科学与工程计算方法

第1章 偏微分方程的一般概念

1.1 偏微分方程的定义

1.2 典型方程的导出

1.3 定解问题及其适定性

1.4 二阶线性方程的分类

1.5 Fourier变换和离散Fourier级数

1.6 复数矩阵基本概念和性质

1.7 差分方法的基本概念

第2章 抛物方程的差分格式

2.1 常系数扩散方程的三种古典差分格式

2.2 稳定性、相容性、收敛性

2.3 判别稳定性的Fourier分析方法

2.4 常系数方程的其他差分格式

2.5 Richardson外推法

2.6 变系数抛物型方程的差分格式

2.7 初边值问题的边界离散

2.8 高维抛物型方程

习题

上机练习

第3章 双曲方程的差分方法

3.1 一阶常系数双曲型方程简介

3.2 几种显式差分格式

3.3 Courant条件

3.4 几种隐式差分格式

3.5 一阶常系数双曲方程组的差分格式

3.6 二阶双曲方程的差分格式

3.7 等价方程组的差分格式

3.8 双曲方程(组)的边值问题

3.9 高维双曲型方程(组)

3.1 0变系数双曲型方程的差分格式

习题

上机练习

第4章 对流扩散方程的差分格式

4.1 几种差分格式

4.2 特征差分方法

第5章 椭圆方程差分格式

5.1 椭圆方程的差分格式

5.2 椭圆方程的边界离散处理

5.3 变系数椭圆方程的差分格式

上机练习

第6章 数学物理方程的变分原理

6.1 古典变分问题的例子

6.2 变分法¨

6.3 变分问题的数值计算方法

习题

第7章 有限元方法

7.1 插值函数

7.2 两点边值问题的线性有限元方法

7.3 一维高次有限元

7.4 二维椭圆边值问题的有限元方法

7.5 二维矩形双线性元

7.6 误差估计

习题

上机练习

第8章 统计计算

8.1 建立SPSS数据集

8.2 相关分析及回归分析处理方法

8.3 方差分析

8.4 主成分分析

8.5 因子分析

8.6 聚类分析

8.7 把对象归到已知的类中：判别分析

8.8 两组变量之间的相关：典型相关分析

参考文献2100433B

《科学与工程计算方法》是北京理工大学2011工程研究生规划教材之一。

现代科学、技术、工程中的大量数学模型都可以用微分方程来描述，很多近代自然科学的基本方程本身就是微分方程.在科学的计算机化进程中，科学与工程计算作为一门工具性、方法性、边缘交叉性的新学科开始了自己的新发展，微分方程的求解方法也得到了前所未有的发展和应用.求解方法总体上分为解析法和数值方法两大类，而绝大多数微分方程（特别是偏微分方程）定解问题都很难以使用解析形式来表示，本书主要关注数值方法.

本书为“科学与工程计算方法”课程的配套教材，书中主要讨论科学与工程研究中的数学建模，即得到微分方程的数学模型后，如何进行近似求解.国内这方面的优秀教材不少，但都存在理论陈述与应用分析之间的巨大鸿沟.科学与工程领域的工程师们在著书描述这些数值方法的时候，往往只关心如何在他们各自领域的应用，致使读者对数值方法基本原理的理解产生困难，妨碍他们对在其他领域应用的认知.另一方面，数学工作者撰写此类书时，只着重于理论分析而忽视应用方面的细节.比如，边界条件的处理、迭代法、软件的实施等细节往往被忽视.本书着力于以简短易懂的语言和方法介绍基本的计算方法，并兼顾应用.

由于科学与工程计算方法的前沿发展迅速，与第一版相比，本书的目标之一就是引领学生尽快进入本学科的前沿，因此本书在内容的广度和深度上有所取舍.有些传统的知识点在本书中不会特别详细的介绍，比如两点边值问题的数值解法、高维问题的数值解法等.纵观全书，本书将数值方法（差分法和有限元方法）的基本思想和数学软件联系在一起.通过对各种方法从理论上和实践上进行完整的描述，让读者更容易获取知识，进而帮助他们开发自己的应用程序或发展新的理论，也帮助从未接触过数值分析和编程的读者熟悉和掌握数值算法的分析技巧和相关编程技术.

