Numerical Methods

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出版者:Brooks Cole
作者:J. Douglas Faires
出品人:
页数:640
译者:
出版时间:2002-06-18
价格:USD 205.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9780534407612
丛书系列:
图书标签:
  • 数值方法
  • 计算数学
  • 科学计算
  • 算法
  • 工程数学
  • 数学建模
  • 高等数学
  • 数值分析
  • 计算机科学
  • 应用数学
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具体描述

This text emphasizes the intelligent application of approximation techniques to the type of problems that commonly occur in engineering and the physical sciences. Students learn why the numerical methods work, what type of errors to expect, and when an application might lead to difficulties. The authors also provide information about the availability of high-quality software for numerical approximation routines. The techniques are essentially the same as those covered in the authors' top-selling Numerical Analysis text, but in this text, full mathematical justifications are provided only if they are concise and add to the understanding of the methods. The emphasis is placed on describing each technique from an implementation standpoint, and on convincing the student that the method is reasonable both mathematically and computationally.

深入解析计算科学的基石:精选数值方法参考书目 导言 在现代科学、工程、金融乃至数据分析的广阔领域中,精确的数值计算能力是解决复杂问题的核心。许多现实世界的难题,从模拟流体力学到优化复杂的投资组合,往往无法通过解析方法求得精确解。这时,数值方法便成为了桥接理论与实践的唯一途径。我们在此推荐一系列经典且权威的计算方法参考书目,它们涵盖了从基础理论到前沿应用的各个层面,旨在帮助读者系统、深入地掌握数值计算的精髓。 第一部分:基础理论与线性代数驱动 1. 《矩阵计算导论》(Introduction to Matrix Computations) 本书是理解和掌握数值线性代数(Numerical Linear Algebra)的基石。数值线性代数是几乎所有高级数值方法(如偏微分方程求解、优化问题)的引擎。 核心内容覆盖: 详细阐述了矩阵分解技术,包括 LU 分解、QR 分解和 Cholesky 分解的稳定性和误差分析。重点讨论了特征值问题的数值算法,如 QR 算法的原理与实现细节。此外,对大规模稀疏矩阵的求解技术,如 Krylov 子空间方法(Lanczos 和 Arnoldi 迭代),进行了深入的探讨。 独特视角: 该书尤其强调计算的稳定性和对舍入误差的控制,通过大量实际算例展示了病态矩阵对解的影响,并提供了诊断和缓解这些问题的实用策略。 适用读者: 任何需要处理大规模线性系统,或深入研究偏微分方程数值解法的工程师和研究人员。 2. 《数值分析:原理与实践》(Numerical Analysis: Principles and Practice) 作为一本经典的数值分析教材,它为非线性方程求解和函数逼近提供了坚实的理论基础。 核心内容覆盖: 覆盖了根的查找算法,包括二分法、割线法和牛顿迭代法,并严格分析了它们的收敛速度和鲁棒性。函数插值部分深入探讨了拉格朗日插值、牛顿差商形式以及样条插值(特别是三次样条)的数学性质和几何意义。数值积分部分则系统介绍了牛顿-科茨公式、高斯求积法的构造原理及其精度分析。 独特视角: 本书注重从理论上证明算法的收敛性,同时辅以清晰的算法流程图,强调理论与手工计算验证的结合。 适用读者: 学习数值方法初级课程的学生,以及需要回顾或巩固基本算法理论的从业者。 第二部分:微分方程的数值处理 3. 《常微分方程的数值解法》(Numerical Solution of Ordinary Differential Equations) 处理涉及时间演化的系统,如物理、化学反应或控制系统,必须依赖常微分方程(ODE)的数值求解器。 核心内容覆盖: 详细分析了一步法(如欧拉法、中点法)和多步法(如梯形法则、亚当斯族方法)的局部截断误差、全局误差以及稳定性区域。重点突出了隐式方法和显式方法的权衡,特别是对刚性(Stiff)ODE 问题的处理,如 Backward Differentiation Formulas (BDF) 的应用。 独特视角: 本书不仅关注求解精度,更深入探讨了适应步长控制(Adaptive Step-Sizing)的必要性与实现,确保计算效率和误差界限的满足。 适用读者: 动态系统模拟工程师、控制理论专家以及生物数学建模人员。 4. 《偏微分方程的有限元方法》(The Finite Element Method for Partial Differential Equations) 对于描述场分布(如热传导、结构力学)的偏微分方程(PDEs),有限元方法(FEM)是当今最强大的数值工具之一。 核心内容覆盖: 本书从变分原理和弱形式的建立出发,系统地推导出泊松方程、亥姆霍兹方程等经典椭圆型 PDE 的离散化过程。详细讲解了基函数(形函数)的选择(如线性、二次单元)、刚度矩阵和载荷向量的装配过程,以及网格划分对解的质量的影响。此外,对非自伴随和非线性 PDE 的处理也提供了深入的见解。 独特视角: 强调了 FEM 的数学严谨性,特别是 Galerkin 方法的误差估计和最优逼近性质,使用户能够自信地构造和分析 FEM 求解器。 适用读者: 结构力学、流体力学(CFD)和电磁场分析领域的专业人士。 第三部分:优化与高级计算 5. 《非线性优化导论》(Introduction to Nonlinear Optimization) 许多科学和工程问题最终归结为在约束或无约束条件下寻找函数的最小值或最大值。 核心内容覆盖: 系统介绍了无约束优化方法,包括最速下降法、牛顿法、拟牛顿法(DFP 和 BFGS),并分析了它们的收敛性。在约束优化方面,重点剖析了 KKT 条件、对偶理论以及可行域内的求解算法,如序列二次规划(SQP)和内点法(Interior Point Methods)的基本思想。 独特视角: 本书对算法的可行性和终止准则进行了详尽的讨论,这对实际应用中的收敛判断至关重要。 适用读者: 机器学习算法设计者、运筹学专家和需要进行模型参数校准的工程师。 6. 《蒙特卡洛方法及其应用》(Monte Carlo Methods and Their Applications) 当问题的维度过高或涉及随机过程时,基于采样的蒙特卡洛方法成为不可或缺的工具。 核心内容覆盖: 介绍了伪随机数和准随机数的生成技术,以及它们在数值积分中的应用(如接受-拒绝法)。重点阐述了马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)方法,特别是 Metropolis-Hastings 算法和 Gibbs 采样的构造细节,用以在复杂概率分布中进行高效采样。 独特视角: 侧重于如何利用统计学原理来控制和量化基于采样的结果的方差,从而提供可靠的误差估计。 适用读者: 概率论、统计物理学、金融工程(风险评估)以及需要进行高维积分的科研人员。 结论 上述六本著作共同构成了一个强大的数值方法知识体系,它们各自侧重于计算科学的不同核心领域。无论是解决线性方程组、模拟动态系统、求解偏微分方程,还是执行复杂的优化任务,这些书籍都提供了从底层数学原理到高层算法实现的全面指导,确保学习者能够构建出高效、稳定且可靠的数值计算解决方案。

