Suchergebnis: Katalogdaten im Frühjahrssemester 2012

Physik Master Information
Wahlfächer
Physikalische und mathematische Wahlfächer
Auswahl: Teilchenphysik, Kernphysik
NummerTitelTypECTSUmfangDozierende
402-0703-00LPhänomenologie der Physik jenseits des Standardmodells Information W6 KP2V + 1UM. Spira, F. Moortgat
KurzbeschreibungNach einer kurzen Einführung in die theoretischen Grundlagen und experimentellen Tests des SM werden u.a. Supersymmetrie, Leptoquarks und extra Dimensionen behandelt. Dabei spielt der phänomenologische Aspekt, d.h. die Suche nach neuen Teilchen und Wechselwirkungen an den existierenden und zukünftigen Teilchenbeschleunigern, eine wesentliche Rolle.
LernzielDas Ziel der Vorlesung ist es, eine Einführung in die verschiedenen theoretischen Konzepte zu geben, welche Lösungsvorschläge sich für die offenen Probeme des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik anbieten und damit zur Physik jenseits des SM führen.

Neben den theoretischen Konzepten spielt der phänomenologische Aspekt, d.h. die Suche nach neuen Teilchen und Wechselwirkungen an den existierenden und zukünftigen Teilchenbeschleunigern eine wesentliche Rolle.
InhaltSiehe home-page: Link
SkriptSiehe home-page: Link
402-0767-00LNeutrino PhysicsW6 KP2V + 1UA. Rubbia
KurzbeschreibungTheoretical basis and selected experiments to determine the properties of neutrinos and their interactions (mass, spin, helicity, chirality, oscillations, interaction with leptons and quarks).
LernzielIntroduction to the physics of neutrinos with special consideration of phenomena connected with neutrino masses.
SkriptScript
LiteraturB. Kayser, F. Gibrat-Debu and F. Perrier, The Physics of Massive Neutrinos, World Scientific Lecture Notes in Physic, Vol. 25, 1989, and newer publications.

N. Schmitz, Neutrinophysik, Teubner-Studienbücher Physik, 1997.

D.O. Caldwell, Current Aspects of Neutrino Physics, Springer.

