內容簡介
本書是為學習物理學的讀者編寫的數學基礎教材,書中除瞭用較現代的方法處理經典的數學物理問題外,還引入瞭很多有較強物理應用意義的現代數學方法和思想,從涵蓋的知識麵來看,已遠遠超齣通常數學物理方法教程的範圍,因此可以供更大範圍的讀者參考選用。與第1版相比,第2版重寫瞭許多章節,新增的章節包括代數、剋裏福代數的錶示、縴維叢等內容.
作者簡介
S. Hassani(S.哈桑尼)是美國Illinois State 大學物理係教授,本書第1版齣版後受到好評,第2版重寫瞭許多章節,新增的章節包括代數、剋裏福代數的錶示、縴維叢和規範場等內容。
目錄
1 Mathematical Preliminaries
1.1 Sets
1.1.1 Equivalence Relations
1.2 Maps
1.3 Metric Spaces
1.4 Cardinality
1.5 Mathematical Induction
1.6 Problems
Part Ⅰ Firute-Dimensional Vector Spaces
2 Vectors and Linear Maps
2.1.1 Subspaces
2.1.2 Factor Space
2.1.3 Direct Sums
2.1.4 Tensor Product of Vector Spaces
2.2 Inner Product
2.2.1 Orthogonality
2.2.2 The Gram-Schmidt Process
2.2.3 The Schwarz Inequality
2.2.4 Length of a Vector
2.3 Linear Maps
2.3.1 Kernel of a Linear Map
2.3.2 Linear Isomorphism
2.4 Complex Structures
2.5 Linear Functionals
2.6 Multilinear Maps
2.6.1 Determinant of a Linear Operator
2.6.2 Classical Adjoint
2.7 Problems
3 Algebras
3.1 From Vector Space to Algebra
3.1.1 General Properties
3.1.2 Homomorphisms
3.2 Ideals
3.2.1 Factor Algebras
3.3 Total Matrix Algebra
3.4 Derivation of an Algebra
3.5 Decomposition of Algebras
3.5.1 The Radical
3.5.2 Semi-simple Algebras
3.5.3 Classification of Simple Algebras
3.6 Polynomial Algebra
3.7 Problems
4 Operator Algebra
4.1 Algebra of End(V)
4.1.1 Polynomials of Operators
4.1.2 Functions of Operators
4.1.3 Commutators
4.2 Derivatives of Operators
4.3 Conjugation of Operators
4.3.1 Hermitian Operators
4.3.2 Unitary Operators
4.4 Idempotents
4.4.1 Projection Operators
4.5 Representation of Algebras
4.6 Problems
5 Matrices
5.1 Representing Vectors and Operators
5.2 Operations on Matrices
5.3 Orthonormal Bases
5.4 Change of Basis
5.5 Determinant of a Matrix
5.5.1 Matrix of the Classical Adjoint
5.5.2 Inverse of a Matrix
5.5.3 Dual Determinant Function
5.6 The Trace
5.7 Problems
6 Spectral Decomposition
6.1 Invariant Subspaces
6.2 Eigenvalues and Eigenvectors
6.3 Upper-Triangular Representations
6.4 Complex Spectral Decomposition
6.4.1 Simultaneous Diagonalization
6.5 Functions of Operators
6.6 Real Spectral Decomposition
6.6.1 The Case of Symmetric Operators
6.6.2 The Case of Real Normal Operators
6.7 Polar Decomposition
6.8 Problems
Part Ⅱ Infinite-Dimensional Vector Spaces
7 Hilbert Spaces
7.1 The Question of Convergence
7.2 The Space of Square-Integrable Functions
7.2.1 Orthogonal Polynomials
7.2.2 Orthogonal Polynomials and Least Squares
7.3 Continuous Index
7.4 Generalized Functions
7.5 Problems
8 Classical Orthogonal Polynomials
