數(shù)學物理方法——使用MATLAB建模與仿真
定 價:69 元
叢書名:高等學校電子信息類專業(yè)系列教材·新形態(tài)教材
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- 作者:李月娥、馬阿寧、彭宏
- 出版時間:2024/12/1
- ISBN:9787302696964
- 出 版 社:清華大學出版社
- 中圖法分類:O411.1
- 頁碼:
- 紙張:膠版紙
- 版次:
- 開本:16開
本書由復變函數(shù)論和數(shù)學物理方程兩大部分組成。其中復變函數(shù)論部分主要講解解析函數(shù)的微分、積分、冪級數(shù)展開、留數(shù)定理、保角變換的概念及幾何意義及解析函數(shù)在平面場問題求解中的應用等內(nèi)容。數(shù)學物理方程部分則以數(shù)學物理定解問題的求解為主線講解。主要講解行波法、分離變量法、保角變換法三種解析方法,運用MATLAB實現(xiàn)行波法達朗貝爾公式的可視化,在講解經(jīng)典的分離變量法和保角變換法時結(jié)合MATLABPDEtool完成數(shù)值求解,給學生形象的物理圖像。最后結(jié)合MATLAB編程和簡單的工程應用實例介紹有限差分法、有限元法及時域有限差分法三種數(shù)值計算方法。主要特色:1.引入更多的應用實例;2.核心知識點應用配合MATLAB編程實現(xiàn);3.重要定理由中英文雙語配合,服務雙語教學;4.增加線性空間和線性算子部分,滿足信息學科學生這方面基礎需求。
更多的應用實例;配合MATLAB編程講解核心知識點;重要定理中英文雙語配合,服務雙語教學
第2版前言
本書是在第1版基礎上修改的第2版,本版根據(jù)教學實踐和電子信息類專業(yè)本科生學習和應用中對數(shù)學物理知識的需要,在便于本科生基礎數(shù)學知識與后期課程的結(jié)合,幫助本科生參與相關創(chuàng)新實踐項目、學習機器學習算法等方面做了一些擴充和修改。
全書的內(nèi)容分三篇:
優(yōu)質(zhì)篇復變函數(shù)論;
第二篇數(shù)學物理方程及求解方法;
第三篇線性空間與線性算子。
優(yōu)質(zhì)篇復變函數(shù)論部分包括第1~4章,內(nèi)容包括解析函數(shù)的概念和性質(zhì)、冪級數(shù)、留數(shù)定理以及解析函數(shù)在平面場問題求解中的應用等。這部分完善了第1版中的插圖,并增加了關于無窮遠點奇點和留數(shù)的討論,方便進階學習。
第二篇數(shù)學物理方程及求解方法部分包括第5~10章,內(nèi)容包括數(shù)學物理定解問題的建立及行波法、分離變量法、保角變換法及數(shù)值解法等數(shù)學物理定解問題求解方法。這部分更新了第1版中5.5節(jié)基于MATLAB的傅里葉級數(shù)可視化,7.6節(jié)基于MATLAB的數(shù)學物理方程數(shù)值求解,以及10.2節(jié)有限差分法。
為適應人工智能滲透到幾乎所有領域的現(xiàn)狀,第2版擴充了第三篇線性空間與線性算子內(nèi)容,便于高年級本科生開展與人工智能相關的創(chuàng)新實踐。這部分介紹向量、向量空間以及向量分析的基本概念,三種常用空間曲線坐標系中的向量分析,以及內(nèi)積空間、希爾伯特空間、線性算符等知識點,并以梯度下降法優(yōu)化算法、馬爾可夫鏈等為例講述其應用。
