B8256 - ANALISI DI SEGNALE E METODI STATISTICI IN GEOFISICA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente/la studentessa conosce e comprende la teoria dell’analisi di segnali nello spazio delle frequenze in relazione ai processi interni alla Terra, oceanografici, e atmosferici che li hanno generati. Lo studente/la studentessa sarà in grado di creare segnali sintetici per la validazione di teorie fisiche, distinguere segnali deterministici e stocastici con metodi computazionali avanzati di processamento del dato reale e di darne un’interpretazione utile a comprendere le tematiche di pericolosità e rischio nel Sistema Terra. Sara’ inoltre in grado di comprendere i metodi statistici che sono utilizzati per le valutazioni della pericolosita’ e del rischio geofisico ed in particolare il metodo della massima verosimiglianza applicato sia alla stima dei parametri di modelli spazio-temporali che a tecniche di regressione error-in-variable. Conoscera’ infine i criteri basati sull’informazione per il confronto di modelli diversi e alcune tecniche per la quantificazione di informazioni qualitative.

Contenuti

La Teoria delle Serie Temporali ed l'Analisi dei Segnalirappresentano il modo più comune di rappresentare dati e modelli temporali in campo scientifico. Lo studio di processi fisici in campo scientifico/ingegneristico non può prescindere da questi strumenti e dalla statistica che li descrive, permettendo di studiarli a scale temporali che vanno dai microsecondi ai milioni di anni.

La teoria dei segnali rappresenta inoltre una introduzione ideale a metodi statistici per stime di pericolosità che, a partire da esempi sismologici, assumono valenza generale in tutti i campi della Fisica della Terra.

Temi trattati.

Analisi di serie temporali: le serie temporali come strumento matematico/fisico per lo studio di fenomeni oscillatori.

Processamento di segnali: costruzione di filtri temporali ed applicazione a serie temporali descriventi processi fisici.

Processamento computazionale: Processing avanzato di serie temporali attraverso software open access, teorie avanzate di correlazione.

Visualizzazione e interpretazione: collaborative coding, visualizzazione in ambiente 3D e 4D di dato geofisico, interpretazione di dati fisici.

Sismologia statistica: proprietà statistiche di occorrenza, metodi di massima verosismiglianza.

Previsione dei terremoti: previsione deterministica, pericolosita' e rischio sismici.

Si assume che lo studente abbia una buona conoscenza preliminare dei concetti di base di metodi matematici per la fisica.

Il corso fornisce i primi elementi di data processing ed analisi computazionale dei segnali a student* del CdS. Gli argomenti trattati forniscono capacità necessarie per lavorare in un ambiente di geofisica e fisica applicata, specialmente in istituti di ricerca ed aziende interessate alla valutazione delle risorse e del rischio sismico.

Il corso prevede esercizi computazionali che forniranno la prima formazione degli studenti sui software e sui linguaggi di programmazione utilizzati dalla comunità scientifica ed ingegneristica per processare segnali.

Testi/Bibliografia

Ogni lezione è accompagnata dalla proiezione di un file PowerPoint. L'insieme dei files, suddiviso in capitoli, contiene un'esposizione esauriente del programma e può fungere da testo per lo studio della materia. I files in formato PowerPoint sono disponibili durante il corso e vi si accede dalla pagina web dell’insegnamento.

Se desiderano approfondire gli argomenti trattati nel corso, gli studenti possono consultare i seguenti testi disponibili nella Biblioteca del Dipartimento di Fisica e Astronomia:

- K. Aki e P. G. Richards, Quantitative Seismology, 2a edizione, University Science Books, Sausalito CA, 2002.

- F. A. Dahlen e J. Tromp, Theoretical Global Seismology, Princeton University Press, Princeton NJ, 1998.

- E. Boschi e M. Dragoni, Sismologia, UTET, Torino, 2000.

- T. Lay e T. M. Wallace, Modern Global Seismology, Academic Press, S. Diego CA, 1995

- Stein S., Wysession M., An introduction to seismology, Earthquakes, and Earth structure, Blackwell Pub., 2003.

I seguenti testi sono disponibili per consultazione a richiesta dello studente:

- D. Gubbins, Time Series Analysis and Inverse Theory, Cambride University Press, Cambridge UK, 2004.

- H. Igel, Computational Seismology, A Practical Introduction, Oxford University Press Books, Oxford UK, 2017.

Metodi didattici

Il corso si presenta nella forma di "lezione frontale" corredata da documentazione visiva in PowerPoint.

Il corso comprende esercitazioni al computer con programmazione in Julia, Matlab, e Python; rispetto a tali modalità ci si attende una partecipazione attiva da parte degli studenti frequentanti.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame sarà orale e avrà in genere una durata di circa 45 minuti.

Allo/o studente/essa sarà chiesto in successione di illustrare tre argomenti, tra quelli trattati nel corso. Per ciascun argomento, gli sarà dapprima chiesto di esporre il quadro generale, quindi si entrerà nel dettaglio su aspetti specifici.

Verra' valutato l'approfondimento e la correttezza delle risposte anche alla luce dell’apprendimento pratico e computazionale.

Il voto sara' una media aritmetica dei voti di ciascuna delle domande.

Strumenti a supporto della didattica

Il corso si avvale di presentazioni che avranno collegamenti con risorse in rete, come database sismologici e codici, che contribuiranno alla formazione computazionale e di dato dello studente.

Le esercitazioni prevedono istruzioni date preventivamente per l'installazione di codici e scarico di datasets su computer personale, per esercitazioni in classe e, facoltativamente, al di fuori dell'orario del corso.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca De Siena

Consulta il sito web di Paolo Gasperini