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Allgemeines zum Thema

Ringvorlesung Numerische Simulation

Wie die Welt in den Computer kommt

 

Numerische Simulationen spielen eine zunehmend wichtige Rolle in Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften. Ausgangspunkt ist ein mathematisches Modell des zu untersuchenden Phänomens, üblicherweise formuliert als ein System von Gleichungen, die die relevanten Größen zueinander in Beziehung setzen. Unter der Annahme, dass das Modell das Phänomen hinreichend gut beschreibt, können reale Experimente durch Berechnungen im Computer ersetzt werden. Einerseits lassen sich damit in der Regel Kosten sparen, andererseits können sogar Experimente simuliert werden, die in der Realität gar nicht durchführbar wären.

Die Ringvorlesung bietet einen Überblick über grundlegende Prinzipien numerischer Simulationen sowie das breite Spektrum der Fächer, in denen sie an der Christian-Albrechts-Universität eingesetzt werden.

Vortragsliste

 

Datum, Uhrzeit Vortragende(r) Vortragstitel
Do. 29.10.15, 18:00 Uhr Prof. Dr. Steffen Börm Wissenschaftliches Rechnen in den Naturwissenschaften
Do. 12.11.15, 18:00 Uhr Prof. Dr. Michael Bonitz Quanten-Vielteilchensysteme im Gleichgewicht
Do. 19.11.15, 18:00 Uhr Prof. Dr. Anand Srivastav Algorithmen für Big Data Probleme bei der Genom-Rekonstruktion
Do. 26.11.15, 18:00 Uhr Prof. Dr. Thomas Slawig Simulationsbasierte Optimierung in der Klimaforschung
Do. 10.12.15, 18:00 Uhr Prof. Dr.-Ing. Thomas Meurer Numerik und Simulation in der Automatisierungs- und Regelungstechnik
Do. 17.12.15, 18:00 Uhr Prof. Dr. Birgit Schneider Wie der Meeresboden hilft, die Klimavorhersagen zu verbessern
Do. 7.1.16, 18:00 Uhr Prof. Dr. Thomas Lux Netzwerkeffekte und systemisches Risiko: Agenten-basierte Simulationen des Bankensektors
Do. 14.1.16, 18:00 Uhr Dr. Sebastian Bauch Kurzzeitdynamik von Quanten-Vielteilchensystemen
Do. 28.1.15, 18:00 Uhr Prof. Dr. Bernd Hartke Chemie ist wenn’s stinkt und kracht? Nein, Chemie geht auch sauber und leise: mit dem Computer

Vortrag vom Do., d. 28.01.2016

Chemie ist wenn’s stinkt und kracht? Nein, Chemie geht auch sauber und leise: mit dem Computer

 
Prof. Dr. Bernd Hartke (CAU Kiel, Institute for Physical Chemistry)
 

Die Chemie hat sich von der mystischen Alchemie des Mittelalters längst in eine exakte Naturwissenschaft verwandelt. Seit 85 Jahren weiß man, wie man alle chemischen Vorgänge und Meßgrößen prinzipiell berechnen kann. Aber erst in den letzten 25 Jahren haben sich theoretische Berechnungen in der Chemie von einer Randerscheinung für Spezialisten in ein unverzichtbares, alltägliches Werkzeug verwandelt, das auch Nicht-Spezialisten nutzen können. Diese Wandlung wurde einerseits durch die immense Fortentwicklung der Computer-hardware getrieben, andererseits aber auch durch ähnlich große Fortschritte in den Algorithmen, in der Numerik und in den Programmimplementationen.

Dieser Vortrag erläutert die grundsätzlichen Probleme, die bei der Berechnung chemischer Vorgänge zu bewältigen sind, und zeigt exemplarisch einige Lösungsmöglichkeiten. Was rechnerisch heute routinemäßig möglich ist, wird durch aktuelle Projekte am CAU-RZ und am überregionalen HLRN-Rechenzentrum illustriert.

