初等数学思想方法选讲

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isbn号码:9787535532626
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具体描述

现代控制理论基础:从经典到前沿的系统动力学解析 图书名称: 现代控制理论基础:从经典到前沿的系统动力学解析 作者: [此处可填写真实作者姓名或代号] 出版社: [此处可填写真实出版社名称] --- 内容概述 《现代控制理论基础:从经典到前沿的系统动力学解析》是一部系统、深入探讨控制理论核心概念、基本方法与最新发展方向的专业著作。本书旨在为读者构建一个全面而扎实的现代控制理论知识体系,覆盖从经典的频域分析方法到先进的现代控制理论(如状态空间方法),并延伸至鲁棒控制、最优控制以及非线性系统控制等前沿领域。全书结构严谨,逻辑清晰,理论推导详尽,并辅以大量的工程实例,确保读者不仅理解理论的精髓,更能掌握其实际应用的能力。 本书特别强调从物理系统建模的视角出发,连接数学理论与工程实践的桥梁作用,帮助读者深刻理解反馈机制在复杂系统稳定性、性能优化和抗扰动能力中所扮演的关键角色。 核心章节与内容详述 本书共分为十个主要部分,以下为各部分的详细内容介绍: 第一部分:控制系统的基本概念与建模(Foundations and Modeling) 本部分奠定全书的理论基础。首先回顾经典控制理论中的反馈概念、系统的时域响应特性(如一阶、二阶系统的瞬态与稳态响应),并引入性能指标的量化描述。 重点内容包括: 1. 系统描述与描述符: 线性、时不变(LTI)系统的定义、因果性、稳定性判据的初步探讨。 2. 动态系统建模: 详细讲解如何利用物理定律(牛顿第二定律、基尔霍夫定律、拉普拉斯变换在电路中的应用等)建立描述真实物理过程的微分方程组。 3. 传递函数与框图代数: 深入解析传递函数的物理意义,掌握信号流图、梅森增益公式等简化复杂系统的工具。本章强调传递函数在频域分析中的核心地位。 第二部分:经典控制理论的核心——时域与频域分析(Classical Analysis Tools) 本部分聚焦于成熟、实用的经典控制分析方法,这些方法至今仍是工程实践中的基石。 重点内容包括: 1. 根轨迹法(Root Locus): 详细推导根轨迹的绘制规则,并探讨比例-积分-微分(PID)控制器参数与闭环极点位置之间的直观关系。通过根轨迹分析,读者将学会如何设计补偿器以满足特定瞬态响应要求。 2. 频率响应分析: 引入奈奎斯特(Nyquist)图、波德(Bode)图。重点讲解利用频率响应曲线评估系统的相对稳定性(增益裕度和相位裕度),并讲解如何根据伯德图直观设计超前/滞后补偿器。 3. 奈奎斯特稳定性判据: 严格论述该判据,并将其与劳斯-赫尔维茨判据进行对比,强调频域分析的优势。 第三部分:现代控制理论的基石——状态空间方法(State-Space Representation) 状态空间方法是现代控制理论的核心,它突破了单输入单输出(SISO)系统的限制,自然地处理多输入多输出(MIMO)系统。 重点内容包括: 1. 状态空间方程的建立: 阐述状态变量的选择、系统的标准形式(如约当标准型、可控标准型、可观测量标准型)。 2. 时域系统的解: 详述状态转移矩阵 $Phi(t)$ 的计算方法(如利用拉普拉斯反演法或凯莱-哈密顿定理),以及自由响应和强制响应的求取。 3. 系统的不变性分析: 深入探讨系统的可控性(Controllability)和可观测性(Observability)的判定方法(如秩判据),这是后续设计的基础。 第四部分:状态反馈与状态观测器设计(Feedback Control and Observers) 本部分将状态空间模型与反馈控制思想结合,实现对系统行为的精确重构和操纵。 重点内容包括: 1. 