经典力学和天体力学中的数学论题 第2版

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出版者:世界图书出版公司
作者:V.I.Arnold
出品人:
页数:291
译者:
出版时间:2000-6
价格:51.00
装帧:平装
isbn号码:9787506247092
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
  • 经典力学
  • 物理
  • 天体力学
  • 阿诺尔德
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  • 数学方法
  • 常微分方程
  • 变分法
  • 张量分析
  • 哈密顿力学
  • 拉格朗日力学
  • 数学论题
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具体描述

This work describes the fundamental principles, problems, and methods of classical mechanics focussing on its mathematical aspects. The authors have striven to give an exposition stressing the working apparatus of classical mechanics, rather than its physical foundations or applications. This apparatus is basically contained in Chapters 1, 3, 4 and 5. Chapter 1 is devoted to the fundamental mathematical models which are usually employed to describe the motion of real mechanical systems. Special consideration is given to the study of motion under constraints, and also to problems concerned with the realization of constraints in dynamics. This work describes the fundamental principles, problems, and methods of classical mechanics focussing on its mathematical aspects. The authors have striven to give an exposition stressing the working apparatus of classical mechanics, rather than its physical foundations or applications. This apparatus is basically contained in Chapters 1, 3, 4 and 5. Chapter 1 is devoted to the fundamental mathematical models which are usually employed to describe the motion of real mechanical systems. Special consideration is given to the study of motion under constraints, and also to problems concerned with the realization of constraints in dynamics.

