Differential Equations with Applications and Historical Notes, Third Edition

Differential Equations with Applications and Historical Notes, Third Edition pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Chapman and Hall/CRC
作者:George F. Simmons
出品人:
页数:764
译者:
出版时间:2016-9-27
价格:USD 99.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9781498702591
丛书系列:Textbooks in Mathematics
图书标签:
  • Mathematics
  • Calculus
  • 英文原版
  • 数学
  • 微分方程
  • 常微分方程
  • 偏微分方程
  • 数学应用
  • 历史
  • 数学分析
  • 高等数学
  • 工程数学
  • 科学计算
  • 建模
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具体描述

Fads are as common in mathematics as in any other human activity, and it is always difficult to separate the enduring from the ephemeral in the achievements of one’s own time. An unfortunate effect of the predominance of fads is that if a student doesn’t learn about such worthwhile topics as the wave equation, Gauss’s hypergeometric function, the gamma function, and the basic problems of the calculus of variations—among others—as an undergraduate, then he/she is unlikely to do so later.

The natural place for an informal acquaintance with such ideas is a leisurely introductory course on differential equations. Specially designed for just such a course, Differential Equations with Applications and Historical Notes takes great pleasure in the journey into the world of differential equations and their wide range of applications. The author—a highly respected educator—advocates a careful approach, using explicit explanation to ensure students fully comprehend the subject matter.

With an emphasis on modeling and applications, the long-awaited Third Edition of this classic textbook presents a substantial new section on Gauss’s bell curve and improves coverage of Fourier analysis, numerical methods, and linear algebra. Relating the development of mathematics to human activity—i.e., identifying why and how mathematics is used—the text includes a wealth of unique examples and exercises, as well as the author’s distinctive historical notes, throughout.

Provides an ideal text for a one- or two-semester introductory course on differential equations

Emphasizes modeling and applications

Presents a substantial new section on Gauss’s bell curve

Improves coverage of Fourier analysis, numerical methods, and linear algebra

Relates the development of mathematics to human activity—i.e., identifying why and how mathematics is used

Includes a wealth of unique examples and exercises, as well as the author’s distinctive historical notes, throughout

Uses explicit explanation to ensure students fully comprehend the subject matter

Outstanding Academic Title of the Year, Choice magazine, American Library Association.

