ソフトウェア基盤研究室

数値シミュレーションや機械学習などの基盤となる数値計算について， よろ高速かつ高精度な計算手順の開発および実装について研究しています． 特に，常微分方程式および線形方程式の解法，行列関数の計算に関する研究に取り組んでいます． 近年はマルチコア化や SIMD 命令の実装，GPU や Xeon Phi などのアクセラレータ利用のように コンピュータアーキテクチャが複雑化と多様化を続けており， 各アーキテクチャの性能をできるかぎり引き出すためのプログラムの開発にも取り組んでいます．

メンバー

廣田 千明 准教授
中村 真輔 助教

研究内容


シミュレーション工学

simulation engineering りんご感染病のシミュレーション
自然現象や社会現象について知るための手段としてシミュレーションがあり， そのための道具としてコンピュータがよく使われます． 現象をコンピュータで再現するための表現形式は微分方程式やセルオートマトンなど様々あり， それらで使われる計算技術も数値解析やマルチエージェントシミュレーションなど 数多くのものが存在します．より正確に現象を知ることができるように， 現象の表現形式およびそこで必要になる計算技術について研究しています．

並列計算

parallel computing
より正確なシミュレーションのためには膨大な計算時間が必要です． それに対応する形でコンピュータの性能も年々向上しています． 近年では特にコンピュータ内部の演算器を増やすことで性能向上が図られているため， 最新のコンピュータの性能を引き出すためには複数の演算器を同時に動かす並列計算が不可欠です． しかし並列計算のためにはそれに適した計算手順および特殊なプログラミング技術が必要です． 主に線形代数の計算のために，並列計算に適した手順やその実装方法について研究しています．

工学教育

engineering education
ものづくり教育や子ども向けのプログラミング教育など，工学教育について研究しています． 子どものプログラミング教育は近年特に注目を集めていますが，教材も教育法もまだまだ未発達です． そのため，効果的な教育ができる教材を開発を行っています． 子どもたちの勉強になって，しかも楽しい教材を作りたいと思っています．

外部研究資金・共同研究

  • 見えないものの価値の認識を促すプログラミング教材の開発
    日本学術振興会: 科学研究費補助金　基盤研究（C）
    研究期間: 2022年4月 - 2026年3月 代表者: 廣田千明
  • 電子情報技術の理解を深める子ども向けプログラミング教材の作成
    日本学術振興会: 科学研究費補助金　基盤研究（C）
    研究期間: 2018年4月 - 2022年3月 代表者: 廣田千明
  • 爆発レートの数値的比較手法の開発
    日本学術振興会: 科学研究費補助金　若手研究（B）
    研究期間: 2008年4月 - 2010年3月 代表者: 廣田千明


受賞

  • 栗田真明，廣田千明, 中村真輔，本荘由利テクノネットワーク学生発表会・コンテスト，企業賞（2023.3）：「スマート空調を題材とした小学校STEAM教育教材の作製」
  • 中村真輔，小澤一文，廣田千明，2020年度日本応用数理学会論文賞（ノート部門）
  • 廣田千明，小澤一文，2005年度日本応用数理学会論文賞（理論部門）


研究業績


査読付きジャーナル論文

  • Shinsuke Nakamura, Evaluating the matrix logarithm for specified relative accuracy, Far East Journal of Applied Mathematics, Vol.17 (2020), pp.1-13.
  • 中村真輔，小澤一文，廣田千明， Exponential Integrator に現われる行列関数の改良計算法， 日本応用数理学会論文誌，Vol. 27 (2017)，pp. 45-65．
  • 小澤一文，中村真輔，廣田千明， Binary poweringによって浮動小数点数のベキを高速かつ高精度に計算する方法， 日本応用数理学会論文誌，Vol. 27 (2017)，pp. 66-83．
  • S. Nakamura, K. Ozawa, C. Hirota, Scaling and modified squaring method for the matrix exponential, JSIAM Letters, Vol. 8 (2016), pp. 65-68.
  • S. Nakamura, T. Mitsui, A pre-fetched BiCGSTAB method in the solution of the trapezoidal rule of large ODEs, FJAM, 36(2009), 1-24.
  • C.Hirota, T.Ishiwata and S.Yazaki, Numerical study and examples on singularities of solutions to anisotropic crystalline curvature flows of nonconvex polygonal curves， Adv. Stud. Pure Math., 47-2(2007), 543-563．
  • 中村真輔，三井斌友， 大規模常微分方程式系の台形則に対するBiCGSTAB 法 --- Krylov 部分空間の再利用による高速化の試み ---, 日本応用数理学会論文誌，17(2007)， 219-238．
  • C. Hirota and K. Ozawa, Numerical method of estimating the blow-up time and rate of the solution of ordinary differential equations -An application to the blow-up problems of partial differential equations-, J. Comp. Appl. Math., 193 (2006), 614-637．
  • C. Hirota, T. Ide, N. Fukuoka and M. Okada, Generalized energy integrals and energy conserving numerical schemes for partial differential equations， Japan J. Indust. Appl. Math., 21(2004), 163-179．
  • 廣田千明，小澤一文, 常微分方程式系の解の爆発時刻および爆発レートの推定法 -偏微分方程式の爆発問題への応用-, 日本応用数理学会論文誌,14 (2004), 13-38．
  • T. Ide, C. Hirota and M. Okada, Generalized energy integral for ∂u/∂t=δG/δu, its finite difference schemes by means of the discrete variational method and an application to Fujita problem, Adv. Math. Sci. Appl. 12 (2002), 755-778．

