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出版者:Springer

作者:Harold Cohen

出品人:

页数:485

译者:

出版时间:2011-9-28

价格:USD 84.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781441998361

丛书系列:

图书标签:

• 数学
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数值逼近方法：一本深入探索算法艺术的指南 《数值逼近方法》并非一本关于文学作品、历史事件或生物科学的著作，它是一本专注于数学与计算交叉领域的深度剖析。这本书旨在为读者提供一套强大的工具集，使他们能够理解并掌握如何在计算机上解决那些理论上存在解析解，但在实际应用中却难以精确求解的数学问题。这是一种将抽象数学概念转化为可执行计算步骤的艺术，也是科学工程领域不可或缺的基石。 本书的核心在于“逼近”。在现实世界中，许多我们感兴趣的量，例如物理系统的演化、复杂函数的行为、甚至金融市场的波动，都无法用简单的数学公式一劳永逸地表达。即使理论上存在解，其形式也可能极其复杂，超出我们手工计算的能力。这时，数值逼近方法就显得尤为重要。它允许我们通过一系列近似计算，在可接受的误差范围内，获得对真实值足够接近的结果。这种“足够接近”并非漫无目的的猜测，而是基于严谨的数学原理和精心设计的算法。 《数值逼近方法》首先会带领读者踏入误差分析的领域。任何数值计算都无法避免误差，理解误差的来源、类型以及如何量化它们是进行可靠逼近的前提。书中将详细探讨截断误差（由于用有限项逼近无穷级数或截断微分方程的解而产生的误差）和舍入误差（由于计算机有限的字长导致的计算过程中的误差）。读者将学习到如何通过误差界限来评估算法的精度，并理解在不同应用场景下，对误差容忍度的考量。例如，在模拟天气变化时，微小的误差累积可能导致预测结果南辕北辙；而在设计飞机翼型时，过于保守的误差容忍度可能导致不必要的材料浪费。因此，对误差的深刻理解是本书的第一个重要基石。 紧接着，本书将重点介绍插值与逼近。当已知一组数据点，我们需要找到一个函数来“穿过”或“接近”这些点时，插值与逼近方法就派上了用场。读者将学习到多项式插值，例如牛顿插值和拉格朗日插值，理解它们的构造原理以及潜在的龙格现象（在高次多项式插值中，在插值区间两端可能出现的剧烈振荡）。书中还会探讨样条插值，特别是三次样条，它通过分段使用低次多项式来避免高次多项式插值的问题，从而获得更平滑、更稳定的逼近。此外，还会介绍最佳逼近的概念，例如最小二乘法，它旨在找到一个函数，使其与给定数据点之间的“距离”最小，而无需精确穿过所有点。这些方法在数据拟合、曲线绘制、图像处理等领域有着广泛的应用。 然后，本书将深入探讨方程求根。求解方程 $f(x) = 0$ 是数学中最基本的问题之一，但对于许多非线性方程，解析方法往往无能为力。本书将介绍一系列强大的数值方法，如二分法（简单但收敛慢）、牛顿-拉夫逊法（收敛速度快，但需要导数且对初始值敏感）、割线法（避免导数计算）以及不动点迭代法。读者将理解每种方法的收敛性条件，分析它们的优缺点，并学习如何选择最适合特定方程和精度要求的算法。例如，在工程设计中，寻找临界参数的值可能就需要依赖这些求根算法。 数值微分与积分是本书的另一个核心部分。微分涉及函数的变化率，而积分涉及函数曲线下的面积。在实际问题中，我们常常需要计算已知数据的导数或积分，例如从速度数据计算加速度，或从力-位移曲线计算功。本书将介绍各种数值微分公式，如前向差分、后向差分和中心差分，并分析它们的精度。对于数值积分，读者将学习到梯形法则、辛普森法则以及更高级的复化方法。这些技术在物理模拟、信号处理、统计推断等领域至关重要。 本书还将花费大量篇幅讨论线性方程组的求解。许多科学和工程问题归结为求解形如 $Ax = b$ 的线性方程组，其中 $A$ 是一个系数矩阵，$x$ 是未知向量，$b$ 是常数向量。对于大型稀疏矩阵，直接求解（如高斯消元法）可能计算量巨大且易于引入舍入误差。因此，本书将重点介绍迭代法，如雅可比迭代法、高斯-赛德尔迭代法和超松弛迭代法（SOR）。这些方法通过一系列近似迭代来逼近真实解，在迭代过程中可以更有效地控制误差。在有限元分析、网络流量分析、图像重建等领域，高效求解线性方程组是必不可少的。 常微分方程（ODE）的数值解也是本书不可或缺的一部分。许多描述物理、生物、化学和社会系统演化的模型都以常微分方程的形式出现。由于其非线性或复杂性，解析求解往往是不可能的。本书将介绍一系列经典的求解方法，如欧拉法（简单但精度较低）、改进欧拉法、龙格-库塔（Runge-Kutta）方法（提供更高的精度和稳定性）。读者将学习到如何根据问题的性质和所需的精度来选择合适的ODE求解器，以及如何处理具有刚性（stiff）特性的微分方程，这些方程的解在数值上往往难以处理。 此外，本书还会涵盖非线性方程组的求解，将求根方法推广到多维空间，介绍如牛顿法（针对多维）等方法。特殊函数及其逼近也可能被涉及，因为在科学计算中，许多特殊函数（如贝塞尔函数、伽马函数）无法直接计算，需要通过数值方法来逼近。 《数值逼近方法》不仅仅是算法的罗列，它更侧重于算法的理论分析和实际应用。书中将强调理解算法背后的数学原理，包括收敛性、稳定性和误差分析。读者将不仅仅学会“如何用”，更重要的是理解“为什么这样用”，以及在面对实际问题时，如何选择、修改和优化数值方法。本书的语言将力求清晰、严谨，并辅以大量的例子和练习，帮助读者巩固所学知识。 总而言之，《数值逼近方法》是一本为有志于深入理解计算科学、应用数学、工程模拟以及其他需要利用计算能力解决复杂数学问题的读者而设计的权威指南。它提供了一套严谨的框架，使读者能够信心十足地应对那些理论挑战，将数学的抽象之美转化为实际的计算力量，从而在各自的领域中取得突破。它是一扇通往如何让计算机“思考”和“解决问题”的窗口，是现代科学技术进步不可或缺的工具箱。

