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Modelli di trasporto e teorie cinetiche

04FGVNG

A.A. 2024/25

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Matematica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 80
Esercitazioni in laboratorio 20
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Rondoni Lamberto Professore Ordinario MATH-04/A 70 0 5 0 11
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
MAT/07 10 B - Caratterizzanti Discipline matematiche, fisiche e informatiche
2024/25
L’insegnamento si propone di avviare le studentesse e gli studenti allo studio di fenomeni complessi di interesse fisico e ingegneristico, ma anche non necessariamente legati alle scienze naturali, che nella loro formalizzazione matematica richiedano la formulazione di opportuni modelli di trasporto e di teoria cinetica. In particolare, saranno trattati i seguenti macro-argomenti: - elementi di fisica statistica e meccanica quantistica; - modelli di trasporto ed equazioni di tipo Boltzmann per sistemi multi-agente con riferimento a problemi di interesse nelle scienze sociali (ad es., dinamica delle popolazioni, dinamica delle opinioni, dinamiche di distribuzione della ricchezza); - aspetti matematici dei fenomeni di non equilibrio in generale e dell’equazione di Boltzmann in particolare, con attenzione ai problemi dell’’ingegneria e delle scienze naturali (ad es., trasporto in contesti di interesse bio- e nano-tecnologico); - cenni alla teoria dell’’informazione di interesse nel Machine Learning e nell’Intelligenza Artificiale.
The course will introduce students to the study of complex phenomena in physics and engineering, as well as in contexts not necessarily linked to natural sciences, which in their mathematical formalisation require the devolpment of suitable transport and kinetic models. In particular, the following topics will be dealt with: - elements of statistical physics and quantum mechanics; - transport models and Boltzmann-type equations for multi-agent systems, with particular reference to problems in social sciences (e.g., population dynamics, opinion dynamics, wealth distribution); - mathematical aspects of non-equilibrium phenomena in general and of the Boltzmann equation in particular, with special attention to problems in engineering and natural sciences (e.g., transport in environments of biological and nano-technological interest); - elements of information theory of interest in Machine Learning and Artificial Intelligence.
Al termine dell’insegnamento, le studentesse e gli studenti avranno acquisito tecniche modellistiche e analitiche per la comprensione e la trattazione fisico-matematica di problemi nell’ambito dei sistemi complessi.
Matematica e fisica dei corsi di base. Elementi di equazioni differenziali alle derivate ordinarie e parziali. Fondamenti di calcolo numerico.
Parte 1: Elementi di fisica statistica e quantistica ensemble microcanonico, canonico e gran canonico. Spettro del corpo nero. Gas quantistici ideali (bosoni e fermioni). Modello di Ising 1D. Elementi di meccanica quantistica: stati quantistici e osservabili fisiche. Equazione di Schroedinger e alcune sue applicazioni. Parte 2: Teoria cinetica collisionale per i sistemi multi-agente Introduzione ai sistemi multi-agente. Modelli particellari stocastici di interazioni binarie lineari e derivazione di un’equazione di tipo Boltzmann in forma debole e forte. Problema spazialmente omogeneo: metriche di Fourier, unicità, regolarità e dipendenza continua della soluzione dai dati, evoluzione dei momenti statistici, proprietà di conservazione, convergenza all’equilibrio, limite delle interazioni quasi-invarianti, equazione di Fokker-Planck. Derivazione di equazioni macroscopiche mediante il limite idrodinamico. Cenni ad algoritmi di tipo Monte Carlo per l’’approssimazione numerica delle equazioni cinetiche collisionali di tipo Boltzmann. Parte 3: Fondamenti di teoria del trasporto e cinetica Elementi di termodinamica dei