C. Giunti & C.W. Kim, Fundamentals of Neutrino Physics and Astrophysics, Oxford.
402-0714-00LAstro-Particle Physics II Information W6 KP2V + 1UA. Biland
KurzbeschreibungDiese Vorlesung gibt einen Überblick über die aktuelle Forschung auf dem Gebiet der Astro-Teilchenphysik unter Einbeziehung der verwendeten experimentellen Methoden. Im ersten Semester liegt der Schwerpunkt auf der geladenen kosmischen Strahlung und dem Antimaterieproblem.
Im zweiten Semester werden die ungeladenen Komponenten der kosmischen Strahlung sowie Aspekte der Dunklen Materie behandelt.
LernzielDiese Vorlesung gibt einen Überblick über die aktuelle Forschung auf dem Gebiet der Astro-Teilchenphysik unter Einbeziehung der verwendeten experimentellen Methoden. Im ersten Semester liegt der Schwerpunkt auf der geladenen kosmischen Strahlung und dem Antimaterieproblem.
Im zweiten Semester werden die ungeladenen Komponenten der kosmischen Strahlung (sehr hochenergetische Photonen sowie Neutrinos) sowie Aspekte der Dunklen Materie behandelt.
Inhalta) kurze Zusammenfassung 'Geladene Kosmische Strahlung' (1. Semester)
b) Astronomie mit sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung:
- Aktuelle und zukünftige Detektoren für sehr hochenergetische Gamma-Strahlung
- Mögliche Erzeugungsmechanismen fuer sehr hochenergetische Gamma-Strahlung
- Galaktische Quellen: Supernova-Remnants, Pulsar-Wind-Nebel, Mikroquasare, etc.
- Extragalaktische Quellen: Aktive Galaktische Kerne, Gamma-Ray Bursts, Galaxy Cluster
- der Gamma-Strahlen Horizont und seine kosmologische Bedeutung
c) Neutrino-Astronomie:
- atmosphärische, solare, extrasolare und kosmologische Neutrinos
- aktuelle Resultate und zukünftige Experimente
d) Dunkle Materie:
- Hinweise auf die Existenz nicht-barionischer Materie
- Modelle für Dunkle Materie (vor allem: Supersymetrie)
- aktuelle und zukünftige Experimente zur direkten und indirekten Suche nach DM
SkriptSiehe Vorlesungshomepage: Link
LiteraturSiehe Vorlesungshomepage: Link
Voraussetzungen / BesonderesDie Vorlesung kann unabhängig von Astro-Teilchenphysik I besucht werden.
402-0726-12LPhysics of Exotic AtomsW6 KP2V + 1UP. Crivelli
KurzbeschreibungIn this course, we will review the status of physics with exotic atoms including the new exciting advances such as anti-hydrogen magnetic trapping and the recent measurements like the puzzling results of the muonic-hydrogen experiment for the determination of the proton radius.
LernzielThe course will give an introduction on the physics of exotic atoms covering both theoretical and experimental aspects. The focus will be set on the systems which are currently a subject of research in Switzerland: positronium at ETHZ, anti-hydrogen at CERN and muonium, muonic-H and muonic-He at PSI. The course will enable the students to follow recent publications in this field.
InhaltReview of the theory of hydrogen and hydrogen-like atoms
Interaction of atoms with radiation
Hyperfine splitting theory and experiments: Positronium (Ps),
Muonium (Mu) and anti-hydrogen (Hbar)
High precision spectroscopy: Ps, Mu and Hbar
Lamb shift in muonic-H and muonic-He- the proton radius puzzle
Weak and strong interaction tests with exotic atoms
Anti-matter and gravitation
Applications of antimatter
Skriptscript
LiteraturPrecision physics of simple atoms and molecules, Savely G. Karshenboim, Springer 2008

Proceedings of the International Conference on Exotic Atoms (EXA 2008) and the 9th International Conference on Low Energy Antiproton Physics (LEAP 2008) held in Vienna, Austria, 15-19 September 2008 (PART I/II), Hyperfine Interactions, Volume 193, Numbers 1-3 / September 2009

Laser Spectroscopy: Vol. 1 Basic Principles Vol. 2 Experimental Techniques von Wolfgang Demtröder von Springer Berlin Heidelberg 2008
402-0604-00LMaterialanalyse mit kernphysikalischen MethodenW6 KP2V + 1UM. Doebeli
KurzbeschreibungMaterialanalyse mit MeV Ionenstrahlen. Es werden kernphysikalische Techniken vorgestellt, welche die quantitative Untersuchung der Zusammensetzung, Struktur und Spurenelementgehalt von Festkörpern ermöglichen.
LernzielBesucherInnen der Vorlesung lernen die wichtigsten Grundlagen und Methoden der Ionenstrahlanalytik kennen. Sie verstehen, wie Messdaten zu Stande kommen und können experimentelle Spektren interpretieren. Grosse Bedeutung wird auch der Fähigkeit zubemessen, für jedes analytische Problem die adäquate Untersuchungsmethode zu finden.
InhaltPraktische Anwendung kernphysikalischer Methoden in anderen Forschungsgebieten. Schwerpunkt ist die Materialanalyse mit MeV Ionenstrahlen. Es werden Techniken vorgestellt, welche die quantitative Untersuchung der Zusammensetzung, Struktur und Spurenelementgehalt von Festkörpern ermöglichen:

- elastische Kernstreuung (Rutherford Backscattering, Rückstossanalyse)
- (resonante) Kernreaktionsanalyse
- Aktivierungsanalyse
- Ionenstrahl-Channeling zur Untersuchung von Kristalldefekten
- Isotopenproduktion, Neutronenquellen
- MeV-Ionenmikrosonden, abbildende Oberflächenanalyse

Die Vorlesung eignet sich auch für Doktoranden.
SkriptSkript wird verteilt.
Literatur'Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis', L.C. Feldman, J.W. Mayer, North Holland 1986.
Voraussetzungen / BesonderesWenn möglich, wird im Rahmen der Vorlesung und Uebungen eine kurze praktische Demonstration im Labor durchgeführt.

