محاسبات علمی یکی از زمینه‌های چندرشته‌ای یا چند شاخه‌ای است که دائماً در حال گسترش است. محاسبات علمی یا Scientific Computation که به‌اختصار SC خوانده می‌شود، از تکنیک‌های پیشرفته محاسباتی برای فهمیدن و حل مسائل پیچیده استفاده می‌کند. گرایش محاسبات علمی یکی از گرایش‌های اصلی رشته علوم کامپیوتر است که از زمینه‌های مختلفی تشکیل شده است؛ اما هسته و هدف اصلی آن توسعه و تعمیم مدل‌ها و شبیه‌سازی‌های سیستم‌های طبیعی یا واقعی است.
محاسبات علمی به چه معناست؟
محاسبات علمی به طور خلاصه یعنی زمانی که شما از کامپیوتر برای حل مسائل علمی و مهندسی استفاده می‌کنید. برای این کار نیاز است تا فهم کاملی از مسئله‌ای که بر روی آن کار می‌کنید داشته باشید و همچنین با استفاده از ریاضیات بتوانید آن را مدل‌سازی کنید؛ سپس با استفاده از تکنیک‌های کامپیوتری به حل کارآمد و البته سریع آن بپردازید. برخلاف تصور عامیانه که این‌گونه فکر می‌کنند که محاسبات علمی تنها به تئوری‌ها و ریاضیات می‌پردازد، ممکن است در گرایش محاسبات علمی به انواع سخت افزارهای کامپیوتری مانند دستگاه‌های شبکه، پردازنده، حافظه و همچنین نرم افزارها و زبان های برنامه نویسی و حتی پایگاه داده نیاز داشته باشیم.
همچنین در محاسبات علمی ما از کامپیوتر استفاده می‌کنیم تا بتوانیم جهان واقعی را شبیه‌سازی کنیم. به این وسیله می‌توان موقعیت‌های خاصی را بازسازی کرد، یک فرایند را بهتر کرد و وقایعی که در آینده قرار است اتفاق بیفتد را پیش‌بینی کرد. گاهی اوقات هیچ راهی به‌جز شبیه‌سازی در کامپیوتر وجود نخواهد داشت. به‌عنوان‌مثال در بعضی از آزمایش‌های فیزیکی یا شیمیایی، مهندسان و دانشمندان قادر هستند در آزمایشگاه‌ها بارها یک فرایند را مورد آزمایش قرار دهند. اما فرضاً برای تحقیقات مربوط به تغییر اقلیم و شرایط آب‌وهوایی یا فیزیک نجوم، این کار میسر نخواهد بود. شرایطی هم وجود دارند که به‌غیراز کامپیوتر راه‌های دیگری برای آزمایش‌کردن وجود دارد؛ اما یا خیلی گران و زمان بر است و یا با خطرات جدی همراه است؛ مثلاً آزمایش تصادف خودرو. محاسبات علمی کمک می‌کند تا بدون متحمل شدن هزینه زیاد و با صرف زمان کمتر این مسائل را حل کرد.
دروس گرایش محاسبات علمی
همانند سایر گرایش‌های رشته علوم کامپیوتر، گرایش محاسبات علمی نیز از دودسته دروس یعنی دروس الزامی و دروس تخصصی - انتخابی تشکیل شده است که در دو جدول زیر مشاهده می‌کنید.
