Wissenschaftliches Rechnen

Simulation der Kollision zweier Schwarzer Löcher am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (2012)

Wissenschaftliches Rechnen oder Simulationswissenschaft versteht sich als Interdisziplinärer Ansatz für die Entwicklung von Modellen, Algorithmen und Software, um mithilfe der Computersimulation Fragestellungen aus den Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften beantworten zu können. Das Hochleistungsrechnen ist dabei ein entscheidender Schlüssel. Das wissenschaftliche Rechnen bündelt dazu die Angewandte Mathematik, insbesondere die Numerische Mathematik, sowie die Informatik.<ref>Strategische Weiterentwicklung des Hoch- und Höchstleistungsrechnens in Deutschland. Wissenschaftsrat, 2012. S. 5</ref>

Die englische Bezeichnung Computational Science and Engineering (CSE) wird auch synonym in der deutschen Sprache verwendet.<ref>Strategische Weiterentwicklung des Hoch- und Höchstleistungsrechnens in Deutschland. Wissenschaftsrat, 2012. S. 5</ref> Spezifizierend werden auch andere Begriffe verwendet, wie Scientific Computing (SC) bzw. Computational Science (CS), wenn Naturwissenschaften, und Computational Engineering bzw. Computational Engineering Science, wenn Ingenieurwissenschaften im Fokus stehen.

Manchmal wird die Ingenieurinformatik mit Computational Engineering gleichgesetzt.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:BERUFENET - Bundesagentur für Arbeit|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=BERUFENET - Bundesagentur für Arbeit}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://web.arbeitsagentur.de/berufenet/?dest=profession&prof-id=94341%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=BERUFENET - Bundesagentur für Arbeit}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.arbeitsagentur.de/berufenet/?dest=profession&prof-id=94341}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=BERUFENET - Bundesagentur für Arbeit}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2024-07-03 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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    | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt Linktext fehlt.
  }}{{#switch: 
    |addlarchives|addlpages= {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: enWP-Wert im Parameter 'format'.|1}}
  }}{{#ifeq: {{#invoke:Str|find|https://www.informatik.uni-augsburg.de/studium/studiengaenge/bachelor_inginf.html%7Carchiv}} |-1
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         || {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|https://www.informatik.uni-augsburg.de/studium/studiengaenge/bachelor_inginf.html }}
              | abendblatt.de | daserste.ndr.de | inarchive.com | webcitation.org = 
              | #default = {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/URL}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Archiv-URL im Parameter 'url' anstatt URL der Originalquelle. Entferne den vor der Original-URL stehenden Mementobestandteil und setze den Archivierungszeitstempel in den Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive.today' oder 'archive-is' ein, sofern nicht bereits befüllt.|1}}
            }} 
       }}
  }}</ref>

Motivation

Klassisch basiert die Forschung in vielen Natur- und Ingenieurwissenschaften auf zwei Säulen, der Theorie und dem Experiment. Beim wissenschaftlichen Rechnen tritt die numerische Simulation neben diese beiden Säulen.<ref>Strategische Weiterentwicklung des Hoch- und Höchstleistungsrechnens in Deutschland. Wissenschaftsrat, 2012. S. 5.</ref> Das Ziel des wissenschaftlichen Rechnens ist es, die Anzahl teurer Experimente zu verringern oder diese komplett zu ersetzen, da beim wissenschaftlichen Rechnen am Computer Experimente durchgeführt werden können, die real nicht möglich oder unwirtschaftlich wären.<ref>Technische Universität München: Computational Science and Engineering, abgerufen am 9. August 2015 <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20160818012146

