Mathematics for Quantum Chemistry

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出版者:Dover Publications
作者:Jay Martin Anderson
出品人:
页数:160
译者:
出版时间:2005-02-11
价格:USD 12.95
装帧:Paperback
isbn号码:9780486442303
丛书系列:
图书标签:
  • 哲学
  • 数学
  • 量子化学
  • 物理化学
  • 计算化学
  • 理论化学
  • 线性代数
  • 微积分
  • 常微分方程
  • 特殊函数
  • 数值分析
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具体描述

This concise volume offers undergraduates an introduction to mathematical formalism in problems of molecular structure and motion. The main topics cover the calculus of orthogonal functions, algebra of vector spaces, and Lagrangian and Hamiltonian formulation of classical mechanics and applications to molecular motion. Answers to problems. 1966 edition.

好的,这里是一份针对一本名为《Mathematics for Quantum Chemistry》的图书的详细图书简介,内容侧重于与其主题相关但不直接包含该书内容的领域,旨在提供一个广阔的背景和相关知识的概述。 --- 图书简介:数学与量子化学的广袤边界 本书聚焦于一个宏大而精深的领域:将严格的数学原理应用于理解物质在原子和分子尺度上的行为。虽然我们不会深入探讨《Mathematics for Quantum Chemistry》这本书本身的内容,但我们可以描绘出支撑其核心概念的知识体系的广阔图景,这些知识构成了现代化学、物理学和材料科学的基石。 本书所依赖的数学工具,是理解量子现象的必要语言。量子化学不仅仅是应用公式,更是对自然界基本规律的精确数学描述。要真正掌握量子化学,必须先领略其所处的数学环境,以及化学问题如何被转化为可解的数学模型。 第一部分:数学基石——结构、变化与无限 量子力学的基础建立在一系列成熟的数学分支之上。这些分支提供了描述粒子状态、能量以及它们随时间演化的框架。 1. 线性代数与向量空间:态的几何表达 在量子力学中,任何物理系统的状态(例如电子在原子中的分布)都被表示为一个高维向量空间中的“态矢量”(Ket vector, $|psi angle$)。线性代数的概念至关重要: 向量空间与内积: 量子态存在于希尔伯特空间中。理解向量的线性组合、基矢的选择(例如原子轨道基组)以及如何计算两个态之间的“重叠积分”(即内积)是至关重要的。这直接对应于计算薛定谔方程的解的概率幅。 矩阵代数与算符: 物理可观测量的概念(如能量、动量、角动量)被数学化为算符(Operators)。这些算符在矩阵形式下表现为厄米矩阵。对这些矩阵的对角化(本征值问题)是求解定态薛定谔方程的核心步骤。能量本征值即是系统的允许能级。 张量分析的初探: 虽然可能不会在基础量子化学中深入探讨,但在描述多电子系统或更复杂的角动量耦合时,张量(高阶数组)的概念开始浮现,它们提供了一种在不同参考系下保持物理量不变的描述方式。 2. 微分方程与演化:时间依赖性 量子系统的动态行为,即它们如何随时间变化,完全由薛定谔方程所支配。这是一个偏微分方程,其解描述了波函数随时间的演化: 常微分方程(ODE)与偏微分方程(PDE): 定态问题转化为求解常微分方程(或在特定情况下视为常微分方程的特例),而时间依赖的薛定谔方程则是典型的偏微分方程。掌握分离变量法、特征函数展开等解法至关重要。 拉普拉斯算符与梯度: 动能项的数学表达涉及空间坐标上的二阶偏导数,即拉普拉斯算符 ($ abla^2$)。理解梯度、旋度和散度等向量微积分工具,是正确构造哈密顿量的前提。 绿函数方法: 在处理微扰理论或散射理论时,解析地表示格林函数(Green's function)成为强大的工具,它提供了对特定微分方程解的结构化表达。 3. 泛函分析的深刻洞察:抽象的完备性 泛函分析是连接抽象数学结构与物理实在的桥梁。它处理的是“函数的函数”——即泛函。 希尔伯特空间理论: 严格地定义了无限维的向量空间,确保了无限基组展开(傅立叶级数或泰勒展开的量子力学版本)的收敛性和有效性。狄拉克符号(Bra-Ket Notation)正是基于此空间的内在结构发展起来的。 算符理论: 区分有界与无界算符,理解谱理论(Spectrum Theory),这对于确保物理量(如能量)的本征值是实数且具有物理意义至关重要。 第二部分:应用数学的桥梁——数值逼近与计算效率 纯粹的解析解在复杂分子中几乎不存在。因此,应用数学技术成为实际计算量子化学的生命线。 1. 数值分析与误差控制 当解析路径中断时,我们必须诉诸于数值方法。 根寻找与迭代法: 求解非线性方程(例如,在Hartree-Fock或密度泛函理论的自洽场迭代中)需要牛顿法或割线法等高效的迭代策略。 积分的数值逼近: 量子化学计算中充满了需要计算积分(如电子积分和分子积分)的环节。龙贝格积分(Romberg integration)、高斯求积(Gaussian Quadrature)等技术必须被精确掌握,以平衡计算成本和精度。 矩阵求解的效率: 针对大型、稀疏或稠密的矩阵,需要使用共轭梯度法(CG)、Lanczos 算法等,这些是线性代数在计算化学中的高效应用。 2. 优化理论与构象搜索 分子结构优化是量子化学计算的核心任务之一。 梯度下降与Hessian矩阵: 寻找分子能量的驻点(即平衡结构)涉及到寻找势能面上的极小值。这需要计算能量相对于原子坐标的一阶导数(梯度)和二阶导数(Hessian 矩阵)。 拟牛顿法(Quasi-Newton Methods): 由于计算精确的Hessian矩阵代价高昂,BFGS 或 L-BFOB 等近似方法在实际优化中更为常用,它们利用梯度的历史信息来逼近Hessian的逆。 第三部分:信息论与不确定性原理的数学表述 量子化学的原理深深植根于概率论和信息论的数学框架中。 1. 概率论与统计推断 波函数 $|psi|^2$ 描述的是找到粒子的概率密度。 概率分布函数: 理解如何从波函数计算期望值(平均值)以及方差(不确定性)是基础。概率的正交性条件(归一化)是数学上的约束,也是物理上的要求。 熵与信息含量: 在信息论的视角下,量子态的熵可以衡量其“混乱度”或缺失信息量,这在分析电子密度和化学键合的定性描述中提供了量化工具。 2. 不确定性与不对易性 海森堡不确定性原理是数学上由不对易算符直接导出的结果。 对易子(Commutators): $[A, B] = AB - BA$ 的计算结果是判断两个物理量是否可以同时被精确测量的判据。如果 $[A, B] eq 0$,则它们不能同时具有确定的值。这是量子力学的核心数学特征之一。 总结:跨越学科的严谨性 一本关于量子化学数学基础的书籍,必然会涉及如何将这些抽象的数学概念——从高维向量空间到非线性偏微分方程——转化为可计算、可解释的物理图像。它要求读者具备对数学严谨性的尊重,并理解为何简单的经典模型在微观世界中失效,而必须诉诸于概率性、矩阵化的、以及本质上是线性的数学结构来捕捉自然的真实面貌。这种数学的深度,是通往分子模拟、光谱分析和化学反应机理理解的唯一途径。

