Computerorientierte Theoretische Physik

Lehrveranstaltung 3233 L 550 und 3233 L 551 im Wintersemester 2017/18

Dozent: Dr. Marten Richter

Vorlesung: (Beginn 16.10.)
Di 12:15-13:45 (EW 731)
Do 14:15-15:45 (EW 733)

Übung: (Beginn 25.10.)
Do 10:15-11:45 (entweder EW 731 oder im PC Pool)

When attending this course 9 credit points within the ECTS system can be obtained.

Der Kurs kann über das Modul Spezielle Themen der Theoretischen Physik [1] eingebracht werden.
Vorraussetzung ist der Erwerb eines Übungsscheins.

Die Vorlesung bietet einen Überblick über verschiedene numerische Methoden um Probleme  der modernen theoretische Physik zu lösen. Dabei werden sowohl die Rechnerarchitekturen, Algorithmen besprochen als auch die Herleitung der grundsätzlichen physikalischen Fragestellungen z.B. der Quantenmechanik, die als Beispiel besprochen werden.  Alle numerischen Verfahren/Probleme werden nach Möglichkeit an einem fortgeschrittenen Beispiel der Physik illlustiert. Es wechseln sich dabei Vorlesungen zur physikalischen Anwendung und zu numerischen Methoden ab. Flankiert werden die Vorlesungen durch Übungen, die meist praktisch die Lösung von numerischen Problem beinhalten aber auch vorbereitende Analytik.
Viele der Übungen werden teilweise im PC-POOL stattfinden, in dem konkret Teile der Übungsaufgaben in der Übung gelöst werden.

Themen werden voraussichtlich beinhalten:

Rechnerarchitekturen, Lineare Algebra für parallele Programmierung,
Finite Differenzenverfahren,  Exziton-, Trionzustände, Iterationsverfahren, Krylov Unterräume/Lanczos Verfahren für Eigenwertprobleme

Quantenchemie: Basissysteme, Configurationsinteraktionsmethode, Dichtefunktionaltheorie, Born-Oppenheimernäherung; Optimierungsprobleme,

Zeitliche Dynamik: Dichtematrixtheorie, Blochgleichungen Zeitsolver
Vielteilchendynamik, Korrelationsentwicklung und  Coulombstreuung
Berechnung von Spektren; Fourier- Transformation (DFT; FFT), Harmonische Inversion.
Tensor-Netzwerkmethoden, insbesondere Singulärwertzerlegung, Matrix-Produktzustände, Matrix-Produkt-Operatoren, DMRG, PEPS, Zeitpropagation.

Themen werden voraussichtlich beinhalten:

• Rechnerarchitekturen
• Lineare Algebra für parallele Programmierung,
• Finite Differenzenverfahren 
• Exziton-, Trionzustände
• Iterationsverfahren. Krylov Unterräume/Lanczos Verfahren für Eigenwertprobleme
• Quantenchemie: Basissysteme
• Configurationsinteraktionsmethode,
• Dichtefunktionaltheorie
• Born-Oppenheimernäherung
• Optimierungsprobleme,
• Zeitliche Dynamik: Dichtematrixtheorie, Blochgleichungen Zeitsolver
• Vielteilchendynamik, Korrelationsentwicklung und  Coulombstreuung
• Berechnung von Spektren
• Fourier- Transformation (DFT; FFT),
• Harmonische Inversion,
• Tensor-Netzwerkmethoden:
• insbesondere Singulärwertzerlegung,
• Matrix-Produktzustände
• Matrix-Produkt-Operatoren
• DMRG
• PEPS
• Zeitpropagation.

Die Tutorieneinteilung und Scheinvergabe zu der Vorlesung "Computerorientierte Theoretische Physik" erfolgt im Wintersemester 2018/19 über das Moseskontosystem [2] bis Mittwoch 17.10.2018 18:00 Uhr. Eine spätere Anmeldung ist nicht möglich.

Je nach Thema werden die Übungen entweder teilweise im PC-POOL durchgeführt oder wenn analytische Rechnungen im Vordergrund stehen als Übungen mit Übungsblättern. Immer wird die Lösung direkt in der Übung korrigiert und reflektiert.

Für das Thema der Vorlesung ist selbstständiges Lernen essentiel für den Lernfortschritt, daher werden viele Übungsaufgaben projektartig formuliert, was eigenständige Recherche und teilweise eigene Formulierung der Aufgabenstellung erfordert.

Jede Übungssektion gliedert sich in drei Aufgabenbereiche: 1. Recherche und Vorbereitung für die Übung (dies muss vor der Übung erledigt werden und wird in der Übung vorgestellt), 2. Arbeit an der Übungsaufgabe in der Übung, 3. Fertigstellen der Übungsaufgaben nach der Übung.

Jeder dieser Aufgabenbereiche wird wie folgt bewertet: 0 Punkte (nicht bearbeitet), 1 Punkt (Bearbeitung nur rudimentär), 2 Punkte (Alles ausführlich, sorgfältig und zufriedenstellend bearbeitet), 3 Punkte (Super und vorbildliche Bearbeitung, Bonuspunktfall wird nur sehr selten vergeben < 5%). Bei einer Bewertung mit nur einem Punkt, kann noch nachgearbeitet werden um 2 Punkte zu erreichen.
Die Übungssektionen werden dabei mit der Anzahl der Übungen, die Sie beinhalten gewichtet.
Für den Erwerb eines Übungsscheins müssen 50 % der Punkte erreicht werden (entspricht etwa 80 % bei der in der Regel zu erreichenden Bewertung mit 2 Punkten) und eine Präsentation am Ende des Semesters erfolgreich durchgeführt werden.

Die Bearbeitung der Übungen findet in Gruppen statt, die Gruppengröße wird am Anfang der Vorlesung festgelegt. Zur Bewertung der Übung bitte folgendes  Bewertungsblatt [3] verwenden.

Übungssektionen

1. Übungssektion [4]

2. Übungssektion [5]

3. Übungssektion [6]

4. Übungssektion [7]

5. Übungssektion [8]

6. Übungssektion [9]

(Die Computerfachbegriffe, die in den Übungen vorkommen, werden vorher in Vorlesung und Übung erläutert, dies sollte niemanden abschrecken).

Die Präsentationen der Übungsergebnisse finden in der letzten Semesterwoche Di und Do in der Vorlesung statt. Am Anfang gibt es außerdem eine Präsentation von weiteren Numerikmethoden am Institut Für Theoretische Physik.