本書適用于54學時的教學,可以根據(jù)學生的基礎作相應內(nèi)容的取舍,其中部分內(nèi)容也可供研究生自學和應用參考。
本書雖然經(jīng)過多次修改和講授,但不足之處在所難免,請讀者不吝指正。
編者
2025年5月
課程介紹
第1版前言
本書在蘭州大學信息科學與工程學院電子信息類專業(yè)“數(shù)學物理方法”課程所用的講義基礎上編寫而成,由復變函數(shù)論和數(shù)學物理方程兩大部分組成。其中復變函數(shù)論部分主要講解解析函數(shù)的微分、積分、冪級數(shù)展開、留數(shù)定理、保角變換的概念及幾何意義,以及解析函數(shù)在平面場問題求解中的應用等內(nèi)容; 數(shù)學物理方程部分則以數(shù)學物理定解問題的求解為主線講解,主要講解行波法、分離變量法、保角變換法三種解析方法,最后結(jié)合MATLAB編程和簡單的工程應用實例介紹有限差分法和有限元法兩種數(shù)值計算方法。
數(shù)學物理方法在物理學和電子信息、通信、自動化等很多工程技術領域中有廣泛而重要的應用。本書在講解基本數(shù)學理論的基礎上,緊密結(jié)合物理類、電氣信息類等專業(yè)知識,增加復變函數(shù)基礎知識在工程實際問題中的應用實例,增加MATLAB實踐編程案例,提高學生利用數(shù)學方法解決工程實際問題的能力,從而增強“工程數(shù)學”課程的實用性。此外,本書中重要的定理及術語采用中英文雙語,以滿足部分院校雙語教學需求。在編寫時我們注意了以下幾點。
(1) 結(jié)合MATLAB代碼完成復變函數(shù)重要性質(zhì)的可視化,并引入系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應求解、平面靜電場求解及保角變換法等更多的復變函數(shù)應用實例。
(2) 復變函數(shù)的積分、冪級數(shù)、留數(shù)定理及傅里葉級數(shù)展開部分均加入了MATLAB實用編程。運用MATLAB實現(xiàn)行波法達朗貝爾公式的可視化,有助于學生理解達朗貝爾公式解的物理意義及端點反射的物理圖像。
(3) 單獨編寫傅里葉級數(shù)一章,介紹分離變量法中傅里葉級數(shù)的應用。在講解經(jīng)典的分離變量法和保角變換法時結(jié)合MATLAB PDE tool完成數(shù)值求解,給讀者展現(xiàn)形象的物理圖像。
(4) 重要定理和術語由中英文雙語配合,服務雙語教學。
(5) 緊密結(jié)合工程實踐和科技前沿內(nèi)容,特殊函數(shù)部分輔以階躍光纖及表面等離激元光波導的應用分析實例,供感興趣的讀者閱讀。
本書由數(shù)學物理方法課題組李月娥、馬阿寧、彭宏編寫。李月娥負責第1~3章、第6章和第8~10章的編寫,以及MATLAB 代碼的編寫和全書的統(tǒng)校工作; 馬阿寧編寫第4章和第7章; 彭宏編寫第5章。蘭州大學信息科學與工程學院碩士研究生席楊、段志珍、路陽、吳振業(yè)、朱良欣、欒云賀、黃浩峰、田欣怡等對書中的公式錄入和部分繪圖提供了很大幫助; 蘭州大學教務處對教材的編寫給予了資金支持(蘭州大學教材建設資助)。在此對他們表示衷心的感謝!