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读后感

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用户评价

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坦白说,我对数学的“爱恨交织”由来已久,尤其是在接触到量子化学这样高度抽象的学科时,我曾一度对能否驾驭其中的数学工具感到担忧。然而,《Mathematics for Quantum Chemistry》这本书彻底改变了我的看法。它以一种极其引人入胜的方式,将原本令人生畏的数学概念变得生动有趣。书中对微积分的讲解,我尤为称道,它不仅仅停留在求导和积分的表面,而是深入阐释了微分方程在描述量子体系演化过程中的关键作用,以及如何通过求解这些方程来获得系统的能量和状态信息。书中对线性代数的处理也十分巧妙,作者将抽象的向量空间和算符概念与量子态和可观测量紧密联系,并通过具体的例子,如狄拉克符号和矩阵表示,让我清晰地理解了如何进行量子力学运算。书中的图示设计更是锦上添花,它们将抽象的数学关系可视化,例如在解释算符作用时,图示能够清晰地展示出向量如何被变换,这对于直观理解抽象概念至关重要。我尤其喜欢书中提供的“进一步思考”环节,它们鼓励我主动探索数学概念的延伸和应用,而不是仅仅被动接受信息。这本书的语言风格非常独特,它既有严谨的数学论证,又不乏启发性的引导,让我在学习中始终保持着好奇心和探索欲。这本书就像一位经验丰富的向导,带领我在数学的迷宫中找到通往量子化学智慧的清晰路径。

