Handbook of Dynamical Systems

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出版者:
作者:Fiedler, Bernold 编
出品人:
页数:1098
译者:
出版时间:2002-3
价格:$ 344.65
装帧:
isbn号码:9780444501684
丛书系列:
图书标签:
  • DS
  • 动力系统
  • 非线性动力学
  • 混沌理论
  • 数学物理
  • 微分方程
  • 拓扑学
  • 稳定性理论
  • 分岔理论
  • 数值模拟
  • 应用数学
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具体描述

This handbook is volume II in a series collecting mathematical state-of-the-art surveys in the field of dynamical systems. Much of this field has developed from interactions with other areas of science, and this volume shows how concepts of dynamical systems further the understanding of mathematical issues that arise in applications. Although modeling issues are addressed, the central theme is the mathematically rigorous investigation of the resulting differential equations and their dynamic behavior. However, the authors and editors have made an effort to ensure readability on a non-technical level for mathematicians from other fields and for other scientists and engineers.The eighteen surveys collected here do not aspire to encyclopedic completeness, but present selected paradigms. The surveys are grouped into those emphasizing finite-dimensional methods, numerics, topological methods, and partial differential equations. Application areas include the dynamics of neural networks, fluid flows, nonlinear optics, and many others. While the survey articles can be read independently, they deeply share recurrent themes from dynamical systems. Attractors, bifurcations, center manifolds, dimension reduction, ergodicity, homoclinicity, hyperbolicity, invariant and inertial manifolds, normal forms, recurrence, shift dynamics, stability, to name just a few, are ubiquitous dynamical concepts throughout the articles.

