Numerical Analysis

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出版者:PWS Publishing Co ,U.S.
作者:Richard L. Burden
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:1993-04
价格:0
装帧:Paperback
isbn号码:9780534932213
丛书系列:
图书标签:
  • 数值分析
  • 计算数学
  • 科学计算
  • 数值方法
  • 算法
  • 数学建模
  • 高等数学
  • 工程数学
  • 计算机科学
  • 优化算法
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具体描述

《计算几何学导论:算法与应用》 内容简介 《计算几何学导论:算法与应用》 深入探讨了计算机科学中一个迷人且至关重要的分支——计算几何学。本书旨在为读者提供一个全面、严谨且富有实践性的视角,理解如何设计、分析和实现解决几何问题的有效算法。本书的重点在于基础理论的建立、核心算法的剖析以及这些技术在现代工程、图形学、机器人学和地理信息系统(GIS)中的实际应用。 本书结构清晰,从最基本的几何对象和数据结构出发,逐步过渡到复杂的空间查询与分析技术。我们力求在保持数学严谨性的同时,确保内容的易读性和对算法实现的指导性。 --- 第一部分:基础与预备知识 第一章:几何基础与数据结构 本章首先回顾了处理二维和三维空间所需的必要数学工具,包括向量代数、仿射几何以及基本的拓扑概念。重点介绍了如何用计算机精确地表示几何对象(点、线段、多边形、多面体)。 随后,我们详细探讨了计算几何学中不可或缺的空间数据结构。这包括: 点定位结构: 如用于快速查询点位于哪个多边形内部的结构(例如,穿线法、倾斜扫描法的基础概念)。 空间划分结构: 深入介绍四叉树(Quadtrees) 和八叉树(Octrees) 的构造、操作及在区域管理中的应用。讨论了kD树在最近邻搜索中的效率与局限性。 拓扑表示: 重点介绍半边数据结构(Doubly Connected Edge List, DCEL)。详细阐述了如何用DCEL精确地表示平面图和曲面网格,及其在拓扑查询和几何操作(如组合操作)中的优势。 第二章:基本几何运算与数值稳定性 精确计算是几何算法成功的基石。本章专注于实现那些看似简单却暗藏玄机的基本几何判断: 方向判断(Orientation Test): 如何确定三个点的相对方位(左转、右转或共线),并讨论了使用符号函数(Sign Function) 的重要性。 线段交点判定: 算法的推导及其在一般情况和边界情况下的鲁棒性分析。 浮点数精度问题: 详细探讨了在计算机算术中,浮点数表示如何引入误差。介绍并实践了鲁棒几何计算(Robust Geometric Predicates) 的技术,如使用高精度算术库(如Shewchuk的健壮性技术概述)或避免不必要的浮点运算的方法。 --- 第二部分:凸壳与线性规划 第三章:凸壳的计算 凸壳(Convex Hull)是计算几何中的“Hello World”问题,但其高效算法的深度值得细究。本章系统地分析了计算二维和三维凸壳的经典算法: 增量法与礼物包裹法(Jarvis March): 复杂度分析与直观理解。 分治法(Divide and Conquer): 详细阐述了如何通过合并两个已知的凸壳来构建更大凸壳的优化步骤,这是理解更复杂分治策略的基础。 快速扫描法(Quickhull): 类比快速排序的原理,分析其平均性能。 三维凸壳: 介绍增量算法,重点讨论了如何维护三维凸壳的拓扑结构(面、棱、顶点的关系),并讨论了其在计算可视性图中的作用。 第四章:对偶变换与线性规划 本章连接了组合几何与线性规划。介绍对偶变换如何将点转化为直线,将直线转化为点,从而简化某些几何问题。 平面分割与对偶: 阐述了如何利用对偶性将二维凸多边形的查询问题转化为简单的高维空间查询。 计算线性规划(LP): 侧重于二维线性规划问题的几何解法。介绍随机增量法,分析其期望线性时间复杂度 $O(n)$ 的实现细节,并讨论其在约束满足问题中的应用。 --- 第三部分:平面分割与区域化 第五章:平面最近邻搜索 精确和高效地找到数据集中距离给定查询点最近的点的算法是许多应用的核心。 Voronoi 图: 深入介绍 Voronoi 图的定义、性质(如 Delaunay 三角剖分的对偶关系)及其在几何分析中的重要性。 Voronoi 图的构造算法: 详细分析Fortune 算法(基于扫描线法)的原理,包括如何管理“事件队列”和“抛物线弧”结构。讨论其 $O(n log n)$ 的时间和空间复杂度。 Delaunay 三角剖分: 分析 Delaunay 三角剖分的构造(如基于增量插入或通过 Voronoi 图的对偶性)及其在插值和网格生成中的应用。 第六章:平面有效划分(Arrangements) 当一组直线或线段相交时,它们将平面分割成若干个区域(faces)、边(edges)和顶点(vertices)。本章研究如何有效地构造和查询这种划分。 扫描线技术(Plane Sweep): 详细介绍处理线段交点和构造平面划分的扫描线算法。重点分析事件点和状态结构(Sweep Line Status)的管理。 应用: 讨论平面划分在识别所有交点(Bentley–Ottmann 算法)和解决复杂路径规划问题中的作用。 --- 第四部分:高级主题与应用 第七章:区间数据结构与动态查询 本章转向处理动态变化的几何数据和复杂的范围查询。 区间树(Interval Trees): 构造与应用,用于快速查询与给定区间重叠的线段。 动态维护: 讨论当插入或删除几何对象时,如何高效地更新如 Delaunay 三角剖分或 Voronoi 图等结构。介绍动力学数据结构的基本思想,尽管其实现难度较高,但对理解现代算法至关重要。 第八章:几何体相交与碰撞检测 在机器人学、动画和物理模拟中,快速判断两个或多个三维物体是否发生碰撞是性能的关键瓶颈。 凸体相交: 介绍分离轴定理(Separating Axis Theorem, SAT) 在判断两个凸多面体是否相交时的应用。 视线遮挡与可见性分析: 如何利用空间划分结构(如BSP树或Octrees)来优化场景中的可见性测试和遮挡剔除。 网格与层次化结构: 介绍层次包围盒(Bounding Volume Hierarchies, BVH) 的构建策略,并分析它们在加速射线追踪和碰撞检测中的性能优势。 --- 总结与展望 本书最后部分总结了计算几何学的核心思想——将组合结构与连续分析相结合,并提供了进一步深入研究的方向,包括计算拓扑学、离散微分几何以及大数据环境下的几何查询优化。 目标读者: 本书适合作为高等院校计算机科学、数学、工程学(特别是机器人、计算机图形学、GIS)专业高年级本科生或研究生的教材。读者应具备扎实的离散数学基础和算法分析能力。通过本书的学习,读者将能够掌握构建高效、鲁棒的几何算法和系统的能力。

