本書系統(tǒng)闡述了在科學與工程計算中常用的偏微分方程數值求解方法,即有限差分法、有限元法和邊界元法。內容包括科學計算中典型的橢圓型方程、雙曲型方程和拋物型方程的差分格式的構造與理論分析,以及有限元和邊界元數值求解的基本方法與理論,此外,對流體力學方程的差分方法和線性代數方程組的迭代求解也有適度介紹。本書敘述由淺入深,關鍵推導詳細,例題豐富,注重系統(tǒng)性和物理背知識介紹。該書可作為計算數學、應用數學、信息與計算科學、計算物理等相關專業(yè)的高年級本科生、研究生和教師的教材或參考書,也可供從事科學與工程計算的科技人員參考。
在科學與工程計算中常常要數值求解各類偏微分方程,有限差分法、有限元方法和邊界元方法是經常使用的方法,本書介紹這三方面的基本理論和數值離散方法.內容是作者在多年教學的基礎上撰寫而成的,既可作計算數學專業(yè)高年級本科生和研究生學習偏微分方程數值解之用,也適合其他相關專業(yè)的學生或科研人員學習參考.
全書共分十一章.第一章是預備知識,介紹一些重要基本概念和重要定理,第二章介紹差分近似導數的各種方法及差分格式的Fourier誤差分析.第三章介紹緊致差分格式,與經典的差分格式相比,這類格式結合函數值及其導數值,可以用較少的結點構造出高階精度的格式,第四章介紹差分格式的收斂性、相容性和穩(wěn)定性的分析,重點介紹穩(wěn)定性分析的Fourier級數法和矩陣分析法.第五章介紹拋物型方程的各種典型差分格式,包括二維熱傳導方程的不對稱格式、交替方向隱式格式和局部一維化格式,第六章介紹雙曲型方程的典型差分格式,包括差分格式的耗散和頻散分析.第七章重點介紹流體力學中的一維守恒律方程的差分格式和高分辨率格式.第八章介紹橢圓型方程的差分方法,包括基于變分原理的差分方法和有限體積法,以及極坐標下Poisson方程的差分離散,第九章介紹有限元方法,包括有限元離散、Gauss求積公式、等參元和誤差分析的基本方法.第十章介紹邊界元方法,重點基于第二Green公式直接推導了區(qū)域和邊界積分方程,并給出了三維彈性問題的積分方程,包括積分方程的數值離散.偏微分方程采用有限差分、有限元和邊界元方法數值離散后,往往歸結為一個大型線性代數方程組的求解,常采用迭代法來求解,為此,最后第十一章介紹離散線性代數方程的迭代求解,包括基本迭代方法、預條件迭代方法、Krylov子空間的迭代方法和多重網格法.
第一章 基礎知識
§1.1 偏微分方程基本概念
§1.1.1 方程的分類
§1.1.2 方程的特征線
§1.1.3 方程組的分類
§1.1.4 定解條件
§1.2 矩陣的基本概念
§1.3 矩陣重要性質與定理
§1.3.1 三對角矩陣特征值
§1.3.2 矩陣特征值估計及非奇異性判定
§1.3.3 Schur定理
§1.4 向量和矩陣的范數
§1.4.1 矩陣范數與譜半徑的關系
§1.4.2 矩陣范數的估計
§1.4.3 矩陣序列的收斂性
§1.5 常用定理
§1.5.1 實系數多項式的根
§1.5.2 Newton-Cotes型數值積分公式
§1.5.3 Green公式
§1.6 練習
第二章 有限差分近似基礎
§2.1 網格及有限差分記號
§2.2 空間導數近似
§2.3 導數的算子表示
§2.4 任意階精度差分格式的建立
§2.4.1 Taylor級數表
§2.5 非均勻網格
§2.6 Fourier誤差分析
§2.7 練習
第三章 緊致差分格式
§3.1 差分近似的推廣
§3.2 各階導數的緊致格式
§3.2.1 -階導數近似
§3.2.2 二階導數近似
§3.2.3 三階導數近似
§3.2.4 四階導數近似
§3.3 交錯網格上的緊致格式
§3.3.1 一階導數
§3.3.2 二階導數
§3.4 聯合一階和二階導數的緊致格式
§3.4.1 系數對稱
§3.4.2 系數非對稱
§3.5 單邊格式
§3.6 練習
……
第四章 差分格式穩(wěn)定性分析
第五章 拋物型方程
第六章 雙曲型方程
第七章 流體力學方程
第八章 橢圓型方程
第九章 有限元方法
第十章 邊界元方法
第十一章 離散方程的求解
參考文獻
索引