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《Numerical Methods》这本书,说实话,在我打开之前,我对“数值方法”这个领域并没有太高的期待,总觉得会是很枯燥的理论堆积。然而,这本书彻底改变了我的看法。它以一种非常系统且引人入胜的方式,将看似抽象的数值计算过程,与实际的应用场景紧密地联系起来。书中开篇的例子就非常具有吸引力,它不是凭空出现的数学问题,而是从我们生活中可能遇到的实际难题出发,引导读者思考如何用数学的手段去解决。 在讲解各种数值算法时,这本书的特点在于其“解剖式”的分析。作者似乎真的把每一个算法都拆解开来,从最基本的概念出发,一步步地揭示其内在的运作机制。我印象特别深刻的是对微分方程数值解法的讲解,它不是简单地罗列欧拉法、龙格-库塔法,而是深入剖析了这些方法的误差来源、收敛速度,以及在不同问题下的适用性。这种细致入微的分析,让我对这些方法有了更透彻的理解。 此外,《Numerical Methods》在语言运用上也非常讲究。它避免了大量晦涩难懂的专业术语,而是用清晰、简洁、易于理解的语言来阐述复杂的数学概念。书中穿插的图表和示意图,更是起到了画龙点睛的作用,让那些抽象的数学关系变得可视化,大大降低了阅读难度。对我而言,这本书的阅读体验就像是在与一位经验丰富的导师进行一次深入的交流。 最令我赞赏的是,这本书并没有将数值方法局限于纯粹的数学理论,而是非常注重其在工程和科学研究中的实际应用。书中提供了大量的真实案例,展示了如何利用这些数值工具来解决诸如天气预报、结构分析、信号处理等复杂问题。这种“学以致用”的导向,让我更加深刻地认识到了数值方法的重要性和价值。 总而言之,《Numerical Methods》是一本高质量的专业书籍,它以其独特的视角、深入的分析和丰富的应用,为我打开了认识数值方法的新大门。这本书不仅让我掌握了实用的计算技能,更培养了我用数学的思维去解决实际问题的能力。

