Vector Analysis

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出版者:Cambridge University Press
作者:N. Kemmer
出品人:
页数:272
译者:
出版时间:1977-01-28
价格:USD 36.99
装帧:Paperback
isbn号码:9780521290647
丛书系列:
图书标签:
  • 矢量分析
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具体描述

Vector analysis provides the language that is needed for a precise quantitative statement of the general laws and relationships governing such branches of physics as electromagnetism and fluid dynamics. The account of the subject is aimed principally at physicists but the presentation is equally appropriate for engineers. The justification for adding to the available textbooks on vector analysis stems from Professor Kemmer's novel presentation of the subject developed through many years of teaching, and in relating the mathematics to physical models. While maintaining mathematical precision, the methodology of presentation relies greatly on the visual, geometric aspects of the subject and is supported throughout the text by many beautiful illustrations that are more than just schematic. A unification of the whole body of results developed in the book - from the simple ideas of differentiation and integration of vector fields to the theory of orthogonal curvilinear coordinates and to the treatment of time-dependent integrals over fields - is achieved by the introduction from the outset of a method of general parametrisation of curves and surfaces.

《矢量的世界:从几何到应用的探索》 这是一本带领读者深入探索矢量分析这一数学分支的著作。本书并非仅仅罗列公式和定理,而是旨在构建一个清晰、直观的理解框架,使读者能够深刻领悟矢量分析的精髓及其在各个领域中的强大应用。本书的写作风格力求严谨又不失生动,每一处推导都力求清晰易懂,每一个概念的引入都紧密联系其几何直观意义,最终指向其在物理、工程、计算机图形学等诸多学科中的实际效用。 第一部分:基础的构建——矢量的几何与代数 本书的开篇,我们将从最基础的矢量概念入手。这里,“矢量”不仅仅是具有大小和方向的量,更是我们理解空间和运动的基石。我们将从二维空间开始,通过生活中的实例,如位移、速度、力,来建立对矢量的直观认识。读者将学习如何表示矢量,包括使用坐标表示法和几何表示法。坐标系的选择对于理解矢量至关重要,本书将探讨不同坐标系下矢量的性质,以及坐标系变换对矢量表示的影响。 代数运算是矢量分析的另一重要基石。本书将详细介绍矢量的加法、减法和数乘,并提供大量的几何解释,例如平行四边形法则和三角形法则。这些看似简单的运算,实则蕴含着深刻的空间几何意义。我们将强调这些运算的封闭性、结合律、分配律等代数性质,并展示如何在实际问题中运用这些性质来简化计算。 本书还将重点介绍矢量运算中的两个核心概念:点积(也称标量积)和叉积(也称矢量积)。点积不仅仅是两个矢量的乘积,它揭示了两个矢量之间的“平行度”,其结果是一个标量,代表一个矢量在另一个矢量方向上的投影的长度乘以另一个矢量的长度。我们将深入探讨点积的几何意义,如计算两个矢量之间的夹角,判断矢量是否垂直,以及在物理学中计算功。叉积则更加精妙,它定义在三维空间中,结果是一个新的矢量,其方向垂直于原有的两个矢量所在的平面,其大小则与这两个矢量构成的平行四边形的面积成正比。我们将详细讲解叉积的右手定则,并说明其在计算力矩、判断矢量是否平行等问题中的应用。 第二部分:微分与积分的交响——矢量场与分析 在掌握了矢量的基本运算和几何直观后,本书将带领读者进入矢量分析的核心领域——矢量场的概念。