极点配置(Pole Placement): 利用状态反馈 $u = -Kx$ 达到任意渐近稳定的目标。详细推导反馈增益 $K$ 的确定方法,特别是 Ackerman 公式。 2. 状态观测器的设计: 针对无法直接测量所有状态变量的实际问题,介绍Luenberger观测器的原理与设计,包括观测器增益 $L$ 的确定,以及闭环系统(包含系统本体与观测器)的稳定性分析。 3. 复合控制结构: 结合极点配置与观测器,构建完整的状态反馈控制系统,并分析其整体性能。 第五部分:最优控制理论导论(Introduction to Optimal Control) 最优控制的目标是在满足系统动态约束的条件下,使某个性能指标函数(代价函数)最小化。 重点内容包括: 1. 性能指标函数(代价函数): 重点讨论二次型性能指标(Quadratic Cost Function)在时间域内的应用。 2. 线性二次型调节器(LQR): 详细推导LQR控制器增益 $K$ 的求解过程,即通过求解代数黎卡提方程(Algebraic Riccati Equation, ARE)来获得最优反馈矩阵。LQR是现代控制中最具实用价值的工具之一。 3. 线性二次高斯控制(LQG): 结合卡尔曼滤波(Kalman Filtering)与LQR控制,形成在存在测量噪声和过程噪声情况下的最优估计与控制策略。 第六部分:鲁棒控制与不确定性处理(Robust Control Systems) 现代工程系统面临模型不确定性、参数摄动和外部干扰,鲁棒控制旨在确保系统在这些不确定性下仍能保持稳定和性能。 重点内容包括: 1. 稳定性裕度与摄动模型: 引入小增益定理(Small Gain Theorem)的基本思想。 2. $mathcal{H}_{infty}$ 控制基础: 以奇异值分解为工具,将控制设计问题转化为奇异值约束问题,确保闭环系统对特定频率范围的扰动具有最小的响应。 3. $μ$-综合分析($μ$-Synthesis): 介绍处理结构化不确定性的方法,这是理解复杂鲁棒控制器的起点。 第七部分:非线性系统的控制方法(Nonlinear Control Techniques) 本书认识到,许多复杂的物理系统本质上是非线性的,因此需要专门的分析和控制工具。 重点内容包括: 1. 平衡点分析与线性化: 介绍雅可比线性化方法,及其在线性化模型控制设计中的应用与局限性。 2. 李雅普诺夫稳定性理论: 阐述直接法和间接法,这是判断非线性系统稳定性的基本数学工具。 3. 反馈线性化与滑模控制(Sliding Mode Control): 介绍利用微分几何思想实现系统精确动态反演的方法(反馈线性化),以及滑模控制对参数不确定性和外部扰动的强抗性原理。 第八部分:先进控制主题选讲 本部分选取了工程应用中日益重要的几个前沿或特定领域的技术进行介绍。 内容涵盖: 模型预测控制(MPC): 阐述其核心思想——在线优化,滚动时域求解,及其在约束条件处理方面的巨大优势。 自适应控制: 讨论系统参数变化时,控制器如何自动调整自身增益以维持性能。 适用读者对象 本书面向对象为: 高等院校 自动化、电气工程、机械工程、航空航天、船舶与海洋工程等专业高年级本科生及研究生。 从事系统工程、过程控制、机器人、航空控制等领域的工程师与研究人员。 希望系统梳理并深入理解现代控制理论核心算法,并准备进入先进控制领域(如智能控制、复杂网络控制)的专业人士。 本书特色 1. 深度与广度的结合: 既涵盖经典控制的直观性,又深入现代控制的严谨性,并触及鲁棒控制和非线性控制的前沿。 2. 理论与工程的桥梁: 每一个核心理论(如LQR、极点配置)都紧密联系具体的工程设计问题,提供清晰的设计步骤。 3. 数学工具的系统化: 强化了线性代数、微分方程在控制问题求解中的应用,为读者后续的深入研究打下坚实的数学基础。 4. 全面的系统分析: 强调可控性、可观测性、稳定裕度等系统的内在属性分析,而非仅仅停留在控制器参数的计算上。

