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出版者:Thomson Learning

作者:Smith, Robert D./ Peterson, John C.

出品人:

页数:848

译者:

出版时间:2006-6

价格:1744.00元

装帧:HRD

isbn号码:9781418015459

丛书系列:

图书标签:

• 数学
• 技术数学
• 入门
• 工程数学
• 应用数学
• 代数
• 三角学
• 微积分预备
• STEM
• 教科书

好的，下面为您创作一本不同于《Introductory Technical Mathematics》的图书简介，力求内容详实、专业，避免任何AI痕迹。 --- 图书简介：《高级工程分析与建模：复杂系统仿真与优化方法》 核心主题与定位 本书《高级工程分析与建模：复杂系统仿真与优化方法》旨在为具有一定数学和工程基础的研究生、高级工程师和高级技术人员提供一套系统、深入的理论框架与实践工具，用于应对现代工程领域中日益凸显的复杂非线性系统、多物理场耦合问题以及高维优化挑战。不同于侧重基础算术、代数和基础微积分概念的入门级教材（如《Introductory Technical Mathematics》），本书完全聚焦于前沿的数值方法、先进的建模范式以及在高性能计算环境下的工程应用。 本书强调从物理机理到数学模型，再到高效数值求解与后处理分析的全流程思维构建，特别关注于如何利用现代计算技术解决现实世界中那些无法通过解析方法求解的复杂工程难题。 内容结构与深度剖析 本书内容划分为五个紧密关联的模块，层层递进，确保读者能够构建起坚实的理论基础和强大的应用能力。 第一部分：高级数学基础与数值方法复习（Advanced Mathematical Foundations and Numerical Methods） 本部分并非对基础数学知识的重复介绍，而是对服务于复杂系统建模和求解所需的高级数学工具进行强化和深化。 1. 线性代数与矩阵理论的工程视角： 重点讨论大规模稀疏矩阵的存储结构（CSR, CSC）、特征值问题的迭代求解算法（如Lanczos、Arnoldi方法）、奇异值分解（SVD）在降维和数据压缩中的应用。探讨矩阵函数（如矩阵指数、对数）在常微分方程系统中的解析解法。 2. 偏微分方程（PDEs）的高级理论基础： 系统回顾并深入探讨椭圆型、抛物型和双曲型方程的物理背景、弱解概念、Sobolev空间基础，为后续的有限元和有限差分方法打下坚实的变分基础。 3. 数值积分与插值的收敛性分析： 探讨高斯求积、龙巴托积分的精度与稳定性分析，以及样条插值（Cubic Splines, B-Splines）在曲线拟合和数据插值中的应用及其误差界限。 第二部分：经典数值方法的高级实现（Advanced Implementation of Classical Numerical Methods） 本模块聚焦于将抽象的数值方法转化为稳定、高效的工程求解器。 1. 有限差分法（FDM）的进阶应用： 详细分析高阶差分格式的构造、截断误差分析，以及处理非结构化或曲线边界时的坐标变换技术。重点讨论时间推进方法，包括隐式（Crank-Nicolson）与显式方法的稳定性条件（CFL条件）及处理非线性边界条件的技术。 2. 有限元方法（FEM）的理论与实践： 深入讲解形函数（Shape Functions）的选择、单元刚度矩阵的组装、高斯积分在单元计算中的应用。特别关注处理材料非线性和接触条件时，如何构建稳健的非线性迭代求解器（如Newton-Raphson法）。 3. 边界元方法（BEM）的理论基础： 介绍Green函数在二维和三维问题中的应用，对比BEM与FEM在网格划分和无穷远域处理上的优势与劣势。 第三部分：复杂系统建模与多物理场耦合（Complex System Modeling and Multiphysics Coupling） 本部分是本书的核心特色之一，处理现实世界中无法简化为单一物理场的问题。 1. 流固耦合（FSI）建模： 详细阐述ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）描述方法在流体力学网格更新中的应用。讨论两类耦合策略（松散耦合与强耦合），并给出在结构振动与流致失稳问题中的具体实施方案。 2. 热-电-力（Thermo-Electro-Mechanical, TEM）耦合分析： 针对先进材料（如压电材料、半导体器件）的热应力、焦耳热效应和电场分布的相互作用进行建模。重点讨论如何利用耦合方程组的迭代求解策略保证全局收敛性。 3. 随机性与不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）： 引入随机微分方程（SDEs）的基本概念，讨论蒙特卡洛（Monte Carlo）及其改进方法（如稀疏网格、Polynomial Chaos Expansion, PCE）在处理材料参数或载荷不确定性对工程结果影响方面的应用。 第四部分：优化、控制与逆向问题求解（Optimization, Control, and Inverse Problem Solving） 本模块将分析能力转化为设计与决策能力。 1. 基于梯度的优化算法： 深入讲解伴随法（Adjoint Method）在设计优化中的高效性，尤其是在大规模结构拓扑优化和流场控制中的应用。讨论无梯度方法的适用场景（如粒子群优化、遗传算法的局限性）。 2. 控制系统设计与仿真： 结合现代控制理论，介绍LQR（Linear-Quadratic Regulator）控制器的设计，以及如何在时域和频域中对复杂系统模型进行反馈控制的仿真验证。 3. 逆向问题的正则化： 探讨Tikhonov正则化、L-曲线方法在解决热传导反问题、材料参数识别等病态（Ill-posed）问题中的核心作用，并讨论如何选择最优的正则化参数。 第五部分：高性能计算与并行化策略（High-Performance Computing and Parallelization Strategies） 考虑到现代工程仿真对计算资源的巨大需求，本部分提供了实用的并行计算指导。 1. 并行求解器的架构设计： 介绍域分解技术（Domain Decomposition）在有限元求解器中的实现，包括Schur补的构建与预条件子的选择。 2. OpenMP与MPI编程模型： 针对共享内存（OpenMP）和分布式内存（MPI）环境，提供求解大规模线性系统的并行化策略，特别是稀疏矩阵向量乘法（SpMV）的优化技巧。 3. GPU加速简介： 简要介绍CUDA/OpenCL编程范式，并探讨如何在特定算子（如高斯积分、矩阵乘法）上实现GPU加速，以提升仿真效率。 目标读者与预期成果 本书的目标读者是已经掌握工程基础知识，需要深入研究特定领域或开发定制化仿真工具的专业人士。 阅读本书后，读者将能够： 独立推导并求解耦合的多物理场偏微分方程组。 评估并选择最适合特定工程问题的数值方法（FEM、FDM、BEM）。 设计和实现具有良好稳定性和收敛性的非线性迭代求解器。 利用先进的优化算法，对复杂工程设计进行参数寻优和形状优化。 理解并将现有的商业或开源仿真代码进行性能优化和并行化改造。 本书不仅仅是一本理论参考书，更是一本指导如何将尖端数学理论转化为强大工程计算能力的实践手册。其深度和广度远超入门级教材所能涵盖的范围，聚焦于解决“如何算得又快又准”的现代工程核心挑战。

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