常微分方程基本问题与注释

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出版者:科学出版社
作者:韩茂安
出品人:
页数:134
译者:
出版时间:2018-1-1
价格:CNY 36.00
装帧:平装
isbn号码:9787030550484
丛书系列:
图书标签:
  • 常微分方程
  • ODE
  • 常微分方程
  • 微分方程
  • 数学分析
  • 高等数学
  • 数学教材
  • 工程数学
  • 解题技巧
  • 注释
  • 基础理论
  • 学术参考
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具体描述

常微分方程:理论、方法与应用 《常微分方程:理论、方法与应用》是一本旨在系统阐述常微分方程(Ordinary Differential Equations, ODEs)基本理论、核心求解方法及其在各个学科领域广泛应用的学术专著。本书面向高等院校数学、物理、工程、经济、生物等专业的高年级本科生、研究生以及相关领域的科研人员,力求在严谨的数学基础上,深入浅出地展现常微分方程的魅力及其作为描述自然和社会现象的强大工具。 内容概述: 本书共分为十余章,围绕常微分方程的定义、性质、解的存在唯一性、线性方程组、稳定性理论、数值解法以及一些重要应用展开。 第一部分:基础理论与存在性 绪论: 开篇章节将详细介绍常微分方程的定义、阶数、线性与非线性、齐次与非齐次等基本概念,并通过生动有趣的例子,如人口增长模型、放射性衰变、牛顿第二定律等,引入常微分方程在建模中的核心地位。此部分还将简要回顾微分在微积分中的作用,为后续理解微分方程的求解打下基础。 一阶常微分方程: 深入探讨了一阶常微分方程的各类求解方法。包括: 初等积分法: 详细讲解了可分离变量方程、齐次方程、一阶线性方程、伯努利方程、全微分方程及其积分因子法。每种方法都配有详尽的推导过程和多角度的算例,并分析其适用条件与局限性。 几何意义与相平面分析: 引入了一阶自治方程的相平面分析,通过分析向量场和奇点(平衡点)的性质,揭示方程解的定性行为,如趋于稳定、不稳定或周期性振荡,而无需显式求解。 存在唯一性定理: 严谨地证明了皮卡-林德洛夫(Picard-Lindelöf)定理,确立了初值问题解的存在性与唯一性条件。通过对局部Lipschitz条件的引入和证明,读者将深刻理解解的“好”与“坏”的本质区别。 高阶线性常微分方程: 重点关注高阶线性方程的理论与方法。 齐次线性方程: 详细讨论了常系数齐次线性方程的特征方程法,包括实根、重根、复根情况下的特解形式。对变系数齐次线性方程,则介绍降阶法、常数变易法等。 非齐次线性方程: 讲解了多种求解非齐次线性方程的方法,如待定系数法(适用于常系数方程)、常数变易法(适用于变系数方程)以及拉普拉斯变换法。 常数变易法与Green函数: 深入讲解了常数变易法作为一种通用求解方法,以及Green函数在求解非齐次方程(特别是边界值问题)中的作用和构建方法。 解的存在性与性质: 讨论了高阶线性方程解的线性无关性、Wronskian行列式的性质,以及解的连续依赖于初始条件等重要理论。 第二部分:系统与稳定性 线性常微分方程组: 基本概念与理论: 引入了线性方程组的向量形式表示,并将其与矩阵理论紧密结合。讨论了矩阵指数的定义及其在求解线性方程组中的作用。 常系数线性方程组: 详细讲解了利用特征值与特征向量求解常系数线性方程组的方法,包括代数重根和几何重根的处理。 线性方程组的稳定性: 基于矩阵的特征值分析,深入探讨了线性系统平衡点的稳定性,为后续非线性系统的稳定性分析奠定基础。 