基于目前本书受众以及北京理工大学学习本课程学生的实际情况反馈，本书的读者只需学过微积分和线性代数的知识即可.同时，在这些年的教学过程中，大部分同学一提到数学课程就头疼，一个字——“难”.所以本书再版的宗旨就是让读者有兴趣、有能力去阅读数学，让“高大上”的数学远离，让朴素有用的数学回归.本书会预留一些容易推导的细节给读者，鼓励读者补充那些被编者“遗忘的”（甚至“不会的”）细节作为课后习题.课后练习不是以往的“例行公事”或者“俗套化”的求解问题，而是要帮助读者理解概念和熟悉方法，循序渐进地诱导读者深入到数值方法的本质中去.

第二版增加的章节有：第1章、第2章、3.4节、4.1节、6.3节、7.5节、9.2节等，同时，删除了第一版的第8章统计计算以及部分方法，其他变化相对较小的内容在这里不一一表述了.章节增加的主要原因有如下几点：

①基于学生的真实需求.比如第1章、第2章、6.3节的内容等，这些内容在硕士研究生的数值分析课程中基本不会涉及.在多年的一线教学中，经常遇到学生问到这些方面的知识，所以本次编写将它们增加进来，但只是简单介绍，旨在让读者初步地了解与以前课程所学知识的区别和联系.

②源于课程生源结构的变化，由原来的机械与机电专业而扩展到所有理工科专业，于是在第3章的偏微分方程的数学建模中增加了许多工业、工程和经济方面的偏微分模型，也即增加了3.4节.

③加深读者对难点知识的理解.有些比较难懂抽象的知识点，学生总是知其然不知所以然.比如有限元方法，为了让读者更加易于理解，增加了9.2节和9.4.2节等，目的是为了解释为什么要这样考虑，或者为什么要继续下一步.

④尽量接近本学科的前沿.多重网格方法是最近20年迭代求解最重要的方法，于是增加了7.5节.差分格式的修正和创新离不开对原有差分格式的理论分析，因此数值色散关系是必不可少的工具，于是在讲授完抛物方程和双曲方程后，增加了此方面的内容，即6.3节.

除了正文的内容的增减外，课后习题也全部更换.编者参考了众多国外的文献后，重新编写了全书的所有习题.这些习题有助于读者深入理解，不再是例行公事般求解一个孤单的问题.此外，还应注意如下两点：①很多学生在学习本课程之前，没有接触过任何偏微分方程和数学软件的课程，所以对方程的解一无所知.为了增加同学们的感性与理性认识，于是就有了如第1章的习题6类型的习题；②有些习题的内容因课时所限，无法讲授，故安排在习题中，通过分步提示来帮助解决问题，让学生逐渐了解这些知识，比如，第3章习题9、习题10和第4章习题9等.习题是宝库，花费了编者大量的精力，值得读者去开采.

本书共分9章，由北京理工大学熊春光老师和中国人民武装警察部队学院李育安老师合作编写，各章内容如下：

第1章和第2章讲述常微分方程的数值求解，分别介绍刚性问题和两点边值问题的数值求解方法，它们是先行课程涉及偏少或者几乎不讲述的内容，但非常有用.第1章两点边值问题的求解，简短地介绍了几种方法，有些方法可以认为是后面内容偏微分方程数值方法的特例，相当于偏微分方程数值方法的预热过程.第2章刚性问题的数值方法，简单罗列了隐式RungKuta法和广义向后差分法，是求解刚性问题的主要方法.

