Numerical Methods Using Matlab

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出版者:
作者:Mathews, John H
出品人:
页数:696
译者:
出版时间:2003-5
价格:0
装帧:
isbn号码:9780131911789
丛书系列:
图书标签:
  • Modeling
  • 数值方法
  • Matlab
  • 科学计算
  • 工程数学
  • 算法
  • 数值分析
  • 计算数学
  • 高等数学
  • 程序设计
  • 仿真
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具体描述

For undergraduate Introduction to Numerical Analysis courses in mathematics, science, and engineering departments. This book provides a fundamental introduction to numerical analysis for undergraduate students in the areas of mathematics, computer science, physical sciences, and engineering. Knowledge of calculus is assumed.

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深入探索数值分析的基石与应用:一本全新的计算方法导论 书名暂定: 矩阵运算、优化理论与数据拟合的计算实践 作者: [虚构作者姓名 A], [虚构作者姓名 B] 出版年份: 2024 --- 导言:计算科学的新范式 在当代工程、物理、经济乃至生物科学领域,对复杂系统的精确建模和高效求解已成为核心挑战。传统的解析方法往往受限于问题的线性化或理想化假设,难以捕捉现实世界中固有的非线性和复杂性。本书正是为应对这一挑战而生,它旨在为读者提供一套全面、深入且高度实用的数值计算方法论,着重于现代计算工具下的算法构建、稳定性分析与实际应用。 本书摒弃了仅仅停留在理论推导的层面,而是将重点放在算法的内在机制、计算复杂度以及在实际数据场景下的鲁棒性。我们致力于构建一座坚实的桥梁,连接抽象的数学原理与具体的工程实现。 第一部分:线性代数与高性能求解(The Linear Core) 本部分聚焦于数值线性代数的基石,这是几乎所有现代计算方法得以实现的底层支撑。我们将超越标准的高斯消元法,深入探讨大规模稀疏系统和病态问题的求解策略。 第一章:矩阵分解的深度剖析 本章将系统梳理特征值问题的数值解法。重点讨论QR 算法的迭代过程及其收敛性证明,并引入 lançado 算法在求解大型对称和非对称矩阵特征值时的效率优势。我们不仅会分析理论复杂度,还会探讨如何利用硬件架构(如内存访问模式)优化矩阵分解的性能。此外,还将详细介绍奇异值分解 (SVD) 在数据压缩、噪声过滤和伪逆矩阵计算中的核心地位,并阐述其在计算稳定性方面的理论依据。 第二章:迭代求解器的现代视角 针对巨型、稀疏线性系统的求解,迭代法是唯一的现实选择。本章将详细考察雅可比 (Jacobi)、高斯-赛德尔 (Gauss-Seidel) 方法的局限性,并重点转向更高效的 Krylov 子空间方法。深入探讨共轭梯度法 (CG) 的构建原理,并扩展至广义最小残量法 (GMRES) 和双共轭梯度法 (BiCGSTAB) 在非对称系统中的应用。每一算法的介绍都将伴随对收敛条件的严格分析,以及预处理技术(如代数多重网格法 Preconditioning)对加速收敛的关键作用。 第三章:数值稳定性与误差分析 数值计算的有效性最终取决于其对误差的控制能力。本章专门讨论浮点运算对计算结果的影响,引入向后误差分析和前向误差分析的概念。我们将利用矩阵条件数来量化问题本身的敏感性,并演示如何通过算法选择(例如,使用 Trefethen 提出的策略)来维持计算的有效精度。 第二部分:非线性方程与优化理论(Nonlinearity and Optimization) 现实世界的问题鲜少是线性的。本部分将提供一套强大的工具集,用于处理复杂的非线性系统和寻找最优解。 第四章:非线性方程的稳健求解 本章从牛顿法的经典框架出发,探讨其在多维空间中的推广——多维牛顿法。随后,我们将重点介绍如何应对牛顿法在计算雅可比矩阵或处理奇异点时的困难。拟牛顿法 (Quasi-Newton Methods),特别是 BFGS 和 DFP 算法,因其无需精确计算二阶导数的特性,成为实际应用中的主力。本章将详细比较这些方法的局部收敛速度和全局收敛策略。 第五章:连续函数优化:无约束问题 优化是数学建模的核心。本章专注于无约束优化,涵盖从最速下降法到更高级的二阶方法。我们将深入分析牛顿法的修正版本,如带线搜索的信赖域方法 (Trust-Region Methods),如何保证算法的全局收敛性。对于大规模问题,本章将详细讲解拟牛顿法的准则 (Secant Equations) 如何在不增加计算负担的前提下近似 Hessian 矩阵。 第六章:约束优化与 KKT 条件 约束优化是工程设计和经济决策的关键。本章将建立在对拉格朗日乘子法的深刻理解之上,详细推导并应用Karush-Kuhn-Tucker (KKT) 条件。我们将重点介绍求解等式约束和不等式约束问题的序列二次规划 (SQP) 方法,阐述其结合了牛顿法的局部收敛速度与约束处理能力的优势。 第三部分:插值、逼近与数据拟合(Approximation and Modeling) 数据是现代科学的血液,而数值方法为我们提供了从离散数据中提取结构和规律的手段。 第七章:函数的精确与光滑插值 本章系统回顾拉格朗日插值和牛顿插值,并着重分析它们在面对高阶多项式时可能出现的Runge 现象。为了实现更平滑、更可靠的逼近,本章将详细介绍样条插值 (Spline Interpolation),特别是三次样条的构造及其在边界条件下的处理技巧,以确保导数连续性。 第八章:最小二乘法与回归分析 处理带有噪声的实验数据,最小二乘法是首选工具。本章将区分线性最小二乘和非线性最小二乘问题。在线性情况下,我们将利用 QR 分解和 SVD 来求解超定系统,强调这些分解在处理数据冗余和不确定性时的稳定性优势。对于非线性回归,我们将介绍高斯-牛顿法及其收敛性分析。 第九章:数值积分与微分的现代方法 计算积分和导数是模拟连续系统的必要步骤。本章将超越基础的梯形法则和辛普森法则,介绍如何利用牛顿-科茨公式构造高阶的数值积分规则。我们将探讨自适应步长和误差控制在提高积分效率中的重要性。同时,本章还将展示如何使用有限差分方法来高效、准确地近似函数的导数,并讨论不同阶数的差分格式在边界处的特殊处理。 结论:从算法到实现 本书的最终目标是培养读者构建和验证数值算法的能力。我们相信,理解算法背后的数学原理,结合对计算资源限制的认识,是成为一名优秀计算科学家的必经之路。本书的每一章都提供了清晰的算法伪代码,旨在引导读者将其转化为高效的、经过误差分析检验的实际代码。本书面向研究生、高级本科生以及需要深入理解计算方法来解决实际工程问题的专业人士。

