Tensor Spaces and Numerical Tensor Calculus

Tensor Spaces and Numerical Tensor Calculus pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Springer
作者:Wolfgang Hackbusch
出品人:
页数:524
译者:
出版时间:2012-2-24
价格:USD 149.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9783642280269
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
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  • Data science
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具体描述

《张量空间与数值张量演算》 内容简介 本书深入探索了张量(tensor)这一数学工具在现代科学与工程领域日益增长的重要性,旨在为读者提供一个全面、严谨且兼具实践性的张量理论和计算方法体系。本书内容涵盖了张量理论的核心概念、张量代数、张量演算及其在数值计算中的具体应用,特别侧重于如何利用张量方法解决复杂的科学问题。 第一部分:张量理论基础 本部分为读者建立坚实的张量理论基础。我们将从张量的定义出发,阐述其作为多线性映射的本质,以及其在不同坐标系下的变换性质。 张量的定义与分类: 介绍张量的基本概念,包括标量、向量、二阶张量等,并深入探讨高阶张量的构造。我们将区分协变张量、逆变张量和混合张量,以及它们的线性空间结构。 张量的指标表示法: 详细讲解爱因斯坦求和约定(Einstein summation convention)及其在张量运算中的便捷性。介绍上指标(逆变)和下指标(协变)的意义,以及如何通过指标组合来表示张量运算。 张量代数: 涵盖张量的加法、减法、标量乘法、外积(张量积)、内积(缩并)等基本代数运算。特别强调外积如何从低阶张量构造高阶张量,以及内积如何降低张量的阶数。 张量的度量与范数: 介绍在度量张量(metric tensor)存在的情况下,如何定义张量的长度、角度以及范数。这将为后续的数值计算和几何应用奠定基础。 张量的张量分析: 探讨张量在流形上的微分运算,包括协变导数(covariant derivative)的概念。理解协变导数对于描述张量场在弯曲空间中的变化至关重要。 第二部分:数值张量演算 本部分将理论与实践相结合,重点关注如何在计算机上高效地进行张量计算。这部分内容是本书的另一大亮点,旨在为读者提供解决实际问题的利器。 张量分解技术: 深入介绍张量分解的各种方法,如奇异值分解(SVD)、Tucker分解、CP(Canonical/Parafac)分解等。我们将详细讲解每种分解的数学原理、适用场景以及计算复杂度。 CP分解: 介绍如何将一个张量表示为一组秩一(rank-one)张量的和,以及其在模式识别、信号处理等领域的应用。 Tucker分解: 阐述 Tucker 分解如何将高阶张量分解为一个核心张量与一组向量的乘积,其在降维和特征提取方面的优势。 张量网络(Tensor Networks): 介绍如矩阵乘积态(MPS)、张量链(TT)、张量树(TT、TTR)等张量网络结构。这些结构在表示高维张量时具有极高的压缩效率,广泛应用于量子多体物理、机器学习等领域。我们将讨论构建和收缩张量网络的算法。 数值求解张量方程: 探讨求解涉及张量方程的数值方法,例如张量方程的迭代求解算法。 张量计算的软件库与实现: 简要介绍当前流行的张量计算库(如TensorFlow、PyTorch、NumPy中的张量操作),并提供一些编程示例,演示如何利用这些工具实现张量运算和分解。 高阶张量在数值计算中的应用: 数据降维与特征提取: 如何利用张量分解技术处理多维数据,提取关键特征,降低数据维度,例如在图像处理、视频分析、生物信息学等领域。 机器学习中的张量应用: 讲解如何将张量表示和运算应用于深度学习模型(如卷积神经网络、循环神经网络)以及其他机器学习算法中。 科学计算与模拟: 探讨张量方法在计算流体力学(CFD)、有限元方法(FEM)、量子化学计算等领域的应用,例如如何用张量表示和求解偏微分方程。 第三部分:张量的高级概念与应用 在掌握了基础理论和数值计算方法后,本部分将进一步拓展读者对张量世界的认知,介绍一些更高级的概念以及张量在各个前沿科学领域的具体应用。 张量与几何: 探讨张量在微分几何、黎曼几何中的作用,如曲率张量(Riemann curvature tensor)的定义及其几何意义。 张量与物理学: 详细阐述张量在广义相对论(如爱因斯坦张量、能量-动量张量)、电磁学(如电磁场张量)、量子力学(如密度矩阵张量)等经典与现代物理学分支中的核心地位。 张量与数据科学: 进一步深入探讨张量在处理多维、多模态数据时的优势,如推荐系统、社交网络分析、多媒体数据挖掘等。 新型张量算法与模型: 介绍当前张量计算领域的一些新兴研究方向和模型,例如用于处理非结构化数据的张量方法,以及更高效的张量网络算法。 本书的目标读者是具有一定数学和计算机科学背景的研究生、博士生以及从事相关领域工作的研究人员和工程师。通过对本书的学习,读者将能够: 深刻理解张量的数学本质和理论框架。 熟练掌握张量的各种代数和分析运算。 理解并应用主流的张量分解技术。 利用数值张量演算解决实际科学和工程问题。 认识张量方法在现代科学研究中的重要性和广阔前景。 本书力求在严谨性与易读性之间取得平衡,通过丰富的例子和清晰的讲解,帮助读者逐步掌握这一强大的数学工具,并将其灵活应用于自己的研究和开发工作中。