نام جدول: درس‌های الزامی گرایش محاسبات علمی
| نام درس | تعداد واحد |
|---|---|
| داده‌کاوی محاسباتی (Computational Data Mining) | 3 |
| الگوریتم‌های پیشرفته (Advanced algorithms) | 3 |
| محاسبات ماتریسی (Matrix Computations) | 3 |
نام جدول: درس‌های تخصصی - انتخابی محاسبات علمی
| نام درس | تعداد واحدها | ساعت | پیش‌نیاز یا زمان ارائه درس | ||
|---|---|---|---|---|---|
| نام درس | تعداد واحدها | نظری | عملی | جمع | پیش‌نیاز یا زمان ارائه درس |
| نرم‌افزار ریاضی پیشرفته(Advanced Mathematical Software) | 3 | 48 | - | 48 | آنالیز عددی 1 |
| برنامه‌ریزی خطی عددی(Numerical Linear Programming) | 3 | 48 | - | 48 | جبر خطی |
| بهینه‌سازی غیرخطی عددی(Numerical Nonlinear Optimization) | 3 | 48 | - | 48 | جبر خطی عددی یا آنالیز عددی 1 یا محاسبات ماتریسی |
| برنامه‌ریزی خطی پیشرفته(Advanced Linear Programming) | 3 | 48 | - | 48 | برنامه‌ریزی خطی عددی یا اجازه مدرس |
| بهینه‌سازی غیرخطی پیشرفته(Advanced Nonlinear Optimization) | 3 | 48 | - | 48 | جبر خطی عددی یا آنالیز عددی 1 یا محاسبات ماتریسی با اجازه مدرس |
| جبر خطی عددی پیشرفته(Advanced Numerical Linear Algebra) | 3 | 48 | - | 48 | جبر خطی عددی یا محاسبات ماتریسی یا اجازه استاد درس |
| معادلات انتگرال و دیفرانسیل عددی(Numerical Partial Differential Equations) | 3 | 48 | - | 48 | آنالیز عددی 1 |
| معادلات دیفرانسیل پاره‌ای عددی(Numerical Partial Differential Equations) | 3 | 48 | - | 48 | آنالیز عددی 1 |
| تکنولوژی ماتریس‌های تنک(Sparse Matrix Technology) | 3 | 48 | - | 48 | جبر خطی عددی یا محاسبات ماتریسی یا اجازه استاد درس |
| مدل‌سازی و طراحی هندسی(Geometric Modeling and Design) | 3 | 48 | - | 48 | جبر خطی عددی یا محاسبات ماتریسی یا موافقت استاد درس |
| برنامه‌ریزی صحیح شبکه(Integer Programming and Networks) | 3 | 48 | - | 48 | جبر خطی عددی، یا برنامه‌ریزی خطی عددی یا موافقت استاد درس |
| بهینه‌سازی ترکیباتی(Combinatorial Optimization) | 3 | 48 | - | 48 | جبر خطی عددی، یا برنامه‌ریزی خطی عددی یا اجازه استاد درس |
| الگوریتم‌های موازی(Parallel Algorithms) | 3 | 48 | - | 48 | آنالیز عددی 1 یا اجازه استاد درس |
| معادلات دیفرانسیل تصادفی عددی(Numerical Stochastic Ordinary Differential Equations) | 3 | 48 | - | 48 | آنالیز عددی 1 یا اجازه استاد درس |
| معادلات دیفرانسیل پاره‌ای تصادفی عددی(Numerical Stochastic Partial Differential Equations) | 3 | 48 | - | 48 | معادلات دیفرانسیل تصادفی عادی، شبیه‌سازی |
| شبیه‌سازی پیشرفته(Advanced Simulation) | 3 | 48 | - | 48 | نظریه احتمال و فرایندهای تصادفی، آمار |
| مباحث ویژه در محاسبات علمی(Special Topics in Scientific Computing) | 3 | 48 | - | 48 | اجازه استاد درس |
وظایف یک دانشمند محاسبات علمی چیست؟
همان‌طور که در ابتدا گفته شد، هدف از گرایش محاسبات علمی، ایجاد و مدل‌سازی دنیای واقعی به‌وسیله کامپیوتر با استفاده از ریاضیات و تحلیل‌ها است. اصلی‌ترین وظایف و کارهایی که در محاسبات عملی انجام می‌شود در لیست زیر آمده است:
- شبیه‌سازی الگوریتم ها (چه عددی و چه غیرعددی)، ریاضیات و مدل‌های محاسباتی برای حل مسائل مربوط به علوم (مانند بیولوژیکی، فیزیکی و اجتماعی)، مهندسی و همچنین حل مسائل انسانی
- دانشمندان علوم کامپیوتر و دانشمندان داده، سیستم‌های پیشرفته سخت افزاری، نرم افزار، شبکه و اجزای سیستم‌های مدیریت داده را توسعه می‌دهند و بهینه‌سازی می‌کنند.
