计算物理手册-Fortran, C, 与MPI pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　本书是专为中原大学物理系的计算物理课程所编写的手册。

　　计算物理课程课程自97 学年度下学期起变更为系上必修课，并增设一门实验课，以加强学生计算的能力。

　　本书内容着重在微分方程的求解与有限差分的应用，并包含Unix 与MPI，以期引导学生在一学期的时间内由Fortran 90/95 程式设计进入至高效能平行计算的领域。

好的，这是一本关于计算物理的综合性手册的简介，重点介绍其涵盖的领域和深度，而不涉及《计算物理手册-Fortran, C, 与MPI》这本书的具体内容。 --- 计算物理方法与前沿应用：一部面向实践的综合指南 在现代科学研究中，计算模拟已成为理论探索、实验设计和数据分析不可或缺的工具。从探索宇宙深处的星系演化到微观尺度的材料性质预测，计算物理提供了一种强大的手段来解决那些传统解析方法难以触及的复杂问题。本书旨在为科研人员、高级本科生和研究生提供一本全面而实用的指南，深入探讨计算物理学的核心原理、经典算法以及当前前沿的应用领域。 核心计算范式的构建：从基础到高级 本书的结构设计旨在系统地引导读者理解和掌握计算物理学的基本框架。我们首先从数值方法的基础出发，详细阐述了处理连续问题离散化的核心思想。这包括对微分方程求解方法的深入探讨，如有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和谱方法。对于偏微分方程（PDEs），我们不仅介绍了如何选择合适的离散化策略，还深入分析了不同方法的收敛性、稳定性和精度问题，这是确保计算结果可靠性的基石。 在线性代数计算方面，本书强调了大规模矩阵运算的实际挑战。从迭代求解器（如共轭梯度法、GMRES）到直接求解器（如LU分解、Cholesky分解），我们详细讨论了它们的适用范围、优化技巧以及在高维问题中的性能表现。特别关注了稀疏矩阵的处理技术，因为在许多物理系统中，矩阵的稀疏性是高效计算的关键。 随机过程与蒙特卡洛方法 随机性在许多物理系统中扮演着核心角色，从统计力学到高能物理模拟。本书对蒙特卡洛（MC）方法进行了详尽的介绍。我们不仅涵盖了标准的基于概率抽样的基本方法，如接受-拒绝法和重要性抽样，还着重讲解了马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法。对于MCMC，本书深入探讨了Metropolis-Hastings算法和Gibbs采样，并提供了在复杂能量景观中高效采样、避免陷入局部最优的先进策略，例如模拟退火（Simulated Annealing）和集合交换蒙特卡洛（Parallel Tempering）。这些技术是解决复杂统计物理问题的有力武器。 分子与材料模拟的深度解析 在微观层面，理解物质的结构和动力学需要精密的模拟技术。本书专门开辟章节探讨了分子动力学（MD）模拟。从牛顿运动方程的积分算法（如Verlet算法及其变体）到处理长时间尺度问题的高效积分器，我们全面覆盖了MD模拟的构建块。在势能函数方面，本书详细讨论了经典力场（如 Lennard-Jones, Coulomb 相互作用）的构建与参数化，以及如何准确地在原子尺度上再现材料的宏观性质。 对于需要考虑电子结构的系统，本书引入了量子化学计算和密度泛函理论（DFT）的基础。虽然不深入到量子力学理论的纯数学推导，但重点在于如何利用现有的DFT软件框架进行实际的计算，包括选择合适的泛函、处理赝势（Pseudopotentials）和基组的选择，以及如何将计算结果与实验数据进行比对和验证。 复杂系统的动力学模拟 当系统规模扩大，需要捕捉从微观到介观尺度的转变时，传统的全原子MD模拟变得不切实际。本书介绍了介观模拟方法，例如格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）在流体动力学中的应用。LBM以其固有的并行性和对复杂边界条件的良好适应性而著称。此外，我们还讨论了相场（Phase-Field）方法，这种连续介质模型在描述材料的微观结构演化，如晶界迁移、合金析出和多孔介质流动等问题中显示出卓越的能力。 数据分析与可视化：从数字到洞察 计算模拟的最终目标是将海量数据转化为可理解的物理洞察。本书强调了数据处理和可视化的重要性。我们涵盖了从基础的误差分析、统计显著性检验到更高级的时间序列分析技术，如傅里叶变换和功率谱密度分析，以便从模拟轨迹中提取动态信息。在可视化方面，本书提供了指导方针，说明如何有效地展示三维结构、动态过程和复杂的统计分布，确保模拟结果能够清晰、准确地传达给同行。 面向高性能计算的思维模式 在解决当前科学前沿问题时，单机计算能力往往不足。本书在各个算法的讨论中，融入了面向并行计算的思维。虽然不侧重于某一特定并行编程模型，但我们讨论了并行化策略的通用原则，例如如何对网格划分、领域分解以及数据依赖性进行分析。理解这些并行化的基本思路，是有效利用现代超级计算机集群解决大规模科学问题的先决条件。 通过对这些关键领域的系统性覆盖，本书致力于培养读者将理论知识转化为可靠、高效的计算解决方案的能力，从而在各自的研究领域内推动科学发现的边界。