矢量场是将矢量赋予空间中每一点的数学工具,例如速度场描述流体的流动,电场描述电荷的分布,温度梯度场描述热量的传导方向。本书将从标量场和矢量场出发,引入其基本概念和表示方法。 导数在数学中扮演着描述变化率的关键角色,在矢量分析中,我们引入了梯度、散度和旋度等概念来描述矢量场的局部变化。梯度是一个矢量算子,作用于标量场,产生一个矢量场,其方向指向标量场增长最快的方向,大小表示该方向上的变化率。我们将通过等值线和等值面的直观图像来理解梯度的意义,并展示其在最优化问题中的应用。 散度则衡量矢量场在某一点的“源”或“汇”的强度。一个正散度意味着该点是矢量场的源,矢量场从该点向外发散;一个负散度则意味着该点是矢量场的汇,矢量场向该点汇聚;零散度则表示该点既非源也非汇,矢量场在该点是连续且无净流入或流出的。我们将通过流体流动和电场线的例子来直观理解散度的概念。 旋度则描述了矢量场在某一点的“旋转”趋势。一个非零的旋度意味着矢量场在该点存在着旋转效应,例如水流的涡旋。我们将利用右手定则来判断旋度的方向,并说明其在描述流体动力学和电磁学中的重要性。 有了对局部变化的理解,我们自然而然地会想到对矢量场进行积分,从而获得其全局性质。本书将详细介绍线积分、面积分和体积分。线积分可以用来计算矢量场沿着曲线的“累积效应”,例如计算电场力做功,或者计算通过一个闭合曲线的磁通量。面积分则是在曲面上进行的积分,可以用来计算矢量场通过曲面的“流量”,例如计算电场通过一个闭合曲面的总电荷量。体积分则是在三维空间区域内进行的积分,通常用于计算矢量场在整个区域内的总“源”或“汇”。 第三部分:联系与转化——格林、高斯与斯托克斯定理 矢量分析最令人着迷的部分之一在于其强大的积分定理,它们将不同维度的积分联系起来,将复杂的计算转化为相对简单的形式。本书将隆重介绍三个核心的积分定理:格林定理、高斯定理(高斯散度定理)和斯托克斯定理。 格林定理建立了一个二维平面上封闭曲线的线积分与该曲线所围成的区域上的二重积分之间的联系。它表明,一个矢量场沿着一个闭合曲线的线积分,等于该曲线所围区域上的一个特定二重积分。本书将通过生动的例子,例如计算面积和计算功,来展示格林定理的威力。 高斯定理则将一个三维闭合曲面上的矢量场的面积分(散度在曲面上的积分)与该曲面所围立体内的散度的体积分联系起来。它深刻地揭示了矢量场“净输出”与“内部源汇”之间的关系,是理解电场和引力场等现象的关键。我们将重点分析高斯定理在计算场强和理解高斯定律中的应用。 斯托克斯定理则将三维空间中一个曲面上的矢量场的线积分与该曲面边界曲线上的线积分联系起来。它揭示了旋度和线积分之间的深刻联系,是理解法拉第电磁感应定律等现象的重要工具。本书将详细阐述斯托克斯定理,并展示其在简化复杂计算中的作用。 这些积分定理不仅是数学上的优美形式,更是物理定律和工程计算的基石。理解它们,将使读者能够以更宏观、更简洁的视角来解决复杂问题。 第四部分:应用的世界——矢量分析的实践 理论的最高境界在于其应用。本书的最后一部分将重点展示矢量分析在各个领域的广泛应用。 在物理学中,矢量分析是描述电磁学、流体力学、经典力学等分支不可或缺的语言。我们将看到如何使用矢量分析来推导麦克斯韦方程组,理解流体的连续性方程和动量方程,以及分析物体的运动和受力。 在工程学中,矢量分析在结构力学、热力学、控制理论等领域发挥着重要作用。例如,在有限元分析中,矢量分析用于描述应力、应变和热流的分布;在流体动力学模拟中,矢量分析用于预测流体的行为。 在计算机图形学中,矢量分析是实现三维渲染、动画和几何建模的基础。例如,光照模型的计算、表面法线的提取、碰撞检测等都离不开矢量分析的工具。 本书将通过具体的实例,例如计算电场和磁场、分析流体流动、模拟光线传播等,来生动地展示矢量分析的强大能力。每一章的末尾都附有精心设计的习题,旨在帮助读者巩固所学知识,并培养独立解决问题的能力。 《矢量的世界:从几何到应用的探索》是一本旨在为读者构建坚实矢量分析基础的书籍。它不仅传授知识,更注重培养读者的数学思维和解决问题的能力,让读者能够自信地遨游于矢量的广阔天地,并将其洞察力应用于现实世界的挑战。无论您是物理、工程、计算机科学的学生,还是对数学的严谨与优美充满好奇的爱好者,本书都将是您不可或缺的良师益友。

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读后感

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用户评价

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坦率地说,这本书的文字风格相当“硬核”,对于初次接触向量分析的本科生来说,可能需要一些耐心。它没有过多使用那种试图让晦涩概念“变亲切”的软性语言,而是直截了当地抛出数学的本质。例如,在讨论斯托克斯定理和高斯散度定理时,作者的论述是极其精炼和公理化的,仿佛他是在向你展示一个已经完美无缺的数学结构,而非一步步引导你搭建它。这带来的好处是,一旦你掌握了核心逻辑,你对这些定理的理解就会非常扎实,不会被一些无关紧要的修饰所干扰。我尤其欣赏作者在引入这些积分定理时,对“路径积分”和“曲面积分”的几何拓扑意义的强调,他反复用边界的连接性和维度的升降来解释为什么这些定理能够成立,这种视角远比死记硬背公式有效得多。不过,我必须指出,书中对一些基础概念的铺垫略显不足,读者如果缺乏扎实的微积分基础,可能会在第一遍阅读时感到吃力,感觉自己像是在一个高速列车上试图理解沿途的风景,略显仓促。