 

Zeit und Ort:  Do., 28.1.2016, 18.00 Uhr, Audimax - Hörsaal D, Christian-Albrechts-Platz 2

Bemerkung:  Der Vortrag ist Bestandteil der Ringvorlesung Numerische Simulation; vgl. Pressemitteilung Nr. 371/2015 vom 16.10.2015 . Dank einer finanziellen Unterstützung des Alumni Kiel e.V. können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung.

Vortrags-Video:

Vortrag vom Do., d. 14.01.2016

Kurzzeitdynamik von Quanten-Vielteilchensystemen

 
Dr. Sebastian Bauch (CAU Kiel, Theoretische Physik und Astrophysik)
 

Die Quantenmechanik beschreibt die Natur auf kleinsten räumlichen und zeitlichen Skalen und bildet die Grundlage unseres heutigen physikalischen Wissens. Auf Grund der Komplexität der experimentell ausgezeichnet verifizierten Grundgleichungen sind jedoch in den meisten Fällen keine geschlossenen Ausdrücke ableitbar und damit quantitative Vorhersagen nur mit Hilfe ausgefeilter Computersimulationen möglich.

In diesem Vortrag werden nach einer Einführung in die Grundideen der Quantenmechanik verschiedene Aspekte der Dynamik beleuchtet und mit illustrativen Beispielen dargestellt. Die Schwierigkeiten im Vergleich zur klassischen Mechanik insbesondere für Systeme mit mehreren Teilchen werden verdeutlicht und numerische Herausforderungen angesprochen.

 

Zeit und Ort:  Do., 14.1.2016, 18.00 Uhr, Audimax - Hörsaal D, Christian-Albrechts-Platz 2

Bemerkung:  Der Vortrag ist Bestandteil der Ringvorlesung Numerische Simulation; vgl. Pressemitteilung Nr. 371/2015 vom 16.10.2015 . Dank einer finanziellen Unterstützung des Alumni Kiel e.V. können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung.

Vortrags-Video: Bedauerlicherweise hatten wir bei dieser Aufnahme ein technisches Problem (Ausfall des Mikrofons). Nach Absprache mit dem Vortragenden haben wir dennoch den gesamten Vortrag ins Netz gestellt, obwohl ab Minute 29 kein Ton mehr aufgenommen wurde. Wir bitten um Verständnis.

Vortrag vom Do., d. 07.01.2016

Netzwerkeffekte und systemisches Risiko: Agenten-basierte Simulationen des Bankensektors

 
Prof. Dr. Thomas Lux (CAU Kiel, Institut für Volkswirtschaftslehre)

 

Erst mit dem Zusammenbruch der Großbank Lehman Brothers im Jahr 2008 ist der Fachwissenschaft wie auch der Politik bewusst geworden, dass der Finanzbereich anfällig ist für "Ansteckungseffekte", d.h. die Übertragung von Liquiditätsproblemen und Zahlungsausfällen innerhalb des Bankensystems, die bis zu einem vollständigen Zusammenbruch des gesamten Systems führen kann.

Die verschiedenen Übertragungswege können quantitativ durch ein Netzwerk der Kreditbeziehungen zwischen Banken abgebildet werden. Der Vortrag wird sich mit der Modellierung dieses Netzwerks beschäftigen, wobei auch agenten-basierter Simulationen des Bankensystems entwickelt werden. Zunächst wird eine kurze Einführung in die Netzwerkforschung gegeben, und es werden die wichtigsten Eigenschaften des Interbankenhandels herausgearbeitet. Hauptsächliches Anliegen der Modellierung des Interbankenhandels ist es, das sog. systemische Risiko eines weitgehenden Ausfalls des Bankensystems nach einer lokalen Störung (z.B. der Insolvenz einer großen Bank) zu quantifizieren und geeignete Politikmaßnahmen zur Begrenzung solchen systemischen Risikos vorzuschlagen

Zeit und Ort:  Do., 7.1.2016, 18.00 Uhr, Audimax - Hörsaal D, Christian-Albrechts-Platz 2

Bemerkung:  Der Vortrag ist Bestandteil der Ringvorlesung Numerische Simulation; vgl. Pressemitteilung Nr. 371/2015 vom 16.10.2015 . Dank einer finanziellen Unterstützung des Alumni Kiel e.V. können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung.