复杂系统理论与应用:现代科学的基石 图书名称: 复杂系统理论与应用:现代科学的基石 作者: [此处可填写真实作者名或使用“多位知名学者编著”] 出版信息: [此处可填写真实出版社或使用“前沿科学出版社”] ISBN: [此处可填写一个虚拟的ISBN] --- 内容简介: 《复杂系统理论与应用:现代科学的基石》是一部全面深入探讨复杂性科学前沿思想与实用工具的权威性著作。本书旨在为跨学科研究人员、高级学生以及对理解自然界、工程技术和社会现象中涌现行为感兴趣的专业人士,提供一个坚实的理论框架和丰富的实践案例。本书深刻认识到,世界上的许多重要现象——从生物体的细胞活动到全球气候的变迁,从金融市场的波动到互联网的信息传播——都无法仅凭还原论(Reductionism)的方法来完全解释,它们表现出高度的非线性、互联性、自组织和涌现性,这些都是复杂系统的核心特征。 本书的结构经过精心设计,首先从哲学和数学基础入手,逐步过渡到具体模型的构建与分析,最终落脚于前沿交叉学科的应用。全书内容严谨,论证清晰,力求在理论深度与应用广度之间取得完美的平衡。 第一部分:复杂性科学的理论基石 本部分致力于为读者建立理解复杂系统的基本语言和方法论。 第一章:从简单到复杂:范式的转变 本章追溯了科学思维从牛顿力学主导的线性、可预测世界观,向非线性、不可预测复杂世界观的演进历史。详细阐述了什么是“复杂性”(Complexity)与“混乱”(Chaos)的区别。重点探讨了“涌现”(Emergence)的概念——即整体属性无法简单归结为部分属性之和的现象——并引入了系统论(Systems Theory)和控制论(Cybernetics)的基本原理,为后续深入分析打下基础。 第二章:数学工具箱:非线性动力学与混沌理论 这是理解复杂系统动态行为的核心数学基础。本章深入讲解了微分方程、映射(如Logistic Map、Hénon Map)在描述非线性系统中的作用。详细解析了混沌现象的特征,包括对初始条件的极端敏感性(蝴蝶效应)、拓扑混合性以及庞加莱截面(Poincaré Section)等分析工具。通过引入李雅普诺夫指数(Lyapunov Exponent)等量化指标,读者将掌握判断系统是否具有混沌特性的能力。 第三章:信息、熵与结构:信息论在复杂系统中的角色 本章探讨了信息论如何量化系统的有序性与无序性。区别于传统的香农熵(Shannon Entropy),本书重点介绍了复杂性度量的概念,包括关联熵(Correlation Entropy)和有效复杂性(Effective Complexity)。深入分析了信息在系统内部的传输、存储和演化过程,阐明了信息处理能力如何成为复杂系统有效性的关键指标。 第四章:自组织与耗散结构 本章聚焦于开放系统如何在一个远离热力学平衡的状态下,通过能量和物质的持续交换,自发地形成有序结构。详细阐述了普里戈金(Prigogine)的耗散结构理论,分析了反应-扩散系统(如Turing模式)如何生成空间和时间上的有序性。本章强调了反馈机制(Feedback Loops)在维持和驱动自组织过程中的关键作用。 第二部分:建模、模拟与分析方法 本部分转向实际操作层面,介绍用于分析和预测复杂行为的主要计算和统计方法。 第五章:网络科学:复杂系统的拓扑结构 网络理论是现代复杂性科学的支柱之一。本章系统地介绍了图论(Graph Theory)的基本概念,并重点分析了几种关键的网络拓扑结构:随机网络(Erdős-Rényi)、小世界网络(Watts-Strogatz)和无标度网络(Barabási-Albert/基于优先连接)。讨论了中心性度量(如度中心性、介数中心性)在识别网络关键节点(枢纽节点)中的重要性,并探讨了网络同步性(Synchronization)的机制。 第六章:基于个体的建模(Agent-Based Modeling, ABM) 当宏观规律难以从微观层面推导时,ABM提供了一种强大的模拟范式。本章详细介绍了构建ABM模型的步骤、规则设定与参数校准。通过具体的案例(如交通流、市场交易),演示了如何利用计算机模拟来观察大量相互作用的简单个体如何“涌现”出复杂的宏观模式。同时,探讨了ABM相对于平均场理论(Mean-Field Theory)的优势与局限性。 第七章:元胞自动机与空间动力学 元胞自动机(Cellular Automata, CA)是研究局部交互如何产生全局复杂性的经典工具。本章从最简单的元胞自动机(如康威的生命游戏)出发,深入讲解了如何用CA模型模拟物理、化学和生物过程中的相变与模式形成。重点分析了 Wolfram 分类法对 CA 行为的归纳,以及CA在模拟土壤侵蚀、防火线传播等空间过程中的应用。 第八章:统计物理学方法与重整化群 本章将统计力学的深刻见解引入到复杂系统分析中。阐述了如何使用蒙特卡洛方法(Monte Carlo Simulation)和统计系综来处理大规模系统。尤其详细讨论了重整化群(Renormalization Group)理论在识别复杂系统中普适性(Universality)方面的强大能力,即不同物理系统在临界点附近表现出相同的指数定律。 第三部分:交叉学科的应用与前沿探索 本书的最后部分将理论与方法应用于解决现实世界中的重大问题。 第九章:生物系统的复杂性:从基因调控到生态网络 本章探讨生物学领域中的复杂性。分析了基因调控网络(Gene Regulatory Networks)的拓扑结构如何决定细胞命运。讨论了种群动态模型的非线性性质,以及生态系统中的物种共存与稳定性问题。重点关注适应性演化系统,如遗传算法与人工生命(Artificial Life)。 第九章:金融市场的非线性与危机预测 金融市场是典型的复杂自适应系统(Complex Adaptive Systems, CAS)。本章超越了传统的有效市场假说,利用复杂性工具来分析市场的异质性参与者行为。研究了资产价格时间序列中的长程相关性、肥尾分布(Fat Tails)以及金融危机的级联效应。介绍了使用 Hurst 指数、分形维度来量化市场记忆性的方法。 第十一章:社会与认知系统的涌现 本章将复杂性理论扩展到人类社会科学。分析了意见形成、谣言传播和集体行为(如暴动、交通堵塞)中的社会影响网络。探讨了多智能体系统(Multi-Agent Systems)在模拟社会决策、文化演变中的作用。同时,简要介绍了认知科学中,大脑作为高度互联网络如何产生意识和智能的理论模型。 第十二章:未来展望:大数据、人工智能与可解释性 最后,本章探讨了现代计算能力与复杂性科学的融合。讨论了如何利用深度学习(Deep Learning)和拓扑数据分析(Topological Data Analysis, TDA)来揭示高维、海量数据背后的隐藏结构。强调了将传统复杂性理论框架融入AI模型中,以期获得更具鲁棒性、可解释性和因果推理能力的下一代智能系统的必要性。 --- 本书特色: 跨学科深度整合: 首次将非线性动力学、网络科学、统计物理学和计算建模方法系统地整合在一个框架下。 丰富的数学推导与直观解释并重: 保证了理论的严谨性,同时通过大量的图示、类比和具体案例帮助读者理解抽象概念。 面向实践的工具箱: 每部分理论章节后都附带了关键模型的伪代码或算法描述,鼓励读者动手实践。 前沿性: 紧密跟踪计算社会科学、生物网络和复杂系统工程等领域的最新研究进展。 《复杂系统理论与应用:现代科学的基石》不仅是一本教科书,更是一份开启理解万物互联、涌现行为奥秘的导航图。它将挑战读者传统的思维定势,引领进入一个充满动态、适应性和无限可能性的新科学领域。