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读后感

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用户评价

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这本书《初等数学思想方法选讲》给我的感受,用一个词来形容,那就是“通透”。它不像很多教材那样,直接告诉你“怎么做”,而是让你明白“为什么这么做”。作者在讲解“集合论”的思想时,并没有仅仅停留在概念的介绍,而是深入剖析了集合运算背后的逻辑联系,以及它如何为更复杂的数学结构奠定基础。我特别喜欢书中关于“映射”的讲解,它不仅仅是一个函数概念的延伸,更是揭示了不同集合之间关系的桥梁。通过映射,我们可以清晰地看到一个集合的元素如何对应到另一个集合的元素,这种一一对应的关系,在很多数学证明中都至关重要。作者用通俗易懂的语言,结合生动的图示,将抽象的集合概念变得形象可感。此外,书中对于“对称性”的探讨,也让我耳目一新。对称性在几何、代数等领域都有广泛的应用,它不仅能简化问题,更能揭示事物本质的规律。作者通过分析一些具有对称性的图形和方程,展示了如何利用对称性来简化计算和证明。这种“化繁为简”的智慧,贯穿于整本书的始终,让我受益匪浅。

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刚收到这本书《初等数学思想方法选讲》的时候,就被它朴实无华的书名所吸引。总觉得“初等数学”四个字,似乎意味着已经掌握了,但“思想方法”却又充满了探索的空间。翻开第一页,惊喜接踵而至。书中并没有简单地罗列各种数学概念和定理,而是深入浅出地剖析了隐藏在这些知识背后的思维方式。我尤其喜欢其中关于“化归思想”的阐述。作者通过一系列经典的数学问题,生动地展示了如何将一个未知或复杂的问题,通过巧妙的转化,归结为更容易解决的已知或简单问题。这种方法在解决实际生活中的问题时也同样适用,不仅仅是数学题,很多看似棘手的难题,换个角度,用不同的思维工具去审视,答案便豁然开朗。书中举例的那个关于“割圆术”的例子,真是让我大开眼界,通过不断逼近圆周率,展现了数学家们无穷的智慧和耐心。还有“构造法”,在解决几何问题时,通过添加辅助线,变“无”为“有”,化“难”为“易”,这不仅仅是一种技巧,更是一种创造力的体现。作者并没有止步于理论的讲解,而是用大量生动形象的例子,将抽象的数学思想方法落地,让读者能够亲身感受到数学的魅力。这本书的语言也非常流畅,虽然是讲数学,却丝毫没有枯燥乏味的感觉,反而像是在与一位经验丰富的老师进行一场深入的交流,让人受益匪浅。

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拿到《初等数学思想方法选讲》这本书,我本以为会是一本比较偏理论的学术著作,但读下来之后,我发现它更像是一本“思想工具箱”。它没有直接告诉你如何解决某个具体的数学难题,而是教会你一种通用的解决问题的思路和方法。我尤其喜欢书中关于“构造性证明”的讲解。很多数学定理的证明,并不只是逻辑上的推演,而是需要“创造”出一些新的数学对象来辅助证明。作者通过一些典型的例子,比如证明存在性定理时,如何显式地构造出满足条件的数学对象,让我对数学的创造性有了更深的认识。这种“无中生有”的智慧,在数学研究中至关重要。另外,书中关于“代数化思想”的探讨也让我受益匪浅。很多几何问题,都可以通过代数的方法来解决,将几何图形的性质转化为代数方程的性质,从而利用代数工具进行分析。这种跨学科的思维方式,能够极大地拓展我们解决问题的视野。整本书的语言都非常精练,但却蕴含着深刻的数学思想,读起来是一种享受。

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我一直认为,真正的数学学习,不在于记住多少公式,而在于理解其背后的思维逻辑。《初等数学思想方法选讲》正是这样一本能够触及数学灵魂的书籍。它没有枯燥的说教,也没有生硬的理论,而是通过一系列精选的数学问题,引导读者去体会数学思想方法的魅力。书中关于“概率统计”的章节,让我对随机性有了更深的理解。作者并没有仅仅停留在概率的计算,而是深入探讨了统计学如何帮助我们从看似杂乱的数据中提取信息,发现规律。尤其让我印象深刻的是关于“贝叶斯定理”的讲解,它展示了如何在已有信息的基础上,不断更新我们对某个事件发生概率的判断,这种动态的思维方式,在信息爆炸的时代尤为重要。此外,书中对于“组合计数”的讲解,也让我领略到了数学在排列组合中的巧妙应用。作者通过生动的例子,如分发物品、排列座位等,将抽象的组合原理具体化,让我能够更直观地理解如何计算不同情况下的可能性。这本书就像一位循循善诱的导师,带领我一步步探索数学世界的奥秘。

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我一直认为,好的数学书不应该只停留在知识的传授,更应该激发读者的思考。《初等数学思想方法选讲》恰恰做到了这一点。它并没有直接给出答案,而是通过引导性的提问和深入的分析,让读者自己去发现数学的奥秘。书中关于“模型化思想”的讲解,让我对数学与现实世界的联系有了更清晰的认识。作者通过将现实生活中的问题,如人口增长、资源分配等,转化为数学模型,然后利用数学工具进行分析和预测,展示了数学的实用价值。我特别喜欢书中关于“函数思想”的深入阐述,它不仅仅是一个简单的对应关系,更是描述事物之间变化规律的重要工具。通过函数的图象、性质等,我们可以直观地理解变量之间的关系,从而更好地解决问题。整本书的语言都非常生动有趣,没有冗余的术语,也没有复杂的推导,但却能深入浅出地揭示数学思想的精髓,让我读来丝毫没有压力,反而觉得意犹未尽。