Vortrags-Video:

Vortrag vom Do., d. 17.12.2015

Wie der Meeresboden hilft, die Klimavorhersagen zu verbessern

 
Prof. Dr. Birgit Schneider (CAU Kiel, Institut für Geowissenschaften)
 

 

Numerische Klimamodelle sind hochkomplexe Werkzeuge und das einzige Mittel, um das Klima der Zukunft - unter bestimmten Annahmen - vorherzusagen. Bislang wird oftmals davon ausgegangen, dass Modelle, die heutige Messdaten gut repräsentieren, auch verlässliche Zukunftsprognosen liefern. Aufgrund der Kürze der instrumentellen Klimaaufzeichnungen (ca. 150 Jahre) ist der Vergleichszeitraum allerdings gering. Simulationen von Klimazuständen der geologischen Vergangenheit können benutzt werden, um die Modelle zu testen, ob sie hinreichend flexibel sind radikal unterschiedliche Klimazustände zu reproduzieren. Die verfügbaren (Paläo-) Daten haben oftmals eine geringe raum-zeitliche Auflösung und geben nur indirekt Auskunft über bestimmte Klimavariablen (Proxydaten). Die Vorlesung verschafft einen Einblick in den aktuellen Stand der modernen (Paläo-) Klimaforschung und die besonderen Herausforderungen Modelle und Daten in Einklang zu bringen.

Zeit und Ort:  Do., 17.12.2015, 18.00 Uhr, Audimax - Hörsaal D, Christian-Albrechts-Platz 2

Bemerkung:  Der Vortrag ist Bestandteil der Ringvorlesung Numerische Simulation; vgl. Pressemitteilung Nr. 371/2015 vom 16.10.2015 . Dank einer finanziellen Unterstützung des Alumni Kiel e.V. können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung.

Vortrags-Video:

 

Vortrag vom Do., d. 10.12.2015

Numerik und Simulation in der Automatisierungs- und Regelungstechnik

 
Prof. Dr. Thomas Meurer (CAU Kiel, Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik)
 

Das Fachgebiet der Regelungstechnik beschäftigt sich mit der gezielten Beeinflussung dynamischer Systeme, mit dem Ziel, ein gewünschtes (zeitliches) Verhalten einzuprägen. Beispiele umfassen Stabilitäts- und Assistenzsysteme in Automobilen und Flugzeugen, autonome Roboter und autonome Fahrzeuge, Energieerzeugung und deren stabile Verteilung über Netzwerke oder Automatisierungssysteme in Produktionsanlagen. Moderne Regelungsverfahren basieren dabei auf mathematischen Modellen des betrachteten Systems in der Form gewöhnlicher oder partieller Differenzialgleichungen. Dabei sind einerseits detaillierte Modelle besonders für die dynamische Systemanalyse von Bedeutung, welche sowohl den Einsatz mathematisch-analytischer Methoden als auch numerischer Analyse- und Simulationsverfahren beinhaltet. Andererseits muss im Hinblick auf den Regelungsentwurf und der Echtzeit-Implementierung des ermittelten Regelgesetzes ein Kompromiss zwischen Modellgenauigkeit und Modellkomplexität getroffen werden. Die moderne Regelungstechnik bewegt sich somit in dieser Schnittmenge und kombiniert regelungstheoretische Entwicklungen und Konzepte mit numerischen Werkzeugen und der numerischen Simulation komplexer Systeme. Dies erlaubt die Entwicklung und praktische Realisierung sehr leistungsfähiger semi-analytischer bzw. semi-numerischer Analyse- und Entwurfsmethoden, die auch auf komplexe Problemstellungen anwendbar sind. Diese sind Gegenstand des Vortrages, der anhand verschiedener Anwendungsbeispiele aus den Themenfeldern der adaptiven intelligenten Strukturen und der verfahrenstechnischen Prozessführung grundlegende Konzepte und aktuelle Entwicklungen in der Integration numerischer Methoden und der Simulationstechnik in die Regelungstheorie und Regelungstechnik vorstellt.

