变分法及其应用-物理.力学.工程中的经典建模

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出版者:
作者:欧斐君
出品人:
页数:198
译者:
出版时间:2013-2
价格:22.60元
装帧:
isbn号码:9787040365566
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
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具体描述

《变分法及其应用:物理、力学、工程中的经典建模》共分六章。第一章介绍泛函分析的一些基本概念和符号;第二章、第三章提出四个古典的变分模型,讨论泛函取得极值的必要条件、各种形式的欧拉方程、条件变分、一阶变分的一般形式、自然边界条件、变动边界与横截条件;第四章介绍物理学、力学中的变分原理,二次泛函极小与特征值的关系,正定算子的极小泛函;第五章介绍变分学中的直接方法;第六章介绍极值的充分条件。

《变分法及其应用——物理、力学、工程中的经典建模》 书籍简介 在科学研究与工程实践的广阔领域中,我们时常面临着如何从海量现象中提炼出最本质的规律,并以此为基础构建精确而高效的数学模型,以指导我们理解和改造世界。本书《变分法及其应用——物理、力学、工程中的经典建模》正是为应对这一挑战而生,它系统而深入地探讨了变分法这一强大的数学工具,并阐述了其在众多经典物理、力学及工程问题建模中的核心地位与广泛应用。 本书首先从严谨的数学角度出发,为读者构建了变分法的坚实基础。我们将循序渐进地介绍函数、泛函的概念,以及如何寻找使泛函取得极值的函数——即求解欧拉-拉格朗日方程。我们将探讨变分法的基本原理,如变分运算、自轭方程、边界条件等,并介绍一系列重要的变分原理,如最小势能原理、最小互能原理等。这些理论框架为后续的实际应用奠定了不可或缺的基石。 理论的魅力终将落脚于实践。本书的精髓在于其对变分法在多个学科领域中的深度应用进行了详尽的剖析。 在物理学领域,变分法扮演着举足轻重的角色。我们将看到,从经典力学的牛顿定律出发,通过拉格朗日量和哈密顿量,我们可以优雅地推导出描述物体运动的欧拉-拉格朗日方程和哈密顿方程。这些方程不仅形式简洁,而且能够自然地处理守恒律,并为量子力学等更高级理论的发展提供了重要的思想启示。此外,在电动力学中,麦克斯韦方程组的变分表述,以及其在场论中的应用,也将得到深入的探讨。我们还将触及到统计力学中熵最大化原理的变分解释,以及在场论中,如薛定谔方程的推导,都充分展现了变分法在揭示物理世界深层规律时的强大力量。 在力学领域,变分法更是核心的建模工具。本书将详细介绍弹性力学中的最小势能原理及其在求解位移和应力分布中的应用。无论是梁的弯曲、板的挠曲,还是三维弹性体的变形,变分法都能提供一个统一而强大的框架来解决这些经典问题。我们将探讨有限元方法,这是一种现代工程计算中最广泛使用的数值方法,它本质上就是基于变分原理的离散化技术。通过将连续体划分为有限个单元,并利用变分原理导出单元方程,最终组装成全局方程组,从而求解复杂的力学问题。此外,流体力学中的某些变分表述,如速度势和流函数的变分原理,也将得到介绍,为理解复杂流体行为提供新的视角。 在工程学领域,变分法的应用更是无处不在,渗透到各个分支。在结构工程中,如何优化结构的形状以最小化材料使用或最大化承载能力,往往可以转化为变分优化问题。在材料科学中,相变、晶格畸变等微观过程的能量最小化原理,也常常需要变分法的分析。在控制理论中,最优控制问题,即如何设计控制策略以实现特定目标并最小化某个性能指标,本质上就是一个变分问题,其解由庞特里亚金最小化原理等给出。本书还将涉及一些更广泛的工程应用,例如在计算机图形学中的网格生成和表面重建,在图像处理中的去噪和边缘检测,以及在机器学习中的模型参数优化,这些现代工程领域都或多或少地受益于变分法的思想。 本书的编写旨在为读者提供一个清晰、系统且具有实践指导意义的学习路径。我们强调理论与应用的紧密结合,力求使读者在掌握抽象的数学原理的同时,也能深刻理解这些原理如何应用于解决实际问题。书中包含了大量的经典案例和例题,旨在帮助读者巩固所学知识,并培养独立建模和解决问题的能力。 阅读本书,您将能够: 深刻理解变分法的基本原理和数学技巧。 掌握如何利用变分法构建物理、力学和工程中的数学模型。 熟悉变分法在经典物理理论中的核心作用。 学习并掌握弹性力学、结构力学等领域中的变分求解方法。 了解变分法在现代工程计算,特别是有限元方法中的应用。 培养运用数学工具解决复杂工程问题的能力。 无论您是物理学、力学、工程学专业的学生,还是致力于相关领域研究的学者和工程师,本书都将是您不可或缺的参考书。它将帮助您跨越学科界限,以更深刻、更统一的视角理解和解决科学与工程中的挑战,领略变分法作为一种普适性极强的思想和方法的魅力。