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这本书真是彻底颠覆了我对“数值方法”的固有印象。我之前以为会是一本枯燥乏味的教科书,充斥着各种公式和算法推导,但《Numerical Methods》给我的感觉更像是一次深入浅出的数学探险。作者没有一开始就扔给我一堆抽象的理论,而是用非常生动的语言,从一些现实世界中的问题切入,比如如何精确测量一个不规则物体的体积,或者如何预测一个复杂系统的未来走向。这种“问题驱动”的学习方式,让我立刻就产生了强烈的学习兴趣。 接着,书中对各种数值方法的介绍,也完全不是我想象中的死记硬背。它仿佛在教我如何成为一个“数学侦探”,一步步地引导我去理解这些方法背后的逻辑和思想。比如,在讲解牛顿迭代法时,作者并没有仅仅罗列公式,而是通过图示和类比,让我直观地理解了迭代过程的几何意义,以及为什么它能够如此高效地逼近真值。更让我惊喜的是,书中还花了相当大的篇幅去讨论这些方法的“适用范围”和“局限性”,这对于一个初学者来说至关重要,避免了我掉入“万能公式”的陷阱,而是学会了如何根据具体问题选择最合适的工具。 而且,《Numerical Methods》的排版和设计也极具匠心。清晰的章节划分,恰到好处的插图和图表,让阅读过程变得非常顺畅。我尤其喜欢书中那些“思考题”和“动手实践”的环节,它们不是那种刁难人的难题,而是鼓励我去尝试、去探索,甚至去编写一些简单的代码来验证书中的概念。这种互动式的学习体验,让我感觉自己不再是被动地接受知识,而是积极地参与到知识的构建过程中。 这本书最让我印象深刻的一点,是它在理论深度和工程实践之间的绝佳平衡。它既没有回避数学的严谨性,也没有脱离实际应用。作者在讲解每一个数值方法时,都会穿插一些实际的应用案例,比如在金融建模、工程仿真、数据科学等领域的应用。这让我明白,这些看似抽象的数学工具,实际上是解决现实世界复杂问题的强大武器。这种“学以致用”的理念,极大地激发了我深入学习的动力。 总的来说,《Numerical Methods》是一本真正能够激发读者潜能的书。它不仅仅是一本关于数值计算的书,更是一本关于如何用数学的思维去解决问题的书。它教会我如何去观察、去分析、去建模、去计算,以及最重要的——如何去思考。读完这本书,我感觉自己的数学视野得到了极大的拓展,对未来在科研和工程领域应用数值方法充满了信心。这本书绝对是我近年来读过最值得推荐的科技类读物之一。

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这是一本让人耳目一新的关于数值方法的著作。我一直以为这类书籍会是一水的公式推导和枯燥的算法讲解,但《Numerical Methods》完全打破了我的刻板印象。它从一个非常宏观的角度切入,并没有急于进入具体的计算细节,而是先为读者勾勒出一幅数字世界的全景图。书中对“数值分析”的起源、发展和重要性进行了深入浅出的阐述,让我对这个领域有了更深刻的理解。 接着,书中对各种核心数值算法的介绍,也做得非常出色。例如,在讲解线性方程组的求解时,作者并没有直接抛出高斯消元法或LU分解,而是先从矩阵的性质、条件的含义等基础概念入手,循序渐进地引导读者理解这些方法的原理。我特别欣赏书中那些高质量的插图,它们将抽象的算法过程形象化,让原本复杂的概念变得易于理解。 而且,《Numerical Methods》的语言风格非常独特,它既有学术的严谨性,又不失轻松的幽默感。作者在解释一些关键概念时,常常会穿插一些引人入胜的例子,甚至是一些历史故事,让学习过程充满了乐趣。我尤其喜欢书中关于误差分析的部分,它不仅仅是简单地介绍各种误差的类型,更是深入探讨了这些误差是如何产生的,以及如何通过优化算法来减小它们。 这本书最让我惊喜的是,它不仅仅停留于理论层面,而是非常注重与实际应用的结合。书中提供了大量的案例研究,涵盖了从物理学、工程学到金融学等多个领域,展示了数值方法在解决实际问题中的强大威力。这让我深刻地认识到,掌握这些数值计算工具,能够为我打开更多解决实际问题的可能性。 总而言之,《Numerical Methods》是一本兼具深度和广度的优秀教材。它不仅教授了数值计算的基本方法,更培养了读者的数学思维能力和解决问题的能力。这本书对于任何想要深入了解数值计算,或者将其应用于实际工作中的读者来说,都是一本不可多得的宝藏。