査読付き国際会議論文

著書 (執筆分担)

会誌論文、解説論文

その他の論文（紀要, 報告書など）

その他の論文（講演，口頭発表，デモセッションなど）

  • 中村真輔，指数関数型積分器で必要となる行列関数の高速計算法， 第 189 回ハイパフォーマンスコンピューティング研究発表会 (2023.5.10)
  • 廣田千明，橋浦康一郎，伊藤大輔，自動追尾型太陽光発電パネルを題材としたSTEM教育教材， 日本STEM教育学会2023年3月拡大研究会 (2023.3.11)
  • 米村敦，上田学，廣田千明，菅原英子，伊藤桂一，Pythonによる物理シミュレーション教材の作成，第28回高専シンポジウム in Yonago (2023.1.28)
  • 栗田真明，廣田千明, 中村真輔，スマート空調を題材とした小学校STEAM教育教材の作製， 本荘由利テクノネットワーク学生発表会 (2023.2.22)
  • 田代凜音, 中村真輔，廣田千明※３，縦長行列に対する特異値分解のFPGAアクセラレータへの実装， 本荘由利テクノネットワーク学生発表会 (2023.2.22)
  • 藤原滉太，上田学，廣田千明，伊藤桂一，Google Colabを用いた物理用Web教材の開発， 第27回 高専シンポジウムオンライン（2022.1.22）
  • 廣田千明，県内企業との連携講義「秋田の情報産業」が期待するDX時代の地方創生を実らせるには？， 第12回UNIIC/INC（イノベーション・ネットワーク・カフェ）（2022.1.21）
  • 廣田千明，秋田におけるプログラミング教育の活動， 第10回UNIIC/INC（イノベーション・ネットワーク・カフェ）（2021.7.16）
  • 齋藤裕貴，廣田千明，掃除ロボットをテーマとしたプログラミング教材の開発， 令和2年度本荘由利テクノネットワーク【学生×企業】事業秋田県立大学学生発表会・コンテスト (2021.2)
  • 中村真輔，行列対数関数のためのニュートン法の精度改善，日本応用数理学会「行列・固有値問題の解法とその応用」研究部会 第30回研究会 (2020.12)
  • 井上祐美子，自動改札機の仕組みからサーバーの必要性を学習するためのプログラミング教材の改良，本荘由利テクノネットワーク学生パネル発表，(2020.2)
  • 工藤風花，自動販売機を通して身近な物がプログラムで動作していることを理解するための教材の開発，本荘由利テクノネットワーク学生パネル発表，2020年2月20日．
  • 中村真輔，指定相対精度での行列対数関数の計算法，日本応用数理学会2019年度年会，(2019.9)
  • 蒲澤美於，橋浦康一郎，寺田裕樹，廣田千明，自動改札の仕組みを学習するためのプログラミング教材の開発，電子情報通信学会教育工学研究会，岩手大学，(2019.7)
  • 中村真輔，Inverse scaling and squaring の改善による行列対数関数の高精度計算法，日本応用数理学会第15回研究部会連合発表会，(2019.3)
  • 土田翔馬，中村真輔，廣田千明，Xeon Phiのためのハイブリッドソート”，第164回ハイパフォーマンスコンピューティング研究会，(2018.5)
  • 櫻井理永，廣田千明，中村真輔，偏微分方程式の数値解法における弧長変換の拡張，平成29年度情報処理学会東北支部研究会，2017年11月
  • 中村真輔， Scaling and squaring のためのパラメータ算出法， 日本応用数理学会「行列・固有値問題の解法とその応用」研究部会 第 24 解研究会，2017 年 11 月．
  • 中村真輔， Scaling and squaring のためのパラメータについての検証， 日本応用数理学会 2017 年度年会，2017 年 9 月．
  • 小野寺優希也, 内川真由香, 大槻和果葉, 橋浦康一郎, 寺田裕樹, 廣田千明，秋田県立大生による子ども向けプログラミング教室，日本工学教育協会第65回年次大会・工学教育研究講演会，2017年8月
  • 廣田千明，秋田県立大学におけるものづくりコンテストによる創造性教育，ミニシンポジウム「大学生と企業人のものづくり－イノベーション創出へ向けて－」，2017年2月
  • 寺田裕樹，片岡康浩，長南安紀，渡邉貫治，石井雅樹，崎山俊雄，小宮山崇夫，橋浦康一郎，廣田千明，ものづくりコンテストの成果と今後，第14回ものづくり創造性教育に関するシンポジウム，2016年11月
  • 中村真輔，小澤一文，廣田千明， Exponential integrator に現われる行列関数の計算法， 日本応用数理学会研究部会連合発表会，2016 年 3 月．
  • 中村真輔，小澤一文，廣田千明， Exponential integrator に現われる行列関数の精度改善， 日本応用数理学会「行列・固有値問題の解法とその応用」研究部会 第 20 回研究会，2015 年 12 月．
  • 中村真輔，小澤一文，廣田千明， 行列指数関数の計算法における squaring process の精度の改善， 日本応用数理学会平成 27 年度年会，2015 年 9 月．
  • 馬場俊幸，中村真輔，小澤一文， GPU を用いた多倍長浮動小数演算の高速化， 平成 26 年度第 2 回情報処理学会東北支部研究会，2014 年 12 月．
  • 鈴木克，中村真輔，小澤一文， CG 法のための SSOR 前処理の並列化， 平成 26 年度第 2 回情報処理学会東北支部研究会，2014 年 12 月．
  • 中村真輔，小澤一文， 共有分散環境のための SOR 法のハイブリッド並列化， 環瀬戸内応用数理研究部会シンポジウム，2014 年 12 月．
  • 廣田千明，渡邉貫治，寺田裕樹，片岡康浩，長南安紀，崎山俊雄，石井雅樹，創造チャレンジ制度について，第12回ものづくり・創造性教育に関するシンポジウム，2014年11月
  • 鈴木克，中村真輔，小澤一文， 通信を考慮したオーダリングによる SSOR 前処理の並列化， 日本応用数理学会 2014 年度年会，2014 年 9 月．
  • 八重樫翔，廣田千明，藤田問題に対する差分スキームの評価，日本応用数理学会2014年度年会ポスターセッション，2014年9月
  • 影山昂太郎，中村真輔，小澤一文， GPU を用いた数値多重積分の高速化， 電気関係学会東北支部連合大会，2014 年 8 月．
  • Pade 近似を用いた matrix exponential operator の計算法，中村真輔， 「常微分方程式の数値解法とその周辺」2014 年度研究集会講演論文集．
  • S. Nakamura, K. Ozawa, T. Mitsui, A pre-fetched BiCGSTAB method in the solution of the trapezoidal rule of large ODEs, SciCADE 2013, Nov. 2013.
  • 鈴木克，中村真輔，小澤一文， 通信を考慮した変数間の分類による対称 SOR 法の並列化， 日本応用数理学会 2013 年度年会， 2013 年 9 月．
  • 廣田千明，戸花照雄，渡邉貫治，片岡康浩，演習授業による学習意欲向上の試み，第63回東北・北海道地区大学等高等・共通教育研究会，2013年8月