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读后感

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我一直对系统动力学领域充满了好奇,尤其是在处理复杂和动态变化的问题时。当我偶然间在书店翻开《Handbook of Dynamical Systems》时,一种强烈的预感告诉我,这可能是我一直在寻找的那本能够点亮我探索之路的灯塔。尽管我还没有来得及深入研读每一个章节,但从这本书的编排、目录的详尽程度以及一些关键概念的介绍来看,它无疑是一部集大成之作。书中涉及到的理论框架、数学工具以及实际应用案例,都预示着它能够为读者提供一个全面且深刻的视角来理解动态系统。我尤其期待书中关于非线性系统、混沌理论以及分岔分析的部分,这些领域往往是理解复杂现象的钥匙。同时,我也对书中可能包含的数值模拟方法和可视化技术感到兴奋,因为在实际研究中,如何有效地将理论转化为可执行的计算模型,并清晰地呈现结果,是至关重要的一环。这本书的体量和深度,似乎预示着它不仅仅是一本入门教材,更可能是一本能够伴随读者在研究道路上不断成长,并且在解决现实世界中的复杂问题时提供强大支持的参考宝典。我设想,在未来,当我面对一个涉及多变量相互作用、随时间演变的系统时,我能够从这本书中找到清晰的理论指导和有效的分析方法,从而能够更准确地预测其行为,甚至设计出干预措施来优化其性能。这本书的书名本身就充满了力量感和启发性,仿佛在召唤着那些渴望洞悉事物运行规律的探索者。

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作为一个对理论数学与实际应用之间桥梁搭建充满热情的研究者,我总是对那些能够系统性地梳理前沿概念、并提供严谨数学论证的著作怀有特别的兴趣。《Handbook of Dynamical Systems》在我看来,正是这样一部令人肃然起敬的作品。虽然我目前的工作主要集中在统计建模领域,但我深知,动态系统的理论是理解许多自然和社会现象背后驱动力的基础。这本书的出现,在我看来,不仅仅是对现有知识的整合,更可能是在某些特定领域内,对现有方法论进行一次深刻的重塑或拓展。我特别关注书中是否对一些新兴的动态系统模型,例如涉及随机过程、网络动力学或是机器学习驱动的系统动力学进行了深入的探讨。如果书中能够提供关于如何将抽象的数学模型与实际观测数据进行有效对接的指导,那将极大地提升它的实用价值。同时,我也希望书中能够对一些经典问题的动态系统解释,提供更为新颖和深刻的见解,从而激发我将这些思想迁移到我所研究的领域。我设想,这本书能够帮助我理解那些在传统静态模型下难以解释的复杂行为,例如金融市场的突发性崩溃、气候变化的非线性反馈机制,或是生物种群的周期性波动。能够拥有一本如此全面的动态系统参考书,对我未来的研究方向和方法选择,无疑将产生深远的影响。