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读后感

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用户评价

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我对这本书关于“插值与逼近”的论述,给予了极高的评价。在我看来,这是连接连续函数与离散数据之间的桥梁。书中从最基础的多项式插值(如拉格朗日插值和牛顿插值)开始,详细介绍了其构建方法和误差分析。我印象深刻的是书中对于“吉布斯现象”的解释,以及如何通过选择合适的插值基函数(如样条函数)来克服这一问题。书中对“样条插值”的详尽介绍,包括其定义、构造方法和性质,为我理解如何平滑地逼近复杂曲线提供了清晰的思路。我曾经遇到过需要用一组测量数据来拟合一个平滑的轨迹,而这本书提供的样条插值方法,让我能够生成既平滑又精确的拟合曲线。此外,书中还涉及了“最佳逼近”的概念,如“最小二乘逼近”和“切比雪夫逼近”,这让我更深入地理解了函数逼近的理论基础。通过对这些内容的学习,我不仅能够解决实际问题,更能够从数学的视角欣赏到插值与逼近的美妙。

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我一直在寻找一本能够系统梳理“非线性方程求解”和“优化问题”的著作,而这本书恰好满足了我的需求。我发现,在很多实际应用场景中,我们面对的往往不是线性的问题,而是复杂的非线性方程组或者需要寻找函数的最小值。书中对“不动点迭代法”的分析,以及“二分法”、“割线法”、“割线法”等方法的详细介绍,让我对非线性方程的求解有了更深入的理解。我特别喜欢书中关于“牛顿法的收敛性”的理论分析,以及如何通过“阻尼牛顿法”来提高其在复杂情况下的鲁棒性。在优化问题方面,书中对“梯度下降法”、“共轭梯度法”等经典算法的介绍,以及它们在局部最优和全局最优方面的考量,都让我受益匪浅。我曾经在尝试解决一个多变量的优化问题时,陷入了局部最优的困境,而这本书提供的理论指导,让我能够更清晰地认识到问题的根源,并尝试更有效的算法。这本书的价值在于它不仅教我“做什么”,更让我明白“为什么这样做”,这种深度让我非常满意。