经典力学与天体力学中的数学论题(第二版)—— 探索物理世界的严谨之美 《经典力学与天体力学中的数学论题(第二版)》是一部深入探讨物理学两大核心分支——经典力学与天体力学——背后数学框架的权威著作。本书旨在为物理学、天文学、数学以及相关工程领域的学生和研究者提供一个坚实而全面的数学基础,使他们能够深刻理解和解决复杂物理问题,并引领对宇宙运行规律的深入探索。本书的第二版在前一版的基础上,不仅继承了其严谨的数学表述和清晰的逻辑结构,更在内容深度、广度以及对现代研究的关联性上进行了显著的提升,使其成为一部面向新时代学术需求的经典之作。 本书的独特之处在于其高度整合了数学工具与物理概念。它并非简单地罗列数学公式,而是深入剖析了每一种数学工具如何在经典力学和天体力学中扮演关键角色,如何被用来精确地描述、预测和解释物理现象。从基本的微积分、向量分析,到更高级的微分方程、张量分析,再到抽象的群论和微分几何,本书将这些数学工具与牛顿力学、拉格朗日力学、哈密顿力学以及轨道力学等物理理论紧密结合,展现了数学在刻画物质运动规律方面的强大能力。 第一部分:经典力学的数学基石 本书的开篇,首先构建了经典力学坚实的数学框架。这部分内容详尽阐述了描述物体运动所必需的基本数学概念。 微积分与微分方程:本书强调了微积分在描述瞬时速度、加速度以及力的变化率方面的核心作用。牛顿第二定律本身就是一个二阶常微分方程,本书将引导读者掌握求解这类方程的方法,如分离变量法、线性微分方程的解法,以及如何利用微分方程模型描述简谐振动、阻尼振动等重要物理现象。对于更复杂的力学系统,例如多体系统,偏微分方程的出现也是不可避免的,本书将为读者打下必要的数学基础。 向量分析:在三维空间中描述力和运动,向量分析是不可或缺的工具。本书将详细介绍向量的加减、点积、叉积等运算,以及在力学中的应用,例如计算功、力矩以及磁场力等。梯度、散度和旋度等算子在描述场的性质(如引力场、电场)时至关重要,本书将深入讲解它们的物理意义和数学性质,并与物理定律(如高斯定律)相结合。 线性代数与矩阵理论:在处理多维度的物理量和坐标变换时,线性代数提供了强大的工具。本书将介绍向量空间、线性映射、特征值与特征向量等概念,并阐述它们在描述刚体转动(如惯性张量)、多自由度系统的振动分析以及张量分析中的应用。矩阵的对角化在简化动力学方程、理解系统的振动模式方面具有关键作用。 复变函数与傅里叶分析:在处理周期性运动、波动现象以及信号分析时,复变函数和傅里叶分析能提供简洁有效的解决方案。本书将介绍复数的运算、复变函数的积分与解析性,以及傅里叶级数和傅里叶变换,并将其应用于分析简谐振动系统的响应、波动方程的求解等。 第二部分:经典力学的深入发展——分析力学 在奠定基础之后,本书将篇幅投入到分析力学,这是经典力学更为高级和抽象的数学表述。 变分法与最小作用量原理:分析力学的核心思想之一是基于变分原理。本书将详细介绍变分法的基本概念,包括泛函、变分微分,并重点阐述达朗贝尔原理和最小作用量原理。这不仅能从另一个角度理解牛顿力学,更能引出拉格朗日方程和哈密顿方程,为研究更复杂的系统打下基础。 拉格朗日力学:拉格朗日力学以能量(动能和势能)为核心,通过拉格朗日量描述系统的动力学。本书将详细推导并讲解拉格朗日方程,并应用其解决多种问题,如单摆、双摆、约束系统的运动等。拉格朗日方程的优越性在于其能够巧妙地处理各种约束,并简化复杂系统的运动方程。 哈密顿力学:哈密顿力学以广义坐标和广义动量为基本变量,通过哈密顿量描述系统的演化。本书将详细推导哈密顿方程,并介绍相空间、泊松括号、正则变换等概念。哈密顿力学不仅在理论上更为优雅,而且是连接经典力学与量子力学的重要桥梁。本书还将探讨其在微扰理论、正则微扰中的应用。 泊松括号与正则变换:泊松括号是哈密顿力学中的一个核心数学工具,它定义了物理量之间的一种非交换关系,并与量子力学中的对易子有着深刻的联系。本书将深入解析泊松括号的性质及其在守恒量的导出(诺特定理)和相空间演化中的作用。正则变换是保持哈密顿方程形式不变的坐标变换,本书将探讨其在简化哈密顿量、求解运动方程方面的应用。 第三部分:天体力学的数学挑战与现代视角 本书的第三部分将视角转向广阔的宇宙,深入探讨天体力学中的数学难题。 牛顿万有引力定律与开普勒定律的数学推导:本书将从牛顿万有引力定律出发,严格地利用微积分和微分方程的工具推导出开普勒行星运动三定律,展现数学如何精确地刻画行星在引力作用下的轨道。 二体问题与轨道力学:二体问题是天体力学的基石。本书将详细分析二体问题的运动方程,推导出椭圆、抛物线和双曲线等轨道形式,并介绍轨道根数(如半长轴、偏心率、轨道倾角等)的概念,这些都是描述和预测天体运动的关键参数。 三体问题与多体问题:与解析可解的二体问题不同,三体问题(甚至更多体的问题)通常没有解析解。本书将介绍三体问题的困难性,并探讨数值求解方法和近似解析方法。对于研究星系动力学、恒星团演化等领域,理解多体系统的统计行为和集体动力学至关重要。 摄动理论:在实际的天体力学问题中,天体的运动常常受到其他天体引力的影响,产生“摄动”。本书将深入介绍摄动理论的数学方法,如平均法、直接摄动法和正则摄动法,用于分析太阳系行星轨道的长期变化、卫星轨道的精确预报等。 轨道设计与空间动力学:对于航天任务,精确的轨道设计和计算是成功的关键。本书将结合前面介绍的数学工具,探讨如何设计行星际轨道、地球同步轨道,以及如何分析航天器在引力场中的运动。 微分几何在广义相对论中的初步接触(可选拓展):虽然本书侧重于经典力学和牛顿天体力学,但第二版可能会对广义相对论中的数学语言——微分几何——进行初步的介绍,展示曲线、曲面、张量在描述时空几何和引力作用方面的强大能力,为读者进一步探索现代物理学打开一扇窗口。 本书的特色与价值 严谨的数学推导与清晰的物理阐释:本书在数学推导上力求严谨,同时注重对数学工具物理意义的深入阐释,帮助读者建立数学模型与物理现实之间的深刻联系。 内容循序渐进,逻辑严密:从基础的数学工具到复杂的物理理论,本书的组织结构清晰,内容循序渐进,适合不同程度的读者。 丰富的例题与习题:本书配有大量的例题,演示了如何应用所学数学工具解决具体物理问题,并提供了精心设计的习题,供读者巩固和拓展所学知识。 面向现代研究的关联性:第二版在内容更新上,更加关注这些经典数学工具在现代天体力学研究,如系外行星动力学、引力波探测中的应用,以及与计算物理的结合。 《经典力学与天体力学中的数学论题(第二版)》不仅仅是一本教材,更是一扇通往物理世界严谨之美的大门。它将引导读者掌握解决复杂物理问题的强大武器,培养深刻的物理洞察力,并激发对宇宙奥秘永无止境的探索热情。无论是初涉物理海洋的学生,还是渴望深化理解的研究者,本书都将是您宝贵的智力财富。