第3章基于大部分同学没有学习偏微分方程课程，讲述偏微分方程的起源，如何由实际问题导出经典方程，然后讲述偏微分方程的基本理论.为了让各专业的学生了解偏微分方程在他们各自专业中的应用，最后再讲述工业与工程中出现的各种偏微分方程.

第4章到第7章，是本书的核心之一，主要讲述四大类的偏微分方程（抛物方程、双曲方程、对流扩散方程和椭圆方程）最主要的数值求解方法——差分方法.介绍各种差分格式是如何精巧的构造出来的，各种方法的性质和特点以及如何在实践中应用.

第8章和第9章讲述有限元方法.第8章的变分法为第9章的有限元方法做准备工作，是必不可少的一章，有助于学生理解为什么要这样“做”有限元.第8章主要讲述变分法的基本概念、相关的近似计算方法以及它们的缺点.第9章介绍有限元方法的基本思想和几类特殊的有限元（线性有限元、双线性有限元以及二次有限元），最后介绍有限元方法的收敛性.

全书各章内容相互独立，因此授课老师可以根据课时长短选取教学内容.使用本教材的课时建议（52~56学时）：第1章（3学时）、第2章（2学时）、第3章（5学时）、第4章（8~10学时）、第5章（10学时）、第6章（6学时）、第7章（6学时）、第8章（4学时）、第9章（8~10学时）.

本书的再版编写历时两年，期间得到了北京理工大学研究生院和数学学院的大力支持，在此表示衷心感谢.特别地，编者要深深地感谢第一版的读者们，他们纠正了很多错误并提出了非常宝贵的意见，特别是哈尔滨工程大学的沈艳老师.另外，感谢李志荣重新调试了全书新增的程序.最后，感谢清华大学出版社责任编辑的辛勤工作.

限于编者水平，书中定有不少错误，敬请读者指正.希望读者在使用本书时能反馈宝贵意见，不胜感激.

编者2015年6月

本书是“科学与工程计算方法”课程的配套教材，介绍了科学与工程计算中最常用和最基本的数值计算方法. 本书内容充实，重点突出，强调方法的构造与应用； 推导过程既重视理论分析，又避免过多的理论证明； 对每种方法都在计算机上编程实现，并给出真解、数值解和误差的曲面图，让读者有直观的感受.全书共9章，分别是： 两点边值问题的数值解法、刚性方程组的数值解法、偏微分方程的一般概念、抛物方程的差分格式、双曲方程的差分格式、对流扩散方程的差分格式，椭圆方程的差分格式、变分问题的近似计算方程、有限元方法. 本书适合非数学专业的工科研究生或者计算数学专业高年级本科生学习使用。

应急科学与工程学科是基于STEM教育理念、科技哲学中几类部门哲学以及应急管理成为显学的现实基础发展而来，目前应急科学与工程学科知识体系及分支学科方向, 包括应急科学、应急技术、应急工程、应急产业及应急管理等五个分支。

应急科学与工程学科的研究对象是突发事件，应急科学与工程学科主要采用科学、技术、工程、产业及管理等措施研究突发事件发生之前、之中及之后整个周期过程的全方位、系统性防范与应对的规律、策略。应急科学与工程学科的研究目的主要是采用科学、技术、工程、产业及管理措施如何防范与应对突发事件。

1、应急科学

应急科学主要采用科学措施研究突发事件发生之前、之中及之后整个周期过程的全方位、系统性防范与应对的规律、策略。应急科学包括两个方面内容，即应急科学学及应急科学基础理论方法。应急科学学主要研究应急科学基本发展规律，包括应急科学相关的研究范畴、术语、准则、分类、分级、模型、机理等，以及应急科学过程论、应急科学主体论、应急科学认识论、应急科学本体论、应急科学方法论、应急科学实践论等。应急科学基础理论方法包括应急物理、应急化学、应急测绘、应急地质、应急生物、应急机械、应急材料等。应急科学主要从应急基础理论与基础实验两个方面开展学科体系建设，应急基础理论包括应急科学学和应急基础自然科学两个方面内容，应急基础实验包括从物理、化学、生物、机械、材料等多个学科层面形成的交叉方向，针对应急问题开展一系列的实验探索工作。