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读后感

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用户评价

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我还会经常回顾书中关于误差分析和收敛性的章节。虽然我可能不会深入到每一个数学证明的细节,但我从中汲取了对数值计算中“错误”来源的深刻理解。无论是截断误差(truncation error)、舍入误差(round-off error),还是算法本身的数值不稳定性,这本书都为我提供了一个清晰的框架去认识和规避这些问题。我会在MATLAB中尝试构造一些“病态”的数值问题,观察不同的算法在这些问题上的表现,并根据书中的理论来解释我所观察到的现象。这种对误差和收敛性的系统性认识,让我能够更批判性地审视数值计算的结果,并对结果的可靠性做出更准确的判断。它培养了我一种“问责”的精神,即不轻易相信任何计算结果,而是要追溯其产生的过程和潜在的局限性。

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在某些章节,比如涉及到非线性方程组求解的部分,书中对牛顿法的深入剖析,以及对其他迭代方法的比较,让我体会到了理解算法背后迭代过程的重要性。我不仅学习了如何实现这些方法,更重要的是理解了它们是如何一步步逼近真实解的,以及在什么情况下迭代会发散。我可能会尝试调整初值,观察迭代过程的变化,甚至尝试在MATLAB中可视化这些迭代过程,从而更直观地理解收敛性和稳定性。这种对过程的关注,让我不再仅仅满足于得到一个结果,而是更关注结果是如何产生的,以及这个过程是否可靠。这种思维方式对于我在后续学习更复杂的数值技术时,例如求解偏微分方程的数值方法,打下了坚实的基础。

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在翻阅到关于线性代数数值方法的部分时,我被书中对矩阵分解技术,如LU分解、QR分解和SVD(奇异值分解)的深入阐述所吸引。我意识到,这些看似基础的线性代数工具,在数值计算中扮演着至关重要的角色。通过理解矩阵的条件数、秩以及奇异值等概念,我能够更好地理解它们在求解线性方程组、最小二乘问题以及数据降维等任务中的作用。我会在MATLAB中尝试对不同性质的矩阵进行分解,并观察分解结果的稳定性,这有助于我理解为什么在某些情况下,直接求解方程组会因为矩阵的病态(ill-conditioned)而导致结果不准确。这种对线性代数背后数值意义的理解,极大地提升了我解决涉及大规模数据和复杂系统的问题的能力。

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作为一名长久以来沉浸在科学计算和工程建模领域的学习者,我一直寻找一本能够真正将抽象的数学概念与强大的MATLAB工具无缝结合的书籍。在浩瀚的计算机书籍市场中,《Numerical Methods Using Matlab》这本书如同一盏明灯,为我指明了方向。我并非直接从这本书中学习具体算法的应用,而是将其视作一座宝库,从中汲取关于数值分析方法本身的深邃理解,以及如何运用MATLAB这种高效、灵活的语言将其转化为实际解决方案的精髓。 首先,这本书在我构建数值方法知识体系的过程中起到了至关重要的作用。它不仅仅是算法的罗列,更深入地探讨了这些算法背后的数学原理,例如误差分析、收敛性证明等。当我遇到一个复杂的数值问题,比如求解高阶常微分方程组,我不会急于寻找书中现成的MATLAB代码。相反,我会先思考牛顿迭代法、辛普森法则或者Runge-Kutta方法等经典算法的理论基础,理解它们为何有效,又在何种条件下可能失效。然后,我会尝试自己用MATLAB实现这些算法,并在书中寻找作者对这些算法在数值稳定性、计算效率方面的讨论,以此来验证我的理解和实现。这种“先理解,后实践,再对比”的学习方式,极大地加深了我对数值方法的掌握程度,让我不再只是一个代码的搬运工,而是能够真正理解“为什么”和“怎么样”的思考者。