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作为一名从事基础科学研究的学者,我对于理解宇宙万物背后隐藏的规律和机制有着不懈的追求。动态系统理论,作为描述事物变化和演化过程的强大语言,一直是我的研究兴趣所在。当我了解到《Handbook of Dynamical Systems》这部著作的存在时,我便对其充满了好奇。《Handbook》的精髓,我想,定在于其能够将看似杂乱无章的现象,通过严谨的数学语言和深刻的逻辑推理,揭示出其内在的动态演化规律。我特别期待书中能够深入探讨一些具有普遍意义的动态系统模型,例如自组织临界性、演化博弈论中的动态模型,或是物理学中相变过程的动力学描述。如果书中能够提供对这些模型进行数学建模、分析和验证的详细步骤和技术,并指出其在不同科学分支中的普适性,那将极大地拓展我的研究视野。我设想,通过阅读此书,我能够为我在基础科学领域的一些长期困惑找到新的解释视角,并为我进一步的理论探索提供坚实的数学基础。

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我是一名对工程领域中各种动态过程的优化和控制充满兴趣的工程师。在实际工作中,我们经常需要处理各种复杂的、随时间变化的系统,例如机器人控制、航空航天系统的飞行轨迹规划,或是电力网络的稳定性分析。一本能够提供清晰理论框架和强大分析工具的《Handbook of Dynamical Systems》,对我而言,无疑是一份宝贵的财富。我期待这本书能够深入浅出地介绍各种动态系统的建模技术,包括微分方程、差分方程以及更复杂的非线性模型。同时,我也非常关注书中关于系统稳定性分析、最优控制理论以及反馈控制策略的讨论。如果书中能够提供针对不同工程应用场景的案例研究,并详细阐述如何应用动态系统理论来解决实际工程问题,那将极大地提升其参考价值。我设想,当我遇到一个复杂的控制难题时,能够从这本书中找到相关的理论基础、分析方法和设计思路,从而能够开发出更高效、更鲁棒的控制系统。这本书的书名本身就充满了技术感和应用导向,让我对它充满期待。

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在人工智能和机器学习蓬勃发展的今天,理解和构建能够自主学习和适应环境的智能系统,已经成为我们关注的焦点。动态系统理论,作为描述系统状态随时间演化的数学框架,在人工智能的研究中扮演着至关重要的角色。我一直关注着《Handbook of Dynamical Systems》这部著作,并对其寄予厚望。我期待书中能够深入探讨如何将动态系统理论应用于构建更强大的机器学习模型,例如循环神经网络(RNNs)、长短期记忆网络(LSTMs)以及基于强化学习的动态策略。如果书中能够提供关于如何分析和理解这些模型内部动态行为的数学工具,以及如何通过控制动态系统来提升模型性能和鲁棒性,那将对我未来的研究方向产生深远的影响。我设想,通过学习这本书,我能够更深入地理解人工智能系统的“思考”和“决策”过程,并为开发更具智能和适应性的AI系统提供理论指导。