非线性常微分方程组与稳定性理论: 平衡点与线性化: 引入非线性方程组的平衡点概念,并重点阐述了线性化方法。通过将非线性系统在平衡点附近线性化,可以近似分析系统的局部行为,判断平衡点的稳定性。 李雅普诺夫稳定性: 详细介绍了李雅普诺夫(Lyapunov)直接法和间接法。直接法通过构造李雅普诺夫函数,无需求解方程,即可判断稳定性;间接法则依赖于线性化方法的结论。 极限环与吸引子: 探讨了非线性系统中可能出现的周期解(极限环)的概念,以及吸引子的存在,这些都是非线性系统特有的丰富动力学行为。 分岔理论初步: 简要介绍分岔的概念,即系统参数微小变化导致其定性行为(如平衡点的数目、稳定性或极限环的出现)发生剧烈改变的现象,展示了混沌理论的萌芽。 第三部分:数值解法与应用 常微分方程的数值解法: 针对许多无法解析求解的微分方程,本书提供了多种重要的数值求解方法。 欧拉方法(Euler Methods): 包括显式欧拉法和隐式欧拉法,作为最基本的数值方法,详细讲解其原理、误差分析(局部截断误差与全局截断误差)以及收敛性。 改进欧拉法与梯形法: 讲解了比欧拉法精度更高的改进欧拉法和梯形法,通过预测-校正的思想提高精度。 龙格-库塔方法(Runge-Kutta Methods): 详细介绍了二阶、四阶等经典的龙格-库塔方法,它们在精度和稳定性之间取得了良好的平衡,是工程应用中最常用的方法之一。 多步法: 引入了 Adams-Bashforth 和 Adams-Moulton 等多步法,利用历史信息来预测当前步的值,提高了计算效率。 辛几何积分器: 简要介绍辛几何积分器在守恒系统(如哈密顿系统)数值模拟中的优势,能够更好地保持系统的长期演化性质。 边界值问题数值解法: 讲解了打靶法(Shooting Method)和有限差分法(Finite Difference Method)等求解边界值问题的数值方法。 重要应用领域: 本书的最后一大部分将通过一系列具体的案例,展示常微分方程在不同领域的强大应用能力。 物理学: 力学: 简谐振动、阻尼振动、受迫振动、单摆、行星轨道(开普勒定律)、两体问题、三体问题简介。 电磁学: RLC 电路、电磁波传播方程(简化情况)。 热力学: 传热问题(一维情况)。 工程学: 控制理论: 系统响应、稳定性分析、反馈控制设计。 电路分析: 动态电路的瞬态与稳态分析。 机械工程: 振动分析、结构动力学。 生物学: 种群动力学: 罗特卡-沃尔泰拉捕食者-猎物模型、逻辑斯蒂增长模型、竞争模型。 流行病学: SIR 模型、SEIR 模型等传染病传播模型。 化学动力学: 化学反应速率方程。 经济学: 经济增长模型: Romer 模型、Solow 模型。 金融模型: Black-Scholes 期权定价模型(简化)。 本书特色: 1. 理论与实践并重: 既有严谨的数学理论推导和证明,又配有大量的算例和应用,使读者在掌握理论的同时,能够体会微分方程的实际效用。 2. 循序渐进的难度: 内容组织从基础的一阶方程到复杂的非线性系统和数值方法,层层递进,确保不同背景的读者都能逐步掌握。 3. 丰富的图示与表格: 大量图示(如相平面图、解的轨迹图、数值误差图)和表格(如各类方法的比较)帮助读者直观理解抽象概念。 4. 详实的习题: 每章末尾都配有不同难度等级的习题,包括理论证明、计算练习和建模问题,以巩固所学知识。 5. 强调建模思想: 贯穿全书,注重引导读者如何将实际问题抽象为微分方程模型,并对模型进行分析和解释。 《常微分方程:理论、方法与应用》旨在成为一本全面、深入、实用的常微分方程教材和参考书,帮助读者构建扎实的理论基础,熟练掌握求解技巧,并能够灵活运用常微分方程解决科学与工程中的实际问题。

