Introduction to Computational Modeling Using C and Open-Source Tools

出版者:CRC Press

作者:José M. Garrido

页数:463

出版时间:2013-11-13

价格:$89.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781482216783

具体描述

Introduction to Computational Modeling Using C and Open-Source Tools presents the fundamental principles of computational models from a computer science perspective. It explains how to implement these models using the C programming language. The software tools used in the book include the Gnu Scientific Library (GSL), which is a free software library of C functions, and the versatile, open-source GnuPlot for visualizing the data. All source files, shell scripts, and additional notes are located at science.kennesaw.edu/~jgarrido/comp_models

The book first presents an overview of problem solving and the introductory concepts, principles, and development of computational models before covering the programming principles of the C programming language. The author then applies programming principles and basic numerical techniques, such as polynomial evaluation, regression, and other numerical methods, to implement computational models. He also discusses more advanced concepts needed for modeling dynamical systems and explains how to generate numerical solutions. The book concludes with the modeling of linear optimization problems.

Emphasizing analytical skill development and problem solving, this book helps you understand how to reason about and conceptualize the problems, generate mathematical formulations, and computationally visualize and solve the problems. It provides you with the foundation to understand more advanced scientific computing, including parallel computing using MPI, grid computing, and other techniques in high-performance computing.

作者简介

José M. Garrido is professor in the Department of Computer Science at Kennesaw State University. Dr. Garrido’s research focuses on object-oriented modeling and simulation, multidisciplinary computational modeling, formal specification of real-time systems, language design and processors, and modeling systems performance. He developed the Psim3, PsimJ, and PsimJ2 simulation packages for C++ and Java as well as the Object-Oriented Simulation Language (OOSimL). He received a Ph.D. from George Mason University.

目录信息

Problem Solving and Computing
Introduction
Computer Problem Solving
Elementary Concepts
Developing Computational Models
A Simple Problem: Temperature Conversion
Categories of Computational Models
Computing the Area and Circumference of a Circle
General Process of Software Development
Programming Languages
Programs
Introduction
Programs
Data Definitions
Structure of a C Program
Instructions
Simple Functions
A Simple C Program
A Simple Problem: Temperature Conversion
Modular Decomposition: Functions
Introduction
Modular Decomposition
Defining Functions
Calling Functions
Classification of Functions
Numerical Types
Built-in Mathematical Functions
More Concepts of Computational Models
Introduction
Introduction to Errors in Computing
Average and Instantaneous Rate of Change
The Free-Falling Object
Simulation: Basic Concepts
Algorithms and Programs
Introduction
Problem Solving
Algorithms
Algorithm Description
Design Structures
Implementing Algorithms
Computing Area and Circumference
Selection
Introduction
Selection Structure
A Computational Model with Selection
Multi-Level Selection
Complex Conditions
Repetition
Introduction
Repetition with the While Loop
Repeat-Until Loop
For Loop Structure
Arrays
Introduction
Declaring an Array
Operations on Arrays
Arrays as Arguments
A Simple Application with Arrays
Arithmetic Operations with Vectors
Multi-Dimensional Arrays
Applications Using Arrays
Pointers
Introduction
Pointer Fundamentals
Pointers with C
Dereferencing
Converting Pointer Types
Reference Parameters
Pointers with Value NULL
Arrays as Pointers
Complex Data Structures
Defining Type Names
Enumerated Types
Linked Lists
Introduction
Nodes and Linked List
Linked List with Two Ends
Double-Linked Lists
Higher-Level Data Structures
Text Data
Introduction
C Strings
String Input and Output
String Operations
Using the String Functions
Computational Models with Arithmetic Growth
Introduction
Mathematical Modeling
Models with Arithmetic Growth
Using the C Programming Language
Producing the Charts of the Model
Validation of a Model
Computational Models with Quadratic Growth
Introduction
Differences of the Data
Difference Equations
Functional Equations
Examples of Quadratic Models
Models with Geometric Growth
Introduction
Basic Concepts
Functional Equations
Computational Models with Polynomials
Introduction
General Forms of Polynomial Functions
GNU Scientific Library
Evaluation of Polynomial Functions
Solving Polynomial Equations
Models with Interpolation and Curve Fitting
Introduction
Interpolation
Curve Fitting
Using Vectors with the GSL
Introduction
Vectors and Operations
Vector Properties and Characteristics
Implementation of Vectors in C and the GSL
Simple Vector Operations
Matrices and Sets of Linear Equations
Introduction
Matrices
Simple Matrix Operations
Solving Systems of Linear Equations
Introduction to Dynamical Systems
Introduction
Continuous and Discrete Models
Derivative of a Function
Numerical Integration
Differential Equations
Dynamical Systems and Models
Formulating Simple Examples
Solution of Differential Equations
Linear Optimization Modeling
Introduction
Formulation of Problems
Solving Linear Optimization Problems
Introduction
General Form
Foundations of the Algorithm
The Simplex Algorithm
Software Implementations
Sensitivity Analysis and Duality
Introduction
Sensitivity Analysis
Duality
Transportation Models
Introduction
Model of a Transportation Problem
Transportation Case Studies
Transshipment Models
Assignment Problems
Network Models
Introduction
Graphs
Shortest Path Problem
Shortest Path Problem: Case Study 1
Maximum Flow Problems
Critical Path Method
Integer Linear Optimization Models
Introduction
Modeling with Integer Variables
Applications of Integer Linear Optimization
Integer Linear Optimization: Case Study 1
Integer Linear Optimization: Case Study 2
Appendix A: GNU C Compiler Tool
Appendix B: Introduction to Linux
A Summary and Exercises appear at the end of each chapter.
· · · · · · (收起)