Die Vorlesung eignet sich auch für Doktoranden.
Auswahl: Theoretische Physik
NummerTitelTypECTSUmfangDozierende
402-0886-00LEinführung in die QuantenchromodynamikW6 KP2V + 1UM. Spira
KurzbeschreibungEinführung in die theoretischen Aspekte der Quantenchromodynamik, der Theorie der starken Wechselwirkung.
LernzielGrundwissen über perturbative und nicht-perturbative Aspekte der Quantenchromodynamik, das ausreicht, um einfache Berechnungen durchzuführen und die aktuelle Literatur zu verstehen.
InhaltQCD-Lagrangedichte und Feynman-Regeln; laufende QCD-Kopplung und asymptotische Freiheit; Partonmodell; Altarelli-Parisi-Gleichungen; Jets; grundlegende Prozesse; experimentelle Tests an Lepton- und Hadron-Kollidern; Gittereichtheorien; Stromalgebra
402-0888-00LField Theory in Condensed Matter PhysicsW6 KP2V + 1UC. Mudry
KurzbeschreibungThe topics covered in this class are: superfluidity in weakly interacting Bose gas, the random phase approximation to the Coulomb interaction in the Jellium model, superconductivity within the random phase approximation, the renormalization group analysis of non-linear-sigma models and of the Kosterlitz-Thouless transition.
Lernziel
InhaltIn this class I will show, by examples, how field theory can describe some important phenomena in condensed matter physics. The transition from a discrete to a continuum description is illustrated with the one-dimensional Harmonic chain both in classical and quantum mechanics in Lecture 1. Spontaneous symmetry breaking is introduced with the phenomenon of superfluidity for a weakly interacting Bose gas in Lecture 2. Lectures 3 and 4 deal with the physics of screening in the Jellium model for electrons at the level of the random phase approximation. Superconductivity is described within the mean-field and random-phase approximation in Lectures 5 and 6. The Caldeira-Leggett model for dissipation, in the context of a Josephson junction, is treated in Lectures 7 and 8. Classical non-linear-sigma models are introduced in Lecture 9 and their beta functions are calculated explicitly for the O(N)/O(N-1) target manifold in the 2+epsilon expansion in Lectures 9 and 10. The Kosterlitz-Thouless phase transition is discussed in a one-loop renormalization group analysis in Lecture 11. Lecture 12 is devoted to bosonization in (1+1)-dimensional space time.
402-0848-00LAdvanced Field TheoryW6 KP2V + 1UA. Gehrmann-De Ridder
KurzbeschreibungThe course treats the following topics in quantum field theory:

-Chiral symmetry and chiral perturbation theory
-Effective Field Theories
-Axial anomaly
-Topological objects in Field Theory and the early universe
LernzielThe course aims to provide an introduction to selected advanced topics in Quantum Field Theory.
Voraussetzungen / BesonderesPrerequisite: Quantum Field Theory I

