授業の内容
概要・目的
- スーパーコンピュータを活用して、現象の解明や理解、将来の予測を行う「計算科学」は、理論・実験科学に続く「第3の科学」として注目されています。計算科学は、宇宙・地球物理や生命科学、化学、力学、数学の問題、計算結果の可視化など、幅広い分野の問題解決に役立てられています。
- 本科目では、最新の計算科学研究がどのような問題にチャレンジし、どのような世界を切り拓きつつあるか、という計算科学の応用分野の研究事例を、各分野の第一線の研究者がリレー形式でわかりやすく紹介します。計算科学の面白さや、計算科学がさまざまな分野で役立っているという事例が理解できます。
- 本科目は、大学院生も受講可能です(単位の扱いについては、所属部局にご確認ください)。
- 桂・宇治キャンパスへの遠隔配信を行います。教室は、桂キャンパス・Cクラスタ(前期192室、後期171室)と、宇治キャンパス(S-143室)です。
授業計画と内容
| 回数 | 実施日 | 講義担当者 | 所属 | 講義タイトル | 講義内容 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 前期 | 1 | 04月13日 | 淡路 敏之 | 京都大学本部 ならびに 理学研究科 | 計算科学が拓く海洋・ 大気・生態系統合 | 気候変動は大気と海洋の水・熱エネルギー交換によって生じていると言っても過言ではない。その代表例であるエルニーニョ・ラニーニャの状態推定と予測はどのようにして可能となったのか、さらには気候変動に大きな影響を受ける海洋生態系のシミュレーションはどの程度可能なのかを、大規模計算科学の発展を踏まえて解説する。 |
| 2 | 04月20日 | 石岡 圭一 | 理学研究科 | 地球流体力学における 計算機利用について | 気象学や海洋物理、さらにはマントル対流やコアのダイナモまでの基礎をなすのが地球流体力学である。地球流体力学の研究には計算機を利用した数値実験が欠かすことができない。本講義では地球流体力学の研究にどのように計算機が利用されているのかを簡単な例を用いて平易に解説したい。 | |
| 3 | 04月27日 | 三浦 岳 | 医学研究科 | 生物の形づくりと 計算科学 講義資料[pdf] | 一個の受精卵から複雑な生体の構造が出来上がって行くメカニズムは、分子生物学の情報が大量に蓄積されたいまでもほとんど理解されていない。本講義では，このような生物の形づくりのメカニズムを定式化し，数値計算と数理解析を用いて理解するアプローチを紹介し，その際の計算科学の必要性について概観する。 | |
| 4 | 05月11日 | 吉川 研一 | 理学研究科 |
生命の謎に非線形ダイナミクスで迫る |
生命体は外部からエネルギーや物質を取り込み、そして排出することにより、その構造や機能を創り出している。化学反応系、DNAから細胞、細胞から生物個体、そして、生物集団など、それぞれの階層においての非線形動力学的取り扱いを紹介し、数理科学的な研究の方法論の有効性を紹介したい。 | |
| 5 | 05月18日 | 中島 浩 | 学術情報 メディアセンター | スーパーコンピュータは 何故スーパーか 講義資料[pdf] | スーパーコンピュータの歴史、構成原理、構成例を紹介し、スーパーコンピュータおよびスーパーコンピューティングの概念を理解できるようにする。 | |
| 6 | 05月25日 | 阿久津 達也 | 化学研究所 | バイオインフォマティクスに おける計算科学 講義課題[pdf] | バイオインフォマティクスではDNA・アミノ酸配列解析、タンパク質立体構造予測、遺伝子発現データ解析などにおいてスーパーコンピュータやPCクラスタなどを用いた大規模計算が行われているが、それらについて概観する。 | |
| 7 | 06月01日 | 青木 一洋 | 生命科学研究科 | 細胞内情報伝達系のシステムズ バイオロジーと計算科学 | 体の中の細胞はその外部からさまざまな入力因子（成長因子など）を受け取り、その情報を細胞内の分子へと伝達することで、その表現型を出力する。これが細胞内伝達系である。がん細胞は、正常細胞の細胞内情報伝達システムの破綻により生じる。細胞内情報伝達システムは、細胞内分子の化学反応と拡散の連鎖であるので、物理化学的な反応速度論により記述することが可能である。本講義では、いくつかの事例について紹介する。 | |
