計(jì)算物理學(xué)

前言

計(jì)算物理學(xué)是物理學(xué)中實(shí)驗(yàn)物理學(xué)與理論物理學(xué)兩大分支外的第三大分支。它是以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法，對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及分析、對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬的一門新的物理學(xué)分支學(xué)科，是物理學(xué)、數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)三者相結(jié)合的交叉、綜合學(xué)科。計(jì)算物理學(xué)自20世紀(jì)中期誕生以來(lái)，它在研究復(fù)雜物理體系和近代科學(xué)技術(shù)的重大發(fā)明中所顯示出的無(wú)法替代的作用及強(qiáng)大的功能，日益被人們所認(rèn)識(shí)和重視。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的不平凡發(fā)展歷程，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展與復(fù)雜體系研究的不斷深入，計(jì)算物理學(xué)及由此拓展而成的科學(xué)計(jì)算，已發(fā)展成為除了理論與實(shí)驗(yàn)之外的第三種研究手段，它在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用領(lǐng)域研究中的重要性已經(jīng)日益明顯地體現(xiàn)出來(lái)。計(jì)算物理學(xué)作為物理學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，不僅與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)及理論物理學(xué)一起成為現(xiàn)代物理學(xué)的鼎立三足，而且深入現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)物理與理論物理之中，發(fā)揮著從未有過(guò)的獨(dú)特作用。理論物理沒(méi)有計(jì)算物理學(xué)支撐，研究難以深入；而實(shí)驗(yàn)物理不用計(jì)算物理的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也很難甚至無(wú)法從復(fù)雜的測(cè)量結(jié)果中得到有用的物理信息，計(jì)算物理學(xué)已成為現(xiàn)代物理學(xué)的基石。因此當(dāng)代物理工作者，無(wú)論是進(jìn)行理論物理研究，還是從事實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究，都必須掌握計(jì)算物理的概念和方法，具備計(jì)算物理應(yīng)用能力。同樣，計(jì)算物理學(xué)工作者不僅需要具有堅(jiān)實(shí)的理論物理基礎(chǔ)、熟諳實(shí)驗(yàn)物理方法，更重要的是需要掌握計(jì)算方法和應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，解決科學(xué)前沿領(lǐng)域和重大工程技術(shù)中傳統(tǒng)的理論解析方法及目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)無(wú)能為力的問(wèn)題。這種多學(xué)科交叉的復(fù)合型計(jì)算物理人才的教育與培養(yǎng)，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個(gè)方面，特別是我國(guó)高科技事業(yè)發(fā)展的迫切需要和國(guó)防科技事業(yè)的強(qiáng)勁需求，計(jì)算物理學(xué)的教育和計(jì)算物理學(xué)教材建設(shè)也就顯得十分重要了。

內(nèi)容概要

本書詳細(xì)地闡明了作為理論與實(shí)驗(yàn)物理之外的物理學(xué)第三大分支一計(jì)算物理學(xué)的基本概念、研究?jī)?nèi)容與研究方法，從計(jì)算物理學(xué)包含的物理問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬兩個(gè)方面出發(fā)，具體敘述了物理數(shù)據(jù)擬合、插值，物理研究中常微分方程、偏微分方程的數(shù)值計(jì)算及分析研究，物理問(wèn)題的隨機(jī)模擬方法一蒙特卡羅方法和確定性模擬方法一分子動(dòng)力學(xué)方法；而且對(duì)物理研究中常用的方法如傅里葉變換、最優(yōu)化方法包括遺傳算法以及辛算法作了有特色的介紹。書中還給出了相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。本書立足于從物理問(wèn)題出發(fā)，以物理結(jié)論為歸宿，使物理研究遵循的基本規(guī)律從概念、原理、模型、方法到結(jié)論和應(yīng)用得到較完整的體現(xiàn)。作者基于其多年的教學(xué)與研究實(shí)踐，對(duì)書中某些重要的抽象的數(shù)學(xué)方法所蘊(yùn)含的深刻內(nèi)涵作出了獨(dú)特的物理詮釋。    本書內(nèi)容豐富、范圍廣泛、敘述簡(jiǎn)明，適合于高等學(xué)校、研究院所物理類高年級(jí)本科生和研究生用作教學(xué)用書，也可供物理學(xué)科以外其他科技、工程領(lǐng)域的師生及科研工作者參考。

