Il corso è una introduzione ad alcune metodologie di uso generale per il trattamento numerico di problemi alle derivate parziali, che modellizzano fenomeni di interesse ingegneristico. Particolare accento verrà dato al metodo degli elementi finiti, ai metodi spettrali e ai metodi ai volumi finiti; inoltre, si considerano i metodi iterativi per risolvere sistemi algebrici (lineari e non) di grandi dimensioni. I risultati più rilevanti dal punto di vista teorico saranno dimostrati con rigore qualora le technice di dimostrazione siamo basate su argomenti matematici di ampia applicabilità. Le esercitazioni mirano a addestrare l'allievo all'uso di software matematico per la risoluzione di problemi ai limiti alle derivate parziali.

Lo studente deve acquisire la capacita` di analizzare problemi ingegneristici e scegliere le metodologie di simulazione piu` adeguate per il problema da risolvere. In particolare si richiede la capacita` di scegliere il metodo numerico piu` appropriato, di discutere la buona posizione del problema numerico, la sua stabilita` e la scelta di una mesh e di un passo temporale adeguati alla soluzione cercata. Lo studente deve acquisire la capacità di applicare gli argomenti matematici visti durante il corso per dimostrare risultati fondamentali simili a quelli visti a lezione. Infine si richiede la capacita` di utlizzare strumenti software comuni (Matlab, Freefem++, o librerie C++ di pubblico dominio) per realizzare semplici simulazioni.

Nozioni di base di metodi numerici e di programmazione (Matlab, C, C++ or Python)

Formulazione variazionale di problemi ai valori al bordo per equazioni alle derivate parziali. Esempi. Metodi di Galerkin e Petrov-Galerkin; legami con i metodi di collocazione. Approssimazione di funzioni mediante funzioni polinomiali a tratti; elementi finiti e loro proprietà di approssimazione. Il metodo degli elementi finiti; stabilità, consistenza, convergenza; stime dell'errore a priori e a posteriori; generazione della griglia e adattatività; sistemi algebrici originati da una discretizzazione ad elementi finiti e loro proprietà. Metodi spettrali e loro proprieta. Metodi di Fourier, Chebishev, Legendre. Uso delle trasformate tra spazio fisico e spazio delle frequenze. Metodo agli elementi spettrali. Leggi di conservazione e metodi ai volumi finiti. Consistenza e stabilita'. Numero di Courant e condizione CFL. Diffusione e dispersione numerica. Metodi iterativi per sistemi algebrici di grandi dimensioni; precondizionamento; metodi di tipo gradiente e di tipo Lanczos; metodi multilivello. Esempi.

Le lezioni in aula esporranno i concetti fondamentali e talvolta mostreranno l'applicazione pratica dei metodi descritti dal punto di vista teorico. Le esercitazioni mirano a addestrare l'allievo all'uso di software matematico (Matlab, C++) per la risoluzione di problemi ai limiti alle derivate parziali.

P.A: Raviart e J.M. Thomas, Introduzione all'analisi numerica delle equazioni alle derivate parziali, Masson, Milano 1988. A. Quarteroni, Modellistica Numerica per Problemi Differenziali, Springer-Verlag, 2016 A. Quarteroni and A. Valli, Numerical Approximation of Partial Differential Equations, Springer, Berlin 1997. A. Greenbaum, Iterative methods for solving linear systems, SIAM, Philadelphia, 1997.

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo; Progetto di gruppo;

Exam: Compulsory oral exam; Group essay; Group project;

... L'esame si compone di una prova orale su tutti gli argomenti affrontati durante il corso e di una discussione individuale dei risultati riportati in un elaborato prodotto sulla base dei risultati delle esercitazioni o in un progetto prodotto in gruppo (max 3 persone). L'orale consta generalmente di due domande sulla parte teorica ed una sulla discussione dell'elaborato. Il peso delle domande nella formazione del voto è approssimativamente paritario. La prova d'esame ha una durata compresa approssivamente tra 45 e 60 minuti. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. La valutazione massima è 30 e lode. Durante lo svolgimento dell'esame riguardante le domande teoriche non è consentito tenere e consultare quaderni, libri, fogli con esercizi, formulari. Durante la discussione dell'elaborato o del progetto lo studente può avvalersi dello stesso e dei codici sviluppati per la sua redazione.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.