| 8 | 06月08日 | 竹広 真一 | 数理解析研究所 | 計算機で天体内部の流れを考える | 地球・惑星・恒星内部の大規模な流れのもっとも基本的なモデルである回転球殻中の熱対流問題が計算機の発達とともに解かれて来た経緯を紹介し、実際の天体内部の流れにどれほど迫れているのか議論する。 | |
| 9 | 06月15日 | 山本 量一 | 工学研究科 | シミュレーション科学の挑戦 ～メソスケールの物質科学～ | 計算科学者（∈計算機のユーザー）の立場から、コンピュータの誕生以降の計算 機と計算科学の発展を概説し、応用事例の１つとしてソフトマター（高分子、コロイド、ゲル、膜、…）科学分野における計算科学の取り組みについて説明する。 | |
| 10 | 06月22日 | 黒瀬 良一 | 工学研究科 | 数値流体力学の役割 | 数値流体力学の概要と課題、および様々な研究開発を行う上でのその適用事例について紹介する。 | |
| 11 | 06月29日 | 中嶋 洋 | 農学研究科 | オフロード車両の 走行力学について 講義資料[pdf] | 農業機械や建設機械車両のオフロード走行を対象として，剛性車輪やタイヤと地盤の接触を離散要素法や有限要素ー離散要素法で解き明かす。 | |
| 12 | 07月06日 | 佐藤 啓文 | 工学研究科 | 化学現象・化学反応の理論 ～pHから蛋白質まで～ 講義関連資料[pdf] | 化学において分子軌道法が果たして来ている役割を概観する。分子の電子状態計算や、これに統計力学手法を組み合わせることで、様々な化学現象・化学過程のメカニズムが明らかとなる。 | |
| 13 | 07月13日 | 八尾 健 | エネルギー科学 研究科 | 最小2乗法の原理と応用 | 線形・非線形最小2乗法の原理とプログラミング、誤差の評価、パラメータの信頼性応用として、データ処理、ピークフィット、ピーク分離から結晶構造解析まで。 | |
| 14 | 07月20日 | 小山田 耕二 | 高等教育研究開発 推進センター | 可視化の世界 講義資料[pdf] 講義課題[pdf] | 計算科学と密接な関係にある可視化技術の基礎と応用について説明する。 | |
| 15 | 07月27日 | 矢作 日出樹 | 学術情報 メディアセンター | 天文学と計算科学 | 天文学では、研究対象を用いた実験を行うことはできないので、理論を用いて観測される現象を説明することは多くの場合困難であった。しかし、スーパーコンピュータの飛躍的な性能向上により、大規模・高精度なシミュレーションが実現されるに至り、多くの天文学的な問題が解決されるようになってきている。そこで、本講義ではその事例について紹介する。 | |
| 後期 | 1 | 10月05日 | 牛島 省 | 学術情報メディアセンター | 流体力学とスーパーコンピューティング | 河川の水の流れなど、われわれの身近な流体現象の基本的なメカニズムを解説する。また、スーパーコンピュータを使って、それらを再現する研究例を紹介する。 |
| 2 | 10月12日 | 三浦 岳 | 医学研究科 | 生物の形づくりと計算科学 講義課題[pdf] | 一個の受精卵から複雑な生体の構造が出来上がって行くメカニズムは、分子生物学の情報が大量に蓄積されたいまでもほとんど理解されていない．本講義では，このような生物の形づくりのメカニズムを定式化し，数値計算と数理解析を用いて理解するアプローチを紹介し，その際の計算科学の必要性について概観する。 | |
| 3 | 10月19日 | 平原 和朗 | 理学研究科 | 地震発生シミュレーション 最前線 | 計算機上に日本列島を構築し、日本列島下に沈み込むプレート運動を原動力として自発的に地震を繰り返し発生させ、地震発生予測に迫ろうとする、地震発生シミュレーションの現状を紹介する。 | |
| 4 | 10月26日 | 中島 浩 | 学術情報 メディアセンター | スーパーコンピュータは 何故スーパーか 講義資料[pdf] | スーパーコンピュータの歴史、構成原理、構成例を紹介し、スーパーコンピュータおよびスーパーコンピューティングの概念を理解できるようにする。 | |