修士論文

2018年度

  • Knights Landing のためのハイブリッドソートの実装と評価

卒業論文

2022年度

  • 太陽光発電パネルを題材とした身近な問題の解決意識を育む教材の開発
  • スマート空調を題材とした小学校STEAM教育教材の作製
  • 配膳ロボットを題材にした教材の開発
  • 縦長行列に対する特異値分解のFPGAアクセラレータへの実装
  • 選挙制度の特徴を比較する小学校向けシミュレーション教材の作成

2021年度

  • 掃除ロボットの教材における試行錯誤に関する改良
  • エレベータを例として身近な情報技術への気付きを育む教材の開発
  • ドライブレコーダー映像中の移動物検知に動的モード分解を用いる試み
  • 食物連鎖のシミュレーション結果に対する動的モード分解による安定状態の推定

2020年度

  • Xeon Phiプロセッサーにおける行列の累乗計算のBatched BLASによる高速化
  • 掃除ロボットをテーマとしたプログラミング教材の開発
  • 食物連鎖のシミュレーション結果に対する動的モード分解の検討
  • 暗号の基礎を理解するためのプログラミング教材の開発
  • エアコンの効率的な利用に関するプログラミング教材の開発

2019年度

  • 自動改札機の仕組みからサーバーの必要性を学習するためのプログラミング教材の改良
  • 食物連鎖のシミュレーションによる最小存続可能個体数の推定
  • 自動販売機を通して身近な物がプログラムで動作していることを理解するための教材の開発
  • マルチGPUを用いた行列の累乗計算についての検討
  • 安全な避難を実現するセンサの配置に関する研究

2018年度

  • 小学校理科「電気の通り道」の授業への導入を見据えたプログラミング教材の開発
  • 電子決済の仕組みを学習するためのプログラミング教材の開発
  • マルチエージェントシミュレーションにおける歩行行動ルールの改善
  • GPGPUを用いた行列のべき乗の高速計算
  • Van der Pol 方程式に対する時間方向マルチグリッドリダクション法の性能評価

自主研究

2022年度

  • みーーーんなのテニスゲーム制作

2019年度

  • レゴ・マインドストームで作ったエレベータを用いた小学生向けプログラミング教材の作成
  • ストーカー撃退グッズを作ろう！　～MESHを用いた防犯グッズの作成～
  • Amazon Web Servicesによるサーバの構築

2018年度

  • 情報工学科版人生ゲームの作製
  • 鉄道運行のシミュレーション
2023.5.15現在