《微分方程:理论、方法与现代应用》 本书旨在为读者提供一个全面而深入的微分方程学习体验,涵盖其基本理论、经典求解方法以及在众多科学和工程领域中的实际应用。本书适用于高等教育本科生、研究生以及需要运用微分方程解决实际问题的研究人员和工程师。 核心内容涵盖: 常微分方程(ODE)的基础理论: 基本概念与定义: 详细介绍微分方程的阶数、线性与非线性、齐次与非齐次方程等基本概念。 解的存在性与唯一性: 深入探讨皮卡-林德洛夫定理(Picard-Lindelöf theorem)及其证明,为理解微分方程解的行为奠定坚实基础。 线性微分方程组: 详述解的存在性、线性无关、基本解组、Wronskian行列式等关键概念,并介绍多种方法求解线性系统。 稳定性理论: 引入李雅普诺夫稳定性(Lyapunov stability)的概念,分析自治微分方程的平衡点的稳定性,为理解动态系统的长期行为提供理论框架。 求解常微分方程的方法: 初等积分法: 系统介绍一阶微分方程的各种解析求解技巧,包括变量分离法、积分因子法、齐次方程求解法、伯努利方程等。 高阶线性方程: 详细讲解常系数线性微分方程的求解方法,如特征方程法、待定系数法、常数变易法(拉格朗日法),以及如何处理齐次和非齐次方程。 级数解法: 引入幂级数法和Frobenius法,用于求解具有奇点的线性微分方程,例如方程中的正则奇点和不规则奇点。 Laplace变换: 阐述Laplace变换在求解初值问题中的强大威力,特别是处理非齐次项包含阶跃函数、脉冲函数等情况。 数值方法: 介绍常用的数值求解算法,包括欧拉法(Euler's method)、改进欧拉法(Improved Euler method)、龙格-库塔法(Runge-Kutta methods)等,并讨论其精度和收敛性。 偏微分方程(PDE)的入门与经典方程: 基本概念与分类: 定义偏微分方程,并根据主系数的性质将其分为椭圆型、抛物型和双曲型。 典型PDE的推导与性质: 详细推导并分析经典的偏微分方程,如热传导方程(一维和多维)、波动方程(一维和多维)、拉普拉斯方程和泊松方程。 求解方法简介: 介绍分离变量法(Separation of Variables)在求解狄利克雷边界条件和诺依曼边界条件下的齐次PDE问题中的应用。还将简要介绍傅里叶级数/变换和Green函数法作为解决更复杂问题的工具。 应用领域与案例分析: 物理学: 力学: 质点运动、振动系统(弹簧-质量系统、单摆)、阻尼振动、受迫振动,以及引力场中的轨道运动。 电磁学: 电路分析(RLC电路)、电磁波的传播。 热学: 热传导过程的建模与分析。 工程学: 电路分析: 求解复杂的RLC电路响应。 控制系统: 动态系统的建模、分析和稳定性研究,PID控制器设计的基础。 流体力学: Navier-Stokes方程的简化模型,如伯努利方程。 结构力学: 梁的挠度和振动分析。 生物学与经济学: 种群动态模型: 捕食者-猎物模型(Lotka-Volterra模型)、逻辑斯蒂增长模型。 化学反应动力学: 反应速率方程的建模。 金融模型: 期权定价的Black-Scholes方程(作为PDE的例子)。 本书特色: 循序渐进的难度设计: 从基础概念入手,逐步深入到复杂的理论和方法,确保不同背景的读者都能有效学习。 丰富的例题与习题: 配备大量精心设计的例题,帮助读者理解抽象概念,并通过不同难度等级的习题巩固知识,拓展思维。 理论与实践紧密结合: 强调微分方程在实际问题中的应用,通过具体的案例分析展示数学工具的强大力量。 清晰的数学表述: 采用严谨而清晰的数学语言,同时注重概念的直观解释,力求做到易于理解。 现代计算工具的应用提示: 虽然不直接教授编程,但会提示读者如何利用MATLAB、Mathematica等工具辅助求解和可视化复杂问题,培养计算思维。 通过学习本书,读者将能够深刻理解微分方程的本质,掌握求解各类微分方程的有效方法,并能够将其应用于解决来自物理、工程、生物、经济等领域的实际问题,为进一步的专业学习和研究打下坚实的基础。

作者简介

George F. Simmons has academic degrees from the California Institute of Technology, Pasadena, California; the University of Chicago, Chicago, Illinois; and Yale University, New Haven, Connecticut. He taught at several colleges and universities before joining the faculty of Colorado College, Colorado Springs, Colorado, in 1962, where he is currently a professor of mathematics. In addition to Differential Equations with Applications and Historical Notes, Third Edition (CRC Press, 2016), Professor Simmons is the author of Introduction to Topology and Modern Analysis (McGraw-Hill, 1963), Precalculus Mathematics in a Nutshell (Janson Publications, 1981), and Calculus with Analytic Geometry (McGraw-Hill, 1985).