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我是一名对交通流的优化和管理有着浓厚兴趣的交通工程师。在这个领域,我们经常需要处理各种复杂的、随时间变化的交通系统,例如城市交通网络的拥堵预测、高速公路的车流协调,或是公共交通系统的调度优化。一本能够提供清晰理论框架和强大分析工具的《Handbook of Dynamical Systems》,对我而言,无疑是一份宝贵的资源。我期待这本书能够深入浅出地介绍各种交通动态系统的建模技术,包括宏观交通流模型、微观交通仿真模型以及中观交通网络模型。同时,我也非常关注书中关于交通流稳定性分析、车队行驶模型以及交通信号控制策略的讨论。如果书中能够提供针对不同交通场景的案例研究,并详细阐述如何应用动态系统理论来解决实际交通工程问题,那将极大地提升其参考价值。我设想,当我遇到一个复杂的交通控制难题时,能够从这本书中找到相关的理论基础、分析方法和设计思路,从而能够开发出更高效、更安全的交通管理系统。

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在金融市场日益复杂和充满不确定性的今天,理解和预测市场行为,以及制定有效的风险管理策略,变得尤为重要。动态系统理论,作为描述事物随时间演化的数学框架,在金融建模领域有着广泛的应用。《Handbook of Dynamical Systems》这部著作,在我看来,是一部能够深刻揭示金融市场动态规律的经典之作。我期待书中能够深入探讨金融市场中各种动态系统的建模和分析,例如股票价格的波动模型、利率的期限结构动态、汇率的变动机制,或是风险资产组合的动态优化。如果书中能够提供关于这些金融动态系统稳定性分析、混沌现象的解释以及量化交易策略的设计思路,那将极大地提升其在我金融研究中的价值。我设想,通过阅读此书,我能够更深入地理解金融市场的内在运行机制,并为在金融投资和风险管理领域做出更明智的决策提供理论指导。

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作为一名对生命科学中的复杂现象充满探究欲望的研究者,我一直关注着能够帮助我理解生物体内各种动态过程的理论工具。《Handbook of Dynamical Systems》对我而言,是一本极具价值的参考书。我期待书中能够深入探讨生物学中各种动态系统的建模和分析,例如基因调控网络的动态行为、细胞信号传导的级联反应、神经元网络的脉冲发放动力学,或是生态系统中种群数量的动态变化。如果书中能够提供关于这些生物动态系统稳定性的分析、振荡行为的研究以及反馈机制的解释,那将极大地提升其在我研究领域的应用价值。我设想,通过阅读此书,我能够更深入地理解生命体内部运作的精妙机制,并为我在生物学研究中的一些难题提供新的理论视角和研究方法。

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作为一个对复杂系统及其涌现行为着迷的社会科学家,我一直在寻找能够帮助我理解社会、经济和政治现象背后动态过程的理论工具。《Handbook of Dynamical Systems》对我而言,无疑是一本极具吸引力的著作。我期待书中能够提供关于如何构建和分析社会动态系统的模型,例如传染病传播模型、信息扩散模型、经济周期模型或是政治冲突演化模型。如果书中能够详细阐述如何在社会科学研究中应用微分方程、差分方程、博弈论等动态系统工具,并提供相关的案例分析,那将极大地提升其参考价值。我设想,通过阅读此书,我能够更深入地理解社会现象的非线性、自组织和反馈特性,并能够为预测和干预社会问题的演化提供更科学的依据。

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我对物理世界的底层运行机制充满了好奇,而动态系统理论正是描述这种机制的数学语言。《Handbook of Dynamical Systems》这部著作,在我看来,是一部能够深刻揭示物理世界动态规律的经典之作。我期待书中能够深入探讨物理学中各种动态系统的建模和分析,例如经典力学中的多体问题、量子力学中的薛定谔方程的演化、流体力学中的湍流现象,或是统计力学中的相变过程。如果书中能够提供关于这些动态系统稳定性的分析、分岔行为的研究以及混沌现象的解释,那将极大地提升其在我科学探索中的价值。我设想,通过阅读此书,我能够更深入地理解宇宙运行的基本原理,并为我在物理学研究中的一些理论难题找到新的解答方向。

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