Kurs:Räumliche Modellbildung

Dieser Kurs gehört zum Fachbereich Mathematik.

Kurs enthält Wiki2Reveal Audio-Folien

Der Kurs zur räumlichen Modellbildung wurde im Sommersemester 2020 erstellt und nutzt den Foliengenerator Wiki2Reveal, der direkt aus dem jeweiligen Wiki-Quelltext eine Präsentation erstellt, die man im Browser mit der Taste "F" in den Vollbildmodus (z.B. für die Nutzung direkt in der Vorlesung verwenden kann. Mit der Taste "C" (Comment) kann man die Folien im Browser auch beschreiben. Mit der Taste "B" (Blackboard) hat man zu jeder Folien eine digitale Tafel für handschriftliche Anmerkungen. Die Annotationen bleiben nur für den jeweiligen Aufruf der Wiki2Reveal-Präsentation im eigenen Browser erhalten und sind bei nächsten Aufruf der Seite nicht mehr sichtbar.

Hinweis

Diese Seite wird während der COVID-19-Pandemie aufgebaut. Es ist eine Lerneinheit zur räumliche Modellbildung. Bitte informieren Sie sich bzgl. COVID-19 immer auf

• offiziellen Seite von internationalen Gesundheitsbehörden - Weltgesundheitsorganisation - WHO oder
• offiziellen nationalen Einrichtungen - Robert Koch Institut - RKI - CDC

über aktuelle Empfehlungen und Hinweise.

Eine Lerneinheit kann nie die Informationen der offiziellen Behörden ersetzen!!!

.

Wesentliche Begriffsdefinitionen

• Partielle Ableitung, Richtungsableitung
  
• Gewöhnliche Differentialgleichung
• Partielle Differentialgleichung

Zu geometrischer Darstellung der partiellen Ableitungen als Komponenten vom Gradientvektor, Tangentialebende, des steilsten Anstiegs siehe Interaktives Geogebra-Applet Gradient, der Richtungsableitung und ihre Approximation durch Differenzenquotient siehe Interaktives Geogebra-Applet Richtungsableitung (Autor L. Sittinger und S. Schmitz).

Gradient und Tangentialebene	Richtungsableitung
Mediendatei abspielen	Mediendatei abspielen
Interaktives Geogebra-Applet Gradient (L. Sittinger und S. Schmitz)	Interaktives Geogebra-Applet Richtungsableitung (L. Sittinger und S. Schmitz)

Lernressourcen

• Aufgaben Tutorium kontinuerliche räumliche Modellierung
• COVID-19
• Gruppenarbeit in Breakouträumen mit Videokonferenzen
• Deterministisches Kontaktmodell

Kontinuerliche Modellierung

In diesem Teil des Kurses werden kontinuerliche Modelle für räumliche (Verbreitungs)Prozesse mithilfe Differentialgleichungen studiert und in der Modellierung der Coronaverbreitung angewendet. In solchem Modellen sind die gesuchte Größen (Konzentration eines Stoffes oder der Corona-Infizierten Menschen) als makroskopische Größen betrachtet und als unbekannte Dichtefunktion der Raum- und Zeitveränderlichen

$${\bf {u}}(x,t),x\in \mathbb {R} ^{n},\ t\in \mathbb {R} ^{+}$$

beschrieben.
Die Anzahl der Infizierten auf einer Fläche $S$ im Zeitpunkt $t$ ergibt sich als Integral der Dichtefunktion über diese Fläche, $I(t)=\int _{S}f(x,t)\ dx.$
Es werden dynamische Populationsmodelle wie exponenzielle und logistische, Kompartimentmodelle wie SIR-Modell im Kursteil Epidemiologie - Modellbildung vorgestellt und in diesem Kursteil mit räumlichen Diffusionsprozessen verknüpft. Das resultierende Reaktion-Difussionsmodell wird in diesem Kursteil näher studiert. Die numerische Diskretisierung mit Finite-Differenzen-Methode wird implementiert und praktisch angewendet.

Inhalte des Kurses Kontinuerliche Modellierung:

Einstieg in die räumliche Modellierung

• Deterministisches Kontakt-Modell

Reaktionsdiffusiongleichung

• (Folien 06.04).- AH ,

Modelle der Populationsdynamik

• (Wiki2Reveal-Folien) - , (Anna Hundertmark - 2020)

Numerische Modellierung des Reaktionsdiffusionsprozesses

• (Folien 16.04).- AH ,

Tutorium zu kontinuerlichen Modellierung

• 1. Tutoriumaufgabe- Kontaktmodell

• 2. Tutoriumaufgabe- Fundamenallösunen der Diffusionsgleichung

• 3. Tutoriumaufgabe- SIR Populationsmodell

• 4. Tutoriumaufgabe- FDM für Poisongleichung

• 5. Tutoriumaufgabe - Räumliche Epidemieausbreitung mit FDM

Studentische Arbeiten zur kontinuerlichen Modellierung SOSE 2020

• Gruppe 1
• Gruppe 4
• Gruppe 6
• Gruppe 8
• Gruppe 11

Studentische Arbeiten SOSE 2021

Sie können sich einem dieser Gruppenseiten zuordnen:

• Gruppe 2
• Gruppe 3
• Gruppe 5
• Gruppe 7
• Kirstin, Erika, Moritz, Erik
• Gruppe 10

oder eine neue Gruppe bilden:

• Gruppe 13
• Gruppe 14
• Gruppe 15
• Gruppe 16
• Gruppe 17

Diskrete Modellbildung

In diesem Kursteil gehen wir von der epidemiologischen Situation aus und versuchen daraus schrittweise die mathematischen Anforderungen und Rahmenbedingungen für die Modellbildung abzuleiten. Die folgenden Wiki2Reveal-Folien können für die Portfolioprüfung verwendet und angepasst werden. Ob Erweiterungen vorgenommen werden oder eine eigen Wiki2Reveal-Präsentation verwendet wird, wir jeweils in der Lehrveranstaltung besprochen

• COVID-19 Einführung - (Folien 15.04.2021) - EN - ,

Mathematische Modellbildung COVID-19

Unter der Lernressource Mathematische Modellbildung COVID-19 finden Sie einführende Informationen zur mathematischen Modellbildung von COVID-19, die als mathematische Werkzeuge untersucht werden, aber nicht zur tatsächlichen Risikoabschätzung verwendet werden sollten (dazu bitte RKI, WHO, Gesundheitsbehörden, ...)

• Epidemiologische Distanz - (Folien 22.04.2021) ,
• Krankheitsmodellierungszeitraum: Zeitspanne über die die Krankheitsentwicklung modelliert wird.

Beiträge zu Wikiversity

In dem folgenden Dokument werden die Beiträge gelistet, die einzelne Gruppe/Studierende zu der kollaborativen Entwicklung von Inhalten beigetragen haben. Verweisen Sie auf den entsprechenden Artikel in Wikiversity den Sie optimiert haben, bzw. den Sie in Absprache in der Lehrveranstaltungen selbst oder in der Gruppe erstellt haben.

• SoSe 2021

• Arbeitsaufträge diskrete Modellbildung

Zitieren von Vorarbeiten

Auch in Wikiversity kann man und sollte man Vorarbeiten von anderen Studierende oder anderen Mitgliedern der Wiki-Gemeinschaft in anderen Artikeln zitieren. Dies ist auf jeder Seite in Wikipedia und Wikiversity mit dem Menüpunkt "Diese Seite zitieren" möglich.

Gruppenarbeit in Videokonferenz

In einem Videokonferenzsystem kann Gruppenarbeit abbgebildet werden (Breakouträume in BigBlueButton). Es wird versucht die Gruppengröße an die Schwierigkeit der Aufgaben für die Gruppenarbeit anzupassen.

Zeiten Flipped Classroom

In Breakout-Räumen in BigBlueButton werden die individuellen Arbeiten in den Gruppen besprochen. Es werden Zeit-Slots in Breakouträumen für die Gruppen angeboten (Termin 15.04.2021 12c.t.): Die Breakouträume sind mit Links hinterlegt, auf denen Sie vorab Kernfragen für die individuelle Betreuung in den Breakouträumen definieren können. Das erlaubt die Planung bestimmte Gruppen mit gleichen Themen zusammenzufassen. Die Nummern der Breakouträume werden in der Regel konsistent zu den Gruppennummer gewählt. Es kann aber auch sein, dass sich Gruppe 1 (VN) und Gruppe 7 (HP) gemeinsam im Breakoutraum 1 treffen sollen, weil ein bestimmtes Thema beide Gruppen betrifft. Dann würde das jeweils angegeben.

Gruppenseiten

Wenn Sie auf den Gruppenlink klicken kommen Sie auf Ihre Wikiversity-Gruppenseite, auf der Sie Informationen aus Ihren Portfolio zusammentragen können. Diese Informationen sind die Grundlage für die Prüfung. Sie können bei anderen Gruppen schauen und ihre Arbeit anpassen. Verwenden Sie die Option "Seite zitieren", um wie bei einer wissenschaftlichen Veröffentlichung auf die Arbeiten anderer Gruppen zu verweisen

Projektdokumentation

Gruppe (Kürzel)	Doku	Funktionen	Implementation	Octave-Tut	Script-URL	Fertig
Gruppe 1: - (NWG)	Dok	Fkt	Imp		Script 1	NEIN
Gruppe 2: - (GLP)	Dok100%	Fkt	Imp100%		Script 2	JA
Gruppe 3: - (D)	Dok	Fkt	Imp		Script 3	NEIN
Gruppe 4: - (HHL)	Dok	Fkt	Imp75%		Script 4	NEIN
Gruppe 5: - (CGL)	Dok	Fkt	Imp100%		Script 5	JA
Gruppe 6: - (KWS)	Dok	Fkt	Imp		Script 6	NEIN
Gruppe 7: - (HP)	Dok	Fkt	Imp		Script 7	NEIN
Gruppe 8: - (ST)	Dok	Fkt	Imp		Script 8	NEIN
Gruppe 9: - (OK)	Dok	Fkt	Imp	OctTut	Script 9	NEIN
Gruppe 10: - (VT)	Dok	Fkt	Imp	OctTut	Script 10	NEIN
Gruppe 11: - (BSM)	Dok	Fkt	Imp	OctTut	Script 11	JA
Gruppe 12: - (KKS)	Dok	Fkt	Imp	OctTut	Script 12	NEIN

