MATLAB数学建模
作 者:李昕 编著 定 价:99 出 版 社:清华大学出版社 出版日期:2017年12月01日 页 数:529 装 帧:平装 ISBN:9787302467199 ●第1章MATLAB基础知识
●1.1数组和变量
●1.1.1数组的定义
●1.1.2数组的创建
●1.1.3多维数组及其操作
●1.1.4变量的命名
●1.2矩阵
●1.2.1实数值矩阵输入
●1.2.2复数矩阵输入
●1.2.3符号矩阵的生成
●1.2.4大矩阵的生成
●1.2.5矩阵的数学函数
●1.3符号运算的基本内容
●1.3.1符号变量代换及其函数
●1.3.2符号对象转换为数值对象的函数
●1.3.3符号表达式的化简
●1.3.4符号运算的其他函数
●1.3.5两种特定的符号运算函数
●本章小结
●第2章数学建模基础
●部分目录
内容简介
本书是MATLAB数学建模应用系列书籍之一,以MATLAB R2016a软件版本为基础,根据数学建模的需要编写,包含了多种数学建模问题的MATLAB求解方法,是解决数学实验和数学建模的有力工具。全书共18章,分为前后两个部分,靠前~10章属于前部分,靠前1~18章属于后部分。前部分从MATLAB基础和数学建模基础知识介绍开始,详细介绍MATLAB程序设计、常用MATLAB建模函数、数学规划模型、智能优化算法、Simulink简介、MATLAB图像处理算法等内容; 后部分介绍了水质评价与预测、投资收益与风险、旅行商问题、很优捕鱼策略、裁剪与复原、DNA序列分类、卫星和飞船的跟踪测控、中国人口增长预测等8个典型建模问题的MATLAB求解方法,引导读者深入挖掘各种建模问题背后的数学问题和求解方法。很后,在附录中给出了MATLAB基本命令的介绍,便于读者使用和研究。本书以MAT等 李昕 编著 李昕,毕业于哈尔滨工业大学,研究生学历。就职于天津光电集团,担任算法工程师职务。精通MATLAB、ANSYS等工程设计软件。曾担任MATLAB培训讲师,熟悉MATLAB仿真技术,对算法中涉及的数值仿真技术,算法运行速率测试有丰富的经验,擅长模块优化的解决方案。
《计算科学与工程仿真》 引言 在飞速发展的现代科技领域,计算科学与工程仿真已经成为不可或缺的核心驱动力。无论是航空航天领域的复杂流体动力学分析,还是生物医学工程中的精细组织建模,抑或是金融市场的风险量化预测,强大的计算能力和逼真的仿真环境为科学家和工程师提供了前所未有的洞察力与创新空间。本书《计算科学与工程仿真》旨在为读者构建一个坚实的理论基础,并提供丰富的实践经验,引领大家深入理解计算科学的原理,掌握工程仿真的关键技术,从而在各自的研究和工程领域取得突破。 本书内容涵盖了从基础的数值算法到复杂的系统建模,从通用仿真平台的使用到特定领域应用的案例分析。我们力求在理论的深度与实践的可行性之间取得平衡,确保读者在掌握理论知识的同时,也能具备独立解决实际问题的能力。本书不追求对某一特定软件工具的精通,而是强调理解其背后所蕴含的计算科学思想和数学原理,从而能够灵活运用不同的工具和方法,应对瞬息万变的工程挑战。 第一部分:计算科学基础 在开始复杂的工程仿真之前,扎实的计算科学基础是必不可少的。本部分将带领读者回顾和深入探讨支撑计算科学的几个关键领域。 第一章:数值计算方法 数值计算是进行工程仿真的基石。本章将详细介绍各种数值方法,包括但不限于: 线性代数运算: 重点讲解矩阵的存储方式(如稀疏矩阵),求解线性方程组的经典算法(如高斯消元法、LU分解、迭代法如共轭梯度法)及其收敛性分析。讨论特征值与特征向量的计算在系统动力学分析中的作用。 插值与逼近: 介绍多项式插值(如拉格朗日插值、牛顿插值)、样条插值(如三次样条)以及最小二乘逼近等方法,分析它们在数据拟合和函数重构中的适用性。 数值积分与微分: 详述牛顿-科特斯公式(如梯形法则、辛普森法则)、高斯积分等数值积分方法,以及有限差分法、有限元法等数值微分方法在求解微分方程中的应用。 优化算法: 介绍无约束优化(如梯度下降法、牛顿法、拟牛顿法)和约束优化(如拉格朗日乘子法、二次规划)的基本原理,并探讨它们在参数估计和系统设计中的应用。 第二章:数学模型构建与离散化 工程问题最终需要转化为数学模型才能进行计算。