目录信息

The Nature of Differential Equations: Separable Equations
Introduction
General Remarks on Solutions
Families of Curves: Orthogonal Trajectories
Growth, Decay, Chemical Reactions, and Mixing
Falling Bodies and Other Motion Problems
Brachistochrone: Fermat and the Bernoullis
Miscellaneous Problems for Chapter 1
Appendix: Some Ideas from the Theory of Probability: The Normal Distribution Curve (or Bell Curve) and Its Differential Equation
First-Order Equations
Homogeneous Equations
Exact Equations
Integrating Factors
Linear Equations
Reduction of Order
Hanging Chain: Pursuit Curves
Simple Electric Circuits
Miscellaneous Problems for Chapter 2
Second-Order Linear Equations
Introduction
General Solution of the Homogeneous Equation
Use of a Known Solution to Find Another
Homogeneous Equation with Constant Coefficients
Method of Undetermined Coefficients
Method of Variation of Parameters
Vibrations in Mechanical and Electrical Systems
Newton’s Law of Gravitation and the Motion of the Planets
Higher-Order Linear Equations: Coupled Harmonic Oscillators
Operator Methods for Finding Particular Solutions
Appendix: Euler
Appendix: Newton
Qualitative Properties of Solutions
Oscillations and the Sturm Separation Theorem
Sturm Comparison Theorem
Power Series Solutions and Special Functions
Introduction: A Review of Power Series
Series Solutions of First-Order Equations
Second-Order Linear Equations: Ordinary Points
Regular Singular Points
Regular Singular Points (Continued)
Gauss’s Hypergeometric Equation
Point at Infinity
Appendix: Two Convergence Proofs
Appendix: Hermite Polynomials and Quantum Mechanics
Appendix: Gauss
Appendix: Chebyshev Polynomials and the Minimax Property
Appendix: Riemann’s Equation
Fourier Series and Orthogonal Functions
Fourier Coefficients
Problem of Convergence
Even and Odd Functions: Cosine and Sine Series
Extension to Arbitrary Intervals
Orthogonal Functions
Mean Convergence of Fourier Series
Appendix: A Pointwise Convergence Theorem
Partial Differential Equations and Boundary Value Problems
Introduction: Historical Remarks
Eigenvalues, Eigenfunctions, and the Vibrating String
Heat Equation
Dirichlet Problem for a Circle: Poisson’s Integral
Sturm–Liouville Problems
Appendix: Existence of Eigenvalues and Eigenfunctions
Some Special Functions of Mathematical Physics
Legendre Polynomials
Properties of Legendre Polynomials
Bessel Functions: The Gamma Function
Properties of Bessel Functions
Appendix: Legendre Polynomials and Potential Theory
Appendix: Bessel Functions and the Vibrating Membrane
Appendix: Additional Properties of Bessel Functions
Laplace Transforms
Introduction
Few Remarks on the Theory
Applications to Differential Equations
Derivatives and Integrals of Laplace Transforms
Convolutions and Abel’s Mechanical Problem
More about Convolutions: The Unit Step and Impulse
Functions
Appendix: Laplace
Appendix: Abel
Systems of First-Order Equations
General Remarks on Systems
Linear Systems
Homogeneous Linear Systems with Constant Coefficients
Nonlinear Systems: Volterra’s Prey–Predator Equations
Nonlinear Equations
Autonomous Systems: The Phase Plane and Its Phenomena
Types of Critical Points: Stability
Critical Points and Stability for Linear Systems
Stability by Liapunov’s Direct Method
Simple Critical Points of Nonlinear Systems
Nonlinear Mechanics: Conservative Systems
Periodic Solutions: The Poincaré–Bendixson Theorem
More about the Van Der Pol Equation
Appendix: Poincaré
Appendix: Proof of Liénard’s Theorem
Calculus of Variations
Introduction: Some Typical Problems of the Subject
Euler’s Differential Equation for an Extremal
Isoperimetric Problems
Appendix: Lagrange
Appendix: Hamilton’s Principle and Its Implications
The Existence and Uniqueness of Solutions
Method of Successive Approximations
Picard’s Theorem
Systems: Second-Order Linear Equation
Numerical Methods
(by John S. Robertson)
Introduction
Method of Euler
Errors
An Improvement to Euler
Higher-Order Methods
Systems
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书的装帧和纸张质量给我留下了深刻的印象。打开书本时,扑面而来的是一种厚重而扎实的感觉,这对于一本理工科的教材来说至关重要。封面设计简约而不失专业性,没有过多花哨的装饰,深色调的背景让人感觉沉稳可靠。内页的纸张触感细腻,印刷清晰度极高,即使在长时间阅读后,眼睛也不会感到明显的疲劳。我特别欣赏它排版的细节处理,公式和定理的呈现方式逻辑清晰,图表的质量也相当不错,线条精准,数据可视化效果直观。在翻阅过程中,书本的装订也展现出良好的耐用性,可以平整地摊开在桌面上,这对于需要对照多个章节进行学习的读者来说简直是福音。这种对物理载体的重视,体现了出版方对知识传递的认真态度,让阅读本身成为一种享受,而不是一种负担。对于那些喜欢在书页上做标记、写批注的读者来说,这样的纸张质量能很好地承载笔迹,不易洇墨,真是难得的好书。