8.1 General Properties
8.2 Classification
8.3 Recurrence Relations
8.4 Details of Specific Examples
8.4.1 Hermite Polynonuals
8.4.2 Laguerre Polynomials
8.4.3 Legendre Polynonuals
8.4.4 Other Classical Orthogonal Polynomials
8.5 Expansionin Terms of Orthogonal Polynomials
8.6 Generating Functions
8.7 Problems
9 Fourier Analysis
9.1 Fourier Analysis
9.1.1 The Gibbs Phenomenon
9.1.2 Fourier Seriesin Higher Dimensions
9.2 Fourier Transform
9.2.1 Fourier Transforms and Derivatives
9.2.2 The Discrete Fourier Transform
9.2.3 Fourier Transform of a Distribution
9.3 Problems
Part Ⅲ Complex Analysis
10 Complex Calculus
10.1 Complex Functions
10.2 Analytic Functions
10.4 Integration of Complex Functions
10.5 Derivatives aslntegrals
10.6 Infinite Complex Series
10.6.1 Properties of Series
10.6.2 Taylor and Laurent Series
10.7 Problems
11 Calculus of Residues
11.1 Residues
11.2 Classification of Isolated Singularities
11.3 Ebaluation of Definite Integrals
11.3.1 Integrals of Rational Functions
11.3.2 Products of Rational and Trigonometric Functions
11.3.3 Functions of Trigonometric Functions
11.3.4 Some Otherlntegrals
11.3.5 Principal Value of an lntegral
11.4 Problems
12 Advanced Topics
12.1 Meromorphic Functions
12.2 Multivalued Functions
12.2.1 Riemann Surfaces
12.3 Analytic Continuation
12.3.1 The Schwarz Reflection Principle
12.3.2 Dispersion Relations
12.4 The Gamma and Beta Functions
12.5 Method of Steepest Descent
12.6 Problems
Part Ⅳ Differential Equations
13 Separation of Variablesin Spherical Coordinates
13.1 PDEs of Mathematical Physics
13.2 Separation of the Angular Part
13.3 Construction of Eigenvalues of L2
13.4 Eigenvectors of L2: Spherical Harmonics
13.4.1 Expansion of Angular Functions
13.4.2 Addition Theorem for Spherical Harmonics
13.6 Problems
14 Second-Order Linear Differential Equations
14.1 General Properties of ODEs
14.2 Existence/Uniquenessfor First-OrderDEs
14.3 General Properties of SOLDEs
14.4.1 A Second Solution to the HSOLDE
14.4.2 The General Solution to an ISOLDE
14.4.3 Separation and Comparison Theorems
14.5 Adjoint Differential Operators
14.6 Power-Series Solutions of SOLDEs
14.6.1 Frobenius Method of Undetermined Coefficients
14.6.2 Quantum Harmonic Oscillator
14.7 SOLDEs with ConstantCoefficients
14.8 The WKB Method
14.8.1 Classical Limit of the Schrodinger Equation
14.9 Problems
……
15 Complex Analysis of SOLDEs
16 Integral Transforms and Differential Equations
Part Ⅴ Operators on Hilbert Spaces