受水平、時間及篇幅限制,書中難免存在疏漏之處,懇請廣大讀者批評指正。我們將對這套教材不斷更新,以保持其先進性和適用性。熱忱歡迎同行和關注“數(shù)學物理方法”課程教學及發(fā)展前景的廣大有識之士對我們的工作提出寶貴意見和建議。
編者
2022年8月
李月娥,2004年畢業(yè)于蘭州大學無線電物理專業(yè)后留校工作,主講本科生課程:數(shù)學物理方法,電磁場理論。2018年,電磁場理論課程教學團隊獲得省級教學團隊;2018年,獲第五屆蘭州大學“我最喜愛的十大教師”稱號;2018年,榮獲蘭州大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導教師。近5年參與編著電子信息類規(guī)劃教材《電磁場與電磁波》1部,《Matlab在電磁場與微波技術中的應用》專著一部。主要研究方向包括微納光電信息材料與器件、智能光電傳感等,主持并參與國家自然青年科學、甘肅省自然科學項目多項課題。
目錄
優(yōu)質(zhì)篇復變函數(shù)論
第1章復變函數(shù)與解析函數(shù)
1.1復數(shù)及其基本運算(complex numbers and operations)
1.1.1復數(shù)的基本概念(concepts of complex numbers)
1.1.2復數(shù)的表示方法(algebraic and geometric structure of complex numbers)
1.1.3復數(shù)的基本運算(operation of complex numbers)
1.1.4基于MATLAB的復數(shù)運算(complex number operations based on MATLAB)
1.2復變函數(shù)(complex variable functions)
1.2.1復變函數(shù)的概念(concepts and properties of complex variable function)
1.2.2區(qū)域的相關概念(concepts of domain)
1.2.3復變函數(shù)的極限和連續(xù)(limit and continuity of complex variable function)
1.3導數(shù)及解析函數(shù)(derivative and analytic function)
1.3.1導數(shù)(derivative)
1.3.2函數(shù)可導的充分必要條件(sufficient conditions for derivability)
1.3.3解析函數(shù)(analytic function)
1.3.4初等解析函數(shù)及性質(zhì)(elementary analytic function and properties)
1.3.5運用MATLAB工具使復變函數(shù)可視化(visualization of complex function
based on MATLAB)
1.4解析函數(shù)的應用(application of analytic function)
1.4.1解析函數(shù)在平面靜電場中的應用(application of analytic function in the
plane electrostatic field)
1.4.2保角變換及其幾何解釋(conformal mapping and its geometric interpretations)
1.4.3解析函數(shù)在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應問題求解中的應用(application of analytic
function in oscillation system)
第1章習題
第2章解析函數(shù)積分
2.1復變函數(shù)的積分(integral of complex variable function)
2.1.1復變函數(shù)積分的基本概念(concepts of complex integral)
2.1.2復變函數(shù)積分的性質(zhì)(properties of complex integral)
2.1.3復變函數(shù)積分實例(examples of complex integral)
2.2柯西定理(Cauchy theorem)
2.2.1單連通區(qū)域情形的柯西定理(Cauchy theorem in simply connected domains)
2.2.2不定積分和原函數(shù)(indefinite integral and antiderivative)
2.2.3復連通區(qū)域的柯西定理(Cauchy theorem in multiply connected domains)
2.2.4復變函數(shù)積分的MATLAB運算(calculation of complex integral
based on MATLAB)
2.3柯西公式及推論(Cauchy formula and extension)
2.3.1單連通區(qū)域的柯西積分公式(Cauchy formula in simply connected domain)
2.3.2復連通區(qū)域的柯西積分公式(Cauchy formula in multiply connected domain)
2.3.3無界區(qū)域中的柯西積分公式(Cauchy formula for unbounded domain)
2.3.4柯西公式推論(extension of Cauchy formula)
2.4柯西定理及柯西公式應用實例(application examples of Cauchy theorem
and Cauchy formula)
第2章習題
第3章復變函數(shù)級數(shù)
3.1復數(shù)項級數(shù)(complex number series)
3.1.1復數(shù)項級數(shù)的概念(concepts of complex number series)
3.1.2復數(shù)項級數(shù)的性質(zhì)(properties of complex number series)
3.1.3復變函數(shù)項級數(shù)(series of complex functions)
3.2冪級數(shù)(power series)
3.2.1冪級數(shù)概念(concepts of power series)
3.2.2收斂半徑與收斂圓(radius of convergence and circle of convergence)
