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Academic Year/course: 2023/24

447 - Degree in Physics

26918 - Computational Physics


Syllabus Information

Academic year:
2023/24
Subject:
26918 - Computational Physics
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
447 - Degree in Physics
ECTS:
6.0
Year:
2
Semester:
Second semester
Subject type:
Compulsory
Module:
---

1. General information

The objective of the subject is for students to acquire advanced skills in the scientific use of the computer. 

Theoretical classes will explain the physical or mathematical basis of the problem and the algorithms to be used.  The organization of the code (in C programming language) into functions, macros, etc. and the particularly complicated aspects of the code will be briefly discussed. Students should complete the code writing work individually and prior to the practical class. In the practices, we will try to solve common problems, give indications to those who are lagging behind, and propose extensions and improvements.

This subject belongs to the Mathematical Methods module of the Degree in Physics. It is recommended to have taken the following subjects: Computer Science, Algebra and Fundamentals of Physics.

 

2. Learning results

2.1. Competencies

Upon completion of the subject, the student will have achieved:

- Computer and programming skills.

- Mastery of basic mathematical and numerical methods applicable to Physics.

-Some of the most used numerical analysis methods in the field of Physics.

- Identify the numerical tools needed to solve physical problems.

- Implement numerical methods in a programming language.

- Acquire the ability to analyse and evaluate the results of a numerical method.

2.2. Learning Results

In order to pass this subject, the students shall demonstrate they has acquired the following results:

- Solve numerically the dynamics of one and many particles under different interactions: gravitational, electromagnetic, or other types.

- Solve physical problems requiring the use of matrices.

- Analyse signals by spectral methods. -Perform Fourier transforms in one and more dimensions.

- Generation of random numbers in the computer, with flat distribution; use this distribution to generate arbitrary distributions . -Homogeneous dot generation on surfaces.

- Perform stochastic simulations on simple physical problems.

- Statistically analyse the results of a simulation. -Calculation of statistical errors.

- Monte Carlo simulations of simple models.

- Numerically solve physical problems with appropriate boundary conditions.

 

3. Syllabus

  • Differential Equations.

  • Partial Differential Equations in Partial Derivatives.

  • Random Numbers.

  • Arbitrary probability distributions.

  • Statistical analysis and error calculation.

  • Advanced statistical analysis.

  • Brownian motion.

  • The Ising model.

  • Basic principles of Statistical Mechanics.

  • Advanced simulation of the Ising model.

  • Simulated Annealing.

  • Complex Networks.

  • Neural Networks.

 

4. Academic activities

The learning process designed for this subject is based on the following:

- Theory classes: One hour per week, where the necessary basic notions of physics, mathematics and programming will be taught..

- Types of problems: The implementation in code of the topics proposed in theory class will be discussed. One hour weekly.

- Sessions in computer classrooms: Two hours (in a single session), where the code marked in the theory and practical classes must be finished , until its compilation and execution.

- Tutoring: The necessary hours will be fixed, depending on the rest of the schedules.

 

5. Assessment system

The student must demonstrate achievement of the intended learning results through the following assessment activities:

1- Continuous evaluation of the student's learning through the resolution of problems, questions and other activities proposed by the teacher. Participation in practical classes and correct resolution of proposed problems . Realization and presentation of a short work of simulation of a physical system. Maximum grade: 4 points.

2- Written test: Examination of knowledge acquired during the term. Maximum grade: 6 points.

The grade in item 1 will only be added to the final grade if the grade in item 2 is greater than or equal to 3. It is therefore necessary condition to pass the subject to obtain a grade equal to or higher than 3 in item 2.

Passing the subject by means of a single global test.

It will be identical to that of the previous section, replacing point 1 with a practical test. After a previous proposal, the student must write a code to solve the problem. This code will be presented on the day of the practical test, where the student must present it properly, and also solve the modifications proposed by the teacher.

 


Curso Académico: 2023/24

447 - Graduado en Física

26918 - Física computacional


Información del Plan Docente

Año académico:
2023/24
Asignatura:
26918 - Física computacional
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
447 - Graduado en Física
Créditos:
6.0
Curso:
2
Periodo de impartición:
Segundo semestre
Clase de asignatura:
Obligatoria
Materia:
---

1. Información básica de la asignatura

El objetivo de la asignatura es que los alumnos adquieran competencias avanzadas en el uso científico del ordenador. 