Recommended: Quantum Field Theory II (to be attended in parallel)
402-0462-00LAdvanced Topics in Quantum Information TheoryW6 KP2V + 1UM. Christandl, A. Imamoglu, R. Renner
KurzbeschreibungThe course covers a selection of topics that are of current interest in quantum information theory and quantum computation. Particular focus will be put on theoretical concepts that impact future implementations of quantum technologies.
LernzielThe course provides an insight into current research activities in quantum information science.
InhaltThe course covers a selection of topics that are of current interest in quantum information theory and quantum computation. Particular focus will be put on theoretical concepts that impact future implementations of quantum technologies. Topics include quantum state preparation using dissipation, quantum information in many-body systems, topological states and quantum computation, quantum simulation, and the complexity of physical systems.
Voraussetzungen / BesonderesPrerequisites are the courses Quantum Mechanics I and II. The course is complementary to the course Quantum Information Theory.
402-0812-00LComputational Statistical Physics Information W8 KP2V + 2UH. J. Herrmann
KurzbeschreibungSimulationsmethoden in der statistischen Physik. Klassische Monte-Carlo-Simulationen: finite-size scaling, Clusteralgorithmen, Histogramm-Methoden. Molekulardynamik-Simulationen: langreichweitige Wechselwirkungen, Ewald-Summation, diskrete Elemente, Parallelisierung.
LernzielDie Vorlesung ist eine Vertiefung von Simulationsmethoden in der statistischen Physik, und daher ideal als Fortführung der Veranstaltung "Introduction to Computational Physics" des Herbstsemesters mit folgenden Schwerpunkten. Klassische Monte-Carlo-Simulationen: finite-size scaling, Clusteralgorithmen, Histogramm-Methoden. Molekulardynamik-Simulationen: langreichweitige Wechselwirkungen, Ewald-Summation, diskrete Elemente, Parallelisierung.
InhaltSimulationsmethoden in der statistischen Physik.
Klassische Monte-Carlo-Simulationen: finite-size scaling, Clusteralgorithmen, Histogramm-Methoden. Molekulardynamik-Simulationen: langreichweitige Wechselwirkungen, Ewald-Summation, diskrete Elemente, Parallelisierung.
402-0810-00LComputational Quantum Physics Information W8 KP2V + 2UM. Troyer
KurzbeschreibungThis course provides an introduction to simulation methods for quantum systems, starting with the one-body problem and finishing with quantum field theory, with special emphasis on quantum many-body systems. Both approximate methods (Hartree-Fock, density functional theory) and exact methods (exact diagonalization, quantum Monte Carlo) are covered.
LernzielThe goal is to become familiar with computer simulation techniques for quantum physics, through lectures and practical programming exercises.
402-0864-00LInstantons in Condensed MatterW6 KP2V + 1UV. Geshkenbein
KurzbeschreibungSolitons
Vortices and Skyrmeons.
Instantons in Quantum Mechanics.
Macroscopic Quantum Tunneling, Josephson Junctions
Dissipative Quantum Tunneling.
Crossover from Quantum to Thermal decay
Hall Tunneling
Tunneling of the Charge Density Waves
Zero-Bias Anomaly
Instantons and Divergencies of Perturbation Theories in High Orders
Tails of Density of States in Random Potential
Lernziel
InhaltSolitons
Vortices and Skyrmeons In XY and Heisenberg Models
Instantons in 1-D Quantum Mechanics, Quantum Tunneling.
Quantum Tunneling in Higher Dimensions, Thin Wall Approximation.
Macroscopic Quantum Tunneling, Josephson Junctions
Dissipative Quantum Tunneling, Caldeira - Leggett Action
Crossover from Quantum to Thermal decay
Hall Tunneling
Tunneling of the Charge Density Waves
Zero-Bias Anomaly
Instantons and Divergencies of Perturbation Theories in High Orders
Tails of Density of States in Random Potential
402-0588-00LComplex Systems: Berechenbares Chaos in dynamischen SystemenW6 KP2V + 1UR. Stoop
KurzbeschreibungEinführung in die Theorie diskreter und kontinuierlicher ein- und mehrdimensionaler dynamischer Systeme: Ausführliche Beschreibung der theoretischen Konzepte, Simulationen in Mathematica, Anwendungen von der Elektronik bis zur Himmelsmechanik.
LernzielChaos in dynamischen Systemen ist untrennbar verbunden mit einer Nichtlinearität in diesen Systemen. Dies beschränkt die Möglichkeiten einer Voraussage des Systemverhaltens mit Mitteln der linearen Analyse erheblich. In der Vorlesung werden die handwerklichen mathematischen Hilfsmittel eingeführt, die erlauben, trotz des chaotischen Verhaltens Aussagen über das Systemverhalten zu machen. Mit Hilfe der Konzepte Lyapunov Exponent, Fraktale Dimension, Invariante Dichte, Frobenius-Perron Gleichung werden Aussagen erreicht über den Horizont der Voraussagbarkeit, die Verteilung der Zustände, die Möglichkeit, solche Systeme mit dem Computer zu simulieren und die Veränderungen, denen solche Systeme unterliegen, wenn man Systemparameter ändert.
Die Vorlesung umfasst gleichermassen analytische wie auch simulationstechnische Gesichtspunkte. Unterlegt wird die Vorlesung in allen wesentlichen Aspekten durch abgegebene Programme, verfasst in der Programmierumgebung Mathematica, zu der eine Kurzeinführung abgegeben wird.
Nach der Vorlesung sollte der Ursprung des komplexen Verhaltens einer Grundmenge von charakteristischen Systemen aus einer theoretischen und praktischen Sicht verstanden sein. Man wird in der Lage sein, neue Systeme, wie sie in allen Bereichen der heutigen Wissenschaft und Technologie auftreten, entsprechend zu analysieren.
InhaltDie Vorlesung bietet eine grundlegende Einführung in chaotische Systeme, welche keinerlei Abstriche an mathematischer Exaktheit macht. Sie umfasst einerseits in ansprechender Tiefe die klassischen theoretischen Gesichtspunkte der dynamischen Systeme, wobei alle wesentlichen Beispiele der Literatur ausführlich behandelt werden. Daneben werden modernere Fragestellungen behandelt, etwa nach der Natur der Berechenbarkeit oder der Verlässlichkeit des Computers.