processi non in equilibrio. Moto Browniano: equazione di Langevin, equazione di Fokker-Planck. Equipartizione dell’energia e teorema del viriale. Teorema di fluttuazione-dissipazione. Misure di probabilità nello spazio delle fasi e loro evoluzione temporale per sistemi dinamici. Teorema ergodico di Birkhoff-Khinchin. Gerarchia di BBGKY. Derivazione dell'equazione di Boltzmann e teorema H. Perturbazioni e risposta lineare. Isomorfismi fra sistemi dinamici e processi stocastici. Complessità ed entropia di informazione. Trasformate di Legendre e teoria delle grandi deviazioni. Identità di Jarzynski e teoremi di fluttuazione.
The course consists of three parts: 1. elements of statistical and quantum mechanics (30 hours); 2. Boltzmann-type kinetic theory for multi-agent systems (25 hours). 3. principles of transport and kinetic theories (45 hours);
L’insegnamento è suddiviso in tre moduli: 1. elementi di meccanica statistica e quantistica (30 ore); 2. teoria cinetica collisionale per i sistemi multi-agente (25 ore); 3. fondamenti di teoria del trasporto e cinetica (45 ore).
Di tutti i moduli i docenti renderenno disponibili le dispense. Relativamente al modulo 1: Massimo Falcioni, Angelo Vulpiani. Meccanica Statistica Elementare. SpringerVerlag Italia, Milano, 2015. Giovanni Gallavotti, Statistical Mechanics. Springer-Verlag, Heidelberg, 1998. Eugene Merzbacher, Quantum Mechanics, John Wiley & Sons, New York, 1998. Richard Feynman, Quantum Mechanics, https://www.feynmanlectures.caltech.edu/III_toc.html Relativamente al modulo 2: L. Pareschi, G. Toscani. Interacting Multiagent Systems: Kinetic equations and Monte Carlo methods, Oxford University Press, 2013. Relativamente al modulo 3: Carlo Cercignani, Reinhard Illner, Mario Pulvirenti, The Mathematical Theory of Dilute Gases, Springer-Verlag, New York, 1994. Ryogo Kubo , Morikazu Toda , Natsuki Hashitsume, Statistical Physics II, Nonequilibrium Statistical Mechanics, Sprincer-Verlag, Berlin, 1991.
Dispense; Esercizi risolti; Video lezioni tratte da anni precedenti;
Modalità di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
... Coerentemente con i risultati di apprendimento attesi riportati sopra, l’esame intende accertare la capacità delle studentesse e degli studenti di comprendere la formalizzazione matematica di teorie fisiche nell’ambito dei sistemi complessi e di utilizzare il metodo logico-deduttivo per formulare ipotesi e trarre conclusioni rigorose circa il funzionamento di questi sistemi. L’esame consiste in una prova scritta su ciascuna delle tre parti in cui è suddiviso l’insegnamento. Ciascuna prova scritta si compone di domande a risposta aperta su argomenti di teoria trattati nel relativo modulo e/o di semplici esercizi laddove applicabile. A) prova scritta obbligatoria sui contenuti del modulo 1, che consente di raggiungere il punteggio massimo di 10/32 La durata della prova scritta è di 25 minuti. Durante la prova scritta non è consentito consultare materiale didattico quale libri e appunti, la sufficenza corrisponde a 6 punti; B) prova scritta obbligatoria sui contenuti del modulo 2, che consente di raggiungere il punteggio massimo di 8/32. La durata della prova scritta è di 25 minuti. Durante la prova scritta non è consentito consultare materiale didattico quale libri e appunti, la sufficenza corrisponde a 5 punti; C) prova scritta obbligatoria sui contenuti del modulo 3, che consente di raggiungere il punteggio massimo di 14/32. La durata della prova scritta è di 30 minuti. Durante la prova scritta non è consentito consultare materiale didattico quale libri e appunti, la sufficenza corrisponde a 8 punti; Qualora si sia raggiunta almeno la sufficienza in tutte le prove, il voto finale dell’esame deriva dalla somma algebrica dei punteggi ottenuti nelle singole parti. Il punteggio 31 è convertito nel voto 30 mentre il punteggio 32 è convertito in 30L.
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.
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