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我是一名刚步入研究生阶段的化学学生,面对量子化学这一前沿领域,我感到既兴奋又有些不知所措。幸运的是,我发现了《Mathematics for Quantum Chemistry》这本书,它如同一盏明灯,照亮了我学习道路上的迷茫。《Mathematics for Quantum Chemistry》在内容的组织上非常合理,它从最基础的数学概念开始,层层递进,直至量子化学的核心数学工具。我特别欣赏书中对数学概念的讲解方式,它并没有将数学知识孤立出来,而是始终围绕着量子化学的应用场景来展开。例如,在介绍复数和复变函数时,作者并没有止步于数学定义,而是详细解释了它们如何在量子力学中用于描述波函数和概率幅。同样,对于傅里叶变换的介绍,也与量子化学中的动量空间和位置空间转换紧密联系。这本书的例题设计非常贴切,它们往往是直接来自于量子化学问题的简化模型,通过解决这些问题,我能够亲身体验数学工具是如何被用来求解真实的物理问题,例如单电子原子的能量本征值,或者分子轨道理论中的基组展开。书中的语言风格非常平实易懂,但又充满了严谨性,作者善于用简洁的语言解释复杂的概念,并且不厌其烦地给出清晰的推导过程,这让我感到学习过程非常顺畅。此外,书中还穿插了一些关于数学家和数学发展历史的简短介绍,这些小插曲让我在学习紧张的数学知识之余,也能感受到科学发展的魅力。我对此书的评价是:它不仅是一本教材,更像是一位循循善诱的老师,引领我一步步走进量子化学的殿堂。

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作为一名拥有丰富科研经验的化学家,我对基础理论的扎实掌握一直有着极高的要求。在量子化学领域,数学是其不可或缺的基石,而《Mathematics for Quantum Chemistry》这本书,则为我提供了一个全方位、深层次的数学工具箱。书中对线性代数中的特征值问题和算符理论的阐述,我印象尤为深刻,作者不仅仅是给出了公式,更是深入剖析了这些数学概念在量子化学中的物理意义,例如,特征值对应于可观测量的值,而算符则代表了物理上的操作。书中对群论的介绍也让我受益匪浅,它将抽象的群论概念与分子的对称性、键合性质以及光谱学现象巧妙地联系起来,让我能够从更宏观的视角去理解分子的结构和行为。书中的例题设计也非常精妙,它们往往是真实量子化学计算的简化版本,通过解决这些问题,我能够直接将数学工具应用到实际场景中,并从中获得深刻的理解。我特别欣赏书中在解释复杂数学推导时的清晰逻辑和详尽步骤,这对于我这样需要在短时间内掌握核心知识的研究人员来说,效率极高。此外,书中还包含了一些关于数值方法和近似技术的讨论,这些内容对于实际的量子化学计算实践也具有重要的参考价值。总而言之,这是一本兼具理论深度和实践指导意义的优秀著作,它不仅巩固了我已有的数学知识,更让我对量子化学中的数学应用有了全新的认识。

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作为一名对化学原理有着深入探究精神的学生,我始终认为,坚实的数学基础是理解高级化学概念的基石。而《Mathematics for Quantum Chemistry》这本书,正是我在量子化学领域寻求数学支撑的理想之选。书中对微积分的讲解,我必须重点提及,它不仅仅是对求导和积分运算的展示,更深入地阐释了微分方程在刻画量子系统演化过程中的核心地位。作者以简洁而精准的语言,解释了薛定谔方程的物理内涵,以及求解过程中所需的数学工具,这让我对量子力学的基本原理有了更深刻的理解。书中对线性代数的处理也十分出色,它将抽象的向量空间、算符和矩阵概念与量子力学的基本要素,如量子态、可观测量和量子操作,紧密地联系起来。作者通过引入狄拉克符号和矩阵表示等高效的数学语言,让我得以更加便捷地进行量子力学计算和分析。书中的图示设计也极具匠心,它们将抽象的数学关系可视化,例如波函数的空间分布、算符作用在向量空间中的变化等,这些都极大地帮助了我对抽象概念的直观掌握。我尤其喜欢书中提供的“概念辨析”环节,它对一些容易混淆的数学概念进行了清晰的区分和解释,例如算符的性质与可观测量之间的关系,这对于我准确理解量子力学至关重要。这本书的语言风格非常独特,它既有数学的严谨与逻辑,又不乏启发性的思考引导,让我感觉在进行一场充满智慧的探索。

