Practical Guide to Computer Simulations

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出版者:
作者:Hartmann, Alexander K.
出品人:
页数:368
译者:
出版时间:
价格:$ 72.32
装帧:
isbn号码:9789812834157
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机模拟
  • 科学计算
  • 数值方法
  • 建模
  • 仿真
  • 算法
  • Python
  • MATLAB
  • 工程
  • 数学
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具体描述

This book presents all the computational techniques and tools needed to start doing scientific research using computer simulations. After working through this book, the reader will possess the necessary basic background knowledge, from program design, programming in C, fundamental algorithms and data structures, random numbers, and debugging, all the way to data analysis, presentation and publishing. In each of these fields, no preliminary knowledge is assumed. The reader will be equipped to successfully perform complete projects from the first idea until the final publication. All techniques are explained using many examples in C; these C codes, as well as the solutions to exercises, are readily available online. The techniques in this book are independent of the fields of research, and hence they are suitable for conducting research projects in physics, chemistry, computer science, biology and engineering. This also means that no problem-dependent algorithms are introduced; therefore, this book does NOT explain molecular dynamics, Monte Carlo, finite elements and other special-purpose techniques, which would be beyond the scope of a general-purpose book. There has been no similar comprehensive book written so far. Currently, one needs many different books to learn all the necessary elements. With this book, however, one basically needs only a second book on field-specific algorithms in order to be fully equipped to perform computer simulations research.

