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計算物理学

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令和２年度以降入学者 計算物理学
令和元年度以前入学者 計算物理学
教員名 山本大輔
単位数    2 学年 3･4 開講区分 文理学部
科目群 物理学科
学期 前期 履修区分 選択
授業形態 対面授業
Blackboard ID 20231460
授業概要 物理学に現れる諸問題を数値的に正しく解くための計算物理学の基礎、及びPython言語を用いた数値解析を行うためのプログラミング技術を実習を通して学ぶ。
授業のねらい・到達目標 実験・理論と並び、今や物理学を理解する上で欠かせないアプローチの一つとなった計算物理学に現れる様々な数値計算手法の物理的・数学的な土台を理解し、さらにPython言語を用いた具体的なプログラム作成方法や注意点について実習を通して学ぶ。物理学に現れる新しい問題に対して数値的に取り組むことを可能とする計算科学的思考を養うことを目指す。

新しい問題に取り組むために、必要な情報を収集し、それを分析して用いることができる。(A-5-3)
この科目は文理学部（学士（理学））のDP5及びCP5に対応しています。
授業の形式 実習、オムニバス
授業の方法 コンピュータ教室のPCを用いて実際に例題のプログラムを入力し実行する。課題問題のプログラムを作成し提出する。

対⾯授業に参加できない場合、以下の要件を満たす学⽣で許可を得たものには個別対応を行う（メールによる理由の説明と事前相談が必要）。
（１）個別対応を認める要件：医師の診断等により特別な理由がある学生
（２）個別対応例：対⾯授業終了後、Blackboard を通して教材を提供するので、内容を理解した後に課題を提出すること。

本授業の事前・事後学習は各2時間の学習を目安とします。
授業計画
1 ガイダンス（授業の進め方や成績評価方法についての説明）とPython言語の紹介と実行環境の準備 (A-5-3)
（以下、講義内容・学習順は学生の理解度に応じて随時変更する可能性があります）
【事前学習】シラバスを事前に確認し、全体の講義の流れを確認する。 （2時間）
【事後学習】数値計算言語としてのPythonの特徴を見直し、他の数値計算言語に比べての長所・短所を整理する。 （2時間）
【担当教員】山本大輔
【授業形態】対面授業
2 Pythonの基礎1　Python言語におけるデータ型や変数、基本的な演算方法 (A-5-3)
【事前学習】Python実行環境の構築法およびプログラムの走らせ方を見直す。 （2時間）
【事後学習】講義で扱ったPython基本事項について振り返り、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】下川統久朗
【授業形態】対面授業
3 Pythonの基礎2　Python言語における条件分岐や繰り返し文を用いたプログラムの書き方 (A-5-3)
【事前学習】前回の講義中に習ったPython基本操作を改めてPC上で実行し、Pythonを使うのに慣れておく。 （2時間）
【事後学習】講義で扱ったPython基礎2について振り返り、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】山本大輔
【授業形態】対面授業
4 Pythonの基礎3　Python言語における関数の定義方法やリスト、タプルの使い方 (A-5-3)
【事前学習】前回の講義中に習ったPython基本操作を改めてPC上で実行し、Pythonを使うのに慣れておく。 （2時間）
【事後学習】講義で扱ったPython基礎3について振り返り、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】下川統久朗
【授業形態】対面授業
5 データの可視化 (A-5-3)
【事前学習】前回の講義中に習ったPython基本操作を改めてPC上で実行し、Pythonを用いたプログラム開発に備える。 （2時間）
【事後学習】講義で扱ったデータの可視化技術を見直し、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】山本大輔
【授業形態】対面授業
6 数値計算の基本と注意点 (A-5-3)
【事前学習】第1回〜5回までに習ったPythonの基本的な使い方や可視化法について復習し、Pythonを用いた数値計算プログラム作成に備える。 （2時間）
【事後学習】講義で扱った数値計算の基本と注意点について整理し、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】下川統久朗
【授業形態】対面授業
7 数値微分と数値積分 (A-5-3)
【事前学習】微分と積分の原理原則を復習する。 （2時間）
【事後学習】講義で扱った数値微分・積分法を整理し、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】山本大輔
【授業形態】対面授業
8 フーリエ変換 (A-5-3)
【事前学習】フーリエ変換の原理原則を復習しておく。 （2時間）
【事後学習】講義で扱ったフーリエ変換法を整理し、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】下川統久朗
【授業形態】対面授業
9 乱数とモンテカルロ法 (A-5-3)
【事前学習】繰り返し文や条件分岐を用いたプログラムの書き方を復習する。 （2時間）
【事後学習】講義で扱ったモンテカルロ法を整理し、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】山本大輔
【授業形態】対面授業
10 レポート問題（１）物理学の問題を通して第7回〜9回で学んだ内容の理解を深める (A-5-3)
【事前学習】第7回〜9回までの講義・課題を復習する。 （2時間）
【事後学習】レポート課題問題を考え、結果をまとめる。 （2時間）
【担当教員】下川統久朗
【授業形態】対面授業
11 非線形方程式の解 (A-5-3)
【事前学習】非線形方程式とは何かを復習しておく。 （2時間）
【事後学習】講義で扱った非線形方程式の数値的解法を整理し、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】山本大輔
【授業形態】対面授業
12 常微分方程式の解 (A-5-3)
【事前学習】常微分方程式とは何かを復習しておく。 （2時間）
【事後学習】講義で扱った常微分方程式の数値的解法を整理し、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】下川統久朗
【授業形態】対面授業
13 偏微分方程式の解 (A-5-3)
【事前学習】偏微分方程式とは何かを復習しておく。 （2時間）
【事後学習】講義で扱った偏微分方程式の数値的解法を整理し、課題プログラムを作成する。 （2時間）
【担当教員】山本大輔
【授業形態】対面授業
14 レポート問題（２）物理学の問題を通して第11回〜13回で学んだ内容の理解を深める (A-5-3)
【事前学習】第11回〜13回までの講義・課題を復習しておくこと （2時間）
【事後学習】レポート課題問題を考え、結果をまとめる。 （2時間）
【担当教員】下川統久朗
【授業形態】対面授業
15 まとめと講評、レポート提出 (A-5-3)
【事前学習】レポート課題の考察とプログラムをまとめる （2時間）
【事後学習】レポートの内容を確認する （2時間）
【担当教員】山本大輔
【授業形態】対面授業
その他
教科書 使用しない
参考書 河村哲也・桑名杏奈 『Pythonによる数値計算入門』 朝倉書店 2021年 第1版
成績評価の方法及び基準 レポート:レポート(50%)、授業内テスト:授業終了時に提出する課題プログラムの評価(20%)、授業参画度:授業参画度(30%)
オフィスアワー 授業終了後およびBlackboardを通して対応する。

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