人間社会に大きな影響を及ぼす地震などの自然災害をとり扱うにあたって必要となる数学的手法の1つとしての確率過程論について,確率論の基礎から確率過程論,スペクトル解析の基礎までを述べる。任意のパワースペクトルに従う時系列波形を乱数を用いて生成し,それがもとのパワースペクトルからの実現値であることを実際に数値計算を用いて確認する。最終回で計算結果について発表し,その内容をまとめたレジュメを提出する。
土木構造物や建築構造物のように自然と相対する工学的分野においては自然災害とのかかわりを避けることはできない。そのため,ハザードとなる自然現象をなんらかの形でモデル化したり,数学的手法を用いて解析することが必要である。本講では地震のような時変現象を取り扱うにあたっては確率過程論に基づくスペクトル解析に必要な数学的知識を修得させることを目的とする。具体的な到達目標は以下の通り。(1)確率空間と確率変数の定義が理解できる,(2)確率密度関数を用いて確率の計算ができる,(3)確率過程の定義が理解できる,(4)フーリエ変換を用いて時系列波形を振動数領域で表現できる,(5)パワースペクトルの物理的意味を理解できる,(6)任意のパワースペクトルに従う時系列波形を乱数を用いて生成できる。
確率過程,フーリエ変換,フーリエ・スティルチェス積分,自己相関関数,パワースペクトル,相互相関関数,相互スペクトル,ライスの表現,数値計算,一様乱数
✔ 専門力 | 教養力 | コミュニケーション力 | ✔ 展開力(探究力又は設定力) | ✔ 展開力(実践力又は解決力) |
主として板書によって講義を進める。実際に手を動かしてプロジェクトを進めることで理解を深める。
授業計画 | 課題 | |
---|---|---|
第1回 | 導入。課題(プロジェクト)について。 | 講義内容,プロジェクトの具体的方針 |
第2回 | 確率論の基礎(集合論と確率空間) | 集合論,確率空間の定義,確率の定義 |
第3回 | 確率論の基礎(確率変数と確率密度関数) | 確率変数,確率密度関数の定義,確率の計算法 |
第4回 | 確率過程論の基礎 | 確率過程の定義 |
第5回 | 時系列波形のスペクトル表示 | スペクトル表示,フーリエ・スティルチェス積分 |
第6回 | パワースペクトルと位相 | パワースペクトル,位相スペクトルの定義 |
第7回 | ライスの表現・時系列波形の生成 | ライスの表現,確率過程の数値シミュレーション法 |
第8回 | 課題(プロジェクト)の発表・討議 | プロジェクトの発表,結果に関する議論 |
担当教員のオリジナル資料を使用する。
盛川仁・丸山敬 著「条件付確率場の理論と応用」 京都大学学術出版会,2001.
L. コーエン 著,吉川 昭 訳「時間‐周波数解析」 朝倉書店,1998.
課題(プロジェクト)の発表とレジュメによって理解度を評価する。
なんらかの言語によるプログラミングができること。また,何らかの計算環境を研究室または個人で有すること。