授業の主題
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粒子シミュレーションの技法の入門編およびその可視化/Introduction to particle simulation and visualization
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授業の目標
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粒子のシミュレーションが対象とする自然現象，基礎方程式，数値解法の基礎を理解させ、数値プログラミングを含む実習を通して、モデル化、シミュレーションの実行、可視化および解析の手順を習得する。力学および統計力学との接点を強調することで自然現象へのアプローチ法としての計算実験を位置づけるようにする。
Understanding the natural phenomena, basic equation, and elemental numerical method which the particle simulation covers. Learning the modeling, simulation execution, visualization, and their procedure through the exercises of programing and numerical calculation. Considering the computational experimentation as an assessment to natural phenomena in framework of classical mechanics and statistical mechanics.
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学生の学修目標
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実在現象をモデル化する手順を理解し、粒子系シミュレーションについての数値プログラミング法および粒子運動の解析法の基礎を、実習を通して学習する。力学や統計力学などとの関連性についても理解を深め、計算実験の重要性を理解する。
Understanding a process of modeling in real phenomena. Learning the basics for programing for particle simulation and analysis of particle motion through practical exercises. Recognizing the importance of computational experimentation with understanding a relationship with classical mechanics and statistical mechanics.
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授業概要
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３種類の資料を配布し、それらに沿って講義を行う。（第１－５回用資料（資料）、第６－１０回用資料（実習資料）、第１１－１５回用資料（資料））
第１回 実在現象とモデル化、ニュートンの運動方程式、力（重力、弾性力、粘性力等）（資料p.1-3）
第２回 粒子間の相互作用、働く力、作用・反作用の法則（資料p.4-8）
第３回 運動方程式の数値解法 ベルレ法（資料p.9-13）
第４回 境界条件と初期条件（資料p.14-18）
第５回 中間試験（学習達成度の確認：試験範囲を資料p.1-18とする）
第６－１０回 プログラミング実習（例： バンジージャンプ、減衰振動、粒子間の振動）
第６回 プログラミング実習１：プログラムの構造I 数値プログラミングの基礎(Fortran) （実習資料p.1-10）
第７回 プログラミング実習２：プログラムの構造II 粒子の運動のシミュレーション（流れ図等）(if条件文、do繰り返し文) （実習資料p.10-12）
第８回 プログラミング実習３：計算結果の可視化(gnuplot) （実習資料p.12-17）
第９回 プログラミング実習４：課題レポートの内容と作成方法(Latex) （実習資料p.15-22, p.31-42）
第１０回 プログラミング実習５：課題レポート作成・提出(pdfファイル)(期限を設定しアカンサスポータルよりファイル提出) （実習資料p.12-22, p.31-42）
第１１回 多粒子系の運動のシミュレーションと物理量、レナード・ジョーンズポテンシャル（資料p.19-20）
第１２回 長距離力と短距離力、計算量（資料p.21-26）
第１３回 データ解析、長時間平均と観測量（資料p.27-32）
第１４回 多粒子系の温度、内部エネルギー（資料p.32-33）
第１５回 多粒子系の圧力、局所構造等（資料p.34-37）
第１６回 学期末試験
各授業の予習に要する時間60分，授業後の復習に要する時間30分，プログラミング実習に要する時間の学習時間を含め，授業期間を通して通算30時間の自習時間が必要である。
1th lecture: real phenomena and modeling, the newton’s equation of motion, various forces (gravitation, elastic force, viscous force)
2nd lecture: interaction between particles, forces acting on particle, action-reaction law
3rd lecture: numerical analysis of equations of motion, Verlet algorithm
4th lecture: boundary condition and initial condition
5th lecture: midterm examination for comprehension check
6th lecture: practical exercise of programing 1 (examples: bungee-jumping, damped oscillation, damped vibration between particles….) (Fortran)
7th lecture: practical exercise of programing 2 (the structure of programing code I) (if-conditioning statement, do-loop statement)
8th lecture: practical exercise of programing 3 (the structure of programing code II, flow chart)
9th lecture: practical exercise of programing 4 (visualization) (for example; gnuplot)
10th lecture: practical exercise of programing 5 (writing the report) (for example; latex, pdf)
11th lecture: molecular dynamics simulation of many particle system and physical quantities, Lennard-Jones potential
12th lecture: long range force and short range force, number of numerical operations
13th lecture: data analysis, long time average and measurable quantities
14th lecture: temperature, internal energy, pressure, local structure in many-particle system
15th lecture: 13th lecture: temperature, internal energy, pressure, local structure in many-particle system
16th lecture: final examination
Students are required to review the contents of the previous class and the related part of the handout. They should prepare before each class for at least 60 minutes, review after each class for at least 30 minutes, and make programing exercises. Eventually, it is necessary for them to study themselves for total 30 hours through the end of this course including the time of preparation and review on each week.
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評価方法と割合
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評価方法
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その他/Other methods 中間試験、実習レポート課題、期末試験のそれぞれの成績および実習実施状況により総合的に評価する。/Comprehensive evaluation by midterm-exam, report, final-exam and the training implementation status.
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評価の割合
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中間試験 ３０ 学期末試験 ３０ レポート ３０ 実習実施状況 １０ 記述箇所 テスト（中間試験＋学期末試験）６０％、実習課題レポート３０％、実習実施状況１０％ 合計１００％/Exam (midterm-exam + final exam) 60%, report 30%, training implementation status10% (total 100%)
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授業時間外の学修に関する指示
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予習に関する指示
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英語の資料を読んでおく。/Students are requested to read/learn the handout in English.
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復習に関する指示
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物理量の表式や方程式を自力で導出する。演習門題を解いてみる。/Students are requested to follow the formula of physical quantities or to derive the equation as self-learning. If possible, try to solve the exercise problems in the handout.
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教科書・参考書
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教科書・参考書補足
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教科書は使用せず，資料を配布する。
参考書は、授業中に紹介する。
Handouts (three leaflets, totally more than 50pages) (Japanese)
Study reference will be announced in the lectures. (Japanese)
If you are interested in English books, ask to the professor.
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オフィスアワー等（学生からの質問への対応方法等）
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随時 質問は、居室（自然科学５号館325室）にて対応する。
事務的連絡等については、電子メールoda@cphys.s.kanazawa-u.ac.jpでも受け付ける。
Any time. Accept questions only at the office (room 325, 5th Natural Science Building). Concerned about businesslike communication, the email (oda@cphys.s.kanazawa-u.ac.jp) is available.
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履修条件
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物理学：力学分野の学習が既習であること。/One has to have learned classical mechanics in physics.
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適正人数
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学部生携行ＰＣを使用することを前提に授業中の実習が行われる。/The student-own laptop PC is assumed in the lectures of practicale exercise.
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その他履修上の注意事項や学習上の助言
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講義による授業は、力学や統計力学の初歩あるいは発展の平易な部分であるので、他授業との関連を意識して学習に取り組むようにする。また積極的自主的に実習課題に取り組むようにする。
学部生携行ＰＣを使用することを前提に授業中の実習が行われる。
The lectures (1-4th, 11-15th) contain an introduction or elemental part of classical mechanics and statistical mechanics. Understanding a relationship with learning- contents given in other courses. Positively tackle a problem in the lectures of practical exercise (5-10th). The practical lectures are given under his/her own laptop PC.
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