Zu den Kernphänomenen werden kurze, aber vollständige Programme in der Programmiersprache Mathematica abgegeben, welche leicht zu verstehen und für das individuelle Experimentieren übernehmbar sind. Biographien von historischen Schlüsselpersönlichkeiten bereichern die Vorlesung.
SkriptEs wird ein ausführliches Skript abgegeben.
LiteraturZusätzliche und weiterführende Literatur:

R. Stoop und W.H. Steeb, Berechenbares Chaos in Dynamischen Systemen, Birkhäuser 2006.
A. Lasota and M.C. Mackey, Chaos, fractals, and noise : stochastic aspects of dynamics, Springer 1995
Auswahl: Astronomie
NummerTitelTypECTSUmfangDozierende
402-0372-00LPhysics of Star and Planet Formation Information W6 KP2V + 1UM. R. Meyer
KurzbeschreibungThe course will cover the physics of molecular clouds in the interstellar medium, protostellar collapse, early stellar evolution, circumstellar disk physics, planet formation, and the evolution of planetary systems.
LernzielOur goal is to provide students with an overview of the physics of star and planet formation, exposure to application of physical principles to a novel set of circumstances, as well as highlight current topics of research within the field.
Voraussetzungen / BesonderesThere is some overlap with the former course unit 402-0372-00L Physik der Stern- und Planetenentstehung. Students who received credits for the course unit 402-0372-00L from the spring semester 2009 or before cannot get credit for this course unit. Students are recommended (but not required) to have already taken Astrophysics I (or equivalent) when enrolling in this course.
402-0352-00LAstronomical ObservationsW6 KP2V + 1UH. M. Schmid
KurzbeschreibungAstronomical techniques and observing strategies are presented with a particular emphasis on currently available professional telescopes of the European Southern Observatory.
LernzielThe course shall provide a basic understanding of the potential and limitation of different types of modern astronomical observations for young researchers. The course will present technical aspects which are important to prepare, to carry out and to calibrate different types of astronomical measurements: photometry, spectroscopy, astrometry, polarimetry and others. Many practical examples will be discussed. Also scientific aspects of instrumental projects and observational programs are addressed.
Inhalt1. Introduction: research projects in astronomical observations
2. Observables: electromagnetic radiation, particles
3. Optical telescopes: Opitcs, types, mechanical concepts, examples
4. Detectors: CCDs, IR detectors, basic data reduction steps
5. Photometry: signal extraction, calibration, faint sources, etc.
6. Spectroscopy: spectrographs, calibration, spectral features
7. Polarimetry: measuring principles
8. Speckles and adaptive optics: atmosphere, AO-systems
SkriptNotes will be distributed.
LiteraturAstrophysical Techniques, C.R. Kitchin, 2009 (5th edition), CRC Press
Astronomical Observations, Gordon Walker, 1987, Cambridge University Press (a bit outdated)
402-0370-12LCosmological Structure Formation Information W6 KP2V + 1UA. Refregier
KurzbeschreibungHow did cosmological structures arise from the nearly homogeneous state of the Universe after the Big Bang? This course will cover the physics of the formation of structures in the Universe. After a review of the evolution of the smooth universe, the evolution of cosmological perturbations will be studied along with their initial conditions and current observational probes.