 

Zeit und Ort:  Do., 10.12.2015, 18.00 Uhr, Audimax - Hörsaal D, Christian-Albrechts-Platz 2

Bemerkung:  Der Vortrag ist Bestandteil der Ringvorlesung Numerische Simulation; vgl. Pressemitteilung Nr. 371/2015 vom 16.10.2015 . Dank einer finanziellen Unterstützung des Alumni Kiel e.V. können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung.

Vortrags-Video:

 

Vortrag vom Do., d. 26.11.2015

Simulationsbasierte Optimierung in der Klimaforschung

 
Prof. Dr. Thomas Slawig (CAU Kiel, Institut für Informatik)
 

Klimaforschung und vor allem Klimaprognosen basieren zu wesentlichen Teilen auf Modellen, die das komplexe Erdsystem, seine Interaktionen und Prozesse sowie seine zeitliche Evolution beschreiben. Diese Modelle bestehen aus gekoppelten mathematischen Gleichungen, die in zeitlich und räumlich diskretisierter Form auf Computern implementiert werden. So können sie für Simulationen der zukünftigen Entwicklung des Klimas verwendet werden. Solche Klimasimulationen stellen für die angewandte oder numerische Mathematik und die Informatik bereits eine große Herausforderung in Bezug auf die Qualität der Algorithmen und die Rechenzeit dar. Da viele Prozesse im Klimasystem bisher nur unvollständig verstanden sind, enthalten Klimamodelle viele oft nur unzureichend determinierte Parameter. Diese Parameter werden mit mathematischen Verfahren und darauf basierenden Algorithmen so eingestellt oder optimiert, dass die so angepassten Klimasimulationen Messergebnisse aus der Vergangenheit ausreichend genau reproduzieren können. Erst dann werden die so kalibrierten Klimamodelle für Prognosen verwendet.

Der Vortrag beschreibt diese Problematik und stellt typische Verfahren an Hand von Fragestellungen aus dem Bereich der Simulation des marinen Kohlenstoffkreislaufes vor.

 

Zeit und Ort:  Do., 26.11.2015, 18.00 Uhr, Audimax - Hörsaal D, Christian-Albrechts-Platz 2

Bemerkung:  Der Vortrag ist Bestandteil der Ringvorlesung Numerische Simulation; vgl. Pressemitteilung Nr. 371/2015 vom 16.10.2015 . Dank einer finanziellen Unterstützung des Alumni Kiel e.V. können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung.

Vortrags-Video:

 

Vortrag vom Do., d. 19.11.2015

Algorithmen für Big Data Probleme bei der Genom-Rekonstruktion

 
Prof. Dr. Anand Srivastav (CAU Kiel, Institut für Informatik)
 

Das Genom-Assembly ist ein zentrales Problem in der Biologie und Medizin zur Aufklärung der genetischen Funktionalitäten. Heutzutage wird das Genom mit Hilfe von sogenannten Sequenzierern, der shotgun Methode, die auf den Nobelpreisträger Fredrick Sanger zurückgeht, in kleine Teile zerlegt und die Aufgabe besteht darin, das Genom wieder zu rekonstruieren. Dieser Umweg ist leider notwendig, da es keine Technologie gibt, die aus dem Zellmaterial Genome direkt herauslesen könnte.