用户评价

从第一章开始，作者就以一种极其清晰且富有条理的方式，循序渐进地引导读者进入计算建模的奇妙世界。他并没有一开始就抛出晦涩难懂的概念，而是从最基础的建模思想讲起，例如如何将现实世界的问题抽象成数学模型，以及计算机在这一过程中扮演的核心角色。C语言的引入也恰到好处，作者没有将其仅仅视为一种编程语言，而是将其作为实现计算模型的强大工具，详细阐述了C语言的语法、数据结构以及算法在建模中的应用。我尤其欣赏作者在讲解过程中穿插的那些经典案例，这些案例不仅具有代表性，而且通过代码示例和详细的解释，让我能够直观地理解抽象的理论是如何转化为具体的计算过程的。每一次阅读，我都能从中汲取新的知识点，仿佛在脑海中构建起一个日益精密的知识网络。他对“Open-Source Tools”的介绍也让我眼前一亮，这些免费且强大的工具极大地降低了学习和实践的门槛，为我提供了更广阔的探索空间。我迫不及待地想了解这些工具的具体用法，以及如何将它们与C语言结合，来解决更复杂的建模问题。

这本书的独特之处在于它并没有将理论与实践割裂开来，而是将它们紧密地融合在一起。作者精心设计的练习题和项目，是检验和巩固学习成果的绝佳方式。每一道题，每一个项目，都引导我将刚刚学到的C语言知识和建模思想付诸实践，在亲手编写代码、调试运行的过程中，我不仅深化了对知识的理解，更重要的是培养了解决实际问题的能力。我发现，当遇到困难时，作者的讲解和示例总能给我灵感，让我能够找到突破口。这种“学以致用”的学习模式，极大地提升了我的学习效率和积极性。而且，那些“Open-Source Tools”的介绍，不仅仅是列举它们的名称和功能，更重要的是，作者详细地展示了如何利用这些工具来辅助建模过程，例如数据可视化、性能优化等等，这让我看到了将理论付诸实际应用的光明前景。我感觉自己不再是被动接受知识，而是主动参与到知识的构建过程中，这是一种非常令人兴奋的体验。

这本书的封面设计简洁有力，一种沉稳的蓝色调搭配银色的标题字样，传递出一种严谨而不失现代感的专业气息，瞬间吸引了我这种对计算科学领域抱有浓厚兴趣的读者。在我翻阅第一页时，一种强烈的预感油然而生——这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一扇通往全新认知世界的门。作者的写作风格，我初步感受是那种既有扎实的理论基础，又不乏亲切易懂的讲解方式，这对于许多读者来说至关重要，尤其是那些可能刚刚接触计算建模领域，或者在现有知识体系中寻求突破与拓展的人。我相信，通过这本书，我能够逐步建立起对计算建模的系统性认识，理解其在科学研究、工程实践乃至艺术创作等诸多领域的广泛应用。我期待着深入了解C语言在建模过程中的具体应用，以及那些“Open-Source Tools”究竟能为我的学习和实践带来怎样的便捷与强大功能。这种期待不仅仅是对技术本身的渴求，更是对通过技术解决复杂问题、创造新事物的一种渴望。书本的厚度也暗示了内容的深度和广度，我准备好投入足够的时间和精力，与这本书一同踏上这段充满挑战与惊喜的探索之旅。

在我深入阅读的过程中，我越来越体会到作者在知识体系构建上的匠心独运。他没有将各个章节孤立地进行阐述，而是通过精妙的过渡和逻辑联系，将整个学习过程串联成一个有机整体。从基础的数值计算方法，到复杂的模拟算法，再到数据分析与可视化，每一个环节都自然而然地衔接，让我能够清晰地看到计算建模的脉络。C语言的每一个特性，都与具体的建模任务紧密相连，作者总是能够恰到好处地解释为什么需要掌握某个知识点，以及它在解决建模问题时能发挥怎样的作用。我尤其赞赏作者对“Open-Source Tools”的选取和讲解，这些工具的选择非常具有前瞻性，而且作者的介绍深入浅出，让我能够快速上手并开始使用它们。这种“授人以渔”的教学方式，让我不仅学会了如何使用这些工具，更重要的是，我能够举一反三，去探索更多未知的工具和方法。