《数字模拟的艺术:从原理到实践的全面探索》 在这本厚重的著作中,我们将一同踏上一段深入理解和掌握计算机模拟精髓的旅程。本书并非对某个特定领域的模拟技术进行浅尝辄止的介绍,而是旨在构建一套坚实的理论基础,并辅以广泛的实践指导,使读者能够自信地运用模拟方法解决各种复杂问题,无论这些问题源于物理学、工程学、生物学、经济学,还是社会科学。 核心理念:理解模拟的“为什么”与“如何” 《数字模拟的艺术》的核心在于揭示计算机模拟的本质——它不仅仅是代码的堆砌,而是对现实世界系统行为进行抽象、建模,并利用计算能力预测其演变的强大工具。本书将首先深入探讨模拟的哲学基础,引导读者理解模拟模型的构建原则,包括如何选择合适的抽象层次,如何处理不确定性,以及如何验证模型的准确性。我们将阐述,一个好的模拟模型,其价值在于能够捕捉系统的关键动态,并提供比直接实验更具洞察力的分析。 理论基石:数学模型与算法的精妙融合 为了让读者深刻理解模拟背后的数学原理,本书将详尽介绍构建模拟模型所需的关键数学概念。这包括但不限于: 离散化方法: 如何将连续的物理过程转化为计算机可以处理的离散形式,例如有限差分法、有限元法等在求解微分方程中的应用。 随机过程与概率模型: 对于那些本质上包含随机性的系统,如粒子运动、市场波动等,我们将介绍马尔可夫链、蒙特卡洛方法、泊松过程等,以及如何在模拟中引入和处理随机性。 优化理论: 在参数调整和模型校准过程中,优化算法扮演着至关重要的角色。本书将介绍梯度下降、遗传算法、模拟退火等多种优化技术。 动力学系统理论: 理解系统随时间演变的规律是模拟的核心。我们将探讨常微分方程、偏微分方程的性质,以及如何利用数值方法求解它们。 实践指南:从设计到实现的全流程指导 理论的扎实掌握离不开实践的锤炼。《数字模拟的艺术》将提供一套系统的实践指南,引导读者完成从模型设计到结果解释的整个模拟流程。 模型构建策略: 我们将学习如何根据研究问题,选择合适的建模方法。例如,对于粒子间的相互作用,是采用基于力场的分子动力学,还是更宏观的颗粒流模拟?对于群体行为,是基于个体智能体的模型,还是基于统计的宏观模型?本书将提供不同场景下的案例分析,帮助读者做出明智的决策。 算法选择与实现: 针对不同的模型类型,我们将介绍与之匹配的数值算法。例如,对于求解大规模稀疏线性方程组,我们将讨论迭代法和直接法的优劣;对于处理高维积分,蒙特卡洛方法将是重点。此外,本书还将深入讲解代码实现的关键技巧,包括数据结构的选择、并行计算的应用(如多线程、GPU加速)以及效率优化。 代码框架与工具: 虽然本书不局限于特定的编程语言,但我们将广泛介绍在模拟领域常用的编程语言(如Python、C++、Fortran)、科学计算库(如NumPy、SciPy、TensorFlow、PyTorch)以及可视化工具(如Matplotlib、ParaView)。我们将通过示例代码演示如何利用这些工具高效地构建和运行模拟。 结果分析与验证: 模拟的意义在于获取有价值的洞察。本书将强调结果的可视化和统计分析方法,包括如何生成清晰的图表、如何计算关键性能指标、如何进行敏感性分析以及如何评估模拟结果的鲁棒性。模型验证是模拟过程中至关重要的一环,我们将探讨与实验数据对比、与其他模型结果交叉验证等多种验证方法。 性能优化与并行化: 许多复杂的模拟任务需要巨大的计算资源。本书将 dedicate substantial sections to strategies for optimizing simulation performance. This includes techniques like domain decomposition, message passing interface (MPI) for distributed memory systems, and leveraging the power of graphics processing units (GPUs) for massive parallel computations. We will explore how to identify performance bottlenecks and implement efficient parallel algorithms. 跨学科应用:模拟的无限可能 《数字模拟的艺术》的魅力在于其普适性。本书将通过丰富的跨学科案例,展示计算机模拟在各个领域的强大应用。 物理学: 从量子力学的粒子行为到天体物理学的星系演化,从流体力学的湍流现象到材料科学的原子结构,模拟都扮演着核心角色。 工程学: 结构分析、电路设计、交通流量预测、天气预报,以及各种复杂系统的性能评估,都离不开模拟技术的支持。 生命科学: 蛋白质折叠、药物分子设计、流行病传播模型、生态系统动力学,模拟正在以前所未有的方式帮助我们理解生命现象。 经济学与金融学: 市场行为模拟、风险评估、金融衍生品定价,以及宏观经济模型的构建,都依赖于精密的模拟。 社会科学: 人群行为模拟、城市规划、社会网络分析,甚至历史事件的推演,模拟正逐渐成为研究社会现象的新范式。 目标读者: 本书适合所有对计算机模拟感兴趣的读者,包括但不限于: 本科生及研究生: 学习计算机科学、物理学、工程学、数学、生命科学、经济学等相关专业的学生。 科研人员: 希望将模拟方法应用于自己研究领域的科学家和研究者。 工程师与开发者: 寻求利用模拟技术解决实际工程问题的专业人士。 对计算科学充满热情的爱好者: 想要深入理解计算机模拟强大之处的自学者。 《数字模拟的艺术:从原理到实践的全面探索》 将不仅仅是一本技术手册,更是一本引导你思考、探索和创新的指南。通过本书的学习,你将掌握一门强大的工具,能够以前所未有的深度和广度去理解和改造你所处的数字世界。

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读后感

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用户评价

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这本书的封面设计着实吸引人,那种深邃的蓝色调配上简洁的白色字体,透露出一种专业与严谨的气息,让我这个对计算模拟领域充满好奇的门外汉,也忍不住想一探究竟。初翻阅时,我特别关注了目录结构,它似乎构建了一个非常逻辑化的学习路径,从基础概念的梳理,到具体算法的讲解,再到最后可能涉及到的实际应用案例,脉络清晰得令人赞叹。我一直觉得,对于像计算机模拟这样需要深厚理论基础和一定编程功底的学科来说,一本好的教材或指南,其最大的价值就在于能否有效地架起理论与实践之间的桥梁。这本书给我的第一印象是,它可能正是致力于完成这项艰巨任务的优秀工具。它的排版清晰,图表的使用也相当到位,即便是面对那些抽象的数学公式和复杂的流程图,也能让人感到不那么畏惧,这对于保持阅读的连贯性和学习的热情至关重要。我尤其欣赏它在介绍核心概念时所展现出的那种耐心和细致,没有急于抛出高深的理论,而是先用通俗易懂的语言铺垫,仿佛是身边一位经验丰富的导师在循循善诱。

