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馬文淦 著

圖書標籤:

• 計算物理
• 物理學
• 數值方法
• 科學計算
• 模擬
• 算法
• 高等教育
• 理工科
• 物理建模
• 程序實現

店鋪： 蛋蛋圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030147509

商品編碼：10111984081

包裝：平裝

齣版時間：2005-05-01

基本信息

書名：計算物理學

原價：69.00元

作者：馬文淦

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2005-05-01

ISBN：9787030147509

字數：306000

頁碼：250

版次：1

裝幀：平裝

開本：32開

商品重量：0.381kg

編輯推薦

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內容提要

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本書比較係統、詳細地講述瞭計算物理領域涉及的重要基本概念、數學基礎與方法。書中不僅較多地講述瞭在傳統物理課題中常用的數值計算方法：如偏微分方程的數值求解方法、計算機模擬方法中的隨機模擬方法--濛特卡羅方法和確定性模擬--分子動力學方法以及神經元網絡方法，而且較詳細地介紹瞭計算機符號處理係統及其在理論物理中的應用。書中還提供瞭計算物理方法在理論和實驗物理領域中的應用實例，並介紹瞭高性能計算機與並行算法。
本書內容豐富，體係較完整，適閤於作為高等學校物理類高年級大學生和研究生的教學用書，也可以作為物理學科領域以外的其他師生及科研工作者的參考書。

目錄

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章 引言
1.1 計算物理學的起源和發展
1.2 計算物理學在物理學研究中的應用
第二章 濛特卡羅方法
2.1 濛特卡羅方法的基礎知識
2.2 隨機數與僞隨機數
2.3 任意分布的僞隨機變量的抽樣
2.4 濛特卡羅計算中減少方差的技巧
2.5 實用濛特卡羅計算復閤技術
2.6 隨機遊走
習題
參考文獻
第三章 濛特卡羅方法的若乾應用
3.1 濛特卡羅方法在積分計算中的應用
3.2 事例産生器
3.3 粒子碰撞過程的相空間産生
3.4 高能物理實驗中濛特卡羅方法的應用
3.5 在量子力學中的濛特卡羅方法
3.6 在統計力學中的濛特卡羅方法
3.7 粒子輸運問題的濛特卡羅模擬
習題
參考文獻
第四章 有限差分方法
4.1 引言
4.2 有限差分法和偏微分方程
4.3 有限差分方程組的迭代解法
4.4 求解泊鬆方程的直接法
習題
參考文獻
第五章 有限元素方法
5.1 有限元素方法的基本思想
5.2 二維場的有限元素法
5.3 有限元素法與有限差分法的比較
習題
第六章 分子動力學方法
6.1 引言
6.2 分子動力學基礎知識
6.3 分子動力學模擬的基本步驟
6.4 平衡態分子動力學模擬
習題
參考文獻
第七章 計算機代數
7.1 引言
7.2 粒子物理中的計算機代數
7.3 Mathematica語言編程
習題
參考文獻
第八章 Mathematica在量子力學中的應用舉例
8.1 粒子在中心力場中的運動問題
8.2 求非相對論性薛定諤方程本徵能量限
8.3 求解薛定諤方程束縛態問題
習題一
參考文獻
第九章 神經元網絡方法及其應用舉例
9.1 神經元網絡
9.2 高能物理中的神經元網絡應用舉例
參考文獻
第十章 高性能計算和並行算法
10.1 引言
10.2 並行計算機和並行算法
10.3 並行編程
參考文獻
附錄
附錄A 貝斯理論
附錄B 一些常用分布密度函數的抽樣
附錄C 求解微分方程的近似方法
附錄D 三角形型函數積分式的證明
附錄E Mathematica函數和指令
附錄F 程序選編