本章将聚焦于模型的构建过程和将其转化为离散形式以供计算机处理的方法。 物理定律的数学表述: 探讨如何将连续的物理过程(如力学、热力学、电磁学)用偏微分方程(PDEs)或常微分方程(ODEs)来描述。 模型简化与假设: 分析在实际工程中,为了降低计算复杂度而进行的模型简化和关键假设的合理性。 离散化技术: 深入讲解将连续方程转化为代数方程组的技术,包括: 有限差分法 (FDM): 详细阐述在规则网格上的差分格式构造,讨论其精度与稳定性。 有限元法 (FEM): 介绍基于变分原理或加权残值法的单元划分、基函数选择、单元刚度矩阵组装以及全局方程组的形成。 有限体积法 (FVM): 侧重于守恒律的离散化,特别适用于流体力学等问题。 网格生成与处理: 讨论一维、二维、三维网格的生成技术,包括结构化网格和非结构化网格,以及网格质量对仿真精度的影响。 第三章:算法分析与效率 计算效率是衡量仿真方法优劣的重要标准。本章将对各种算法的计算复杂度、稳定性和精度进行系统分析。 算法复杂度分析: 讲解时间复杂度和空间复杂度,并用大O符号表示法进行评估。 数值稳定性: 探讨数值方法的稳定性问题,如截断误差、舍入误差累积、以及导致发散的数值不稳定现象(如Courant-Friedrichs-Lewy条件)。 精度分析: 分析不同数值方法的截断误差,理解误差的来源和传播,以及如何通过提高数值精度来获得更可靠的结果。 并行计算基础: 介绍并行计算的基本概念,如任务并行和数据并行,以及多核处理器和分布式计算系统在加速仿真中的作用。 第二部分:工程仿真技术与应用 在掌握了计算科学的基础知识后,本部分将转向工程仿真在各个领域的具体应用,并介绍实现这些仿真的关键技术。 第四章:多物理场耦合仿真 现实世界中的工程问题往往涉及多个物理场的相互作用。本章将深入探讨如何实现多物理场耦合仿真。 耦合机制: 讲解弱耦合、强耦合以及自适应耦合等不同耦合策略的适用场景。 常见耦合案例: 流固耦合 (FSI): 如桥梁在风载下的振动,心脏瓣膜的血流动力学分析。 热固耦合: 如发动机零件的热应力分析,电子设备散热设计。 电磁热耦合: 如感应加热,半导体器件的温度效应。 声固耦合: 如汽车内饰的声学性能分析。 耦合方法的实现: 讨论基于单物理场求解器迭代耦合、多物理场集成平台以及统一离散框架等实现途径。 第五章:高级仿真技术 除了基本的数值方法,一些高级仿真技术能够帮助我们处理更复杂的工程问题。 大规模系统仿真: 介绍处理大规模离散方程组的迭代求解器、预条件子技术以及块迭代等方法。 模型降阶 (Model Order Reduction - MOR): 讲解如何从高维模型中提取低维近似模型,以降低仿真计算量,例如平衡截断法、多项式PCA等。 不确定性量化 (Uncertainty Quantification - UQ): 介绍如何分析输入参数的不确定性对仿真结果的影响,如蒙特卡洛模拟、概率有限元法等。 自适应网格细化 (Adaptive Mesh Refinement - AMR): 讲解如何根据误差指示器自动调整网格密度,提高局部计算精度,优化资源分配。 第六章:特定工程领域仿真案例 本章将通过多个具体工程领域的仿真案例,展示计算科学与工程仿真技术的实际应用。 结构力学仿真: 静态与动态分析: 讲解应力、应变、位移的计算,以及模态分析、瞬态动力学分析。 损伤与断裂力学: 探讨有限元法在模拟材料损伤、裂纹扩展等行为中的应用。 疲劳分析: 介绍预测结构在循环载荷下寿命的方法。 流体力学仿真 (CFD): Navier-Stokes方程的求解: 介绍求解流体运动基本方程的数值方法。 层流与湍流模型: 讲解不同湍流模型(如RANS, LES, DNS)的原理和选择。 多相流与多孔介质流: 探讨模拟界面复杂流动和非均质介质中流体行为的技术。 传热与传质仿真: 稳态与瞬态传热: 求解热传导、对流、辐射方程。 传质过程模拟: 模拟物质的扩散、对流等过程。 电磁场仿真: 麦克斯韦方程组的数值解法: 讲解有限元法、有限时域差分法 (FDTD) 在分析电磁现象中的应用。 天线设计与分析: 模拟电磁波的辐射与传播。 电机与发电机设计: 分析电磁力、感应电压等。 第三部分:仿真流程与最佳实践 除了技术本身,有效的仿真流程和良好的实践习惯对于获得高质量的仿真结果至关重要。 