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在阅读这本书的过程中,我深刻体会到“数值稳定性”和“误差分析”的重要性,而这本书在这两个方面都提供了非常深入和细致的讨论。我曾经遇到过在进行数值计算时,微小的输入误差却被放大,导致最终结果完全错误的情况。这本书详细解释了“病态问题”是如何产生的,以及如何通过选择合适的数值算法和预处理技术来缓解这些问题。书中对“舍入误差传播”的分析,让我能够理解为什么在计算机上进行浮点运算时,需要格外小心。我尤其喜欢书中关于“条件数”的讲解,它能够直观地衡量一个问题的敏感程度。书中还介绍了“数值稳定性”的概念,并提供了判断算法稳定性的方法。我曾尝试过用不同的算法来解决同一个问题,并通过观察误差的增长来判断其稳定性。这本书为我提供了理论基础,让我能够更科学地进行选择。我坚信,掌握了这些关于误差和稳定性的知识,我将能更可靠地进行数值计算。

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这是一本真正能够引领我深入理解数值分析核心思想的著作。我曾涉猎过其他一些数值分析的入门教材,但总感觉隔靴搔痒,无法真正触碰到算法背后的数学逻辑和实现细节。这本书恰恰填补了这一空白。从开篇对误差分析的细致阐述,到后面讨论的各种数值方法,作者总是能够用清晰易懂的语言,结合丰富的实例,将抽象的数学概念具象化。我尤其喜欢书中对迭代法收敛性分析的详尽讲解,那些复杂的证明过程,在作者的引导下,仿佛变得不再那么令人望而生畏。书中不仅介绍了方法的理论基础,更关注了在实际计算中可能遇到的各种问题,比如病态问题、数值稳定性等,并提供了相应的解决方案。这种理论与实践相结合的写作方式,对于我这样一个既想掌握理论深度,又渴望学以致用的学习者来说,无疑是一场及时雨。我曾花了好几个晚上,反复琢磨书中关于牛顿法和拟牛顿法的部分,每理解一个关键步骤,都有一种豁然开朗的感觉。书中的习题设计也十分精妙,它们不仅仅是简单的计算练习,更多的是引导读者去思考算法的优缺点、适用范围以及如何改进。我深信,通过这本书的学习,我的数值分析功底会得到质的飞跃。

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这本书关于“随机数生成”和“蒙特卡洛方法”的章节,为我打开了一扇全新的大门。我一直对利用随机性来解决复杂问题的方法感到好奇,而蒙特卡洛方法正是实现这一目标的强大工具。书中详细介绍了各种伪随机数生成器(如线性同余生成器、梅森旋转算法),并分析了它们的统计性质。更重要的是,书中展示了蒙特卡洛方法在各种领域的应用,例如计算定积分、模拟物理过程、解决优化问题等。我印象深刻的是书中关于“蒙特卡洛积分”的讲解,它提供了一种绕过传统数值积分方法的强大替代方案,尤其适用于高维积分。我曾经尝试过使用蒙特卡洛方法来估计圆周率,并对结果的收敛速度感到惊讶。这本书不仅教会了我如何生成和使用随机数,更让我理解了如何将随机性巧妙地融入到解决问题的策略中。我期待着将这些方法应用到我自己的研究项目中。

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当我翻开这本书时,我被它严谨的数学推理和清晰的逻辑结构所折服。我一直对线性代数中的各种分解方法(如 LU 分解、QR 分解)以及它们在求解线性方程组中的应用感到着迷。这本书在这方面的内容做得非常出色。它不仅解释了这些分解方法是如何产生的,还详细探讨了它们在数值稳定性和计算效率方面的优势。我尤其喜欢书中关于“条件数”的讲解,它能让我深刻理解为什么有些线性系统即使方程组很小,求解起来也会非常困难。通过对这些基本概念的深入理解,我能够更好地理解那些更复杂的数值算法,比如最小二乘法和特征值问题的数值解法。书中对“雅可比迭代法”和“高斯-赛德尔迭代法”的对比分析,以及它们收敛性的条件,也让我受益匪浅。我曾尝试过用不同的迭代方法来解决同一个问题,通过对比结果,我更能体会到理论分析的重要性。这本书不仅仅是一本技术手册,它更是一本能够培养我数学思维和计算能力的宝贵资源。