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作为一名渴望在科学前沿探索的爱好者,我对能够用数学语言描绘微观世界奥秘的学科尤为着迷,而量子化学正是其中一个绝佳的代表。《Mathematics for Quantum Chemistry》这本书,为我打开了通往这一领域的大门。书中对微积分的讲解,我必须重点提及,它不仅仅是对求导和积分运算的展示,更深入地阐释了微分方程在刻画量子系统演化过程中的核心地位。作者以简洁而精准的语言,解释了薛定谔方程的物理内涵,以及求解过程中所需的数学工具,这让我对量子力学的基本原理有了更深刻的理解。书中对线性代数的处理也十分出色,它将抽象的向量空间、算符和矩阵概念与量子力学的基本要素,如量子态、可观测量和量子操作,紧密地联系起来。作者通过引入狄拉克符号和矩阵表示等高效的数学语言,让我得以更加便捷地进行量子力学计算和分析。书中的图示设计也极具匠心,它们将抽象的数学关系可视化,例如波函数的空间分布、算符作用在向量空间中的变化等,这些都极大地帮助了我对抽象概念的直观掌握。我尤其喜欢书中提供的“历史视角”环节,它穿插了数学发展史上的重要里程碑,以及它们如何影响了量子化学的建立,这让我在学习数学知识的同时,也能感受到科学探索的魅力。这本书的语言风格非常独特,它既有数学的严谨与逻辑,又不乏启发性的思考引导,让我感觉在进行一场充满智慧的探索。

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作为一名对理论物理充满热情的学生,我对数学在描述自然现象中的作用一直深感着迷。量子化学,作为连接微观粒子行为和宏观化学性质的桥梁,其背后蕴含的深刻数学原理更是让我着迷。这本书,恰如其分地满足了我对这一领域求知欲。《Mathematics for Quantum Chemistry》在数学概念的引入上,采取了一种循序渐进的方式,从最基础的代数和几何概念,逐步过渡到更复杂的微积分、微分方程以及抽象的线性代数和泛函分析。我喜欢书中对每个数学分支的精炼概括,以及它们与量子化学核心概念之间的内在联系。例如,作者在介绍微分方程时,不仅仅是展示方程本身,而是详细解释了薛定谔方程的物理意义,以及求解过程如何揭示了粒子的能量和波函数。这种从数学到物理的清晰映射,让我能够深刻理解为何特定的数学工具会被用来描述量子世界。书中的插图也起到了非常重要的作用,它们将抽象的数学概念可视化,例如波函数的空间分布、算符作用于向量空间的变化等,这些都极大地帮助了我对抽象概念的理解和记忆。我特别喜欢书中提供的各种“思考题”,它们不仅是检验我理解程度的工具,更是引导我独立思考和探索更深层概念的契机。这本书的语言风格非常独特,既有严谨的数学逻辑,又不乏启发性的思考引导,让我感觉在进行一场智力上的探险。我非常有信心,通过这本书的学习,我将能够构建起坚实的数学框架,从而更深入地理解量子化学的精髓,并为未来的进一步研究打下坚实的基础。

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我是一名在化学领域深耕多年的研究者,虽然我的主要研究方向并非理论化学,但随着量子化学在各个分支领域的应用日益广泛,我深感需要夯实自身的数学基础。这本书的出现,无疑为我提供了一个绝佳的系统性学习机会。它并没有简单地罗列数学公式,而是深入探讨了每一种数学工具在量子化学问题中所扮演的角色和意义。例如,在介绍线性代数时,作者详细阐述了向量空间如何用于描述量子态,算符的含义及其与可观测量之间的关系,以及矩阵对角化在求解能量本征值问题中的关键作用。这些内容对于理解量子力学的基本原理至关重要。书中对于群论的讲解也尤为精彩,它将抽象的群论概念与分子对称性、光谱性质等实际化学问题巧妙地结合起来,让我看到了数学工具在预测和解释实验现象方面的强大威力。我特别欣赏作者在处理复杂数学推导时所展现出的清晰思路和详尽步骤,这对于我这样需要快速掌握核心知识的研究人员来说,极大地节省了时间。而且,书中不仅包含了理论推导,还提供了大量的数值计算方法和算法的介绍,这些对于实际的量子化学计算工作非常有指导意义。我尝试着按照书中的步骤进行了一些简单的计算,发现结果与理论预期非常吻合,这让我对书中内容的准确性和实用性有了更深的信心。总而言之,这本书是一本兼具理论深度和实践指导意义的优秀著作,对于任何希望在化学研究中运用量子化学工具的人来说,都将是不可或缺的参考。

