| 英文名 | Foundations of Computer Simulation | |
|---|---|---|
| 科目概要 | データサイエンス学科３年前期、３群科目、必修、講義、2単位 | |
| 科目責任者 | 鎌田 真由美 | |
| 担当者 | (※は実務経験のある教員) 鎌田 真由美、 渡辺 豪、 石井 良樹、 飯田 慎仁※ | |
| 講義室 | ||
科学のあらゆる分野で重要な研究手段となる計算機シミュレーションについては、実験や理論と並びあらゆる分野で活用されている。各課題に対する基本方程式およびその解法について理解することで、シミュレーションの基礎を身につける。
計算機の飛躍的進歩により、様々な物質で観察される物理現象や生命現象の原子・分子レベルのミクロなダイナミクス、あるいは地球規模の巨大なスケールで起きている現象を計算機シミュレーションで捉えることが可能となっている。本講義では、コンピュータ・シミュレーションの歴史、数値シミュレーションや分子シミュレーション（モンテカルロ法、分子動力学法）の基礎、さらには最新の応用例などについて触れる。
毎回項目に関する資料を配布し、その内容について理解を深めるためにパワーポイントや板書により講義を行う。また、トピックに応じて理解を深めるために数回程度の演習を行い、知識と考え方の定着を図る。
演習課題に関する模範解答を作成し、受講者全員に配布する。また講義に関する質問はメールや対面で個別に対応すると共に、重要な質問に関しては受講者全員で共有する。
DP4、DP5
| 回 | 項目 | 内容 | 担当者 | 日時 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | コンピューターシミュレーションとは、環境準備 | 計算機シミュレーションの目的を理解する、講義で用いるPython環境および分子シミュレーションのソフトウェア環境構築を行う | 鎌田 真由美 渡辺 豪 石井 良樹 飯田 慎仁 | 4/11② |
| 2 | 数値計算の基礎１ | 数値計算と誤差、方程式について理解する | 鎌田 真由美 | 4/18② |
| 3 | 数値計算の基礎２ | 数値積分・常微分方程式（オイラー法、ルンゲクッタ法）の基礎を理解する | 鎌田 真由美 | 4/25② |
| 4 | 数値シミュレーション１ | 感染症モデル、捕食・被食モデルについて理解する | 鎌田 真由美 | 5/9② |
| 5 | 数値シミュレーション２ | 遺伝的アルゴリズムの基礎と巡回セールスマン問題について理解する | 鎌田 真由美 | 5/16② |
| 6 | 分子シミュレーションとは | 分子シミュレーションの背景、歴史を理解する | 渡辺 豪 石井 良樹 | 5/23② |
| 7 | 分子間力と分子モデル１ | 分子間力と分子モデルについて理解する | 渡辺 豪 石井 良樹 | 5/30② |
| 8 | 分子間力と分子モデル２ | 短距離力と長距離力について理解する | 渡辺 豪 石井 良樹 | 6/6② |
| 9 | 運動方程式と時間積分１ | 運動方程式と時間微分法（Verlet）について理解する | 渡辺 豪 石井 良樹 | 6/13② |
| 10 | 運動方程式と時間積分２ | 時間積分法（速度Verlet、蛙飛び）について理解する | 渡辺 豪 石井 良樹 | 6/20② |
| 11 | モンテカルロ法 | マルコフ過程、メトロポリス法 | 飯田 慎仁 | 6/27② |
| 12 | 分子動力学シミュレーション１ | 統計アンサンブル、静電相互作用、束縛法について理解する | 飯田 慎仁 | 7/4② |
| 13 | 分子動力学シミュレーション２ | 与えられた実データを用いてシミュレーションを実施する | 鎌田 真由美 渡辺 豪 石井 良樹 飯田 慎仁 | 7/11② |
| 14 | 分子動力学シミュレーション３ | 自分でデータを用意してシミュレーションを実施する | 鎌田 真由美 渡辺 豪 石井 良樹 飯田 慎仁 | 7/18② |
| 15 | 分子動力学シミュレーション４ | 実行したシミュレーション結果を可視化する | 鎌田 真由美 渡辺 豪 石井 良樹 飯田 慎仁 | 7/25② |
計算機シミュレーションは基本方程式やその数学モデルの数値的解法による計算機実験であるという感覚を身につけ、課題設定に合わせたシミュレーション手法を適切に提案できるようになる。
講義内演習課題（40%）・レポート課題（60%）により総合的に評価する。
【講義時間外に必要な学修時間：60時間】
予習：事前に指定する次回講義に関するキーワードについて調べ、疑問点を明らかにしておくこと。
復習：講義中に出題する課題について解答を作成し、次回講義での解説に基づき比較・検討する。
【科目ナンバリング：FU301-DM03】
【関連科目：確率の数理、微分方程式と力学系、物質科学、統計の物理学】
（飯田）国立研究所におけるコンピュータシミュレーションの研究の経験を踏まえ、シミュレーションの基礎の解説を行う。
| 種別 | 書名 | 著者・編者 | 発行所 |
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| 教科書 | (なし) | ||
| 参考書 | 分子シミュレーション−古典系から量子系手法まで− | 上田顯 | 裳華房 |
| 参考書 | タンパク質計算科学−基礎と創薬への応用− | 神谷成敏・肥後順一・福西快文・中村春木 | 共立出版 |
| 参考書 | コンピュータ・シミュレーションの基礎（第2版）: 分子のミクロな性質を解明するために【Kindle版】 | 岡崎進・吉井範行 | 化学同人 |
| 参考書 | Pythonコンピューターシミュレーション入門 | 橋本洋志・牧野浩二 | オーム社 |