LernzielThe goal of this course is to provide an understanding of the physics of cosmological structure formation, and highlight current research topics.
Voraussetzungen / BesonderesCredits or current enrollment in Astrophysics I and II is recommended but not required.
402-0386-12LComputational AstrophysicsW6 KP2V + 1UJ. Read
KurzbeschreibungWe study computational methods that form the key tools for modern theoretical astrophysics.
LernzielWe study how to solve gravity for many body systems from small stellar clusters up to the Universe as a whole. We then show that the fluid equations can give a good description of gas in the Universe and study numerical methods for solving these. We conclude with a look to the state of the art in computational astrophysics across a range of interesting problems from how stars and galaxies form to calculating the distribution of dark matter in the Universe.
SkriptFull script is available from: Link
Voraussetzungen / BesonderesExperience of computer programming would be an advantage. We will use python and C as the main languages for the course. However, we will assume no prior knowledge of these languages. Astro I & II or one of the astrophysics masters courses would also be helpful.
Auswahl: Neuroinformatik
NummerTitelTypECTSUmfangDozierende
402-0804-00LNeuromorphic Engineering II Information W6 KP5GT. Delbrück, G. Indiveri, S.‑C. Liu
KurzbeschreibungDiese Vorlesung lehrt die Basis des analogen Chip-Design und Chip-Layout mit Betonung auf Neuromorphe Schaltungen, welche im Herbstsemester in der Vorlesung "Neuromorphic Engineering I" eingeführt werden.
LernzielDiese Vorlesung mit Übungen ermöglicht den Teilnehmern, selbst neuromorphe Schaltungen zu entwerfen und herstellen zu lassen.
InhaltEs werden verschiedene Computerprogramme vorgestellt und benutzt, die zur Simulation, zum Entwurf und zur Entwurfsverifikation von neuromorphen Schaltungen geeignet sind. Anhand von Beispielen wird aufgezeigt, worauf beim Schaltungsentwurf zu achten ist. Nützliche und notwendige Schaltungen werden erklärt und zur Verfügung gestellt. Es werden verschiedenen CMOS-Prozesse erläutert und gezeigt, wie man sie benutzen kann. Gegen Ende des Semesters kann jeder Student eine eigene Schaltung konzipieren und herstellen lassen.
LiteraturS.-C. Liu et al.: Analog VLSI Circuits and Principles; Software-Dokumentation.
Voraussetzungen / BesonderesVoraussetzungen: dass die Studenten bereits über die Grundkenntnisse der neuromorphen Schaltungstechnik verfügen, die sie sich am besten in der Vorlesung "Neuromorphic Engineering I" im vorangehenden Herbstsemester erwerben.
402-0823-00LNeurophysicsW6 KP2V + 1UR. Hahnloser
KurzbeschreibungThe focus of this class is the neural code. The goal is to master computational solutions of the neural encoding and decoding problems. Students will develop and apply algorithms on spike data recorded in behaving zebra finches (birds).
LernzielThis course is an introduction to systems neuroscience research for students with a background in quantitative sciences such as physics, mathematics, or engineering sciences. Students who take this course learn about neurophysiology and state-of-art algorithms for analysis of high-resolution brain activity. Programming will be performed in Matlab (Mathworks Inc.).