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我一直对数学中的逻辑推理和证明过程情有独钟,而《初等数学思想方法选讲》恰恰满足了我的这份好奇。这本书不仅仅是知识的堆砌,更是一次思维的洗礼。它细致地解析了数学证明的结构,以及在证明过程中所运用的各种策略。我特别欣赏书中关于“反证法”的讲解,这种“绕道而行”的证明方式,看似有些“偷懒”,实则蕴含着深刻的逻辑力量。通过假设结论不成立,然后推导出矛盾,从而间接证明原命题成立。作者用清晰的步骤和简洁的语言,将这个看似有些“诡辩”的方法解释得淋漓尽致,让我对数学的严谨性有了更深的认识。还有一个让我印象深刻的是“归纳法”,它不仅仅是机械地将已知事例推广到未知,更是一种从具体到一般的思维跳跃。书中对于数学归纳法的形式化描述,以及它在证明数列性质、集合性质等方面的应用,都让我豁然开朗。我曾一度认为数学证明是枯燥乏味的,但这本书彻底改变了我的看法。它将数学证明的过程描绘成一场精彩的“侦探破案”,充满了挑战与乐趣,让我不由自主地沉浸其中,去探索每一个逻辑环节的精妙之处。

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当我翻开《初等数学思想方法选讲》这本书时,我并没有期待它能给我带来多少“新”的知识,因为我自认为对初等数学已经有所掌握。然而,这本书却用它独特的方式,让我重新审视了那些熟悉的数学概念,并从中发现了前所未有的深度。书中关于“数形结合”思想的阐述,让我看到了数学的直观与抽象之间的完美结合。作者通过大量的几何图形和代数方程的对应,展示了如何利用图形来理解代数问题,以及如何利用代数来精确描述几何图形。这种“视”与“算”的相互印证,极大地增强了我对数学问题的理解能力。我尤其欣赏书中关于“韦达定理”的讲解,它将方程的根与系数联系起来,看似简单,却蕴含着深刻的数学关系。此外,书中对于“整体思想”的探讨,也让我耳目一新。很多时候,我们过于关注局部,而忽略了整体的性质。作者通过展示如何将问题视为一个整体来分析,从而找到更简洁的解题思路,让我对数学的宏观视角有了新的认识。

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《初等数学思想方法选讲》这本书,就像是一本“数学思维的指南”,它并没有教你如何解题,而是教你如何“想”问题。它以一种非常独特的方式,将那些隐藏在数学知识背后的思维方式一一呈现出来。我非常喜欢书中关于“化繁为简”的思想的讲解。在解决复杂的数学问题时,我们往往会被大量的细节所困扰,而“化繁为简”就是一种将复杂问题分解成更小、更易于处理的部分的策略。作者通过一系列经典的例子,展示了如何通过提取关键信息、忽略无关细节等方式,来实现“化繁为简”。另外,书中关于“类比推理”的讲解也让我印象深刻。很多时候,我们通过类比已知的问题,来推测未知问题的解决方案,这种“举一反三”的能力,是数学家们解决问题的重要工具。整本书的语言都非常流畅,而且逻辑性很强,读起来就像是在听一位经验丰富的老师娓娓道来,让人受益匪浅,也让我对数学的学习充满了新的期待。

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《初等数学思想方法选讲》这本书,与其说是一本教材,不如说是一次数学思维的“探险”。它并没有像很多标准教材那样,按照固定的章节顺序讲解知识点,而是通过精选的数学思想方法,引领读者进行一次深入的探索。我非常欣赏书中关于“对称性”的讲解,它不仅仅局限于几何图形的对称,更将其引申到代数方程、函数性质等更广泛的领域。作者通过展示如何利用对称性来简化问题、发现规律,让我对数学的内在美有了更深的体会。例如,在解对称方程组时,通过变量替换,能够极大地简化求解过程。此外,书中对于“极限思想”的讲解,也让我对微积分等更高级的数学领域有了初步的认识。作者用生动的比喻和直观的例子,解释了当变量无限趋近于某个值时,函数的变化趋势,这种“无限逼近”的思维方式,是现代数学的重要基石。这本书让我感受到,数学不仅仅是计算,更是一种对无限和极限的深刻理解。

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在阅读《初等数学思想方法选讲》的过程中,我仿佛打开了一扇通往数学内心世界的大门。这本书最吸引我的地方在于,它并没有简单地罗列定理公式,而是着重于揭示数学思想的本质和思维的奥秘。书中关于“数学模型”的探讨,让我对现实世界中的各种现象有了新的理解。作者通过将现实问题抽象成数学模型,然后利用数学工具进行分析和解决,展示了数学在解决实际问题中的强大力量。例如,在讲解关于“线性回归”的部分时,作者并没有止步于公式的推导,而是深入浅出地解释了这种模型是如何捕捉数据之间的线性关系,并用于预测的。这让我联想到生活中很多类似的问题,比如预测天气、分析股票走势等等,都离不开数学模型的支持。此外,书中对于“优化思想”的阐述也给我留下了深刻的印象。如何找到最优解,如何权衡利弊,这些不仅仅是数学问题,更是人生哲理的体现。书中通过一些经典的优化问题,比如“最短路径问题”,展示了如何通过算法和策略来寻找最优方案。这让我意识到,数学不仅仅是冷冰冰的数字和符号,它更是一种解决问题的强大思维框架。

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