorfolien/Extras
1 23.10. - 27.10. Zahlendarstellungen Aufgabenblatt 1 Musterlösung 1
2 06.11. - 10.11. Kondition, Stabilität Aufgabenblatt 2 Musterlösung 2
3 13.11. - 17.11. Interpolation Aufgabenblatt 3 Musterlösung 3 Python Skript zum Runge Effekt
4 20.11. - 24.11. Herrmite Interpolation, Splines Aufgabenblatt 4 Musterlösung 4
5 27.11. - 01.12. Fourier Transformation Aufgabenblatt 5 Musterlösung 5
6 04.12. - 08.12. Numerische Quadratur Aufgabenblatt 6 Musterlösung 6
7 10.12. - 15.12. Quadratur II Aufgabenblatt 7 Musterlösung 7
8 18.12. - 22.12. Lineare Gleichungssysteme Aufgabenblatt 8 Musterlösung 8 Python Skript zur LU Zerlegung
9 08.01. - 12.01. Gewöhnliche Differentialgleichungen Aufgabenblatt 9 Musterlösung 9
10 15.01. - 19.01. Gewöhnliche Differentialgleichungen II Aufgabenblatt 10 Musterlösung 10
11 22.01. - 26.01. Iterative Verfahren Aufgabenblatt 11 Musterlösung 11
12 29.01. - 02.02. Iterative Verfahren II Aufgabenblatt 12 Musterlösung 12
13 05.02. - 09.02. Klausurvorbereitung Aufgabenblatt 13 keine Musterlösung

Übungstermine

Gruppe Tag Zeit Raum Tutor Art der Tutorübung Verfügbarer freier Platz
1 Mo 10:00 - 12:00 03.09.012 Sergey Mitchenko normale Übung ca. 5
2 Mo 10:00 - 12:00 00.13.054 Felix Ackermann Fragestunde > 5
3 Mo 13:05 - 15:05 03.09.012 Hendrik Möller normale Übung < 5
4 Mo 15:35 - 17:35 00.13.054 Felix Ackermann Fragestunde > 5
5 Di 10:00 - 12:00 03.09.012 Adrian Schultz normale Übung 0
6 Di 12:00 - 14:00 00.13.036 Adrian Schultz normale Übung < 5
7 Di 13:00 - 15:00 02.09.023 Hans Rauer normale Übung tba (neuer Raum vermutlich > 5)
8 Di 13:00 - 15:00 02.07.014 Michael Obersteiner normale Übung 0
9 Mi 09:00 - 11:00 00.13.054 Dmitrij Boschko normale Übung tba
10 Mi 11:05 - 13:05 03.09.012 Hendrik Möller normale Übung 0
11 Mi 12:00 - 14:00 00.13.054 Hans Rauer normale Übung tba
12 Do 12:00 - 14:00 00.13.008 Adrian Schultz normale Übung > 5
13 Do 12:00 - 14:00 03.09.012 Vivian Haller normale Übung > 5
14 Do 14:00 - 16:00 00.13.008 Sergey Mitchenko normale Übung ca. 5
15 Di 10:00 - 12:00 01.09.014 Dmitrij Boschko normale Übung tba
16 Do 10:00 - 12:00 03.09.012 Vivian Haller normale Übung < 5
17 Do 12:00 - 14:00 02.08.020 Philipp Samfaß normale Übung < 5
18 Do 14:00 - 16:00 00.08.055 Hans Rauer normale Übung tba


Unter Verfügbarer freier Platz listen wir die Anzahl noch freier Plätze in dem jeweiligen Tutorium, damit Sie sich auf die weniger überfüllten Übungsgruppen verteilen können.

Programmieraufgaben

Hier finden Sie die Aufgabenstellung (PDF-Dokument) und den Programmrahmen (TAR-Archiv mit Quellcode) der einzelnen Programmieraufgaben.


Aufgabennr. Ausgabetermin Abgabetermin Aufgabenstellung Zugehöriges Rahmenprogramm
1 27.10.2017 10.11.2017 Aufgabenstellung 1 Programmgerüst 1
2 17.11.2017 01.12.2017 Aufgabenstellung 2 Programmgerüst 2
3 15.12.2017 08.01.2018 Aufgabenstellung 3 Programmgerüst 3
4 15.01.2018 29.01.2018 Aufgabenstellung 4 Programmgerüst 4



Hinweise zur Bearbeitung

  • Arbeiten Sie in einer Gruppe (bis zu drei Personen). Vier/sechs Augen sehen mehr als zwei.
  • Beginnen Sie frühzeitig mit der Bearbeitung der Aufgaben und nutzen Sie das Angebot der Programmieraufgaben.
  • Das ausführliche Testen der Implementierung (insbesondere auch auf Randfälle) ist wesentlicher Bestandteil der Programmieraufgaben!
  • Die Einteilung der Gruppen sowie die Abgabe des Programm-Codes erfolgt unter Moodle.
  • Alle Abgaben, die nicht den formalen Kriterien genügen, werden grundsätzlich nicht korrigiert!

Die Abgabe der Programm-Codes erfolgt unter Moodle: https://www.moodle.tum.de/course/view.php?id=35186


Die Programmieraufgaben sind prüfungsrelevant!