      | {{#ifeq: 20160818012146 | *
    | Vorlage:Webarchiv/Wartung/Stern{{#if: Archivierte Kopie | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Archivierte Kopie}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|https://www.in.tum.de/index.php?id=2332}} }} (Archivversionen)
    | {{#iferror: {{#time: j. F Y|20160818012146}}
         | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/DatumDer Wert des Parameters {{#if: wayback | wayback | Datum }} muss ein gültiger Zeitstempel der Form YYYYMMDDHHMMSS sein!
         | {{#if: Archivierte Kopie | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Archivierte Kopie}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|https://www.in.tum.de/index.php?id=2332}} }} {{#ifeq:  | [] | [ | ( }}Memento{{#if: {{#if:  | {{{archiv-bot}}} |  }} |  des Vorlage:Referrer }} vom {{#time: j. F Y|20160818012146}} im Internet Archive{{#if:  | ;  }}{{#ifeq:  | [] | ] | ) }}
      }}
  }}
      | {{#if:
          | {{#iferror: {{#time: j. F Y|{{{webciteID}}}}}
    | {{#switch: {{#invoke:Str|len|{{{webciteID}}}}}
       | 16= {{#if: Archivierte Kopie | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Archivierte Kopie}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|https://www.in.tum.de/index.php?id=2332}} }} {{#ifeq:  | [] | [ | ( }}Memento{{#if: {{#if:  | {{{archiv-bot}}} |  }} |  des Vorlage:Referrer }} vom {{#time: j. F Y| 19700101000000 + {{#expr: floor {{#expr: {{#invoke:Str|sub|{{{webciteID}}}|1|10}}/86400}} }} days}} auf WebCite{{#if:  | ;  }}{{#ifeq:  | [] | ] | ) }}
       | 9 = {{#if: Archivierte Kopie | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Archivierte Kopie}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|https://www.in.tum.de/index.php?id=2332}} }} {{#ifeq:  | [] | [ | ( }}Memento{{#if: {{#if:  | {{{archiv-bot}}} |  }} |  des Vorlage:Referrer}} vom {{#time: j. F Y| 19700101000000 + {{#expr: floor {{#expr: {{#invoke:Str|sub|{{#invoke:Expr|base62|{{{webciteID}}}}}|1|10}}/86400}} }} days}} auf WebCite{{#if:  | ;  }}{{#ifeq:  | [] | ] | ) }}
       | #default= Der Wert des Parameters {{#if: webciteID | webciteID | ID }} muss entweder ein Zeitstempel der Form YYYYMMDDHHMMSS oder ein Schüsselwert mit 9 Zeichen oder eine 16-stellige Zahl sein!Vorlage:Webarchiv/Wartung/webcitation{{#if:  || }}
      }}
    | c|{{{webciteID}}}}} {{#if: Archivierte Kopie | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Archivierte Kopie}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|https://www.in.tum.de/index.php?id=2332}} }} (Memento{{#if: {{#if:  | {{{archiv-bot}}} |  }} |  des Vorlage:Referrer}} vom {{#time: j. F Y|{{{webciteID}}}}} auf WebCite{{#if:  | ;  }}{{#ifeq:  | [] | ] | ) }}
  }}
          | {{#if: 
              | Vorlage:Webarchiv/Today
              | {{#if:
                      | Vorlage:Webarchiv/Generisch
                      | {{#if: Archivierte Kopie | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Archivierte Kopie}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|https://www.in.tum.de/index.php?id=2332}} }}  
                 }}}}}}}}{{#if:
    | Vorlage:Webarchiv/archiv-bot
  }}{{#invoke:TemplatePar|check
     |all      = url=
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  }}{{#ifexpr: {{#if:20160818012146|1|0}}{{#if:|+1}}{{#if:|+1}}{{#if:|+1}}{{#if:|+1}} <> 1
    | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Genau einer der Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive-today', 'archive-is' oder 'archiv-url' muss angegeben werden.|1}}
  }}{{#if: 
    | {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|{{{archiv-url}}}}}
        | web.archive.org = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von Internet Archive erkannt, bitte Parameter 'wayback' benutzen.|1}} 
        | webcitation.org = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von WebCite erkannt, bitte Parameter 'webciteID' benutzen.|1}} 
        | archive.today |archive.is |archive.ph |archive.fo |archive.li |archive.md |archive.vn = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von archive.today erkannt, bitte Parameter 'archive-today' benutzen.|1}}
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         | {{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}
             | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Wert des Parameter 'archiv-datum' ist ungültig oder hat ein ungültiges Format.|1}}
          |  }} 
         | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Pflichtparameter 'archiv-datum' wurde nicht angegeben.|1}}
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    | {{#if: 
         | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Parameter 'archiv-datum' ist nur in Verbindung mit 'archiv-url' angebbar.|1}}
      }}
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    || {{#if:  || }} URL/Pfad ungültig.
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    | {{#if: {{#invoke:WLink|isBracketedLink|Archivierte Kopie}}
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    |addlarchives|addlpages= {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: enWP-Wert im Parameter 'format'.|1}}
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            }} 
       }}
  }}</ref>