作者簡(jiǎn)介

顧昌鑫復(fù)旦大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。中國(guó)計(jì)算物理學(xué)會(huì)理事、榮譽(yù)理事，上海分會(huì)理事長(zhǎng)。
    畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系。畢業(yè)后留校，先后在物理學(xué)系、光學(xué)系、材料科學(xué)系任教。1983—1985年作為諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧教授CEEC FeUow在美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校(SUNY at Stony Brook)物理學(xué)系合作研究；1989—1991年在美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校與布法羅分校(SUNY atBuffalo)物理學(xué)系作為訪問(wèn)教授從事合作研究。
    長(zhǎng)期從事電子物理和計(jì)算物理教學(xué)及研究工作。早年從事微波電子學(xué)、激光大氣傳輸和通訊等方面的教學(xué)與研究。1970年后開始從事電子光學(xué)CAD研究國(guó)內(nèi)率先開展的電子光學(xué)系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。近年來(lái)從事計(jì)算與模擬物理、計(jì)算材料科學(xué)、近代電子光學(xué)及物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)等方面的研究、教學(xué)工作。專長(zhǎng)于計(jì)算與模擬電子物理學(xué)、電子全息與電子光學(xué)及其CAD和可視性最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的XAFS分析等方面的研究。主持的科研項(xiàng)目“電子光學(xué)CAD和最優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題”獲1986年國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。代表性著作有《電子光學(xué)》和《計(jì)算物理學(xué)》等，  《電子光學(xué)》獲1995年國(guó)家教委第三屆全國(guó)高校優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)和上海市高校優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)，  《計(jì)算物理學(xué)》獲1989年上海市優(yōu)秀圖書二等獎(jiǎng)。

書籍目錄

前言前言(1987年版)第一章　緒論和基礎(chǔ)知識(shí)　§1．1緒論    1．1．1  計(jì)算物理學(xué)的誕生      1．1．2  計(jì)算物理學(xué)的研究對(duì)象、研究范圍、研究方法    §1．2　計(jì)算機(jī)計(jì)算的特點(diǎn)  §1．3  函數(shù)離散化和曲線擬合    1．3．1  多項(xiàng)式插值    1．3．2  曲線擬合(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合)  §1．4　數(shù)值積分    1．4．1　Newton-Cotes型積分公式    1．4．2　Gauss型積分公式    附錄lAI  線性方程組的追趕法求解    附錄lAⅡ  三次$樣條插值    參考文獻(xiàn)第二章　物理問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算與分析(I)——常微分方程的數(shù)值解  §2．1　引言——數(shù)值解的必要性  §2．2　常微分方程初值問(wèn)題的數(shù)值解法    2．2．1　Euler折線法    2．2．2　Runge—Kutta法　……第三章  物理問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算與分析(Ⅱ)——偏微分方程的數(shù)值解第四章  物理問(wèn)題常用算法之一——快速傅里葉變換第五章  物理問(wèn)題常用算法之二——最優(yōu)化方法第六章  物理研究中確定論模擬方法——分子動(dòng)力學(xué)方法第七章  物理問(wèn)題的隨機(jī)模擬方法——蒙特卡羅方法第八章　辛算法基礎(chǔ)與應(yīng)用——薛定諤方程的辛算法

章節(jié)摘錄

插圖：研究體系的復(fù)雜性，就理論物理范疇而言，表現(xiàn)在以下方面的變化和發(fā)展：(1)由單體問(wèn)題轉(zhuǎn)變到多體問(wèn)題；(2)由線性系統(tǒng)發(fā)展到非線性系統(tǒng)；(3)由低維體系到高維體系；(4)由標(biāo)量系統(tǒng)擴(kuò)展到矢量系統(tǒng)；(5)由常微分方程轉(zhuǎn)變到偏微分方程；(6)由低級(jí)微擾轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒?jí)微擾；(7)由理想簡(jiǎn)化模型擴(kuò)展到實(shí)際復(fù)雜模型；(8)由單一物理學(xué)科發(fā)展到綜合學(xué)科(與化學(xué)、生物、醫(yī)藥、工程等相結(jié)合)的研究。體系的復(fù)雜性在實(shí)驗(yàn)物理中則表現(xiàn)如下：(1)研究對(duì)象和范圍的拓廣：從宏觀到微觀，從低速到高速，從穩(wěn)態(tài)到暫態(tài)，從常溫到極溫(低溫、高溫)，從常壓到極壓(低壓、高壓)等；(2)研究手段的極限精度更高，設(shè)備更龐大等。研究體系的復(fù)雜性，涉及十分復(fù)雜的非線性方程組，需要在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，使傳統(tǒng)的解析方法不敷應(yīng)用，甚至無(wú)能為力；通常的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和手段也勉為其難，而借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行研究往往是唯一可能的方法。復(fù)雜性是科學(xué)進(jìn)展的必然結(jié)果，計(jì)算物理學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展也就成了必然趨勢(shì)。計(jì)算物理學(xué)是以計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)為工具和手段，應(yīng)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法，對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值分析與研究、對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究的一門新的學(xué)科，是物理、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用三者結(jié)合的產(chǎn)物。由于計(jì)算物理學(xué)的性質(zhì)、研究方法和它所需的研究設(shè)備等方面與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)物理和理論物理兩大分支有著明顯的差異，從而發(fā)展成為物理學(xué)的新的獨(dú)立分支——物理學(xué)的第三大分支。

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