En las clases teóricas se explicará el fundamento físico o matemático del problema, los algoritmos a utilizar. Se comentará brevemente la organización del código (en lenguaje de programación C) en funciones, macros, etc. y los aspectos especialmente complicados del mismo. Los alumnos deberán realizar el trabajo de escritura del código de forma individual y previamente a la clase práctica. En la misma, se tratará de resolver los problemas comunes, dar indicaciones a aquellos que vayan más retrasados, y proponer ampliaciones y mejoras.

Esta asignatura pertenece al módulo de Métodos Matemáticos del grado en Física. Se recomienda haber cursado las asignaturas de Informática, Algebra y Fundamentos de Física.

2. Resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

- Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para...

- Destreza en el manejo de técnicas informáticas y programación.

- Dominio de los métodos matemáticos y numéricos básicos aplicables a la Física.

- Conocer alguno de los métodos de análisis numérico más empleados en el ámbito de la Física.

- Identificar las herramientas numéricas necesarias para resolver problemas físicos.

- Implementar métodos numéricos en un lenguaje de programación.

- Adquirir capacidad de análisis y evaluación de los resultados de un método numérico.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados:

- Resolver numéricamente la dinámica de una y muchas partículas bajo diferentes interacciones: gravitatoria, electromagnética o de otros tipos.

- Resolver problemas físicos que requieran el uso de matrices.

- Analizar señales mediante métodos espectrales. Realizar transformadas de Fourier en una y más dimensiones.

- Generación de números aleatorios en el ordenador, con distribución plana; usar dicha distribución para generar distribuciones arbitrarias. Generación de puntos de forma homogénea sobre superficies.

- Realizar simulaciones estocásticas en problemas físicos sencillos.

- Analizar estadísticamente los resultados de una simulación. Cálculo de errores estadísticos.

- Simulaciones de Monte Carlo de modelos sencillos.

- Resolver numéricamente problemas físicos con las condiciones de contorno adecuadas.

3. Programa de la asignatura

  • Ecuaciones Diferenciales.
  • Ecuaciones Diferenciales en Derivadas Parciales.
  • Números Aleatorios.
  • Distribuciones de probabilidad arbitrarias.
  • Análisis estadístico y cálculo de errores.
  • Análisis estadístico avanzado.
  • Movimiento browniano.
  • El modelo de Ising.
  • Principios básicos de la Mecánica Estadística.
  • Simulación avanzada del modelo de Ising.
  • Simulated Annealing.
  • Redes Complejas.
  • Redes Neuronales.

4. Actividades académicas

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

- Clases de teoría: Una hora semanal, donde se darán las nociones básicas de Física, matemáticas y programación necesarias.
- Clases de problemas: Se discutirá la implementación en código de los temas propuestos en clase de teoría. Una hora semanal.
- Sesiones en aulas informáticas: Dos horas (en una única sesión), donde se deberá acabar de escribir el código marcado en las clases de teoría y prácticas, hasta su compilación y ejecución.
- Tutorías: Se fijarán las horas necesarias, en función del resto de horarios.

5. Sistema de evaluación

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluación:

1- Evaluación continua del aprendizaje del alumno mediante la resolución de problemas, cuestiones y otras actividades propuestas por el profesor de la asignatura. Participación en las clases prácticas y resolución correcta de problemas propuestos. Realización y exposición de un trabajo breve de simulación de un sistema físicos. Puntuación Máxima: 4 puntos.

2- Prueba escrita: Examen de conocimientos adquiridos durante el curso. Puntuación Máxima: 6 puntos.

La puntuación del punto 1 solo se sumará a la nota final si la puntuación en el punto 2 es superior o igual a 3. Es pues condición necesaria para superar la asignatura obtener una nota igual o superior a 3 en el punto 2.

Superación de la asignatura mediante una prueba global única.

Será idéntica a la del apartado anterior, sustituyendo el punto 1 por una prueba práctica. Tras una propuesta previa, el alumno deberá escribir un código para resolver el problema. Este código será presentado el día de la prueba práctica, donde el alumno deberá presentarlo adecuadamente, y además resolver las modificaciones propuestas por el profesor.