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用户评价

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这本书的结构安排,堪称教科书级别的典范,从最基础的变分原理引入,逐步过渡到各种复杂系统的建模应用。我发现在许多工程实践问题中,传统的微分方程求解往往束手无策,而这本书提供的方法论,像是为这些“顽固”的问题找到了新的突破口。我尝试用书中的某些方法去反推一个我工作中遇到的振动问题,结果发现效率和精度都得到了显著提升。更难能可贵的是,作者似乎一直在努力弥合理论与实践之间的鸿沟,每当引入一个复杂的数学工具时,紧接着就会有一个直观的物理图像或工程实例来佐证其必要性和有效性。这种“理论支撑-实例印证”的循环结构,极大地增强了读者的学习信心。

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坦率地说,这本书的阅读体验是一场智力上的马拉松,需要投入相当的精力和时间去消化那些层层递进的数学推导。我花了数周时间才啃下前几章,每当感觉思绪有些迷茫时,回过头看看前面章节的结论,总能找到一个清晰的锚点。这本书的厉害之处在于,它并非仅仅罗列公式,而是将变分思想融入到对物理系统稳定性和演化路径的深刻理解之中。书中对边界条件和泛函极值的处理,展现了一种近乎艺术般的美感,那种追求“最经济”或“最自然”路径的数学表达,实在是迷人。我尤其关注了其中关于结构稳定性的那一部分,它提供的分析框架,远比我过去学到的那些经典力学教材要精妙和完备得多,对于从事结构设计或材料科学的朋友来说,无疑是一份宝贵的参考资料。

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这部厚重的书卷入手,首先映入眼帘的是那排版严谨的文字和大量精确的图表,让人不禁对作者深厚的学术功底肃然起敬。我原本对这个领域只是略有耳闻,觉得它定是高深莫测的理论殿堂,然而深入阅读后,才发现它在讲述诸多物理和力学现象时,那种庖丁解牛般的清晰度令人赞叹。比如,它对某些基本原理的阐释,仿佛是搭建起一座通往复杂问题的完美阶梯,每一步都铺垫得扎实而有逻辑。我特别欣赏其中对于“最优化”思想在自然界中普遍性的探讨,这种跨越不同学科的洞察力,极大地拓宽了我对物理世界运行方式的理解。书中的例证选择非常巧妙,既有基础的力学模型,也有涉及更前沿的工程优化案例,让原本抽象的数学工具变得鲜活起来,仿佛能触摸到其在实际问题中发挥作用的脉络。

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与其说这是一本教材,不如说它是一部系统的理论纲领。它的语言风格偏向于严谨的学术论述,对于初学者可能需要反复咀嚼,但对于有一定数学和物理基础的读者而言,它提供的参照系是极为坚实的。我特别留意了书中关于数值求解方法的讨论,作者并未止步于解析解,而是深入探讨了如何将其转化为可计算的数值算法,这一点对于现代工程仿真领域至关重要。全书的论述逻辑链条非常完整,无论是对基础框架的建立,还是对复杂边界条件的处理,都做到了滴水不漏。读完之后,我感觉自己对“建模”这个行为有了更深层次的敬畏,因为它要求我们将物理直觉精准地翻译成数学语言,而这本书,正是教授这种“翻译艺术”的绝佳范本。

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阅读此书的过程中,我最大的感受是它对于“思想深度”的挖掘。它不仅仅是教你如何应用变分法去解决一个给定的问题,更重要的是,它在培养读者一种“变分思维”——即如何从物理或工程的本质出发,去构建一个描述系统行为的最优泛函。这种思维方式的转变,是任何单一的数值计算技巧所无法比拟的。书中对拉格朗日力学和哈密顿力学的回顾与延伸,清晰地展示了变分法如何渗透到经典物理学的核心。对于那些希望从根本上理解物理定律为何呈现特定形式的研究者来说,这本书提供的视角是极其深刻和富有启发性的,它让你看到自然界背后隐藏的那种内在的“效率原则”。

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