We investigate how stimulus information is encoded in the spike trains of nerve cells by creating models that predict neural responses to sensory stimuli (encoding problem, sensory systems), as well as models that infer stimulus properties or behavioral features from neural data (decoding problem, motor systems).
InhaltDecoding Problem: We have one or more spike trains and want to predict features of the motor behavior that caused by these spikes. In general, predicting the motor output from only a small number of spike trains is very difficult.

Encoding Problem: Based on a sensory stimulus we want to predict the spike response to it, i.e., we want to derive generative models for neural responses.

Content:
-Introduction to sensory (auditory) and motor coding in single neurons
- probability and estimation theory
- generative and advanced statistical models of brain function (principal component analysis, Hidden Markov Models)
- correlation and spectral analysis
- forward and inverse models (control theory)
- Hebbian learning and reinforcement learning
SkriptExtensive lecture notes will be made available. Original research articles will be distributed.
Literatur- Theoretical Neuroscience by Peter Dayan and Larry Abbott.
- Biophysics of Computation by Chritoph Koch.
- Spikes: Exploring the neural code by Fred Rieke and David Warland et al.
- Spiking Neuron Models by Wulfram Gerstner and Werner Kistler.
- Original research articles, to be selected.
Voraussetzungen / BesonderesKnowledge of standard methods in analysis, algebra and probability theory are highly desirable but not necessary. Students should have programming experience.

Former course title: "Theoretical Neuroscience"
402-0824-00LTheorie, Programmierung und Simulation neuronaler NetzeW6 KP2V + 1UR. Stoop
KurzbeschreibungThemen sind: Graphische Methoden und Spieltheorie (Rückverfolgung, Verbreitung von Zwangsbedingungen), analytische Optimierung (multidimensionale Optimierung, Gleichgewichtspunkte, Gradientenabstieg), neuronale Netze (biologische und biologienahe Modellierung, Spin-System Analogien), evolutionäre Optimierung (genetische Algorithmen und Programmierung), Expertensysteme (Clustering Techniken)
LernzielIm Einführungsteil wird über Spiele das Konzept des gerichteten Graphen eingeführt. Dieses wird unser Leitbild für das Verständnis der verschiedenen Methoden, welche der Kurs behandelt, sein. Als Anwendungen für kontinuierliche Systeme werden die mehrdimensionale Optimierung, die Methode der Lagrange'schen Multiplikatoren und des Gradientenabstiegs und die Simplexoptimierung vorgestellt.
Iterierte Funktionensysteme geben eine Vorstellung davon, wie eine komplexe Energielandschaft aussieht.
Ausgehend von der Entwicklungsgeschichte und Physiologie biologischer neuronaler Netze werden die biophysiknahe Modellierung von Netzwerkelementen und ihre mathematische Idealisierungen verschiedener Grade behandelt.
Die Elemente werden dann zu Netzen zusammengebaut. Die Implementationen der verschiedenen gängigsten neuronalen Netzwerktypen (Perzeptronnetze, Kohonennetze, Hopfieldnetze) werden besprochen und ihre Leistungsfähigkeit untersucht.
Wir zeigen, dass man dieselben Konzepte benützen kann, um effizientes Datenclustering zu erreichen und besprechen die gängigsten Verfahren in diesem Gebiet.
Als Konkurrenzmodelle der neuronalen Netze stellen wir schliesslich genetische Algorithmen und die genetische Programmierung vor.

