Computational Science ICCS 2009 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer

作者:Allen, Gabrielle; Nabrzyski, Jaroslaw; Seidel, Edward

出品人:

页数:1031

译者:

出版时间:2009-06-26

价格:USD 139.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783642019692

丛书系列:

图书标签:

计算科学
科学计算
数值分析
模拟
高性能计算
ICCS
计算机科学
应用数学
算法
建模

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具体描述

《计算科学导论：概念、方法与应用》本书旨在为读者提供计算科学领域全面而深入的入门指导。计算科学作为一门跨学科的领域，融合了数学、计算机科学、物理学、化学、生物学、工程学以及社会科学等多个学科的知识与技术，以解决现实世界中的复杂问题。本书将重点阐述计算科学的核心概念、关键方法，并展示其在各个领域的广泛应用。第一部分：计算科学的基础本部分将首先介绍计算科学的本质和发展历程。我们将探讨什么是计算科学，它如何区别于传统的科学研究方法，以及其在现代科学技术进步中所扮演的关键角色。我们会追溯计算科学从早期数值计算到如今高性能计算、大数据分析、人工智能等领域的演变。接着，我们将深入讲解支撑计算科学的几个关键要素：数学模型与离散化：许多现实世界的现象可以通过数学方程来描述。本部分将介绍如何建立这些数学模型，并阐述如何将连续的模型转化为计算机可以处理的离散形式（离散化），例如有限差分法、有限元法等。读者将了解到不同离散化方法的优缺点以及它们在不同问题中的适用性。算法与计算复杂度：算法是解决问题的步骤。我们将介绍设计高效算法的基本原则，并引入计算复杂度理论的概念，如时间复杂度和空间复杂度。理解算法的效率对于处理大规模问题至关重要。我们将通过实例讲解如何分析算法的性能，以及如何选择或设计更优的算法。数据结构与编程：数据结构是组织和存储数据的方式，它直接影响算法的效率。本书将介绍常用的数据结构，如数组、链表、树、图等。同时，我们将强调使用一种或多种编程语言（例如Python、C++、Fortran等）来实现计算模型和算法的重要性。读者将了解如何将理论知识转化为可执行的代码。数值分析基础：许多计算科学问题最终归结为求解数值方程组、进行数值积分、求解微分方程等。本部分将介绍一些基本的数值分析技术，如误差分析、插值与逼近、线性方程组的求解、特征值问题等。我们将解释这些方法的原理，以及它们在实际计算中的局限性。第二部分：计算科学的核心方法在掌握了基础知识后，本部分将进一步探讨计算科学中常用的核心方法论：模拟与可视化：模拟是利用计算机来重现和预测物理、化学、生物等系统的行为。我们将介绍不同类型的模拟方法，如分子动力学模拟、有限元模拟、基于代理的模型等。同时，数据可视化是理解模拟结果的关键。本部分将介绍常用的可视化技术，帮助读者有效地呈现和解释复杂的数据和模拟结果。并行计算与高性能计算：随着问题规模的不断增大，单台计算机的处理能力已不足以应对。并行计算利用多个处理器协同工作来加速计算。本书将介绍并行计算的基本模型，如共享内存模型和分布式内存模型，以及常见的并行编程范式（如MPI、OpenMP）。高性能计算（HPC）的最新进展和架构也将被探讨。机器学习与数据挖掘：机器学习是计算科学中一个快速发展的分支，它使计算机能够从数据中学习并做出预测或决策。我们将介绍监督学习、无监督学习、强化学习等基本概念，并探讨常用的算法，如回归、分类、聚类、神经网络等。数据挖掘技术将帮助我们从海量数据中发现有价值的信息和模式。优化方法：许多计算科学问题都涉及到寻找最优解，例如在工程设计、资源分配、路径规划等领域。本部分将介绍各种优化技术，包括线性规划、非线性规划、组合优化等，以及相应的求解算法。随机方法与蒙特卡洛模拟：对于一些难以精确求解的问题，随机方法，特别是蒙特卡洛模拟，提供了一种有效的近似求解途径。我们将介绍蒙特卡洛模拟的基本原理，以及它在统计计算、物理学、金融学等领域的应用。第三部分：计算科学的应用领域计算科学的应用几乎渗透到现代社会的各个角落。本部分将通过具体的案例研究，展示计算科学在以下几个重要领域的应用：科学研究：物理学：从宇宙学模拟到粒子物理学研究，计算物理学在理解基本规律方面发挥着不可替代的作用。化学：量子化学计算、分子模拟、材料设计等，极大地推动了化学反应机理的理解和新材料的发现。生物学：基因组学、蛋白质结构预测、药物设计、流行病学模型等，计算生物学正在以前所未有的速度改变着我们对生命的认知。工程技术：航空航天工程：飞机和航天器的气动仿真、结构分析、轨道计算等。土木工程：桥梁、大坝等结构的力学分析，城市交通流模拟。机械工程：流体动力学仿真、热力学分析、疲劳寿命预测。电子工程：集成电路设计与仿真，电磁场分析。金融与经济学：金融风险建模、资产定价、交易策略优化、宏观经济模拟等。环境科学：气候模型预测、空气质量模拟、水资源管理、自然灾害风险评估。人工智能与机器学习应用：自动驾驶、自然语言处理、图像识别、推荐系统等。结论《计算科学导论：概念、方法与应用》旨在为读者构建一个坚实的计算科学知识框架，使其能够理解并应用计算科学的原理和方法来解决实际问题。本书不仅会介绍理论知识，更注重通过实际案例的阐述，帮助读者建立解决问题的能力，培养其作为未来计算科学家或在相关领域工作的专业人士所需的批判性思维和创新能力。本书适合本科生、研究生以及从事科学研究和工程应用的专业人士阅读。