Die Rekonstruktion selbst ist dann ein Problem der Diskreten Mathematik, genauer der Diskreten Optimierung und Graphentheorie, wobei aus dem Assembly-Graphen, der die Sequenzierstücke ( reads) als Knoten hat, möglichst lange Pfade gewonnen werden sollen. Dieses Problem selbst ist schon komplexitätstheoretisch äußerst schwierig, es ist NP-schwer. Das Rekonstruktionsproblem wird noch weiter dadurch verschärft, dass der Assembly-Graph in vielen Anwendungen zu groß ist, als dass er in den Hauptspeicher eines Rechners (RAM) passen würde (Big Data Problem).

Wir stellen neue mathematische Methoden vor, mit deren Hilfe es gelingt, den Assembly-Graphen auf einem externen Speicher zu halten, und das längste Pfadeproblem unter Zugriff auf kleine Teile des Graphen, die gerade in die RAM des Rechners passen, zu lösen. Die Technik, die hier verwendet wird, ist das Semistreaming-Modell, in dem die Kanten des Graphen als ein Datenstrom kommen und quasi sofort eine Entscheidung getroffen werden muss, ob diese verwendet werden oder nicht. Die Kunst besteht nun darin, aus dieser sehr eingeschränkten Information längste Pfade zu konstruieren, d.h. mit unvollständiger Information ein komplexes kombinatorisches Problem zu lösen.

Dies ist eine Arbeit im DFG SPP 1736 Algorithms for Big Data und im Excellenzcluster The Future Ocean gemeinsam mit Prof. Thorsten Reusch (Geomar) und Prof. Philip Rosenstiel (IKMB).

 

Zeit und Ort:  Do., 19.11.2015, 18.00 Uhr, Audimax - Hörsaal D, Christian-Albrechts-Platz 2

Bemerkung:  Der Vortrag ist Bestandteil der Ringvorlesung Numerische Simulation;; vgl. Pressemitteilung Nr. 371/2015 vom 16.10.2015 . Dank einer finanziellen Unterstützung des Alumni Kiel e.V. können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung.

Vortrags-Video:

 

Vortrag vom Do., d. 12.11.2015

Quanten-Vielteilchensysteme im Gleichgewicht

 
Prof. Dr. Michael Bonitz (CAU Kiel, Theoretische Physik und Astrophysik)
 

Seit 100 Jahren wissen wir, dass die Grundbausteine der Natur - Atome, Moleküle, und die Elektronen und Kerne aus denen sie bestehen - den ungewöhnlichen Gesetzen der Quantenmechanik folgen. Dass ein Elektron durch eine Wand hindurch "tunneln" kann oder jahrelang um einen Atomkern "kreist", ohne hineinzustürzen, ist schon Schulkindern bekannt. Dieses Verhalten ist experimentell nachgewiesen und auch theoretisch und numerisch sehr leicht reproduziert.

Schwieriger wird es, wenn man die Struktur der uns umgebenden Materie - von Gasen, über Festkörper bis hin zum exotischen Quark-Gluonen-Plasma verstehen will. Hier kommt es auf das kooperative Verhalten vieler Elektronen und Atomkerne an, das wiederum durch Quanteneffekte dominiert wird. Auch dafür kennen wir die Grundgleichungen seit langem, allerdings sind (analytische) Lösungen nur für einige wenige Grenzfälle bekannt.

Hier bieten Computersimulationen, die direkt die Grundgleichungen der Quantentheorie lösen, einen Ausweg. So können wir heute die Gleichgewichtseigenschaften eines quantenmechanischen Vielteilchensystems quasi-exakt berechnen. Der Vortrag gibt eine Einführung in die Grundideen der Theorie - das Feynman'sche Pfadintegral - und der Simulation: Quanten-Monte Carlo.

