M10 / undergraduate

数值分析与科学计算

数值分析与科学计算围绕第一编 误差与数值线性代数、第二编 逼近与积分、第三编 数值动力学与综合复习建立连续章节顺序。

结构
3 编 · 6
适合读者
适合已具备基础代数与函数知识、希望完成本科层次系统学习的读者。
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BEFORE READING

先修与记号

本册对象

研究误差、稳定性、线性代数计算、插值积分和微分方程数值方法。

先修教材

符号约定

  • 本册在首次使用时定义数值分析与科学计算专用符号,并区分标量、向量、算子与单位。
  • 同一符号出现多种约定时明确命名空间、假设和适用章节。

CONTENTS

完整目录

PART 01

第一编 误差与数值线性代数

第一编 误差与数值线性代数组织浮点数、条件数与误差传播、线性方程组的直接与迭代解法,形成连续的学习单元。

  1. 01

    浮点数、条件数与误差传播

    从舍入模型和机器精度出发,区分问题条件数、算法稳定性、前向误差与后向误差,并分析消去性相减和尺度失衡。

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  2. 02

    线性方程组的直接与迭代解法

    比较带主元消元与 LU 分解、Jacobi 与 Gauss–Seidel 等方法,使用残差、条件数和谱半径判断解的可信度与迭代收敛。

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PART 02

第二编 逼近与积分

第二编 逼近与积分组织插值、多项式逼近与样条、数值积分与数值微分,形成连续的学习单元。

  1. 03

    插值、多项式逼近与样条

    由 Lagrange 与 Newton 形式构造插值多项式,解释余项与 Runge 现象,再用分段低次多项式和三次样条控制局部误差。

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  2. 04

    数值积分与数值微分

    从插值公式推导梯形、Simpson 与差分格式,使用 Taylor 展开计算截断误差,并说明微分对测量噪声的放大作用。

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PART 03

第三编 数值动力学与综合复习

第三编 数值动力学与综合复习组织常微分与偏微分方程数值方法、稳定性、收敛性与科学计算综合复习,形成连续的学习单元。

  1. 05

    常微分与偏微分方程数值方法

    从 Euler 与 Runge–Kutta 时间推进进入有限差分离散,区分一致性、稳定性和收敛性,并比较显式格式的步长限制与隐式格式的线性求解成本。

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  2. 06

    稳定性、收敛性与科学计算综合复习

    围绕一个科学计算流程连接浮点误差、线性求解、插值积分和微分方程离散,使用残差、网格加密与独立方法报告数值证据。

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综合练习

  • 每章安排定义辨析、推导计算和结果核验练习。
  • 本册末章安排跨 Part 综合题,并保留可复算的解题检查点。

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