现代数值计算方法

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出版者:北京大学出版社
作者:肖筱南 编
出品人:
页数:253
译者:
出版时间:2003-7
价格:15.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787301063323
丛书系列:大学生基础课教材
图书标签:
  • 数学
  • 数值计算
  • Simulation
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具体描述

本书是为理工科院校各专业本科生、研究生开设的“数值计算方法”课程而编写的教材。全书系统地介绍了现代科学与工程计算中常用的数值分析理论、方法及有关应用,内容包括误差分析、线性方程组的直接解法与迭代解拟合、数值积分与数值微分、常微分方程初值问题的数值解法等。本书取材新颖、阐述严谨、内容丰富、重点突出、推导详尽、思路清晰、深入浅出、富有启发性,便于教学与自学。为了加强对学生基本知识的训练与综合能力的培养,每章末都配备了小结并精选了相当数量的算法与C语言程序设计上机实例、复习思考题及综合练习题,以便读者巩固、复习、应用所学知识。书末附有习题答案与提示,可供教师与学生参考。

本书可作为理工科院校各专业本科生、研究生“数值计算方法”课程的教材或教学参考书,也可供从事数值计算的科技工作者学习参考。

《现代数值计算方法》 本书深入探讨了现代科学与工程计算中至关重要的数值方法。从基础的数值误差分析到复杂的非线性方程求解,再到高维问题的近似技术,本书为读者提供了一套系统而全面的数值计算理论框架与实践指导。 第一部分:数值计算基础 本部分着重于数值计算的基石,涵盖了理解和处理数值解的关键概念。 引论与误差分析: 介绍数值计算的起源、发展及其在现代科学中的核心地位。我们将详细讨论数值计算中不可避免的误差来源,包括截断误差(由数学模型的近似引入)和舍入误差(由计算机有限的存储精度引起)。我们将学习如何量化这些误差,如绝对误差、相对误差、界限误差,并介绍误差的传播规律,为后续算法的稳定性和精度分析奠定基础。 代数方程组的数值解法: 重点介绍求解大型稀疏或密集代数方程组的多种方法。 直接法: 深入剖析高斯消元法及其变种(如LU分解、Cholesky分解),讨论其计算复杂度和数值稳定性,并介绍求解对称正定矩阵的优越性。 迭代法: 探讨雅可比迭代法、高斯-赛德尔迭代法以及过松弛(SOR)方法,分析其收敛条件、收敛速度,并介绍如何通过预条件技术加速收敛。 特殊方程组的解法: 涉及带状矩阵、三对角矩阵等特殊结构的方程组的有效求解策略。 非线性方程组的数值解法: 关注求解单变量非线性方程和多变量非线性方程组的数值技术。 单变量方程: 详细阐述二分法、不动点迭代法、牛顿法及其弦截法等经典方法,分析其收敛阶、收敛域和对初值选择的敏感性。 多变量方程: 介绍多维牛顿法、拟牛顿法(如BFGS、DFP)以及其他迭代优化方法,讨论其在求解复杂系统中的应用,并强调其全局收敛性与局部收敛性的权衡。 第二部分:函数逼近与插值 本部分关注如何利用离散数据点构造连续函数的近似。 多项式插值: 介绍拉格朗日插值、牛顿插值以及Hermite插值,讨论其构造思想、唯一性及其在函数逼近中的局限性(如Runge现象)。 样条函数插值: 重点介绍三次样条插值,分析其在克服多项式插值高频振荡方面的优势,并讨论其在曲线拟合和数据平滑中的广泛应用。 最佳逼近: 引入最佳逼近的概念,包括L2逼近和Chebyshev逼近,介绍正交多项式(如Legendre、Chebyshev多项式)在函数逼近中的作用。 