微分方程数值方法

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出版者:科学出版
作者:胡健伟 汤怀民
出品人:
页数:505
译者:
出版时间:1999-1
价格:24.00元
装帧:
isbn号码:9787030069627
丛书系列:
图书标签:
  • 微分方程
  • 数值方法
  • 数学
  • 计算数学
  • 科学计算
  • 工程数学
  • 数值分析
  • 算法
  • 高等教育
  • 理工科
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具体描述

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《计算方法基础与应用》 内容提要 本书旨在为读者提供一个全面而深入的计算方法理论框架与实践指南,尤其侧重于那些在现代科学与工程领域中不可或缺的数值技术。全书内容组织严谨,逻辑清晰,从最基本的数值逼近理论出发,逐步深入到复杂的偏微分方程求解技术,内容涵盖了代数方程组的迭代方法、函数逼近与插值、数值积分、常微分方程的数值解法,以及有限元方法等核心主题。 第一部分:数值计算的基石 第一章:误差分析与浮点运算 本章首先建立了数值计算的理论基础,详细阐述了误差的来源、分类(截断误差与舍入误差)及其量化方法。深入探讨了浮点数的表示标准(IEEE 754),分析了浮点运算的精度损失机制,并介绍了如何通过合理的算法设计来控制和最小化计算误差。理解浮点数的特性是保证数值计算稳定性的前提。 第二章:非线性方程的求解 本章聚焦于求解单变量和多变量非线性方程 $f(x) = 0$ 的数值技术。系统介绍了牛顿法、割线法(Secant Method)和不动点迭代法。对每种方法的收敛性进行了严格的数学分析,包括局部收敛速度的评估(线性收敛、超线性收敛和二次收敛)。同时,讨论了如何选择合适的初始猜测值以确保算法的有效性,并探讨了欠定和超定非线性系统的最小二乘解法。 第三章:线性方程组的数值解法 线性代数方程组是数值计算的核心。本章首先讨论了直接法,包括高斯消元法、LU分解、Cholesky分解及其在求解大型稀疏系统中的应用。随后,重点介绍了迭代法,如雅可比迭代(Jacobi)和高斯-赛德尔迭代(Gauss-Seidel)。对于大规模问题,本章深入探讨了Krylov子空间方法,包括共轭梯度法(CG)和广义最小残量法(GMRES),并分析了预处理技术(Preconditioning)对迭代加速的关键作用。此外,还涉及了矩阵的条件数、稳定性分析以及特征值问题的数值解法(如QR算法)。 第二部分:函数逼近与离散化 第四章:插值与数据拟合 本章探讨了如何使用有限的采样点来近似一个连续函数。详细介绍了拉格朗日插值、牛顿插值以及分段插值,特别是三次样条插值(Cubic Spline),分析了样条插值的光滑性和局部性优势。随后,转向非精确拟合,全面讲解了最小二乘法(Least Squares Fitting),包括线性最小二乘和非线性最小二乘问题,以及正交多项式在拟合中的应用。 第五章:数值积分(Quadrature) 本章关注如何精确或近似计算定积分 $int_a^b f(x) dx$。从牛顿-科茨公式(Newton-Cotes Formulas)的基础(如梯形法则和辛普森法则)入手,逐步过渡到更高效的复化公式和高斯求积法(Gaussian Quadrature)。重点分析了高斯求积的代数精度特性及其在提高计算效率方面的优越性。同时,也讨论了高维积分的蒙特卡洛方法。 第三部分:常微分方程的数值解法 第六章:常微分方程初值问题的数值方法 本章专门解决形如 $y'(t) = f(t, y(t)), quad y(t_0) = y_0$ 的初值问题。详细阐述了单步法,如欧拉法(Euler's Method)及其改进形式(隐式欧拉法),以及龙格-库塔(Runge-Kutta, RK)方法族,特别是经典的四阶RK方法。讨论了局部截断误差、全局误差和区域截断误差的理论。对于刚性(Stiff)微分方程,本章将介绍隐式方法的必要性及其稳定性区域分析。 第七章:常微分方程边值问题的数值解法 本章处理具有边界条件的常微分方程边值问题。主要介绍有限差分法(Finite Difference Method),即如何利用差商来近似导数,并将微分方程转化为线性或非线性代数方程组求解。同时,简要介绍射击法(Shooting Method)如何将边值问题转化为初值问题求解。 第四部分:偏微分方程的数值逼近 第八章:偏微分方程的有限差分法 本章是求解偏微分方程(PDEs)的经典数值工具。重点研究抛物型方程(如热传导方程)、双曲型方程(如波动方程)和椭圆型方程(如泊松方程)的离散化。详细推导了显式和隐式有限差分格式,并对它们的稳定性和收敛性(如Von Neumann稳定性分析)进行严格论证。 第九章:偏微分方程的有限元方法导论 本章为读者引入更强大的偏微分方程求解框架——有限元方法(FEM)。从变分原理和弱形式(Weak Formulation)的建立开始,解释了形函数(Shape Functions)的选择、单元的组装过程以及刚度矩阵的构建。本章重点关注如何利用FEM求解拉普拉斯方程和泊松方程,并讨论其在处理复杂几何边界上的优势。 附录:MATLAB/Python 编程实践 附录提供了上述核心算法的实现指导和代码示例,帮助读者将理论知识转化为实际的计算能力,并侧重于如何利用现代数值计算软件库进行高效求解。 本书特色 本书的特点在于理论推导的严谨性与实际应用的紧密结合。每章均配有丰富的算例和习题,不仅要求读者理解算法的原理,更要求掌握其在工程实践中的局限性与鲁棒性设计。本书适合高等院校数学、物理、力学、化学、电子工程及计算机科学等专业的高年级本科生和研究生作为教材或参考书,对从事科学计算和工程模拟的专业人员亦具重要参考价值。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的装帧设计非常别致,封面采用了一种略带磨砂质感的深蓝色调,配以烫金的书名和作者信息,整体给人一种沉稳而又不失现代感的感觉。内页纸张的选取也颇为讲究,触感细腻,在长时间阅读时能有效减轻眼睛的疲劳。至于内容的排版,逻辑清晰,章节间的过渡自然流畅,即便是初次接触这个领域的读者,也能在阅读过程中找到清晰的脉络。特别是那些复杂的数学公式,排印得极为工整清晰,这对于需要反复对照和推导的专业书籍来说,是至关重要的细节。我很欣赏作者在保持学术严谨性的同时,注重了阅读体验的优化,让一本技术性很强的书籍读起来也成为一种享受。作者似乎深谙读者的需求,将理论与实际应用的结合点标注得非常到位,使得学习过程中的困惑点能得到及时的解答和印证,这一点让我对后续的学习充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

