講義ノート 2007年度計算機応用 (C言語を使った数値計算)

計算機応用 (C言語を使った数値計算)

C言語を使い，数値計算の基本的なことを学習します．

対象	電気工学科　第5学年(2007年度)
教科書	「新訂　新C言語入門(シニア編)」, 林晴比古, ソフトバンク　パブリッシング, ISBN 4-7973-2562-3.
	自作プリント
授業概要	シラバスを参照してください。

C言語の習得

UNIX

本講義の開発環境は，主にLinux(UNIX)を使う．私がLinuxに慣れているし，Windowsよりもおもしろいと思っているからだ．しかし，ここで学習する内容であればWindousでプログラムの開発してもほとんど変わらない．したがって，Windowsに慣れている者はその環境で開発しても良い．Windowsにも必要な開発環境をインストールしている．

UNIXを使ったプログラム作成 (pdf)

C言語習得者向け課題

最初の10回の授業では，主にC言語の文法の学習を行う．簡単なプログラムが書けるようになることを目指す．ある程度C言語のプログラムが書ける者にとってはつまらない内容である．そこで，その者には授業と無関係に，以下の問題を与える．この問題のプログラムができたら，C言語の学習—最初の10回の授業—での課題(レポート)を全て免除する．また，いきなり困難な問題にチャレンジすることにより，C言語の習得を目指す者もこのプログラムを作成してみよ．

長桁の円周率の計算 (pdf)

C言語の文法の学習

この講義のメインテーマは数値計算である．実際に，数値計算を行うためにはプログラミングができなくてはならない．そのため，数値計算の内容を学習する前にC言語の大体の機能を学習する．ここでは，C言語でできることが分かればよい．数値計算を学びそのプログラムを記述するうちに，C言語の習得を目指す．

C言語の基本的な知識・定数 (pdf)
変数とデータ型・配列と文字列 (pdf)
型変換・記憶クラス・初期化・演算子 (pdf)
制御文 (pdf)
ポインター (pdf)
関数 (pdf)
プリプロセッサーとコンソール入出力関数 (pdf)
- [問5]のプログラム例
- [問6]のプログラム例
数学関数 (pdf)
- [問3]のプログラム例
- [問4]のプログラム例
- [問5]のプログラム例
ファイル処理関数 (pdf)
- [練習5]のデータ(右クリック→名前を付けてリンク先を保存—によりダウンロード)
- [問3]のプログラム例
- [問4]のプログラム例
- [問5]のプログラム例

グラフ作成(gnuplot)

数値計算の結果はグラフにすることが多い．そこで，グラフ作成ソフトウェアーgnuplotの簡単な使い方を学ぶ．

gnuplotによるグラフ作成 (pdf)
- リスト1～リスト5のソースファイル
  - リスト1:パイプを使った例(sin.c)
  - リスト2:配列のデータのグラフ化(dim_data.c)
  - リスト3:ファイルに格納したデータのグラフ化(file.c)
  - リスト4:装飾したグラフ(use_set.c)
  - リスト5:複数の配列のデータのグラフ化(dim_data_multi.c)

その他

夏休み課題 (pdf)

数値計算の基礎

ここでは，コンピューターを用いて数値計算を行うテクニックを学ぶ．学習する内容は，様々な方程式の近似解の求め方，積分やデータの処理の方法などである．ここでの内容を理解するためには，これまで学んできた数学の知識が必要である．加えて，プログラミングができなくてはならない．数学の復習およびプログラミングの練習を行う—という態度で授業を受けてほしい．

諸君がこれまで学習した数学では厳密解を求めていた．しかし，ここで学習するコンピューターでの数値計算では近似解を求める．近似といっても，その精度は非常に良く，10^-10位は簡単に計算できる．さらに，数学の厳密解が得られない計算でも，数値計算では近似解を得ることができる．

数値計算では，どんな計算でも同じ手法が使える．たとえば，常微分方程式を解く場合，ルンゲ・クッタ法のみで数値計算はできる．それに対して，数学では，変数分離形になおしたりラプラス変換を使ったりしただろう．それでも数学では解けない—厳密解のない—場合がほとんどである．

数値計算は非常におもしろい．驚くほど単純な原理で，複雑な計算ができる．単純な計算をコンピューターで高速に処理することにより，すばらしい結果を得ることができる．この数値計算は，単純なものから複雑なものを構成する良い例である．単純な論理回路からコンピューターが作られるのと同じである．