函数逼近的其他方法: 简要介绍有理函数逼近、三角多项式逼近(如Fourier级数)及其在信号处理和逼近理论中的作用。 第三部分:数值积分与微分 本部分提供计算定积分和导数的数值方法。 数值积分(Quadrature Formulas): Newton-Cotes公式: 详细介绍梯形法则、辛普森法则及其高阶形式,分析其误差项和适用范围。 Gauss积分公式: 阐述Gauss-Legendre、Gauss-Chebyshev等高斯积分的构造原理,突出其高精度和对积分区间的适应性。 复化积分与自适应积分: 讨论如何通过复化基本公式提高精度,并介绍自适应积分策略以处理被积函数局部变化剧烈的区域。 数值微分: 介绍利用有限差分法(向前差分、向后差分、中心差分)逼近导数的方法,分析不同差分格式的精度和稳定性,并讨论如何计算高阶导数。 第四部分:常微分方程的数值解 本部分致力于求解初值问题和边值问题。 初值问题(IVP): 单步法: 详细讲解欧拉法(显式和隐式)、改进欧拉法(中点法)、Runge-Kutta方法(二阶、四阶及其它),分析其截断误差、收敛阶和稳定性(如A稳定性),并讨论如何选择合适的步长。 多步法: 介绍Adams-Bashforth(显式)和Adams-Moulton(隐式)方法,以及预测-校正(PECE)策略,讨论其计算效率和稳定性。 边值问题(BVP): 打靶法(Shooting Method): 将边值问题转化为一系列初值问题进行求解,介绍如何调整初值以满足边界条件。 有限差分法: 利用有限差分近似微分方程的导数,将其转化为代数方程组求解。 第五部分:特征值问题 本部分讨论求解矩阵的特征值和特征向量。 幂法与反幂法: 介绍计算最大(最小)特征值及其对应特征向量的迭代方法。 QR算法: 深入讲解QR分解在求解所有特征值和特征向量中的重要性,包括基本QR算法及其优化版本。 其他方法: 简要提及Householder变换、Givens旋转等用于矩阵变换的方法。 第六部分:偏微分方程的数值解 本部分介绍求解偏微分方程的数值方法,特别是其在实际问题中的应用。 有限差分法: 将偏微分方程在空间和时间离散化,利用有限差分近似偏导数,将其转化为常微分方程组或代数方程组。详细讨论中心差分、向前差分、向后差分在不同边界条件下的应用。 有限元法: 介绍有限元法的基本思想,包括区域划分、基函数选择、弱形式推导以及刚度矩阵和载荷向量的构建,重点分析其在处理复杂几何形状和边界条件方面的优势。 其他方法: 简要提及有限体积法、谱方法等。 第七部分:优化方法与数据拟合 本部分涵盖了优化算法和统计数据处理技术。 优化方法: 无约束优化: 讨论梯度下降法、牛顿法、拟牛顿法(如共轭梯度法、BFGS)等求解无约束优化问题。 约束优化: 介绍二次规划、线性规划的求解方法,以及拉格朗日乘子法、Penalty函数法等处理约束的方法。 数据拟合: 最小二乘法: 详细讲解线性最小二乘和非线性最小二乘拟合,讨论其在参数估计中的应用。 正则化技术: 介绍Ridge回归、Lasso回归等处理病态数据和防止过拟合的技术。 第八部分:数值计算的软件与应用 本部分将理论与实践相结合,介绍常用的数值计算软件和工具,并展示数值方法在各领域的典型应用案例。 常用数值计算软件: 介绍MATLAB、Python (NumPy, SciPy, Pandas)、R等语言及其在数值计算中的强大功能。 实际应用案例: 涵盖物理模拟(如流体力学、电磁场)、工程设计(如结构分析、控制系统)、金融建模、数据科学等领域的具体实例,展示数值计算方法如何解决实际问题,并引导读者将所学知识应用于解决新的挑战。 本书旨在帮助读者深刻理解现代数值计算方法的设计原理、误差特性和适用范围,培养解决复杂计算问题的能力,并为进一步深入研究相关领域打下坚实基础。