- به ایجاد زیرساخت‌های محاسباتی که هم از حل مسائل علوم و مهندسی و هم از توسعه کامپیوتر و علم اطلاعات پشتیبانی می‌کند می‌پردازد.
همچنین از دانشجویان گرایش محاسبات علمی رشته علوم کامپیوتر انتظار می‌رود که بعد از فارغ‌التحصیلی، توانمندی‌های انجام کارهای زیر را داشته باشند:
- مسائل پیچیده را بشناسند.
- بتوانند سیستم حاوی مشکلات پیچیده را به‌اندازه کافی مفهوم‌سازی (Conceptualize) کنند.
- بتوانند یک فریم‌ورک از الگوریتم‌های مرتبط برای سیستم مدنظر طراحی کنند (انجام شبیه‌سازی)
- قادر باشند تا زیر ساخت محاسباتی مناسب را انتخاب کنند (محاسبات موازی/ محاسبات شبکه/ ابررایانه‌ها)
- بتوانند خروجی شبیه‌سازی‌شده را از نظر سطح شباهت با سیستمها ارزیابی کنند. به این کار اعتبارسنجی نیز می‌گویند.
گرایش محاسبات علمی در چه دانشگاه‌هایی ارائه می‌شود؟
گرایش محاسبات علمی در دانشگاه‌های زیر ارائه می‌شود:
- دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان
- دانشگاه دامغان
- دانشگاه رازی کرمانشاه
- دانشگاه شهرکرد
- دانشگاه صنعتی سهند
- دانشگاه مازندران-بابلسر
- دانشگاه یزد
جمع‌بندی
در دهه گذشته، استفاده از ابرکامپیوترها خیلی مهم و پرکاربرد شد و هدف از استفاده از آنها انجام وظایف مختلفی مانند تحقیقات در مورد علوم و فناوری متفاوت بوده است. یکی از زمینه‌های مهم تحقیقاتی، محاسبات عددی یا Numerical Analysis است که محاسبات علمی بسیار در این زمینه نقش کمک‌کننده‌ای را ایفا کرده است. در این مقاله به بررسی یکی از گرایش‌های رشته علوم کامپیوتر یعنی محاسبات عددی پرداخته شد و در مورد جزئیات این گرایش نیز مطالبی را فراهم کردیم تا راهنمایی باشد برای شما. همچنین تمامی دروس الزامی و تخصصی - انتخابی نیز به همراه واحدها ضمیمه شده است.
گرایش محاسبات علمی رشته علوم کامپیوتر چیست؟
گرایش محاسبات علمی یا Scientific Computation، از تکنیک‌های پیشرفته محاسباتی برای فهمیدن و حل مسائل پیچیده استفاده می‌کند. گرایش محاسبات علمی یکی از گرایش‌های اصلی رشته علوم کامپیوتر ماست که از زمینه‌های مختلفی تشکیل شده است؛ اما هسته و هدف اصلی آن توسعه و تعمیم مدل‌ها و شبیه‌سازی‌های سیستم‌های طبیعی یا واقعی است.
هدف از محاسبات علمی چیست؟
به‌طورکلی برای موارد زیر از محاسبات علمی استفاده می‌کنیم: 1-مسئله ای بوجود آمده است که با روش ها و آزمایش های سنتی قادر به حل آن نمی‌باشیم؛ مثلا تلاش برای پیش‌بینی تغییر آب و هوا 2-انجام آزمایش با خطرات زیادی مواجه است. به عنوان مثال تست تصادف خودرو یا کار با ماده های شیمیایی سمی 3-حل مسئله مورد نظر با روش های سنتی بسیار زمانبر یا هزینه بر خواهد. در این صورت از محاسبات علمی کمک می‌گیریم. مثلا تعیین ساختار پروتئین ها
مطالب مرتبط
همه مقالات