2、应急技术

应急技术主要采用技术措施研究突发事件发生之前、之中及之后整个周期过程的全方位、系统性防范与应对的规律、策略。应急技术主要源于应急涉及到具体行业或领域设计，应急技术主要是包括不同行业或领域的实战技能，分为基础技能、通用技能及专业技能类型，从而形成面向实践的应急技能体系。其中，基础技能包括基础体能训练技术、攀岩绳索等技能；通用技能包括基本搜索营救技术、救援装备操作维护技术、基本监测监控技术、安防预警技术、视频监控技术、舆情监控技术等；专业技能主要是不同行业或领域涉及到的不同救援技能，如针对山地救援的专业救援技术、针对汽车救援的破拆营救技术、针对建筑物倒塌救援的搜救技术、应急技术试验设计等。

3、应急工程

应急工程主要采用工程措施研究突发事件发生之前、之中及之后整个周期过程的全方位、系统性防范与应对的规律、策略。应急工程主要考虑从工程设计、施工、投入运营及工程报废整个周期过程进行课程设计。包括应急工程基本管理与方法、应急工程理论与实务、应急工程设计理论与实务、应急工程施工方法、应急工程运营实务、应急工程案例分析、应急工程经济学、应急工程可靠性、应急工程试验设计等

4、应急产业

应急产业主要采用产业措施研究突发事件发生之前、之中及之后整个周期过程的全方位、系统性防范与应对的规律、策略。应急产业主要针对应急救援装备研发与实际对接角度开展课程设计。目前我国在应急装备方面存在很多认识盲区，开展此类课程设计现实价值重大。主要包括应急机械设计理论与方法、应急材料原理、应急材料理论与方法、应急机械加工理论与实务、应急装备操作与维护、应急产品工艺学、应急产业理论与方法、应急产业政策、应急市场营销等。

5、应急管理

应急管理主要采用管理措施研究突发事件发生之前、之中及之后整个周期过程的全方位、系统性防范与应对的规律、策略。应急管理包括政府、企业和社会三个层面。

关于政府、企业两个层面的应急管理内容，即政府层面包括政府应急管理者基本素质培养、西方应急管理概论、应急预案编制与实施、应急演习设计与实施、家庭及社区管理、应急救援组织与管理、避险场所规划与管理、应急指挥与决策、应急资源管理、应急信息与沟通、应急法律法规基本知识、应急管理案例分析、工业安全技术概论、事故处置基本流程等。企业层面包括企业应急管理者基本素质培养、企业应急管理概论、企业应急预案编制与实战、企业应急演习设计与实战、企业安全社区建设实务、企业安全文化建设实务、应急搜救理论与技术、灾难避险与逃生自救技能、应急救援装备使用技能及方法、应急医疗救援技能及方法、灾民安置技能及方法、 企业突发事故现场应急处置技能、企业突发事故应急指挥与决策、企业应急资源管理、企业应急信息与沟通、企业应急心理干预、应急法律法规基本知识、企业应急管理案例分析、工业安全技术、事故处置技术等。社会层面主要针对民间救援组织和公众而言，其主要综合考虑应急志愿者及第一响应人角度来设计的，具体包括应急志愿者基本素质素养、应急志愿者管理概论、应急管理概论、应急预案编制与实施、应急演习设计与实施、家庭及社区管理、民间救援组织与管理、、避险场所规划与管理、民间救援组织指挥与决策、应急资源管理、应急信息与沟通、应急法律法规基本知识、应急管理案例分析、工业安全技术概论、事故处置基本流程、非营利组织管理概论、公益组织基本理论与实务、灾难逃生自救技能、应急搜索与救援理论与实务、灾难心理学等。