从整体结构来看,这本书的结构具有极强的自洽性和连贯性,似乎是作者多年教学经验的沉淀与提炼。它并没有像一些参考书那样,将各种方法一股脑地堆砌,而是有主次之分,重点突出了那些在工程实践中应用最为广泛且具有深厚理论基础的方法体系。比如,对某一特定类型的偏微分方程,书中会首先深入剖析一到两种最经典的解法,详细展开每一步的推导和误差分析,然后再将其他变种方法作为补充或对比。这种“聚焦核心,辐射拓展”的编排方式,使得读者可以稳扎稳打地建立起坚实的知识框架,避免了在初期就被过多选择所淹没的困扰。这种精心组织的学习路径,使得这本书非常适合作为系统学习该领域知识的权威教材,而非仅仅是一本零散的参考手册。

评分☆☆☆☆☆

令人惊喜的是,本书在理论阐述的深度与广度之间找到了一个近乎完美的平衡点。在保证核心数值方法(如有限差分法、有限元法等)讲解透彻的基础上,作者还花费了相当的篇幅来讨论现代计算中的关键议题,例如算法的稳定性和收敛性分析,这部分内容往往是很多教材中一笔带过或过于简化的。书中对这些严谨分析的呈现方式,非常注重理论的严密性,但同时又穿插了大量图示来辅助说明复杂的数学现象,比如网格剖分的质量如何影响误差分布的图解,直观易懂。这种对计算科学底层原理的坚持,使得读者在面对新的或未曾学过的数值模型时,能够迅速抓住其本质,而不是仅仅停留在套用既有公式的层面。它培养的不是计算的熟练工,而是能够理解和设计算法的思考者。

评分☆☆☆☆☆

这本书的习题部分设计得堪称典范,充分体现了编者对教学目标深刻的把握。习题的梯度设置非常科学合理,从最基础的直接应用定义和公式的巩固练习,到需要整合多个章节知识点才能解决的综合分析题,再到最后几章那些真正考验洞察力和创新思维的开放式研究问题,构成了一个完整的学习反馈闭环。我尤其赞赏那些带有“案例分析”标记的习题,它们往往引用了近年来工业界或科研前沿中的真实问题背景,要求读者不仅仅是计算出数值解,还要对结果的物理可行性和误差来源进行深入探讨。这种将练习题提升到“小课题”层面的做法,极大地激发了我主动探索和批判性思考的欲望,远超出了传统教材中那些孤立的数值计算练习的水平。

评分☆☆☆☆☆

初次翻阅这本书时,最让我眼前一亮的便是它对概念的阐述方式。作者似乎采用了多层次的讲解策略,对于同一个数学对象,会先给出直观的几何解释,接着是严谨的代数定义,最后再补充一些相关的物理或工程背景。这种由浅入深、多维度的切入点,极大地降低了抽象概念的学习门槛。例如,在引入某个核心定理时,书中不仅仅是堆砌公式,而是用了一整段文字来描绘其背后的物理意义,仿佛在讲述一个关于变化和平衡的故事。我发现,很多其他教材中晦涩难懂的证明过程,在这里被巧妙地分解成了若干个小步骤,每一步都有清晰的动机说明,读起来不再是单纯的记忆,而是一种理解的顺理成章。对于我这样需要将理论应用于实际建模的工程师来说,这种注重“为什么”而不是仅仅关注“是什么”的叙述风格,无疑是更具价值的。

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比李荣华那本强太多了

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有限元NB

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