3.2.3冪級數(shù)的性質(zhì)(properties of power series)
3.3泰勒級數(shù)(Taylor series)
3.3.1解析函數(shù)的泰勒展開式(Taylor expansion of analytic function)
3.3.2泰勒級數(shù)的收斂半徑(radius of convergence of Taylor series)
3.3.3將函數(shù)展開成泰勒級數(shù)的實例(examples of Taylor series expansion)
3.4洛朗級數(shù)(Laurent series)
3.4.1洛朗級數(shù)定義(definition of Laurent series)
3.4.2洛朗級數(shù)的收斂性(convergence of Laurent series)
3.4.3洛朗級數(shù)展開實例(examples of Laurent series expansion)
3.5單值函數(shù)的孤立奇點(isolated singular points of singlevalued functions)
3.6基于MATLAB的冪級數(shù)展開(power series expansion based on MATLAB)
第3章習題
第4章留數(shù)定理及其應用
4.1留數(shù)定理(residue theorem)
4.1.1閉合回路積分與留數(shù)的關系(loop integral and residue)
4.1.2留數(shù)的計算(calculation of residue)
4.1.3基于MATLAB的留數(shù)計算(residue calculation based on MATLAB)
4.2利用留數(shù)定理計算實積分(application of residue theorem for calculation of real integral)
4.2.1類型Ⅰ實積分計算(type Ⅰ real integral)
4.2.2類型Ⅱ?qū)嵎e分計算(type Ⅱ real integral)
4.2.3類型Ⅲ實積分計算(type Ⅲ real integral)
4.3其他類型的實積分計算(calculation of other real integral)
4.4基于MATLAB的回路積分計算(loop integral calculation based on MATLAB)
第4章習題
第二篇數(shù)學物理方程及求解方法
第5章傅里葉級數(shù)
5.1周期函數(shù)的傅里葉展開(Fourier expansion of periodic function)
5.1.1傅里葉級數(shù)的定義(definition of Fourier series)
5.1.2傅里葉級數(shù)的實際意義(practical meaning of Fourier series)
5.1.3傅里葉級數(shù)的收斂性(convergence of Fourier series)
5.2奇函數(shù)及偶函數(shù)的傅里葉展開(Fourier expansion of odd and even function)
5.3定義在有界區(qū)間上函數(shù)的傅里葉展開(Fourier expansion of functions
defined on an interval)
5.4復數(shù)形式的傅里葉級數(shù)(Fourier series in complex form)
5.5使用MATLAB完成傅里葉級數(shù)的可視化(visualization of Fourier series based
on MATLAB)
第5章習題
第6章數(shù)學建模——數(shù)學物理定解問題
6.1基本概念(basic concepts)
6.2典型的數(shù)理方程(typical mathematical physics equation)
6.2.1波動方程(wave equation)
6.2.2熱傳導方程(heatconduction equation)
6.2.3泊松方程(Poisson equation)
6.3定解條件(definite solution condition)
6.3.1初始條件(initial condition)
6.3.2邊界條件(boundary condition)
6.3.3數(shù)學物理定解問題的適定性(wellposed problems in mathematical physics)
6.4二階線性偏微分方程的分類和特征(classification and characteristics of
secondorder linear partial differential equations)
6.4.1二階線性偏微分方程的分類(classification of secondorder linear
partial differential equations)
6.4.2二階線性偏微分方程解的特征(characteristics of solutions of secondorder
linear partial differential equations)
6.5行波法與達朗貝爾公式(traveling wave method and DAlembert formula)
6.5.1一維波動方程的達朗貝爾公式(DAlembert formula for one
dimensional wave equation)
6.5.2達朗貝爾公式的物理意義(physical meaning of DAlembert formula)
6.5.3達朗貝爾公式應用的MATLAB實現(xiàn)(application of DAlembert
formula based on MATLAB)
第6章習題
第7章分離變量法
7.1分離變量法的理論(theory of variable separation)
7.1.1分離變量法簡介(introduction of variable separation method)
7.1.2偏微分方程可實施變量分離的條件(conditions for variable
separation of PDEs)
7.1.3邊界條件可實施變量分離的條件(conditions for variable separation
of boundary conditions)
7.2直角坐標系中的分離變量法(variable separation method in rectangular
coordinate