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这本书的配套资源和辅助材料组织得极为出色，这在学术出版物中是相当少见的亮点。在线学习平台上提供的那些交互式模拟工具，简直是革命性的学习辅助。我可以在浏览器中直接拖动参数，观察牛顿迭代法在不同初始猜测值下的收敛轨迹，甚至可以人为地制造一个病态矩阵，亲眼目睹条件数过大会如何导致解的剧烈震荡。这种“动手做”的学习方式，彻底颠覆了过去那种被动接受知识的模式。此外，作者为每个章节都精心设计了一系列难度梯度分明的习题。基础题用于巩固概念，中等难度的题目则侧重于理论的灵活运用，而那些标有“挑战”的进阶问题，往往需要结合跨章节的知识点进行综合分析，非常有深度。完成这些习题后，配套的详细解题步骤和对解法背后的数学洞察的阐释，让人感觉自己不是在与一道题“搏斗”，而是在与知识体系的更高层级进行对话。

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论及内容的深度与广度，这本书无疑是同类著作中的佼佼者，但它的价值远不止于此，其对计算实现的侧重也令我印象深刻。它并非仅仅停留在理论的纯粹探讨，而是将大量的篇幅投入到如何将这些理论转化为实际可运行的代码。书中对每种方法（比如龙格-库塔法、有限元法）的算法流程都进行了详尽的伪代码描述，并且在关键步骤处，作者还特别标注了潜在的数值稳定性陷阱，这无疑是为工程应用者量身定做的宝贵经验之谈。我尤其喜欢其中关于“误差控制”的章节，作者并没有简单地提供一个误差估计公式，而是深入剖析了舍入误差、截断误差和模型误差三者之间的微妙平衡与相互影响，并给出了在不同精度要求下如何权衡计算成本的实用建议。这种对“实践艺术”的关注，使得这本书超越了一本纯粹的数学教材，更像是一位资深工程师对后辈的倾囊相授，让我感觉每完成一个小节的学习，就仿佛掌握了一项可以立刻投入生产的技能。