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读后感

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用户评价

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这本书给我的最大感受是“系统性”和“完整性”,它仿佛是一部常微分方程的百科全书,但又不像传统百科那样枯燥晦涩。它成功地将理论推导、方法论、以及应用实例编织成一个密不可分的整体。我尤其欣赏它在介绍应用背景时所展现出的学术视野。比如,当讲解常系数线性微分方程时,它不仅仅停留在经典的机械振动模型,而是会穿插一些关于电路理论或者控制系统中的状态空间表示法,这使得不同专业的学生都能从中找到与自己领域相关的切入点。这种跨学科的视野,极大地拓宽了我对常微分方程应用边界的认知。阅读过程中,我发现作者对于历史上的重要进展也有所涉及,虽然篇幅不长,但能让人了解到这些数学工具是如何一步步发展和完善起来的,这无疑增加了学习的趣味性。而那些“注释”部分,常常会引向更深层次的分析,比如当讨论稳定性时,它会提及庞加莱映射的概念,这种“由此及彼”的引导机制,极大地激发了我的好奇心,驱使我去探索更多的相关领域。这本书没有把自己定位成一个“解题速成班”,而是定位成一个引领者,引领读者走进更广阔的数学世界。

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这本《常微分方程基本问题与注释》的书,简直是为像我这种刚接触常微分方程的初学者量身定做的“救星”啊!我记得我刚拿到书的时候,心里还有点忐忑,毕竟数学这东西,尤其是涉及到“微分方程”这种听起来就有点玄乎的领域,总让人觉得门槛很高。可是翻开目录一看,那些清晰的章节划分和“基本问题”的提法,一下子就让我踏实了不少。书里对每一个核心概念的引入都非常循序渐进,不像有些教材上来就甩一堆复杂的公式让你望而却步。作者似乎非常清楚初学者的思维定势和容易卡壳的地方,总能在关键节点给出非常详尽的文字解释,把抽象的数学语言转化成了更容易理解的逻辑步骤。举个例子,比如讲解线性常微分方程的通解结构时,它不是简单地抛出公式,而是通过对齐齐次解和特解的讨论,一步步引导你理解为什么会有这样的结构。那种感觉就像是,身边有一个非常耐心的老师,在你快要迷失方向的时候,轻轻地帮你拨开眼前的迷雾,指引你看到前方的清晰路径。我个人特别喜欢它在例题后的“注释”部分,那里面往往藏着一些解题技巧的“潜规则”或者更容易出错的陷阱提醒,这对于我这种爱犯迷糊的人来说,简直是无价之宝。读完前几章,我对微分方程的整体框架有了非常扎实的初步认识,不再是零散的知识点堆砌,而是一个有机的整体,这为后续深入学习打下了极其坚实的基础。

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这本书的价值远超其定价,尤其对于那些自学常微分方程的群体而言,简直是如获至宝。我记得我开始接触这门学科时,最大的障碍是找不到一个能真正“对话”的教材。很多书要么太过于注重推导的严密性,导致实践性不足;要么就是应用案例堆砌,但缺乏对背后数学原理的深入剖析。而《常微分方程基本问题与注释》找到了一种近乎完美的平衡点。它在讲解每个求解技巧时,总会伴随着一句精炼的总结,点明这个技巧背后的核心思想,这比单纯地记住步骤要有效得多。例如,在讲解变分法在某些物理问题中的应用时,它会用一种非常直观的方式解释“作用量最小原理”的物理意义,而不是直接套用变分符号。这种注重“直觉建立”的教学方法,极大地降低了学习曲线的陡峭程度。对于我这样的业余学习者来说,可以按照自己的节奏来消化知识,书中的结构设计使得跳跃式学习也变得可行,你不必强求一次性完全理解所有细节,可以先掌握“基本问题”的解法,再回头深挖“注释”中的高阶见解。总而言之,这是一本真正做到“深入浅出”的杰作。

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我用了市面上好几本不同的常微分方程教材,但不得不说,这本《常微分方程基本问题与注释》在“深度”和“广度”的平衡上做得尤为出色。对于那些已经有一定基础,想要向更高阶应用迈进的读者来说,这本书的价值就体现出来了。它不像有些入门书籍那样,只停留在求解一些标准形式的方程,而是非常巧妙地将理论与实际问题进行了有效的嫁接。我特别欣赏它在处理一些非线性方程组时的那种严谨又不失灵活性的态度。作者在介绍一些近似解法和定性分析方法时,并没有草草了事,而是深入剖析了每种方法的适用条件、局限性以及背后的数学原理。我记得有一次我在处理一个涉及到物理模型的微分方程组时遇到了瓶颈,卡在了稳定性分析上。翻阅这本书的相关章节,它不仅给出了李雅普诺夫函数构建的通用思路,还详细对比了不同参数下相平面的拓扑结构变化,这种细致入微的分析,直接帮我理清了思路,甚至让我对相平面分析有了全新的理解。这本书的注释部分也常常能给出一些前沿研究的线索,它不只是教你怎么“解”方程,更是在启发你思考“为什么”要用这种方法,以及这种方法能揭示出系统的哪些本质特性,这种深层次的引导,对于培养独立研究能力至关重要。

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说实话,这本书的排版和装帧设计,真的体现了出版方对读者的尊重。在理工科教材中,清晰度往往是第一位的,而《常微分方程基本问题与注释》在这方面做到了极致。纸张的质感很好,长时间阅读眼睛也不会感到特别疲劳,这对于需要啃厚厚一本数学书的学生来说,简直是个福音。更重要的是,公式的排版简直是教科书级别的示范。那些复杂的希腊字母、上下标、积分符号,每一个元素都清晰、规范地呈现出来,完全没有那种模糊不清或者挤在一起的廉价感。我以前看有些教材,光是辨认一个公式里的符号就要费半天劲,严重影响了阅读节奏。但这本书,我可以专注于数学逻辑本身,而不是被糟糕的印刷分散注意力。此外,书中对重要定理的黑体加粗、关键步骤的缩进处理,都使得知识点的层次感非常分明。当你快速浏览时,那些核心的结论和定义会自然而然地跳出来,这对于考前复习或者快速回顾某个知识点时,效率提升是显而易见的。这种对细节的关注,让这本书不仅仅是一本学习资料,更像是一件制作精良的工具书。

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