Besondere Förderung der Wissenschaft und Forschung in Deutschland

Im Rahmen der Exzellenzinitiative wurden folgende Graduiertenschulen und Exzellenzcluster gefördert:

RWTH Aachen: Aachen Institute for Advanced Study in Computational Engineering Science
Technische Universität Darmstadt: Graduate School of Computational Engineering (Graduiertenschule CE)<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:Computational Engineering|Computational Engineering: }}{{#if:|{{#if:gscwelcome|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=gscwelcome}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.ce.tu-darmstadt.de/graduate_school_ce/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=gscwelcome}}}}%7C[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.ce.tu-darmstadt.de/graduate_school_ce/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=gscwelcome}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2024-07-03 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

          | )
          | {{#if:{{#ifeq:en|de||{{#if:en|1}}}}| ; 
              | )}}}}}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}}}{{#if:https://www.ce.tu-darmstadt.de/graduate_school_ce/%7C{{#if:{{#invoke:URLutil%7CisResourceURL%7C1=https://www.ce.tu-darmstadt.de/graduate_school_ce/}}%7C%7C URL ungültig}}}}{{#if:gscwelcome|{{#if:{{#invoke:WLink|isValidLinktext|1=gscwelcome|lines=0}}|| Linktext ungültig}}}}{{#if: | In: {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{{werk}}}}}}}{{#if: | {{{hrsg}}}{{#if: |,|{{#if: 2024-07-03 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}|;|,}}}}}}}}{{#if: | {{#if:{{#invoke:DateTime|format|{{{datum}}}|noerror=1}}
            |{{#invoke:DateTime|format|{{{datum}}}|T._Monat JJJJ}}
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       }}{{#ifeq:{{#if:en|en|de}}|de||
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Im Bereich der Sozial- und Kommunikationswissenschaften fördert das Land Rheinland-Pfalz seit Januar 2024 eine Forschungsinitiative des Instituts für Kommunikationspsychologie und Medienpädagogik (IKM) der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau. Im interdisziplinären "Profilbereich SCOPE: Societal COmmunication in times of PErmacrisis" wird unter der Leitung von Michaela Maier und Paul Lukowicz derweil mit und zu Computational Social Sciences (CSS) geforscht.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Home|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Home}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://scope.projects.rptu.de/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Home}}}}%7C[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://scope.projects.rptu.de/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Home}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2024-12-23 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Der Studiengang CE an der Uni Erlangen-Nürnberg sowie der Studiengang CSE an der Technischen Universität München werden durch das Elitenetzwerk Bayern gefördert.

Die Entwicklung des Bachelor-Studienganges CSE in Ulm wird von der Stiftung Mercator und der Volkswagen-Stiftung im Rahmen des Programmes „Bologna – Zukunft der Lehre“ gefördert. Der Ulmer Studiengang stellt durch die vorhandene Kooperation der Universität Ulm und der Technischen Hochschule Ulm eine Besonderheit dar.

Siehe auch

Literatur

Carsten Burstedde: Was ist eigentlich Wissenschaftliches Rechnen? In: Forschung & Lehre. März 2013, S. 216–217. Im Internet
Richard Crandall: Topics in advanced scientific computation. Springer-Verlag, 1996, ISBN 0387944737.
Richard Crandall: Projects in scientific computation. Springer-Verlag, 2000, ISBN 0387950095.
Richard Crandall: Introduction to scientific computation: A primer. Springer-Verlag, 2009, ISBN 0387948406.

Weblinks

Hans-Joachim Bungartz, Christoph Zenger: Wissenschaftliches Rechnen – eine interdisziplinäre Disziplin in: aviso – Zeitschrift für Wissenschaft und Kunst in Bayern, Ausgabe 1/98. wwwzenger.informatik.tu-muenchen.de

Einzelnachweise