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这本书的封面设计着实引人注目，那深邃的蓝色背景上，线条交织出的复杂几何图形仿佛在低语着数学的奥秘。我最初对它的兴趣源于封面上那句若隐若现的拉丁文格言——虽然我没能完全辨认，但那种古老的智慧感扑面而来。翻开书页，一股淡淡的油墨香气混合着纸张特有的陈旧气息，瞬间把我带回了那个用尺规和圆规丈量世界的年代。书中的排版设计非常考究，每一章的标题都用了一种优雅的衬线字体，配合着清晰的页边距，给人一种极其专业且值得信赖的视觉体验。我特别欣赏作者在介绍新概念时所采用的“历史回顾”小插曲，它们穿插在枯燥的公式之间，像是一颗颗闪烁的星辰，让我得以窥见这些数值方法的诞生背景和先驱们的探索历程。比如，关于迭代法收敛性的讨论，作者并没有直接抛出定理，而是先通过一个古代关于“龟兔赛跑”的哲学困境来引出Zeno悖论，再自然地过渡到牛顿法的几何意义，这种叙事方式让原本晦涩的数学概念变得鲜活起来，仿佛我不是在阅读一本教科书，而是在参与一场跨越时空的学术漫步。即使是那些复杂的证明，也被巧妙地用图示和注释进行了辅助，使得即便是初次接触这些高级数值技巧的读者，也能感受到一种被温柔引导的体验。

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这本书的语言风格简直是一股清流，尤其是在处理那些动辄涉及多重积分和偏微分方程的章节时。作者的笔触极其细腻，他似乎深知初学者在面对这些高维空间时的困惑与畏惧。举个例子，在阐述有限差分法如何离散化连续系统时，他没有直接跳跃到复杂的网格划分，而是从一个非常生活化的场景——想象一个均匀受力的弹性杆——入手，通过连续的拉伸和微小位移的直观感受，一步步构建出差分方程的雏形。这种“从宏观到微观，再从微观回到宏观”的教学路径，极大地降低了我的认知负荷。更值得称赞的是，作者非常擅长运用类比。他把矩阵的条件数比作“信号失真的程度”，把特征值分解比作“找到系统最本质的振动模式”，这些恰到好处的比喻，让抽象的数学工具瞬间拥有了可触摸的实体感。阅读过程中，我常常忍不住在草稿纸上画下那些作者描绘的图形，每一个曲面，每一个向量空间，都在作者的文字引导下，在我脑海中清晰地立体了起来，这对于我这种视觉学习者来说，是无可替代的财富。

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在整体的阅读体验中，我感受到了作者对“清晰性”的极致追求。即便是涉及多变量微积分和线性代数的高级主题，作者也有一套独特的“去繁就简”的叙述技巧。他非常擅长使用降维类比来辅助理解高维概念，例如，在讨论高维插值逼近的“维度灾难”时，他并未直接堆砌高阶多项式的理论，而是先用一维、二维曲线拟合的失败案例作为铺垫，形象地展示了随着维度增加，数据稀疏性导致的插值不稳定，这种循序渐进的解释方式，避免了初学者在概念的“悬崖”边上望而却步。整本书的结构逻辑如同精心编排的交响乐，从基础的插值与求积，到微分方程的数值求解，再到特征值问题的处理，每一步的推进都水到渠成，相互衔接，丝毫没有突兀感。读完后，我不仅获得了解决数值问题的工具箱，更重要的是，培养了一种严谨的、基于数值证据的科学思维习惯。

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