| 5 | 11月02日 | 吉川 研一 | 理学研究科 | 生命の謎に非線形ダイナミクスで迫る 講義資料[pdf] | 生命体は外部からエネルギーや物質を取り込み、そして排出することにより、その構造や機能を創り出している。化学反応系、DNAから細胞、細胞から生物個体、そして、生物集団など、それぞれの階層においての非線形動力学的取り扱いを紹介し、数理科学的な研究の方法論の有効性を紹介したい。 | |
| 6 | 11月09日 | 石岡 圭一 | 理学研究科 | 地球流体力学における 計算機利用について | 気象学や海洋物理、さらにはマントル対流やコアのダイナモまでの基礎をなすのが地球流体力学である.。地球流体力学の研究には計算機を利用した数値実験が欠かすことができない。本講義では地球流体力学の研究にどのように計算機が利用されているのかを簡単な例を用いて平易に解説したい。 | |
| 7 | 11月16日 | 阿久津 達也 | 化学研究所 | バイオインフォマティクスに おける計算科学 | バイオインフォマティクスではDNA・アミノ酸配列解析、タンパク質立体構造予測、遺伝子発現データ解析などにおいてスーパーコンピュータやPCクラスタなどを用いた大規模計算が行われているが、それらについて概観する。 | |
| 8 | 11月30日 | 岡本 久 | 数理解析研究所 | 非線形力学入門 | 身近な力学現象、特に、水の流れや表面張力の生み出す物理現象のモデル化とその数値計算法について解説する。 | |
| 9 | 12月07日 | 木元 小百合 | 工学研究科 | 地盤の変形シミュレーション 講義資料[pdf] | 様々な土木構造物の基礎となる地盤は、一般的に空気・水・ 土からなる混合体であり、その変形挙動は複雑である。豪雨や地震時の地盤災害、新エネルギーであるメタンハイドレート海洋開発などを取り上げ、地盤変形シミュレーションについて紹介する。 | |
| 10 | 12月14日 | 黒瀬 良一 | 工学研究科 | 数値流体力学の役割 | 数値流体力学の概要と課題、および様々な研究開発を行う上でのその適用事例について紹介する。 | |
| 11 | 12月21日 | 中嶋 洋 | 農学研究科 | オフロード車両の 走行力学について 講義課題[pdf] | 農業機械や建設機械車両のオフロード走行を対象として，剛性車輪やタイヤと地盤の接触を離散要素法や有限要素ー離散要素法で解き明かす。 | |
| 12 | 01月04日 | 佐藤 啓文 | 工学研究科 | 化学現象・化学反応の理論 ～pHから蛋白質まで～ | 化学において分子軌道法が果たして来ている役割を概観する。分子の電子状態計算や、これに統計力学手法を組み合わせることで、様々な化学現象・化学過程のメカニズムが明らかとなる。 | |
| 13 | 01月11日 | 八尾 健 | エネルギー科学 研究科 | 最小2乗法の原理と応用 | 線形・非線形最小2乗法の原理とプログラミング、誤差の評価、パラメータの信頼性応用として、データ処理、ピークフィット、ピーク分離から結晶構造解析まで。 | |
| 14 | 01月18日 | 小山田 耕二 | 高等教育研究開発 推進センター | 可視化の世界 講義資料・課題[pdf] | 計算科学と密接な関係にある可視化技術の基礎と応用について説明する。 | |
| 15 | 01月25日 | 木村 欣司 | 大学院情報学研究科 | 世界最長の多項式を計算する -判別式計算世界記録への挑戦- | 16次の判別式の公式を計算したときの挑戦の物語を紹介する。そして、今後、何次まで記録を更新できるか、展望を紹介する。 |
履修要件
特になし。
予備知識
理系・文系を問わず、予備知識のないすべての学生が受講可能です。
成績評価の方法・基準
各授業の担当教員がレポート課題等を出題し、授業内容の理解度等を基準として成績評価を行います。
教科書
特になし。
参考書等
各担当教員が必要に応じて指示します。
授業情報（予定）
| 科目名 | 計算科学が拓く世界 |
|---|---|
| 英文科目名 | Introduction to Computational Science |
| 群 | AB群 |
| 単位数 | 2単位 |
| 開講期 | 前期、後期（前後期同じ内容で講義） |
| 週コマ数 | 1コマ |
| 授業形態 | 講義 |
| 対象回生 | 全回生 |
| 対象学生 | 全学向 |
| 曜時限 | 水曜日・5時限 |
| 教室 | 学術情報メディアセンター南館２０２室 |