Part Ⅵ Green's Functions
Part Ⅶ Groups and Their Representations
Part Ⅷ Tensors and Manifolds
Part Ⅸ Lie Groups and Their Applications
Part Ⅹ Fiber Bundles
好的,這是一份關於一本假設的、與《數學物理(下冊)第2版》內容不重復的圖書的詳細簡介,旨在提供一個結構完整、信息豐富的概述,且不涉及任何關於原書的內容: --- 圖書名稱: 《計算流體力學基礎與應用:現代方法與編程實踐》 作者: 張偉, 李明 齣版社: 科學技術齣版社 ISBN: 978-7-5023-XXXX-X 定價: 128.00 元 簡介 本書全麵係統地介紹瞭計算流體力學(CFD)的基本理論、核心算法以及實際工程應用。針對當前科學研究和工程實踐對精確、高效模擬復雜流體現象的迫切需求,本書深入淺齣地闡述瞭從納維-斯托剋斯(Navier-Stokes, N-S)方程的推導、離散化方法到數值求解器的設計與實現的完整流程。本書內容涵蓋瞭從一維到三維問題的分析,重點關注湍流模型、網格生成技術以及並行計算策略,旨在為讀者提供紮實的理論基礎和實用的編程技能。 第一部分:流體力學基礎與CFD背景 (約占全書20%) 本部分首先迴顧瞭連續介質力學的基本假設,詳細推導瞭質量守恒、動量守恒(N-S方程)和能量守恒方程在不同坐標係下的形式。重點分析瞭這些偏微分方程的特性,包括其物理意義和數學性質(如雙麯性、拋物性或橢圓性),這對於理解後續數值方法的適用性至關重要。 此外,本部分係統梳理瞭CFD的發展曆史和其在航空航天、能源、環境科學以及生物醫學工程中的關鍵應用案例。通過對比傳統解析方法與數值模擬的優劣,強調瞭CFD在處理復雜幾何和非綫性現象時的不可替代性。本章內容旨在為初學者構建一個清晰的認知框架,理解“為什麼需要CFD”以及“CFD是如何工作的”。 第二部分:空間離散化技術 (約占全書30%) 數值計算的核心在於將連續的偏微分方程轉化為可求解的代數方程組。本部分詳細介紹瞭當前主流的三種空間離散化方法:有限差分法(FDM)、有限體積法(FVM)和有限元法(FEM)。 有限差分法部分,我們將重點討論如何構造高階精度差分格式,如中心差分、迎風格式以及緊緻格式,並深入探討瞭邊界條件在FDM中的處理技巧,特彆是在處理運動邊界或非結構化區域時的挑戰。 有限體積法被認為是CFD中最通用、最健壯的方法。本章將詳述FVM的核心思想——守恒律的積分形式。內容包括:通量計算(如Roe格式、AUSM格式)、界麵重建技術以及如何處理網格的非正交性。我們將詳細解析梯度重構方案,如Least Squares和Green-Gauss方法,確保數值解的精度和守恒性。 有限元法雖然在結構力學中更為常見,但在某些特定流體問題(如等幾性流體模擬)中錶現齣獨特的優勢。本部分將介紹基於形函數插值的變分原理,以及如何處理固有的綫性係統。 第三部分:時間推進與求解器設計 (約占全書35%) 在完成空間離散化後,如何高效地推進時間步是CFD模擬成功的關鍵。本部分分為對流項和壓力-速度耦閤兩大部分進行深入探討。 時間離散化部分,詳細介紹瞭顯式方法(如歐拉前嚮、龍格-庫塔法)和隱式方法(如後嚮歐拉、Crank-Nicolson法)。重點分析瞭它們各自的穩定域、收斂特性和計算效率,並提供瞭判斷CFL條件的實用準則。 壓力-速度耦閤算法是處理不可壓縮N-S方程的核心難點。本書將全麵剖析經典算法,如SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)係列算法,包括SIMPLE, SIMPLER, PISO, 和CIMPLE。對於高精度、高效率模擬,本書將詳細介紹基於黎曼求解器(Riemann Solvers)的耦閤方法(如AUSM+係列),及其在處理激波和接觸間斷時的魯棒性。 代數方程組的求解:對於由此産生的龐大綫性係統,本書提供瞭從經典迭代法(Jacobi, Gauss-Seidel, SOR)到現代預處理共軛梯度法(PCG, BiCGSTAB)的詳細分析,並特彆強調瞭預處理器的構建對求解速度的決定性影響。 第四部分:高級主題與工程實踐 (約占全書15%) 本部分將視角從基礎算法拓展到處理復雜物理現象和提升計算效率的高級技術。 湍流建模:這是CFD應用中的重中之重。本書詳細介紹瞭雷諾平均納維-斯托剋斯(RANS)模型,包括零方程模型(如代數湍流模型)、一方程模型(如Spalart-Allmaras)和二方程模型(如$k-epsilon$和$k-omega$模型)。對於高精度需求,本書簡要介紹瞭大渦模擬(LES)和直接數值模擬(DNS)的基本思想及其計算成本的權衡。 網格生成與適應性網格細化(AMR):高質量的網格是精確模擬的前提。本書涵蓋瞭結構網格、非結構網格(如四麵體、多麵體網格)的生成原理。更進一步,介紹瞭基於誤差估計的網格自適應技術,以在保證精度的同時優化計算資源的使用。 並行計算:針對現代大規模工程問題,本書探討瞭域分解(Domain Decomposition)技術,並簡要介紹瞭MPI(Message Passing Interface)在CFD求解器中的應用框架,以實現高效的CPU/GPU協同計算。 適用對象 本書適閤具有高等數學、常微分方程和基礎流體力學知識的本科生、研究生以及從事流體工程、航空航天、土木工程、機械設計等領域的工程師和研究人員。通過本書的學習,讀者將不僅能熟練使用主流商用CFD軟件,更具備獨立開發和定製求解器的能力。 結論 《計算流體力學基礎與應用:現代方法與編程實踐》旨在搭建理論與實踐之間的堅實橋梁,為讀者提供一套全麵、深入且極具操作性的CFD知識體係。本書結閤瞭清晰的數學推導與直觀的物理圖像,確保讀者能夠真正掌握這門現代工程科學的核心技術。 ---