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读后感

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用户评价

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不得不说,这本书的编排顺序简直是一场精心设计的迷宫探险。它没有采用那种平铺直叙的写法,而是将一些高阶的主题穿插在基础内容的讲解之中,这种“跳跃式”的结构反而激发了我的好奇心。例如,在初识插值理论不久,作者就引入了与此相关的优化问题,这种跨领域的连接,让我看到了不同数学分支之间的相互联系,极大地拓宽了我的视野。虽然初读时可能会觉得节奏略快,需要时不时回溯检查,但这恰恰锻炼了我们主动构建知识体系的能力。书中的图示和流程图设计得非常考究,很多复杂的计算过程,仅凭一张图就能让人茅塞顿开,这比单纯依赖文字描述要高效得多。对于那些希望快速掌握数值计算精髓,并且不惧怕一定挑战的读者来说,这本书无疑是一剂强效的“助推剂”。

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这本书的文字功底确实让人印象深刻,读起来完全没有传统教材那种干巴巴的感觉。作者的语言风格介于学术严谨和通俗易懂之间取得了完美的平衡。它在介绍像有限差分法或者矩阵分解这类核心内容时,讲解得非常到位,每一步的推导都清晰明了,不会让人在关键节点上感到迷茫。我最喜欢的是它对算法稳定性的讨论,这一点很多教材往往一带而过,但这本书却花了大量篇幅,用非常直观的方式解释了误差是如何在计算过程中累积和放大的,这对于从事工程计算的人来说,简直是宝贵的经验之谈。而且,书中提供的算例都是经过精心挑选的,它们不仅有助于巩固理论知识,更重要的是,展示了理论与实践结合的可能性。每次合上书本,都会有一种被知识充盈的感觉,仿佛脑海中那些零散的概念突然间都有了清晰的脉络和秩序。

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这本书的深度和广度都令人叹服,它成功地将一个庞大且分支众多的领域进行了高度概括,同时又不失细节的精确性。阅读过程中,我不断地被作者对数学严谨性的坚持所折服。即便是处理那些看似寻常的数值积分问题,书中也会深入探讨积分公式的误差来源和精度限制,这种对细节的执着,是衡量一本优秀技术书籍的重要标准。更难能可贵的是,书中对一些前沿的研究方向也进行了简要的介绍和展望,这使得这本书的生命力得以延续,不仅仅局限于当前已有的知识体系。它提供了一个坚实的知识基石,让读者在学完之后,能自信地迈向更专业、更深奥的研究领域。总而言之,这是一本值得反复研读、常读常新的专业参考书。

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这本书的封面设计很有意思,色彩搭配和排版都透着一股严谨又不失活力的气息。初次翻阅,就被它清晰的逻辑结构所吸引。作者的叙述方式非常细腻,仿佛在带领我们进行一场探索之旅,从最基础的概念入手,逐步深入到复杂的算法实现。尤其是在处理那些看似枯燥的数学推导时,作者总能巧妙地穿插一些生动的例子或者实际的应用场景,让抽象的理论变得触手可及。我特别欣赏它对算法的剖析,不仅仅停留在公式的罗列,更注重于背后的思想和效率考量。比如,在讨论迭代法的收敛性时,那种层层递进的分析,让人对数值计算的内在机制有了更深刻的理解。书中对不同方法的优缺点比较也十分到位,提供了很多实用的指导,能帮助我们在实际项目中做出更明智的选择。读完一部分内容后,我感觉自己对数值计算这个领域的认识又上升到了一个新的台阶,那种豁然开朗的感觉,是很多教科书难以给予的。

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我个人对工具书的偏好是实用至上,而这本书在这方面表现得非常出色。它不仅仅停留在理论层面,更像是一本手把手的操作指南。书中对各种数值方法的“可操作性”进行了深入的探讨,比如,在讨论非线性方程求解时,作者详细对比了牛顿法、割线法以及各种加速策略的实际性能表现,甚至提到了在特定硬件架构下可能遇到的陷阱。这种极具现场感的叙述,让我感觉作者本人就是一位经验丰富的计算科学家,而不是一个象牙塔里的理论研究者。此外,书中对如何用编程语言(虽然没有明确指定语言,但算法描述极具通用性)实现这些方法给出了非常清晰的伪代码,这对于正在构建自己的数值计算库的学生或工程师来说,简直是雪中送炭。它真正教会我的不是“怎么算”,而是“怎么算得好”。

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