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这本书的另一个亮点在于其对“傅里叶分析”和“快速傅里叶变换”(FFT)的详尽讲解。我一直对信号处理和图像处理领域充满兴趣,而傅里叶分析是理解这些领域的基础。这本书从傅里叶级数到傅里叶变换,再到离散傅里叶变换(DFT)和 FFT,层层递进,清晰明了。我尤其对 FFT 的算法原理和它的计算效率提升感到惊叹。书中详细地解释了“蝶形运算”和“递归结构”是如何实现 FFT 的快速计算的,这让我对算法的设计和优化有了更深的认识。我曾尝试过在 MATLAB 中实现 FFT,但总觉得知其然不知其所以然。这本书填补了这一空白,让我能够从数学原理上理解 FFT 的强大之处。此外,书中还介绍了 FFT 在卷积、相关等信号处理中的应用,这为我解决实际问题提供了宝贵的思路。我坚信,通过对 FFT 的深入学习,我将能在信号处理领域取得更大的进步。

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这本书为我打开了一个全新的世界——插值与逼近。我一直觉得,数学的美丽在于它能够用简单的数学模型来描述复杂的现实世界。而插值与逼近正是实现这一目标的关键工具。从多项式插值(如拉格朗日插值和牛顿插值)到样条插值,再到最佳逼近理论,书中都进行了非常详尽的介绍。我特别欣赏书中关于“插值多项式的次数”与“收敛性”之间关系的讨论,这让我明白,并不是次数越高越好。书中还介绍了“切比雪夫逼近”等概念,这为我理解函数逼近的本质提供了新的视角。我曾经遇到过需要用一组离散数据点来拟合一个平滑曲线的情况,这本书提供的工具和方法,让我能够自信地完成这项任务。我还在书中学习到了如何选择合适的插值节点,以避免“吉布斯现象”的出现。总而言之,这本书在插值与逼近领域的深度和广度都让我印象深刻,我深信它会成为我解决工程问题的重要助手。

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这本书的编排结构堪称典范,它以一种循序渐进的方式,将复杂的数值分析领域层层剖析。我一直对数值积分和微分方程的数值解法感到好奇,而这本书恰好给了我一个系统学习的平台。从简单的梯形法则、辛普森法则,到更高级的龙格-库塔方法,书中都给出了详尽的推导过程,并对它们的精度和稳定性进行了深入的讨论。我印象深刻的是书中关于“截断误差”和“舍入误差”的区分,以及如何通过选择合适的数值方法和步长来最小化误差。书中还特别强调了数值方法的“稳定性”问题,这是我在其他教材中很少看到如此细致的讲解的。例如,在讨论微分方程的初值问题时,书中就详细解释了显式和隐式方法的区别,以及它们在数值稳定性上的差异。我曾经尝试过一些数值模拟,但往往会因为数值不稳定而导致结果发散。这本书无疑为我提供了解决这类问题的理论武器。此外,书中还穿插了许多历史上重要的数值算法发展历程,这不仅增加了阅读的趣味性,也让我对数值分析的演进有了更深的认识。我期待着这本书能帮助我解决在实际科研工作中遇到的数值计算难题。

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本书对“求解微分方程的数值方法”的介绍,是我最期待的内容之一。我一直觉得,数学模型是描述自然现象和工程系统的强大工具,而微分方程则是描述动态系统的关键。然而,很多微分方程并没有解析解,这时候数值方法就显得尤为重要。书中从最基本的欧拉方法开始,循序渐进地介绍了各种改进方法,如改进欧拉法、龙格-库塔方法等。我尤其喜欢书中对不同方法的“局部截断误差”和“全局截断误差”的分析,这让我能够理解为什么有些方法比其他方法更精确。书中还详细探讨了“稳定性”问题,这是在求解微分方程时至关重要的一点。例如,对于刚性方程组,如果选择不当的数值方法,很容易导致结果发散。书中提供的对这些问题的深入分析,让我能够更好地理解和选择适合特定问题的数值方法。我曾尝试过用不同的方法来求解同一个微分方程,并通过比较结果的精度和稳定性来验证书中的理论。

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