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拿到这本《Vector Analysis》的印刷版时,我立刻被它厚实的装帧和严谨的排版所吸引。作为一名长期在理论物理领域摸爬滚打的研究生,我对教材的选择一直非常挑剔,这本书从第一章的矢量代数开始,就展现出一种深入骨髓的清晰度。作者在介绍叉积和点积的几何意义时,没有停留在那种教科书式的机械定义上,而是花了大量的篇幅去阐释它们在三维空间旋转和投影背后的物理直觉。尤其让我印象深刻的是,他对梯度、散度和旋度的引入,并非孤立地讲解公式,而是将其与电磁场中的坡度、源汇分布和流场旋转性紧密联系起来。书中的习题设计也极具匠心,它们不仅仅是简单的数值计算,更多的是引导读者去思考概念在不同坐标系下的变换特性。我记得有一组练习题,要求用柱坐标系和球坐标系来推导拉普拉斯算子,那过程虽然繁琐,但每一步的推导都像是在雕刻一个精密的数学模型,让你对场论的本质理解更上一层楼。这本书的阅读体验,更像是在攀登一座知识的阶梯,每向上一步,视野就开阔一分,那种由内而外散发的逻辑美感,让人欲罢不能。

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我个人对书中对于“场”的哲学思考特别感兴趣,虽然这本书的标题是“向量分析”,但它无疑为场论打下了坚实的基础。作者在讨论向量场时,总是不经意间流露出对物理实在的深刻洞察。他会引导读者思考:当一个向量场在某一点上具有非零旋度时,我们实际在物理上看到了什么?这不仅仅是一个数学上的操作,而是对流体旋转、电磁涡旋等现象的数学建模。在处理多变量函数的链式法则时,作者引入了雅可比矩阵的概念,并将其与线性近似联系起来,这种从高维微积分到线性代数的无缝过渡,极大地提升了数学工具的实用性。我感觉这本书更像是一位经验丰富的老教授在与你对话,他不仅告诉你“是什么”,更重要的是告诉你“为什么是这样”,并且不断提醒你,这些纯粹的数学结构最终是为了描述我们所处的这个三维(或更高维)物理世界。这种将纯数学的严谨性与物理的直觉性完美融合的叙事方式,是许多同类书籍所欠缺的宝贵品质。

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与其他一些侧重于应用和公式推导的教材相比,《Vector Analysis》在理论的完备性上做得非常出色。它对向量微分算子的定义和性质的探讨,几乎达到了教科书能达到的最细致的程度。作者花了大量篇幅来证明这些算子在各种变换下的协变性和逆变性,这对于后续学习微分几何和广义相对论的读者来说,是不可或缺的铺垫。我发现,许多我在其他地方学习时感到模糊不清的细节,比如在边界处积分定理的应用限制,或者在非光滑曲面上的推广问题,在这本书中都得到了严谨的讨论和澄清。唯一的“缺点”,如果非要说的话,就是这本书的深度要求读者具备一定的数学成熟度,它不会为了迎合初学者而牺牲理论的严密性。因此,我推荐给已经有一定微积分基础,并准备深入探索经典场论或现代物理基础的读者。它不是一本可以轻松翻阅的“入门读物”,而是一本需要你投入时间和精力去啃食和消化的“真家伙”,但回报绝对是丰厚的知识体系构建。

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这本书的排版设计简直是视觉享受,特别是对于需要长期阅读和参考的专业书籍来说,这一点至关重要。页边距的宽度恰到好处,允许我在空白处潦草地写下自己的推导过程或对某个定义的质疑。字体选择和字号大小的搭配,使得长时间阅读也不会引起明显的视觉疲劳。更值得称赞的是,书中大量的插图和示意图,它们并非装饰性的摆设,而是真正起到了阐释复杂几何关系的作用。例如,书中关于法向单位向量和切向单位向量在曲面上的动态变化的图示,用极其简洁的线条勾勒出了向量场在空间中滑动的微妙变化,这比任何冗长的文字描述都要来得直观有力。我常常在遇到困惑时,回到这些插图前,片刻凝视,心中的迷雾便会消散。这体现了作者对读者学习体验的深切关怀,仿佛他知道我们的大脑更倾向于处理图像信息而非纯粹的符号堆砌。这本书的装帧质量也十分出色,即使用力翻阅,书页也没有出现松动,对于需要反复查阅的工具书而言,这是最基本也是最宝贵的品质。

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