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这本书对于培养我的数学建模能力起到了关键作用。我经常会遇到需要将现实世界中的物理现象或工程问题转化为数学模型,然后利用数值方法求解的情况。在《Numerical Methods Using Matlab》中,作者在介绍不同数值方法时,常常会联系到它们在实际应用中的例子,例如在数据拟合、模型预测、系统仿真等方面的应用。我从中学习到了如何将离散化的数据点进行插值,如何用数值积分来计算复杂曲线下的面积,以及如何用数值微分来估计变化率。这些案例让我明白,数值方法并非孤立的数学理论,而是解决实际问题的有力工具。通过理解这些应用场景,我能更好地将理论知识与实际问题联系起来,从而提升我的数学建模能力。

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我特别欣赏书中对于数值优化部分的讲解。在处理诸如最小二乘法、梯度下降法等优化算法时,我不仅关注算法本身的实现,更着重于理解这些方法是如何处理目标函数、约束条件以及搜索方向的。书中对不同优化算法的收敛速度、对初值的敏感度以及在复杂目标函数下的表现的讨论,让我对“找到最优解”这个过程有了更深刻的认识。我可能会在MATLAB中尝试对一些简单的数学函数进行优化,观察不同算法的表现,并对比它们在计算效率和找到全局最优解的能力上的差异。这种对算法性能的细致探究,帮助我养成了在实际工程问题中选择和应用优化算法时的审慎态度。

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这本书为我提供了探索更广阔数值计算领域的基石。虽然我可能没有逐字逐句地研读书中的所有MATLAB代码示例,但我从作者的讲解中学习到了如何构建模块化、可重用的数值算法代码。当我需要解决一个全新的数值问题时,例如在信号处理中遇到的快速傅里叶变换(FFT)或者在优化问题中的梯度下降法,我都会回想起书中介绍的通用框架和设计模式。我能够从书中提取出处理问题的基本思路,并根据MATLAB的特性进行灵活的调整和实现。这本书让我明白,掌握核心的数值方法,以及理解如何利用MATLAB的强大功能去实现它们,比仅仅复制粘贴代码要重要得多。它为我打开了通往更复杂、更前沿科学计算领域的大门。

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这本书在介绍微分方程的数值解法时,所展现出的严谨性和系统性令我印象深刻。我曾尝试着去理解各种Runge-Kutta方法的原理,以及它们在稳定性、精度和计算成本上的权衡。我不会仅仅满足于知道如何调用MATLAB的`ode45`等函数,而是会尝试去理解它们背后算法的工作机制。我可能会自己实现一个简单的Euler方法,然后对比它与Runge-Kutta方法在求解同一微分方程时的精度和稳定性差异。书中对于步长控制、误差估计等概念的讨论,让我明白在数值求解微分方程时,如何动态调整计算精度以获得既准确又高效的解。这种对数值微分方程求解方法的深入理解,对于我在物理模拟、工程控制等领域的工作至关重要。

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在学习过程中,我发现这本书对于培养严谨的科学计算习惯有着不可忽视的引导作用。数值方法的应用场景往往是多变的,而算法的鲁棒性(robustness)是关键。书中对于不同算法的适用范围、优缺点以及潜在的数值陷阱的讨论,让我对“如何选择合适的算法”有了更深刻的认识。例如,在求解线性方程组时,我不会仅仅满足于掌握高斯消元法,还会深入研究书中关于条件数(condition number)的概念,以及它对求解精度的影响。我也会尝试用不同的方法,如LU分解、Cholesky分解,去解决同一个问题,并对比它们的计算成本和稳定性。这种对细节的关注,以及对潜在误差来源的分析,帮助我养成了一个良好的科学计算习惯,即在应用任何数值方法之前,都要对其进行充分的理解和评估,而不是盲目套用。

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这本书的另一大价值在于其对MATLAB语言特性的深刻洞察。我一直认为,掌握一种编程语言不仅仅是学习其语法,更重要的是理解其设计哲学和优势。在《Numerical Methods Using Matlab》中,作者通过将数值方法与MATLAB的向量化操作、矩阵运算、以及丰富的内建函数相结合,展示了如何用最简洁、最高效的方式解决复杂的数值问题。例如,在学习插值方法时,我通过书中对多项式插值和样条插值的讲解,不仅理解了这些方法本身的数学原理,更学会了如何利用MATLAB的`polyfit`、`spline`等函数,并体会到向量化操作在提高计算速度方面的巨大优势。我甚至会尝试去比较手动实现和使用内建函数之间的性能差异,这进一步巩固了我对MATLAB高效编程的认识。这本书教会了我如何“用MATLAB的思维”去解决问题,而不是简单地将其他语言的算法翻译成MATLAB代码。

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