Die Vorlesung umfasst gleichermassen analytische wie auch simulationstechnische Gesichtspunkte. Unterlegt wird die Vorlesung in allen wesentlichen Aspekten durch abgegebene Programme, verfasst in der Programmierumgebung Mathematica, zu der eine Kurzeinführung abgegeben wird.
Nach der Vorlesung sind Wirkungsweise, Möglichkeiten, Grenzen und bevorzugte Anwendungen von neuronalen Netzen und verwandter Verfahren aus der theoretischen und der praktischen Sicht verstanden. Man ist in der Lage, die Verfahren mit Hilfe der Vorlesungsunterlagen und der verteilten Programme auf neue Probleme, wie sie besonders in Anwendungen in allen Bereichen der heutigen Wissenschaft und Technologie auftreten, erfolgreich anzuwenden.
InhaltBei den neuronalen Netzen handelt es sich um eine wichtige Teilmenge der Methoden der künstlichen Intelligenz. Diese erschliesst zunehmend Gebiete, die mit Methoden der ,,herkömmlichen'' Informatik schlecht fassbar sind und daher bisher weit gehend dem Menschen vorbehalten geblieben sind. Zusätzlich zum Wert solcher Verfahren dadurch, dass sie menschliche Arbeit zu einem gewissen Grad zu ersetzen vermögen, liefern die entwickelten Lösungsansätze und Methoden auch Einsichten in die Hintergründe und Mechanismen des menschlichen Denkens an sich.
Nach Themengebieten geordnet sind dieses die hauptsächlichsten aktuellen Anwendungen:

- Spiele spielen,
- Robotersteuerungen, welche erlauben, Umgebungen wahrzunehmen, um daraus angemessene Aktionen einzuleiten,
- Expertensysteme, welche Spezialwissen und Schlussfolgerungsfähigkeit qualifizierter Fachleute auf einem begrenzten Anwendungsgebiet im Computer
nachbilden,
- maschinelles Lernen, bei dem durch die Benutzung von Eingabeinformationen neues Wissen konstruiert oder vorhandenes Wissen verbessert wird,
- automatisches Programmieren, wo ausgehend von formalen Spezifikationen Programme automatisiert erstellt werden,
- Wahrnehmungsnachbildung, in der menschliche Sinne am Computer nachgebildet werden (insbesondere Sehen (Bilderkennung) und Hören (Spracherkennung)),
- Computerbeweise, in deren Umfeld die automatisierte Herleitung und Verifikation von mathematisch-logischen Formeln und Sätzen behandelt wird.

Der Aufbau der Vorlesung ist wie folgt:

Einleitende Themen sind:
- Graphische Methoden und Spieltheorie (Rückverfolgung, Bedingungsfortpflanzung)
- Analytische Optimierung: Mehrdimensionale Extremalprobleme, Lagrange Multiplikatoren, Gleichgewichte, Gradientenabstieg
Schwergewichtige Themen sind:
- Neuronale Netze aller Art (biologische und biologienahe Modellierung, Spinsystem-Analogien)
- Expertensysteme (Clusteringverfahren)
- Evolutionäre Optimierung (genetische Algorithmen und genetische Programmierung)
SkriptEs wird ein ausführliches Skript abgegeben.
LiteraturZusatzliteratur:

- B. Müller, J. Reinhardt and M.T. Strickland, Neural networks, Springer 1995
- W.-H. Steeb, A. Hardy, and R. Stoop, Problems and Solutions in Scientific Computing, World Scientific 2005
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