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这本书的叙述风格非常引人入胜,它巧妙地平衡了理论的严谨性和实际应用的可理解性。作者似乎深谙如何将复杂的数学概念转化为读者易于接受的语言。不同于一些教科书那样冷冰冰的公式堆砌,这里的讲解充满了“人情味”。每引入一个新的概念或解法,作者都会给出详实的背景铺垫和直观的几何或物理意义解释,让人感觉像是在听一位经验丰富的教授娓娓道来,而不是在啃一本枯燥的教材。更让人称道的是,它对于某些经典方法的推导过程,展示得极其详尽且富有洞察力,真正做到了“授人以渔”。我发现自己不仅学会了如何解题,更理解了为什么这样解题是最好的。即便是那些我以往觉得晦涩难懂的部分,在作者的层层剥茧下,也变得豁然开朗。这种教学相长的体验,远超出了我对一本标准教科书的预期。

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这本书的深度和广度之间,存在着一种近乎完美的平衡感。它既有足够的基础内容来夯实初学者的根基,同时又蕴含了足以让进阶学习者深入探索的细节。与市面上其他专注于某一窄领域的专著不同,它提供了一个全面的、高品质的“平台”。我个人最看重的是它处理疑难点时的态度。每当涉及到需要更深层次理解才能掌握的定理证明或复杂推导时,作者并不满足于给出一个结论,而是会提供至少两种不同的视角来解读该概念——一种是直观的、符号化的;另一种则是更具普适性的、高阶的视角。这种多维度的解释策略,极大地提升了内容的吸收效率,确保了不同学习背景的读者都能从中获益。它不仅仅是一本工具书,更像是一位全天候待命的私人导师,随时准备用最适合你的方式来点拨迷津。

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这本书在结构组织上的匠心独具,是其区别于同类著作的关键所在。章节之间的过渡极为流畅自然,仿佛一条精心编织的丝带,将不同的数学主题串联起来。它没有采取那种简单罗列知识点的结构,而是构建了一个由浅入深、层层递进的知识体系。例如,在处理特定类型的方程时,作者会首先回顾前面学过的基础知识点,并明确指出本章内容将如何扩展或深化这些知识,这种“承上启下”的处理方式,极大地帮助了读者的知识构建。此外,每一章末尾的习题设计也极具层次感,从基础的巩固性练习,到需要综合运用多种技巧的挑战性问题,难度梯度把握得恰到好处,确保了读者可以稳步提升自己的解题能力,不会因为过早遇到难以逾越的障碍而气馁。

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从内容广度来看,这本书的覆盖范围令人称赞。它似乎有意避开了纯粹的理论分支,而是将重点放在了那些在工程、物理、乃至经济学中具有实际操作价值的微分方程类型上。无论是常微分方程的基础理论,还是偏微分方程的经典模型,书中都给予了恰当的篇幅。我尤其欣赏它对数值方法的引入,这使得书本内容紧跟现代科学研究的步伐。对于那些需要将理论应用于实际问题的读者来说,书后附带的大量应用实例,简直是宝库。这些实例的设置非常巧妙,它们不是简单的套用公式,而是引导读者思考如何将现实世界的问题抽象化、数学化,并最终求解。这种将理论与实践无缝衔接的设计,极大地增强了本书的实用价值,让读者在使用过程中能持续感受到所学知识的力量。

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