Zeitplanung 15.04.2021

• Wenn Breakoutzeiten unbelegt bleiben, beginnt die Gruppenphase später.
• Definition von mathematischen Funktionen: Wählen Sie in Ihrem Projekt eine kleine Funktion aus der Implementierung der Modellbildung aus und dokumentieren Sie diese. Auf den Gruppenseiten sollten die Funktionen
  • sowohl in einer mathematischen Schreibweise als Funktion definiert sein und
  • als dokumentierter Code in Octave mit Eingabeparametern (Definitionsbereich) und Rückgabewerten (Wertebereich
  • Passen Sie dazu die bereitgestellten Textblöcke auf Ihren Gruppenseiten an.
  • Für die Prüfung benötigen Sie keine LibreOffice-Impress-Folien. Ein exportiertes PDF-Dokument reicht.

Gruppe/Raum	Thema/Beratung	Zeit
Plenum:	Krankheitsmodellierungszeitraum	Do 12:15-12:30 min (EN)
Breakoutraum 5:	Gruppe 5	Gruppenphase 0:00 - 15min (CGL)
Breakoutraum 1:	Gruppe 12 -	Gruppenphase +0:15 - 15min (KKS)
Breakoutraum 4:	Gruppe 4	Gruppenphase +0:30 - 15min (HHL)
Breakoutraum 2:	Gruppe 2	Gruppenphase +0:45 - 15min (GLP)
Breakoutraum 3:	Gruppe 3	Gruppenphase +1:00 - 15min (DJ)

Zeitplanung 22.04.2021

Gruppe/Raum	Thema/Beratung	Zeit
Plenum:	Krankheitsmodellierungszeitraum	Do 12:15- 12:30min (EN)
Breakoutraum 7:	Gruppe 7	Do 12:30-12:45 - 15min (HP)
Breakoutraum 3:	Gruppe 3	Do 12:45-13:00 - 15min (DJ)
Breakoutraum 2:	Gruppe 9	Do 13:00-13:15 - 15min (OK)
Breakoutraum 1:	Gruppe 1 - Nachholtermin	Do 13:15-13:30 - 15min (VN)
Breakoutraum 8:	Gruppe 8 - Nachholtermin	Do 13:30-13:45 - 15min (ST)

Zeitplanung 29.04.2021

Gruppe/Raum	Thema/Beratung	Zeit
Plenum:	Zusammenfassung der Rückmeldung	Do 12:15-12:45 - 30min (EN)
Breakoutraum 6:	Gruppentermin 6 - Nachholtermin wegen Zeitmangel	Do 12:45-13:00 - 15min - (KWS)
Breakoutraum 7:	Gruppentermin 7 - Nachholtermin wegen Zeitmangel	Do 13:00-13:15 - 15min - (HP)
Breakoutraum 1:	Gruppentermin 1	Do 13:15-13:30 - 15min - (VN)
Breakoutraum 8:	Neue Gruppe 8 - ohne Vorstellung in der Übung	Do 13:30-13:45 - 15min - (ST)

Bitte dokumentieren Sie Ihr Projekt auf den Gruppenseiten und kennzeichnen Sie Ihre Gruppe durch ein selbst gewähltes eindeutiges

Namenskürzel der Gruppe

, z.B. wenn sich Ihre Gruppe zu einem bestimmten Zeitfenster in einem Breakoutroum trifft

(ABC) 22.06.2020 Breakoutroom 5

ein

• z.B. wie bei (EN) bei Plenum
• Nennen Sie die Gruppe und das Gruppenkürzel und belegen Sie die freien Beratungsplätze.
• Sie können den Breakoutraum während der gesamten Gruppenarbeitsphase verwenden. Die angegebenen Zeiten beziehen sich auf die geplante Besuchszeit des Dozenten in der Gruppe.
• Speichern Sie die geteilten Dokumente vor dem Verlassen der Breakouträume ab bzw. machen Sie Screenshots von den Skizzen. Leere Arbeitsblätter können
• Besuch des Dozenten in den Breakouträume findet ungefähr in dem angegebenen Zeitfenster statt
• Wenn z.B. die Zeiten für die individuelle Arbeitsruppenberatung nicht ausreichend sind.

Siehe auch

• Optimierung in der Mathematik
• Räumliche Diffusion
• Explizte-implizite Modelle
• COVID-19/Mathematische_Modellierung
• Octave-Tutorial
• Funktionsdefinition in Octave
• Wikibook zu Octave
• Humanitarian Open Streetmap - Kartenerstellung für humanitäre Zwecke - Räumliche Modellbildung für die Erstellung von Risikokarten.

Externe Links

• HOT-OSM Public Health