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这本书的行文风格,在保持专业性的同时,又保持了一种令人愉悦的流畅感,这在技术性写作中是相当难得的平衡。它没有陷入那种生硬、枯燥的学术报告腔调,而是用一种更具对话性的语气来引导读者。比如,在介绍一些历史上的经典模型或者早期遇到的计算瓶颈时,作者的叙述中流露出一种对这个领域发展脉络的敬意和思考,这使得整个阅读体验不再是单向的知识灌输,而更像是一场充满启发性的对话。这种风格上的亲和力,对于那些希望自学或者跨专业学习的读者来说,是消除心理障碍的重要因素。我设想,如果这本书中还包含了对“局限性”的坦诚讨论——即每种模拟方法在处理特定类型问题时的固有缺陷和适用范围——那么它的价值将再次提升。因为一个真正成熟的指南,不仅会教你如何成功,更会告诉你何时应该停下来,考虑是否需要换一种方法,这种审慎的态度正是科学精神的体现。

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作为一名习惯了快速获取信息的读者,我非常看重工具书的“可操作性”。这本书的章节安排似乎考虑到了这一点,它在理论讲解之后,紧接着就引入了相应的代码实现示例或者伪代码,这极大地降低了从理解到实践的门槛。我个人倾向于边学边练,如果一本书只是停留在概念层面,那么知识点很容易随着时间的推移而遗忘。但如果它能提供可供立即尝试的蓝图,那么学习的过程就会变得更加立体和深刻。我特别留意到,书中在展示代码片段时,似乎对不同编程语言的适用性也有所考量,或者至少在注释中非常详尽地解释了每一步代码背后的数学意义,而不是让读者陷入“代码是如何工作的”而忽略了“模拟本身想表达什么”的怪圈。这种对细节的关注,体现了作者对模拟实践者的真实需求的深刻理解。这样的组织方式,让这本书不仅仅是一本“读物”,更像是一份可以随时搁在手边、随时可以翻开来解决实际问题的“工作手册”。

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总的来说,这本书所传达出的信息量和组织逻辑,让我对它作为一本“指南”的定位深信不疑。它似乎不仅仅是简单地罗列了计算机模拟中会用到的各种工具箱,更像是在教导读者如何成为一名“匠人”,如何根据不同的“原材料”(待模拟的问题)去选择最合适的“工具”并进行精密的“加工”。我特别期待看到书中如何处理“模型简化”这一核心议题。在现实世界的问题往往过于复杂时,我们如何恰当地进行理想化和抽象,既保证了计算的可行性,又不至于牺牲掉对真实现象的足够描述,这无疑是模拟科学的艺术所在。如果这本书能够在这个层面上提供深入的见解和案例分析,那么它将不仅仅是一本技术手册,而会成为一本提升读者思维层次的进阶读物。它给我的整体感觉是:严谨、全面,并且极其注重将理论转化为可执行的、可理解的实践步骤。

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这本书在对具体方法论的阐述上,展现出了令人耳目一新的深度与广度。我注意到它似乎并未将焦点仅仅局限于某一种特定的模拟技术,而是力求提供一个更宏观的视野,涵盖了从蒙特卡洛方法到有限元分析等多个关键领域。这种全面的覆盖,对于希望建立起完整知识体系的读者来说,无疑是一大福音。更让我感到惊喜的是,它在讲解这些方法时,似乎非常注重背后的物理或数学直觉的培养,而不是单纯罗列公式和步骤。例如,在讨论随机过程模拟时,作者似乎花了大量篇幅去解释“为什么”选择特定的随机数生成器,以及这种选择对最终结果的敏感性分析,这远超出了许多入门级读物仅仅告知“如何做”的范畴。这种深入挖掘“原理”的态度,是区分一本普通参考书和一本真正有价值的“指南”的关键所在。我期待着在后续的章节中,看到更多关于如何调试和验证模拟结果的实用技巧,因为在实际操作中,建立一个能跑通的模型往往只是成功的一半,确保其结果的可靠性才是真正的挑战。

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