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这本书的封面设计就吸引了我,简约而又充满科技感,深邃的蓝色背景上跃动着抽象的数学符号,仿佛预示着书中将要探索的奥秘。作为一名对量子化学充满好奇的初学者,我一直在寻找一本既能提供坚实数学基础,又不至于让人望而却步的入门读物。《Mathematics for Quantum Chemistry》恰恰满足了我的需求。翻开书页,首先映入眼帘的是清晰的目录,将量子化学中涉及的数学概念,如线性代数、微积分、微分方程、群论等,条理分明地呈现在我面前。每一章都以清晰的逻辑顺序展开,从基础的定义和定理开始,逐步深入到在量子化学中的具体应用。我特别欣赏作者在解释抽象概念时所使用的类比和图示,这些生动的辅助材料极大地降低了理解的难度,让我能够更直观地把握诸如向量空间、算符、本征值等核心概念。书中提供的例题也十分贴切,它们不仅仅是简单的计算练习,更是将抽象的数学工具与实际的量子化学问题紧密联系起来的桥梁。通过解决这些问题,我能够切实感受到数学的力量如何被用来描述微观世界的规律,例如电子的波函数、能量本征态的求解等等。这本书的语言风格也是我非常喜欢的,它既有学术的严谨性,又不失教学的耐心和亲切感,让我感觉自己不是在被动地接受知识,而是在与一位经验丰富的导师进行一场精彩的对话。我迫不及待地想深入阅读,去探索数学如何揭示量子世界的奇妙本质,相信这本书一定会成为我在量子化学学习道路上的重要伙伴。

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我一直认为,数学是理解宇宙运行规律的通用语言,而量子化学更是将这种语言的深刻性发挥到了极致。初次接触《Mathematics for Quantum Chemistry》这本书,就被其系统性和深度所吸引。书中对微积分的讲解,我必须重点提及,它不仅仅是关于求导和积分的机械操作,更深入地阐释了微分方程在描述量子体系动态演化过程中的关键作用,以及如何通过求解这些方程来获得系统的能量和状态信息。作者以薛定谔方程为例,清晰地阐述了它如何成为描述微观粒子行为的基石,以及求解过程中涉及的各种数学技巧。书中对线性代数的处理也十分精彩,它将抽象的向量空间、算符和矩阵概念与量子力学的基本要素,如量子态、可观测量和量子操作,紧密地联系起来。作者通过引入狄拉克符号和矩阵表示等高效的数学语言,让我得以更加便捷地进行量子力学计算和分析。书中的图示设计也极具匠心,它们将抽象的数学关系可视化,例如波函数的空间分布、算符作用在向量空间中的变化等,这些都极大地帮助了我对抽象概念的直观掌握。我尤其喜欢书中提供的“理论联系实际”环节,它通过具体的量子化学问题,如原子能级、分子轨道计算等,将抽象的数学知识与实际应用场景紧密结合,让我能够切实感受到数学的力量。这本书的语言风格非常独特,它既有数学的严谨与逻辑,又不乏启发性的思考引导,让我感觉在进行一场充满智慧的探索。

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我对科学的兴趣,很大程度上源于对数学如何描述和解释自然规律的惊叹。《Mathematics for Quantum Chemistry》这本书,正是将我引向了量子世界数学语言的奇妙之旅。书中对微积分的讲解,我必须重点提及,它不仅仅是关于求导和积分的技法,更深入地展示了微分方程在模拟量子系统动态演化过程中的核心作用。作者以薛定谔方程为例,清晰地阐述了它如何成为描述微观粒子行为的基石,以及求解过程中涉及的各种数学技巧。书中对线性代数的处理也十分精彩,它将抽象的向量空间、算符和矩阵与量子态、可观测量和量子力学运算巧妙地联系起来,并通过狄拉克符号等工具,让我得以高效地进行量子力学的数学表达。书中的插图设计也起到了至关重要的辅助作用,它们将抽象的数学概念可视化,例如波函数在不同维度上的投影,以及算符作用在向量空间中的轨迹,这些都极大地增强了我对抽象概念的直观理解。我特别喜欢书中提供的“应用案例”部分,这些案例将抽象的数学知识与具体的量子化学问题,如原子能级、分子轨道计算等紧密结合,让我能够切实感受到数学的力量。这本书的语言风格非常独特,它既保持了数学的严谨性,又不失教学的趣味性,让我感觉在与一位睿智的导师进行一场精彩的知识对话。

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把量子化学需要的入门级数学综合了一下,大概分为正交函数,线性代数和理论力学三大部分……不是很深入,本科低年级可以用来入门

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