作者介紹

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文摘

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序言

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《計算物理學》圖書簡介：內容之外的廣闊天地 本書並非《計算物理學》，它是一部旨在探索人類知識邊界、跨越學科鴻溝的綜閤性論著。它深入剖析瞭科學史上的關鍵轉摺點，考察瞭哲學思辨如何塑造現代科學範式，並著重探討瞭信息、復雜性與湧現現象在不同領域的統一性。 --- 第一部分：知識的源頭與方法的演進 本書的第一部分將目光投嚮科學思維的起源。我們不討論具體的數值算法，而是探究“精確性”這一概念本身是如何從古代的幾何學理想演變為現代物理學中依賴於測量和不確定性的實踐。 一、從歐幾裏得到伽利略：解析的勝利與局限 本章詳細梳理瞭西方科學思想中對完美幾何模型的推崇，解析瞭笛卡爾坐標係如何成為理解和描述自然現象的基礎工具。重點分析瞭在沒有成熟計算工具的時代，科學傢如何通過巧妙的幾何構造和有限的代數運算來模擬運動，例如開普勒定律的推導過程——這更多是基於幾何直覺和細緻觀察，而非大規模的數值迭代。我們探討瞭這種解析方法的哲學基礎：相信自然界可以被簡化為少數幾個普遍的、可被完全理解的方程。 二、統計學的崛起：從概率到不確定性 當解析方法遭遇多體問題和微觀世界的隨機性時，科學轉嚮瞭統計學。本章聚焦於伯努利、拉普拉斯以及後來的玻爾茲曼所建立的理論框架。我們考察瞭如何從離散的、基於可能性的思維方式，過渡到對宏觀現象的精確描述，例如氣體動理學理論。這裏的核心論點是：認識到知識的根本不確定性，反而成為通往更深刻理解的必要步驟。 我們將對比早期統計方法與現代濛特卡洛思想的底層邏輯差異，著重強調前者對先驗分布的依賴。 三、經驗主義的邊界與理論的建構 本部分深入探討瞭理論物理學傢的工作方式。我們不涉及任何具體的計算模型，而是關注理論的“審美”標準——對稱性、簡潔性和普適性。例如，愛因斯坦建立相對論的過程，更多是一種基於思想實驗和幾何直覺的重構，而非對海量實驗數據的擬閤。本書分析瞭這種理論建構與依賴大量計算數據進行參數優化的現代科學範式的張力。 --- 第二部分：復雜性、湧現與信息結構 本書的第二部分轉嚮瞭超越還原論範疇的領域，探討係統如何從簡單的規則中産生齣無法被簡單地歸約為個體部件的性質。 四、混沌：綫性思維的終結 我們詳細考察瞭洛倫茲的工作，但側重點在於他對“對初始條件的敏感依賴性”的哲學啓示，而非其流體力學的具體方程。混沌理論揭示瞭確定性係統內部的不可預測性。本書論證瞭這一點對科學預測的深遠影響：它挑戰瞭拉普拉斯妖的古典唯物主義願景，迫使我們接受：即使知道所有基本定律，也無法預知所有未來狀態。 我們將從拓撲學的角度審視吸引子的結構，將其視為信息組織的一種非綫性方式。 五、自組織與湧現現象 本章跨越生物學、化學和材料科學的邊界，探討自組織現象。例如，雪花的形成、化學振蕩（如Belousov–Zhabotinsky反應）以及生物形態發生。我們關注的是，在沒有中央控製器或預設藍圖的情況下，局部相互作用如何創造齣全局的、有序的結構。這裏的核心概念是“湧現”——係統層級的性質無法從低層級的部件中推導齣來。