Zeit und Ort:  Do., 12.11.2015, 18.00 Uhr, Audimax - Hörsaal D, Christian-Albrechts-Platz 2

Bemerkung:  Der Vortrag ist Bestandteil der Ringvorlesung Numerische Simulation; vgl. Pressemitteilung Nr. 371/2015 vom 16.10.2015 . Dank einer finanziellen Unterstützung des Alumni Kiel e.V. können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung.

Vortrags-Video:

 

Vortrag vom Do., d. 29.10.2015

Wissenschaftliches Rechnen in den Naturwissenschaften

 
Prof. Dr. Steffen Börm (CAU Kiel, Informatik)
 

Computersimulationen spielen eine zunehmend wichtige Rolle bei der Untersuchung naturwissenschaftlicher Phänomene: Sofern die zugrunde liegenden Naturgesetze bekannt sind, lässt sich die Durchführung eines Experiments durch das Lösen mathematischer Gleichungen ersetzen, die moderne Computer mit Hilfe effizienter Algorithmen schnell bewältigen können. Dabei entstehen häufig große Gleichungssysteme, die sich nur mit Hilfe hochentwickelter Algorithmen bewältigen lassen.

Der Vortrag demonstriert anhand einiger Beispiele, wie sich die spezifischen Eigenschaften bestimmter Klassen von Problemen ausnutzen lassen, um Simulationen effizient und genau durchzuführen.

Zeit und Ort:  Do., d. 29.10.2015, 18.00 Uhr, Audimax - Hörsaal D, Christian-Albrechts-Platz 2

Bemerkung:   Der Vortrag ist Bestandteil der Ringvorlesung Numerische Simulation; vgl. Pressemitteilung Nr. 371/2015 vom 16.10.2015 . Dank einer finanziellen Unterstützung des Alumni Kiel e.V. können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung.

Vortrags-Video:

 

Video-Aufnahmen

Dank einer finanziellen Unterstützung des
Alumni Kiel e.V.
können die Vorträge aufgezeichnet werden und stehen im Netz zur Verfügung. Die Veranstalter sagen Vielen Dank und empfehlen allen Besuchern unserer Webseiten einen Ausflug zur Alumni-Webpräsenz.

 

 

Vortrag vom 29.10.2015 Vortrag vom 12.11.2015
Steffen Börm:
Wissenschaftliches Rechnen in den Naturwissenschaften
Michael Bonitz:
Quanten-Vielteilchensysteme im Gleichgewicht

Vortrag vom 19.11.2015 Vortrag vom 26.11.2015
Anand Srivastav:
Algorithmen für Big Data Probleme bei der Genom-Rekonstruktion
Thomas Slawig:
Simulationsbasierte Optimierung in der Klimaforschung

Vortrag vom 10.12.2015 Vortrag vom 17.12.2015
Thomas Meurer:
Numerik und Simulation in der Automatisierungs- und Regelungstechnik
Birgit Schneider:
Wie der Meeresboden hilft, die Klimavorhersagen zu verbessern

Vortrag vom 07.01.2016 Vortrag vom 14.01.2016*
Thomas Lux:
Netzwerkeffekte und systemisches Risiko: Agenten-basierte Simulationen des Bankensektors
Sebastian Bauch:
Kurzzeitdynamik von Quanten-Vielteilchensystemen

* Bedauerlicherweise hatten wir bei der Aufnahme des Vortrages vom 14.1.2016 ein technisches Problem (Ausfall des Mikrofons). Nach Absprache mit dem Vortragenden Dr. Sebastian Bauch haben wir dennoch den gesamten Vortrag ins Netz gestellt, obwohl ab Minute 29 kein Ton mehr aufgenommen wurde. Wir bitten um Verständnis.

Vortrag vom 28.01.2016
 
Bernd Hartke:
Chemie ist wenn’s stinkt und kracht? Nein, Chemie geht auch sauber und leise: mit dem Computer
 
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