在我看来，这本书最令人惊叹的一点是它在理论深度和实践可操作性之间的完美平衡。作者并没有为了追求理论的完备性而牺牲掉实际应用的层面，反之亦然。他详细讲解了各种建模算法的数学原理，但同时又提供了清晰的C语言代码实现，并辅以详尽的解释。我能够通过代码看到理论是如何被转化为可执行的程序的。更重要的是，作者对“Open-Source Tools”的介绍，让我能够将学到的知识应用到更广阔的领域。他展示了如何利用这些工具来处理海量数据、进行复杂的模拟分析，甚至将建模结果可视化，从而更直观地理解问题。这种将理论、编程和工具应用相结合的学习路径，极大地增强了我解决实际问题的信心和能力。我感觉自己不再仅仅是一个学习者，更像是一个能够利用这些知识和工具进行科学探索的实践者。

在我看来，这本书最成功的地方在于它成功地将一个原本可能显得晦涩的学科，变得生动而具有吸引力。作者的叙事方式，更像是在分享一个引人入胜的科学故事，而不是枯燥的技术讲解。他从现实世界的问题出发，逐步引出计算建模的需求，然后介绍C语言如何成为实现这些需求的有力工具，再到“Open-Source Tools”如何为这一过程提供强大的支持。我能感受到作者对这个领域的深刻理解和热爱，这种热情通过文字传递出来，也极大地感染了我。我在阅读过程中，不仅仅是在获取知识，更是在体验一种发现的乐趣，一种通过代码和算法去理解和改造世界的乐趣。这本书为我提供了一个非常坚实的基础，让我能够自信地在这个领域进行更深入的探索和实践。

从技术层面来说，这本书的讲解是极具深度和广度的。作者不仅仅停留于表面的介绍，而是深入到C语言的底层机制，以及各种计算模型的数学原理。他通过精巧的编程示例，展示了如何用C语言实现从简单的线性回归到复杂的粒子系统模拟。而且，他对“Open-Source Tools”的介绍，也并非泛泛而谈，而是具体地说明了这些工具在数据预处理、模型构建、结果分析等各个环节的应用，以及如何将它们与C语言的代码无缝集成。我发现，通过学习这本书，我不仅能够掌握计算建模的核心技术，更重要的是，我能够培养出一种将理论知识转化为实际解决方案的能力。这种能力，是我在快速发展的技术领域中保持竞争力的关键。

这是一本真正能够激发我学习热情和探索欲望的书。作者并没有将计算建模描绘成一个遥不可及的领域，而是通过层层递进的讲解，让我看到这个领域充满机遇和可能性。C语言的强大能力在书中得到了充分的展现，它不仅仅是一种编程语言，更是实现各种复杂计算模型的基石。而“Open-Source Tools”的引入，则为我的学习之旅增添了更多色彩，这些工具极大地拓宽了我的视野，让我看到了如何利用现有的资源来解决更广泛的问题。我尤其欣赏作者在讲解过程中所表现出的耐心和细致，他总是能够预见到读者可能遇到的困惑，并提前给出清晰的解答。这种如同拥有私人导师般的体验，让我对学习过程充满了信心。我迫不及待地想要将书中所学的知识应用到我的实际项目中，去验证和提升我的理解。

坦白说，这本书为我打开了计算建模领域的一扇全新的大门，我之前对此领域虽然有所耳闻，但从未有如此系统和深入的认识。作者从建模的基本思想入手，逐步深入到C语言在实现模型中的各种细节，以及如何利用开源工具来优化和展示模型。我尤其 impressed by the author's ability to explain complex algorithms and mathematical concepts in a clear and accessible manner. His use of real-world examples and well-commented code snippets makes it easy for me to understand how these concepts are applied in practice. The integration of open-source tools is a significant advantage, as it provides practical means to experiment with the learned concepts and apply them to my own projects. I'm looking forward to exploring the various sections on data visualization and simulation, which I believe will be instrumental in developing a comprehensive understanding of computational modeling.

这本书的语言风格，让我仿佛在与一位经验丰富的导师对话。作者的文字朴实无华，但字里行间却透露出深厚的功底和严谨的态度。他善于使用生动的比喻和形象的语言来解释复杂的概念，使得那些看似枯燥的数学公式和编程逻辑变得触手可及。在处理一些关键的建模技术时，作者会放慢节奏，进行详细的剖析，并给出多个角度的解释，确保读者能够真正理解其精髓。我特别喜欢他对“Open-Source Tools”的介绍，作者在介绍这些工具时，不仅说明了它们的功能，更重要的是，他分享了自己在实际应用中的经验和技巧，以及在使用过程中可能遇到的常见问题和解决方案。这种贴近实际的指导，让我感到这本书充满了生命力，而不是一本死板的教科书。每一次阅读，我都能感受到作者对计算建模的热爱以及他希望将这种热爱传递给读者的真诚。