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我原本抱着试试看的心态翻开《Numerical Methods》,没想到它却给了我巨大的惊喜。这本书以一种非常独特的方式呈现了数值方法的知识体系。它没有采取传统的按算法分类的方式,而是围绕着“如何从离散数据中恢复连续信息”、“如何逼近复杂的函数”等核心问题来展开。这种“问题导向”的架构,让我感觉自己像是在解决一系列数学谜题,而不是机械地学习算法。 在具体的算法讲解上,《Numerical Methods》也显得与众不同。书中对每个算法的推导都非常详尽,但又不像其他书籍那样枯燥。作者善于用类比和形象化的语言来解释复杂的数学推导过程,让我能够更轻松地理解其背后的数学逻辑。比如,在讲解插值和逼近时,书中通过绘制各种曲线来展示不同方法的优缺点,直观且令人印象深刻。 让我特别喜欢的是,这本书在讨论算法的收敛性、稳定性和精度时,做得非常深入。它不仅仅给出了一些结论,而是引导读者去思考这些性质为何如此,以及它们对实际应用有什么影响。这种对“为什么”的深入探究,让我对数值方法的理解上升到了一个新的高度,不再是停留在“怎么用”的层面。 此外,《Numerical Methods》在数学软件的应用方面也提供了宝贵的指导。书中不仅解释了数值算法的原理,还指导读者如何使用一些常用的数学软件(如MATLAB, Python等)来实现这些算法,并分析结果。这对于我这样希望将理论知识付诸实践的读者来说,简直是福音。 总而言之,《Numerical Methods》是一本设计精巧、内容扎实的书籍。它在传授数值计算知识的同时,也培养了读者的批判性思维和解决复杂问题的能力。这本书不仅适合初学者入门,对于有一定基础的读者,也能带来新的启发和见解。

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我一直对数值计算领域抱有极大的兴趣,但很多教材都让我觉得过于理论化,难以消化。《Numerical Methods》这本书却给了我完全不同的体验。它以一种非常“接地气”的方式,将数值方法的原理和应用巧妙地结合在一起。书中没有一开始就用大量抽象的数学符号轰炸读者,而是从一些实际的物理现象或工程问题入手,引发读者对数值方法的思考。 这本书的独特之处在于它对每一种数值方法的“深度挖掘”。它不仅仅是告诉你“怎么做”,更重要的是告诉你“为什么这么做”。例如,在讲解迭代法时,书中不仅给出了迭代公式,还详细分析了迭代的收敛条件、误差的传播方式,以及如何通过选择合适的初值来提高收敛速度。这种深入骨髓的分析,让我对算法的理解更加透彻。 更让我感到惊喜的是,书中对算法的“比较与权衡”的讨论。作者并没有将不同的数值方法孤立地介绍,而是将它们放在一起进行比较,分析它们各自的优缺点、适用范围以及在不同应用场景下的表现。这种“辩证”的学习方式,让我能够更好地根据实际需求选择最合适的算法,而不是盲目地套用。 《Numerical Methods》的书写风格也十分吸引人。它既有学术的严谨,又不乏生动的语言。作者善于用通俗易懂的比喻和形象的图示来解释复杂的数学概念,使得阅读过程轻松愉快。我尤其喜欢书中那些“提示”和“注意”的栏目,它们往往包含了作者的经验之谈,对于避免常见的错误非常有帮助。 总而言之,《Numerical Methods》是一本非常优秀的数值方法入门书籍。它以其独特的教学方法、深入的分析和丰富的实践指导,极大地提升了我对数值方法的理解和应用能力。这本书绝对是任何希望深入了解数值计算领域人士的必备读物。

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