我們審視瞭復雜適應係統（CAS）的早期構想，強調反饋迴路在信息處理和模式維持中的關鍵作用。 六、信息論的普遍性 夏農的信息論為我們提供瞭一種量化“不確定性減少”的通用語言。本書探討瞭信息論超越通信工程的應用——在熱力學（熵與信息的關係）、語言學和認知科學中的體現。我們深入分析瞭“有效信息”（Effective Complexity）的概念，試圖建立一個衡量一個係統結構復雜程度的指標，這個指標獨立於係統所遵循的具體物理定律。 --- 第三部分：人與工具：知識的擴展與限製 最後一部分將視角轉嚮人類認知能力與外部工具之間的互動關係，特彆是對“計算”這一概念的哲學反思。 七、圖靈機器的界限：可計算性與智能的定義 圖靈的貢獻遠超計算機科學本身，它為我們定義瞭“算法”的邊界。本書深入討論瞭停機問題的不可解性對科學研究的深層意義：存在著一些在原理上無法通過任何有限、機械化的步驟來解決的物理或數學問題。 我們將探討哥德爾不完備性定理如何從邏輯層麵印證瞭這種內在的局限性，並將其置於經驗科學的背景下進行討論。這並非關於如何編寫程序，而是關於計算本身的哲學含義。 八、模擬的倫理與本體論地位 在當代的科學實踐中，模擬已成為與實驗和理論同等重要的研究工具。本書不討論如何進行模擬，而是探討模擬的本體論地位。一個成功的模擬模型，它所描述的“虛擬世界”與真實世界具有何種關係？它是對世界的描述，還是一個與世界平行的、具有內在一緻性的新實在？我們考察瞭模型選擇的標準——有效性（Validity）與忠實性（Fidelity）之間的永恒權衡。 九、認知的未來：超越符號處理 本書最後展望瞭認知科學的交叉領域。我們討論瞭聯結主義（連接主義）與符號主義的爭論，以及這種爭論如何反映瞭我們在試圖理解“智能”時所麵臨的根本睏境：是還原為基礎邏輯，還是接受一個分布式的、基於模式識彆的湧現過程？我們認為，對這種底層機製的理解，是推動未來科學發現的關鍵。 --- 結語：知識的結構與未竟的探索 本書旨在提供一個宏觀的、跨學科的視角，引導讀者思考科學知識是如何被建構、如何被限製，以及在麵對日益增長的復雜性時，人類思維需要哪些新的範式轉變。它關注的是驅動所有科學分支的底層邏輯和哲學假設，而非任何特定領域的具體技術細節。它是一部關於如何思考科學的著作，而非如何進行計算的指南。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計相當簡潔大氣，深邃的藍色背景點綴著抽象的物理公式和粒子軌跡，第一眼就給人一種嚴謹而又充滿探索感的氣息。翻開扉頁，作者序言中對於計算物理學研究意義的闡述，以及對讀者學習路徑的建議，都顯得非常真誠且富有洞察力。我尤其欣賞的是，作者並沒有一開始就拋齣晦澀難懂的數學推導，而是從一些宏觀的、大傢都能理解的物理現象齣發，引導我們思考如何用計算的思維去解決它們。例如，關於行星運動的模擬，作者用通俗易懂的語言解釋瞭牛頓萬有引力定律，然後引齣瞭數值積分的概念，並展示瞭如何一步一步地構建一個簡單的模擬程序。這種循序漸進的教學方式，極大地降低瞭初學者進入這個領域的門檻，讓我這個對編程涉獵不深的人也能迅速找到感覺，不再覺得計算物理學遙不可及。書中對各種算法的介紹，都配有清晰的僞代碼和圖示，即使是對算法理論不熟悉的讀者，也能通過這些直觀的例子來理解其核心思想。總而言之，這本書在開篇部分就做到瞭知識的“軟著陸”，既保證瞭內容的深度，又兼顧瞭讀者的接受度，讓我對後續的學習充滿瞭期待。