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这本书的装帧设计和纸张质量简直是教科书的典范。翻开扉页,那种厚重而扎实的触感就让人觉得这是一本值得细细品味的著作。版式设计也极其考究,字体清晰,间距适中,即使是长时间阅读那些复杂的数学推导也不会感到眼睛疲劳。特别是那些关键的公式和定理,都用加粗或者特别的标记突出显示出来,非常有助于学习者抓住重点。我记得有一次我为了赶一个报告,连续看了好几个小时,这本书的排版设计真的帮了大忙,让我的阅读效率大大提高。而且,书脊的装订也非常牢固,即使经常翻阅,也不会出现松散或者掉页的情况,看得出来出版社在制作上是下了大功夫的。这种对细节的关注,体现了作者和出版方对读者体验的尊重,让人在学习晦涩理论的同时,也能享受到阅读本身的愉悦。这本书的物理形态,本身就是一种关于“经典”与“严谨”的宣言。

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初读这本书的章节结构时,我立刻被其逻辑的严密性和内容的循序渐进所震撼。作者似乎非常清楚初学者在面对这些高深物理概念时的困惑点,所以内容的组织不是简单地堆砌知识,而是在构建一座坚实的知识阶梯。从最基础的微积分和向量分析铺垫开始,逐步引入拉格朗日量和哈密顿量这些核心工具,每一步的过渡都如同精密的机械啮合,紧密无间,毫无跳跃感。我尤其欣赏作者在引入新概念时,总会先给出直观的物理图像,然后再进行纯粹的数学形式化,这种“先知其然,后知其所以然”的教学方法,极大地降低了理解的门槛。对于那些希望不仅停留在公式记忆,而是真正想深入理解物理原理背后的数学本质的人来说,这本书简直是量身定做。它不像有些参考书那样只注重解题技巧的展示,而是更致力于培养一种“物理直觉”与“数学洞察力”相结合的思维模式。

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对于任何一个想要在理论物理领域深耕下去的学生来说,这本书无疑是一笔宝贵的财富,但它对读者的预备知识有着相当高的要求。坦白说,如果只是带着高中物理的知识储备来翻阅,很可能会感到力不从心。这本书假定读者已经对高等数学中的多元微积分和基础的线性代数有扎实的掌握。因此,它更适合作为本科高年级或者初入研究生的必备参考书。我建议,在使用这本书时,最好能同时备一本基础的数学分析教材作为后盾,以便随时查阅和巩固。我个人在使用这本书的过程中,经常需要停下来,回溯前面章节的内容来确认某个操作的合法性。不过,正是这种“挑战性”,才使得最终掌握的知识点格外牢固。它不是一本用来“翻阅”的书,而是一本需要你投入时间和精力去“征服”的经典著作。

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这本书的语言风格非常独特,它介于严谨的学术论文和亲切的导师指导之间,给人一种既权威又可亲的感觉。作者在行文时,很少使用那种冷冰冰的、纯粹的数学陈述,而是常常穿插一些富有哲理性的评论,仿佛在与读者进行一场跨越时空的对话。比如,在讨论能量守恒的本质时,作者会提到“对称性是物理的灵魂”,这种带着温度的文字,常常能在一堆复杂的微分方程中为读者点亮一盏心灯。此外,书中的插图和图示也极为精妙,它们并非简单的几何图形,而是高度提炼的物理情境示意图,简洁而富有信息量。我特别喜欢作者在证明某个定理后,会用一段话总结其物理意义和适用范围,这对于理解理论的“边界条件”至关重要。这种行文的节奏感和人情味,使得阅读过程中的枯燥感被大大冲淡了。

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这本书中对于特定问题的探讨深度,远超我阅读过的其他同类教材。举个例子,在涉及到周期性边界条件的处理上,作者没有简单地给出结论,而是详细剖析了傅里叶级数展开在处理这类问题时的优势与局限性,并且还对比了有限差分方法的数值稳定性。这种对“方法论”本身的深度挖掘,使得这本书的价值超越了一本单纯的教科书,更像是一本高级的“研究方法论”手册。我记得有一章专门讨论了在非惯性系中处理复杂运动轨迹的坐标变换问题,作者不仅清晰地推导了科里奥利力和离心力的来源,还通过一个非常巧妙的例子——一个在旋转平台上摆动的单摆——展示了这些虚构力的实际物理意义。这种结合了理论深度和应用广度的叙述方式,极大地拓宽了我的视野,让我开始从更宏观的角度去审视这些经典物理模型。

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