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读后感

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用户评价

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这本书的封面设计着实引人注目,那种深邃的蓝色背景配上抽象的几何图形,立刻给人一种严肃而又充满智慧的感觉。我本来以为这会是一本晦涩难懂的纯理论著作,但翻开扉页后,发现作者在引言中对现代科学中张量应用的宏大叙事,着实激发了我继续深入阅读的兴趣。特别是它对数据科学和机器学习领域中“维度灾难”的讨论,用非常生动的语言勾勒出了传统方法面临的瓶颈。作者似乎非常擅长将复杂的数学概念,通过精心挑选的例子和类比,转化为读者容易理解的图像。我特别欣赏它对基础线性代数概念的回顾,那种回顾并非简单的复述,而是将其置于更高维度的张量框架下进行重新审视,为后续深入学习打下了非常坚实的基础。这种由浅入深、层层递进的结构安排,对于自学者来说无疑是一个巨大的福音,它让复杂的知识点不再显得高不可攀,反而成了一种可以逐步攻克的挑战。这本书无疑在理论深度和可读性之间找到了一个精妙的平衡点。

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这本书最让我感到振奋的是它对于前沿研究领域的洞察和前瞻性。它没有止步于传统的张量分解方法,而是将目光投向了最新的张量流、张量网络在量子信息和复杂系统模拟中的应用。在介绍这些新兴领域时,作者采用了更加开放和探讨性的语气,鼓励读者思考现有框架的局限性以及未来可能的研究方向。这种“站在时代前沿”的视角,对于渴望跟上学术脉搏的研究者来说,具有不可替代的价值。书中对张量方法在解决非线性偏微分方程中的潜在优势的讨论,让我深受启发,它不仅仅是在介绍工具,更是在播撒创新的种子。这本书的价值不在于它提供了所有答案,而在于它为你构建了一个理解和探索未来复杂计算世界的坚实思维框架,它教会你的,是一种看待问题的全新视角。

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这本书的叙述风格简直是一股清流,它避免了许多同类教材中常见的、那种冷冰冰的、堆砌公式的写作方式。相反,作者仿佛是在与一位有一定背景的同行进行一场深入的学术对话。在处理那些核心的张量分解算法时,我留意到作者非常注重对每一步推导背后的物理或几何意义的阐释,而不是仅仅罗列公式的演变。例如,在讨论CP分解和Tucker分解的异同时,作者没有直接给出繁琐的数学证明,而是通过构建一个场景化的应用实例,让读者直观地感受到不同分解模式在数据压缩和特征提取上的适用性差异。这种“讲故事”式的讲解方法,极大地增强了阅读的沉浸感。我甚至觉得,这本书更像是一本高级方法论的指南,而不是纯粹的教科书,因为它总是引导你思考“为什么用这个方法”,而非仅仅“如何用这个方法”。对于想要真正理解张量计算核心思想的读者来说,这种侧重于洞察力的写作无疑是宝贵的财富。

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我是一个偏向于实践操作的研究生,我最看重教材是否能够提供清晰、可执行的数值算法描述。这本书在这方面做得非常出色,它并没有停留在高层理论的描述上,而是深入到了算法的实现细节。特别是关于交替最小二乘法(ALS)和梯度下降法在张量优化中的具体变体,作者不仅给出了伪代码,还细致地分析了不同步长选择对收敛速度的影响。更让我惊喜的是,书中穿插了一些关于大规模张量计算的性能优化技巧,比如如何利用硬件加速和并行化策略来应对海量数据的处理挑战。虽然书的篇幅不薄,但每一个章节的结构都设计得非常紧凑,很少有冗余的内容。读完关于张量网络结构的部分,我立刻感到自己对如何构建更高效的神经网络结构有了全新的认识,这种理论与实际工程需求的紧密结合,是很多纯理论书籍所缺乏的。

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这本书的排版和图示质量达到了行业内的一流水准。在涉及高维几何结构和张量收缩路径的章节,清晰的图示是理解的关键。我发现这本书中的插图不仅美观,更重要的是它们具有极强的解释力。很多抽象的张量积和重塑操作,通过作者设计的巧妙三维透视图,立刻变得一目了然。例如,书中关于张量代数运算的图解,完全颠覆了我过去对这些符号运算的刻板印象。此外,排版上的细节也体现了出版方的专业性,字体选择舒适,数学符号清晰无歧义,页边距的留白恰到好处,使得长时间阅读也不会产生视觉疲劳。这种对细节的极致追求,极大地提升了整个阅读体验,让人在面对复杂概念时,也能保持一份愉悦和专注。可以说,这本书的物理呈现本身,就是一种对知识尊重的体现。

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