第七章:仿真工作流程管理 一个规范的仿真工作流程能够确保项目的可重复性、可追溯性,并减少错误。 项目需求分析与仿真目标设定: 明确仿真的目的、精度要求、以及可接受的计算成本。 前处理阶段: 几何建模: 介绍CAD模型导入、清理、修复的技术。 网格划分: 讨论网格质量检查、自适应网格策略。 材料属性定义: 强调材料模型的选择和参数的准确性。 边界条件与载荷施加: 详细讲解不同类型边界条件(如固定、对称、自由)和载荷(如力、压力、温度、位移)的定义。 求解阶段: 求解器选择与设置: 依据问题类型选择合适的求解器,并进行关键参数的设置(如时间步长、收敛标准)。 并行计算配置: 如何有效地利用多核或集群资源。 后处理阶段: 结果可视化: 讲解如何有效地展示和理解仿真结果,如云图、矢量图、剖面图、动画。 数据分析与提取: 如何提取关键工程量,如最大应力、流量、温度分布。 验证与确认 (Verification & Validation - V&V): 强调仿真结果与理论解、实验数据或工程实践的对比验证。 文档记录与报告撰写: 规范化仿真过程和结果的记录,以便于审查和分享。 第八章:仿真误差分析与减小策略 理解和控制仿真误差是提高仿真可靠性的关键。 误差来源分类: 详细阐述模型误差、离散化误差、数值误差(截断误差、舍入误差)、以及网格误差。 误差评估技术: 网格收敛性研究 (Mesh Convergence Study): 通过改变网格密度来评估离散化误差。 时间步长收敛性研究 (Time Step Convergence Study): 对于瞬态问题,通过改变时间步长评估时间离散误差。 参数敏感性分析: 分析输入参数变化对输出结果的影响。 减小误差的策略: 选择更高精度的数值格式。 使用更精细的网格,并进行自适应网格细化。 优化时间步长设置。 改进模型假设,提高模型精度。 选择合适的材料模型和本构关系。 第九章:仿真的最佳实践与未来趋势 仿真驱动设计 (Simulation-Driven Design - SDD): 介绍如何将仿真无缝集成到产品设计流程中,实现快速迭代和优化。 数字孪生 (Digital Twin): 探讨构建物理实体的虚拟副本,实现实时监控、预测性维护和性能优化。 机器学习与仿真的结合: 介绍如何利用机器学习加速仿真(如代理模型)、优化仿真参数,以及从仿真数据中提取知识。 高性能计算 (HPC) 在仿真中的作用: 强调HPC资源在处理大规模、高精度仿真问题中的重要性。 虚拟现实 (VR) 与增强现实 (AR) 在仿真结果解读中的应用。 开源仿真工具与社区的重要性。 结论 《计算科学与工程仿真》希望成为读者在复杂工程问题求解道路上的得力助手。通过系统地学习本书的内容,读者不仅能够掌握实现各种工程仿真的关键技术,更重要的是能够培养独立思考、分析问题、解决问题的能力。我们鼓励读者将理论知识与实践相结合,积极探索和应用这些强大的计算工具,为科技的进步和社会的发展贡献力量。
一直以来,我对如何将脑海中的数学模型转化为可执行的代码感到困惑,尤其是那些涉及到复杂算法和大规模数据的场景。我曾尝试过阅读一些泛泛而谈的编程书籍,但它们往往过于理论化,或者侧重于基础语法,对于实际应用场景的指导性不强。直到我偶然翻开《MATLAB数学建模》,才仿佛打开了一扇新世界的大门。这本书的独特之处在于,它没有仅仅停留在讲解MATLAB的函数和命令,而是将重点放在了“建模”这个核心环节。从问题的提出、数学模型的构建,到数值方法的选择与实现,再到结果的分析与解读,书中都进行了循序渐进的讲解。尤其让我印象深刻的是,书中给出了大量贴近实际的案例,涵盖了从物理、工程到经济、金融等多个领域。这些案例不仅展示了如何运用MATLAB解决实际问题,更重要的是,它们教会了我如何将抽象的数学概念具象化,如何将现实世界的问题抽象成数学模型。我特别喜欢书中对不同建模方法的比较分析,这让我能够根据问题的特点选择最合适的工具和策略,而不是盲目地套用某个单一的方法。总的来说,《MATLAB数学建模》是一本真正能够提升读者建模能力的实用宝典,它让我对数学建模的理解和实践都有了质的飞跃,也让我对未来运用MATLAB解决更复杂的问题充满了信心。