評分☆☆☆☆☆

這本書對於初學者非常友好，它似乎有意迴避瞭那些過於晦澀的數學證明和理論推導，而是將重點放在瞭如何理解和應用計算方法上。我特彆欣賞書中對數學工具的選擇和講解方式，作者會根據實際的物理問題，選擇最恰當的數學工具進行介紹，並且講解過程非常清晰。比如，在介紹綫性代數在物理問題中的應用時，作者並沒有上來就講嚮量空間和矩陣的抽象定義，而是從求解幾個聯立方程組的實際需求齣發，引入矩陣和嚮量的概念，然後逐步講解高斯消元法等解法。這種“問題驅動”的學習模式，讓我能夠更直觀地理解這些數學工具的意義和作用，而不是為瞭學習數學而學習。書中對代碼實現的指導也十分具體，它提供的不僅僅是代碼片段，更重要的是對代碼背後邏輯的詳細解釋，以及如何調試和優化代碼的建議。我嘗試著跟著書中的例子編寫瞭一些小程序，並成功地運行起來，這極大地增強瞭我的信心。這本書真正做到瞭“授人以魚不如授人以漁”，它不僅教給瞭我計算物理學的知識，更重要的是培養瞭我獨立解決問題的能力。

評分☆☆☆☆☆

不得不說，這本書的語言風格非常獨特，它既有學術著作應有的嚴謹，又帶著一種鼓勵和啓發式的探討，讀起來絲毫不會讓人感到枯燥乏味。作者在講解一些復雜的概念時，善於運用生動的比喻和形象的描述，將抽象的物理過程具象化。我記得在介紹濛特卡洛方法時，作者並沒有上來就講隨機數生成和概率密度函數，而是以一個擲骰子玩遊戲的故事作為引子，生動地解釋瞭隨機抽樣和統計平均的原理。這種“化繁為簡”的處理方式，極大地降低瞭理解難度，讓我能夠輕鬆地抓住核心思想。此外，書中穿插的一些曆史故事和科學傢的軼事，也為枯燥的理論學習增添瞭不少趣味性。例如，在介紹傅裏葉變換時，作者簡要迴顧瞭傅裏葉本人研究熱傳導問題的經曆，這讓我對這項強大工具的起源有瞭更深的認識。這種將科學史與科學方法論結閤起來的敘述方式，不僅豐富瞭讀者的知識麵，也讓我感受到瞭科學探索的魅力。整本書讀下來，我感覺自己不是在被動地接收信息，而是在和一位經驗豐富的老師進行一場深入的交流，充滿瞭啓發和收獲。

評分☆☆☆☆☆

從讀者的角度來看，這本書最大的優點在於它提供瞭一種全新的視角來審視物理世界。過去，我們習慣於從理論推導和公式解析的角度去理解物理現象，而這本書則引導我們思考如何通過數值模擬和計算實驗來探索和驗證這些現象。我印象最深刻的是，書中對於復雜係統的模擬，比如流體動力學中的湍流現象，或者是粒子物理學中的多體相互作用。作者通過生動的案例，展示瞭計算物理學如何能夠處理那些傳統解析方法難以解決的復雜問題。他並沒有給齣完整的解決方案，而是引導讀者思考如何將問題分解，如何選擇閤適的算法，以及如何處理模擬結果。這種啓發式的教學方式，讓我意識到計算物理學不僅僅是一種工具，更是一種思維方式。它鼓勵我們擁抱不確定性，勇於嘗試，並在模擬和實驗中不斷發現新的規律。這本書讓我對計算物理學産生瞭濃厚的興趣，也讓我開始嘗試將這種思維方式應用到我自己的學習和研究中。總的來說，這是一本能激發讀者好奇心和探索欲的佳作。

評分☆☆☆☆☆

這本書在內容編排上，我認為最齣色的一點便是它對概念的引入與實際應用的緊密結閤。不像我之前讀過的某些純理論書籍，上來就是一大堆數學公式和抽象概念，讓人望而卻步，這本書則巧妙地將理論知識植根於具體的物理問題之中。舉個例子，當引入有限差分法來求解偏微分方程時，作者並沒有直接給齣公式，而是先描述瞭如何用簡單的網格離散化來近似連續變量，然後逐步推導齣差分方程。更重要的是，他立刻就拿齣瞭一個實際的應用場景——例如，模擬熱量在固體中的傳導過程，並通過代碼示例展示瞭如何用有限差分方法來解決這個問題。這種“理論-應用-代碼”的模式，讓我能夠清晰地看到計算方法是如何服務於物理研究的，也讓我對代碼的編寫有瞭更強的目標感。我特彆喜歡書中對不同數值方法的比較分析，比如在處理某個特定問題時，哪種方法收斂更快，哪種方法精度更高，或者在計算資源有限的情況下，哪種方法更具優勢。這些對比性的討論，不僅加深瞭我對各種方法的理解，也培養瞭我批判性地選擇閤適工具的能力。這本書讓我明白，學習計算物理學不僅僅是掌握一堆公式和算法，更是要學會如何將它們靈活地應用於解決真實的物理難題。