Klausur

Die Klausur findet am 02.03.2018 von 08:00 - 09:30 Uhr statt.

Die Aufteilung der Studenten auf die Hörsääle ist wie folgt:

A - L (MW0001)

M - Z (MW2001)

Als Hilfsmittel ist einzig und allein ein handschriftlich, beidseitig beschriebenes Blatt DIN A4 mit eigenen Notizen erlaubt (keine Ausdrucke, keine Kopien). Die Verwendung weiterer Hilfsmittel (Taschenrechner, Bücher, Skripten, etc.) ist nicht gestattet. Ein Lineal wird jedoch empfohlen.

Da die Vorlesung "Numerisches Programmieren" in jedem Semester gehalten wird, wird keine Wiederholungsklausur angeboten. Die reguläre Klausur des Folgesemesters ersetzt die Wiederholungsklausur des aktuellen Semesters.

Hinweise zur Klausur

Was müssen Sie alles können?

  • Alle Verfahren und Konzepte aus den Übungen müssen beherrscht werden (schnell und ohne großes nachdenken - sonst gibt es Zeitprobleme)
  • Alle weiteren Verfahren und Konzepte (aus der Vorlesung) müssen aus theoretischer Sicht beherrscht werden. Leichte Verfahren und Konzepte oder leicht anzuwendende Optimierungen behandelter Verfahren müssen auch praktisch beherrscht werden. Komplexere Verfahren wie z.B. Conjugate Gradient werden nicht praktisch abgefragt werden! Mit "leicht" bezeichnen wir Verfahren, welche auch ohne vorheriges Probieren angewandt werden können. Verwenden Sie ihren Zettel also auch, um weitere Verfahren zu notieren.
  • Das reine Wissen aus der Übung wird nicht reichen, um alle Aufgaben bearbeiten zu können. Es werden definitiv Fragen vorkommen, zu denen in der Übung nichts besprochen wurde. Arbeiten Sie deshalb auch die Vorlesung (Folien) sorgfältig durch. Bei Unklarheiten auf den Folien nutzen Sie bitte die angegebene Literatur oder das Internet für weitere Recherchen.
  • Legen sie insbesondere Wert auf die Eigenschaften der Verfahren! Was unterscheidet die einzelnen Verfahren und wann sind die entsprechenden Verfahren anwendbar? Es wird in der Klausur nur wenige aufwendige Rechnungen geben, sondern vielmehr Fragen zu den Eigenschaften und Tricks (bzw. schwächen) der Verfahren und kürzere Rechnungen. Trotzdem wird es auch weiterhin (aber wenige) Aufgaben mit längerem Rechenwegen geben, die dementsprechend mit mehr Punkten honoriert werden.
  • In der Klausur wird es eine Programmieraufgabe geben bei der auf dem Blatt programmiert werden muss! Verwenden Sie hierfür Java oder einen Java-ähnlichen Pseudo-Code! Es ist deshalb sehr hilfreich die Programmieraufgaben zu bearbeiten und/oder noch einmal durchzuschauen!

Anmeldung

Für alle Studenten erfolgt die Anmeldung ganz normal über TUMonline.

Notenbonus

Wir wollen es Ihnen ermöglichen, durch rege Teilnahme an den Übungen und Programmieraufgaben eine Verbesserung Ihrer Klausurnote zu erwirken. Darüber hinaus zeigt die Erfahrung, dass rege Übungsteilnahme auch zu besseren Ergebnissen in der Klausur führt. Aus diesem Grund räumen wir allen Studierenden bei der Klausur einen Notenbonus um 0,3 (also beispielsweise von 2,7 auf 2,4 oder von 2,0 auf 1,7) ein, sofern sie die folgenden zwei Kriterien erfüllen:

  • Anwesenheit in mindestens 9 der 13 geplanten Tutorien. Zu diesem Zweck werden zu Beginn der Tutorien Anwesenheitslisten ausgeteilt, in denen man sich entsprechend eintragen muss.
  • Bei den vier Programmieraufgabenblätter müssen insgesamt mindestens 70% der erzielbaren Punkte erreicht werden. Pro Aufgabe werden 100 Punkte vergeben. Das bedeutet, die Bonushürde liegt bei insgesamt 280 von 400 zu erreichenden Punkten. Alle Abgaben, die nicht den formalen Kriterien genügen, werden grundsätzlich mit 0 Punkten bewertet!

Hinweis: Durch den Notenbonus ist es nicht möglich, eine nicht bestandene Klausur zu bestehen. Eine 4,3 kann also nicht zu einer 4,0 verbessert werden. Ebenso gibt es keine Verbesserung bei 1,0.

Altklausur

Als "Appetizer" können Sie sich hier die Klausur des SoSe 10 ansehen: Klausur / Klausur_mit_Loesung

Kontakt

Funktion Name Raum Sprechstunde E-Mail
Veranstaltungsleiter Prof. Dr. Hans-Joachim Bungartz MI 2.5.54 Di 10:00 - 11:00 Uhr und n.V. Bungartzmail.png
Übungsleiter (Organisation/Tutorien) Michael Obersteiner MI 02.05.060 n.V. Obersteinermail.png
Übungsleiter (Programmieraufgaben/Tutorien) Philipp Samfass LRZ E.2.040 n.V. Samfassmail.png