1 PuTTY和Cygwin安装与设定 1
2 Linux 网路设定 15
3 Unix基本指令 24
4 Vi编辑器 49
5 Gnuplot绘图 60
6 Fortran基本语法 70
7 Fortran逻辑假设与回圈 96
8 Fortran阵列 110
9 Fortran函数与Scope Rule 122
10 Fortran 子常式 137
11 Fortran 模组 148
12 电脑精确度与舍入误差 161
13 布冯投针(Buffon's Needle) 167
14 数值积分：中点法、梯形法与辛普森法 175
15 数值积分：蒙地卡罗法 180
16 数值积分：蒙地卡罗误差分析 189
17 Newton-Raphson迭代法 192
18 常微分方程：欧拉法与Runge-Kutta法 199
19 偏微分方程：显性有限差分法 208
20 阵列的计算：高斯消去法 216
21 偏微分方程：Crank-Nicolson隐性有限差分法 221
22 数值稳定分析 226
23 椭圆型偏微分方程隐性有限差分法：Liebmann迭代法 231
24 偏微分方程：蒙地卡罗法 235
25 C程式设计 244
26 使用MPI平行程式 302
27 MPI函式与应用 319

评分☆☆☆☆☆

作为一名多年从事理论物理研究的老兵，尽管我早已习惯了纸笔和数学公式，但近年来计算能力在科研中的地位日益凸显，让我不得不重新审视自己的知识体系。《计算物理手册-Fortran, C, 与MPI》这个书名，恰好击中了我的痛点。我虽然对Fortran和C语言有一定程度的了解，但坦白说，它们在现代计算科学中的应用，尤其是在并行计算方面，我的知识是零散且过时的。我迫切需要一本能够系统地梳理这些知识的书籍，帮助我理解如何在高性能计算环境中，利用Fortran和C语言进行高效的数值模拟。我尤其期待书中能够提供关于MPI编程模型的清晰解释，包括进程通信、同步机制以及数据划分等核心概念。我希望它能不仅仅是停留在概念的层面，而是能够给出具体的编程指导，例如如何编写MPI程序，如何管理进程，以及如何实现高效的数据交换。此外，书中是否能包含一些实际的计算物理应用案例，比如进行大规模流体动力学模拟、天体物理计算或者粒子物理模拟，这对我来说将极具参考价值。我希望通过这本书，能够弥补我在计算物理领域的短板，使我能够将我的理论研究与强大的计算工具相结合，从而探索更深层次的物理问题。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在计算领域摸爬滚打了多年的从业者，我深知语言和工具选择对于项目效率的影响。《计算物理手册-Fortran, C, 与MPI》这个名字，立刻引起了我的注意。我一直在关注Fortran和C在现代计算物理中的发展，尤其是当需要处理海量数据和复杂的并行计算任务时，这两种语言的组合往往能发挥出强大的威力。我希望这本书能够提供一些关于如何将Fortran和C语言结合起来进行项目开发的指导，例如如何利用C语言的灵活性和丰富的库，同时又不失Fortran在数值计算方面的传统优势。更重要的是，我非常期待书中能够对MPI的深入讲解。我希望它能够涵盖MPI的各个版本和特性，并提供如何设计高效的并行通信策略的详细说明。书中最好能包含一些实际的案例，展示如何利用MPI来解决一些典型的计算物理问题，例如大规模的数值积分、偏微分方程的求解，或者复杂系统的模拟。我尤其关注书中是否能提供一些关于并行程序调试、性能分析和优化的实用技巧，这些对于保证项目的成功至关重要。如果书中还能涉及一些与高性能计算硬件相关的知识，例如了解不同架构下的并行计算特点，那将是极大的加分项。

评分☆☆☆☆☆

这本书，光听名字就让我在浩瀚的计算领域看到了希望的曙光。《计算物理手册-Fortran, C, 与MPI》——这几个关键词组合在一起，对于我这样一个刚踏入计算物理深水区的研究生来说，简直是救命稻草。我一直以来都对数值模拟和高性能计算抱有浓厚的兴趣，但苦于基础知识不够扎实，尤其是Fortran和C语言的运用，以及如何利用MPI进行并行计算，常常让我感到力不从心。每次看到别人用简洁的代码解决复杂问题，或者在超级计算机上跑出令人惊叹的结果，我内心都充满了羡慕和一丝丝的挫败感。我深知，在现代物理研究中，计算能力的提升几乎等同于科研能力的飞跃。一篇好的论文，往往离不开严谨的数值验证和深入的模拟分析。这本书的出现，仿佛为我指明了一条通往精通计算物理的康庄大道。我期待它能系统地讲解Fortran和C语言在科学计算中的实际应用，提供丰富的案例和实用的技巧，帮助我快速掌握编程技能。更重要的是，MPI并行计算部分，我希望能有深入的讲解，让我理解如何将庞大的计算任务分解，并有效地在多个处理器上协同工作，从而缩短计算时间，挑战更大规模的模拟。这本书的出版，让我看到了理论与实践结合的巨大潜力，也点燃了我对未来科研之路的无限遐想。

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，学习一门新的编程语言，尤其是像Fortran和C这样与科学计算紧密相关的语言，最有效的途径就是通过大量的实践和鲜活的案例。《计算物理手册-Fortran, C, 与MPI》这个书名，立即吸引了我，因为我一直觉得，单纯的语法讲解很难真正打动人心，只有当这些语言被应用到解决真实的物理问题时，它们才焕发出强大的生命力。我尤其关注的是书中是否能够提供清晰、详尽的代码示例，这些示例最好是能够覆盖到一些经典的计算物理问题，例如求解薛定谔方程、模拟分子动力学，或者进行有限元分析等等。我希望这本书能够像一本操作手册一样，带领读者一步一步地构建起解决这些问题的计算框架。从基础的数组操作、循环控制，到更复杂的面向对象编程思想的应用，再到并行计算的策略和优化，每一个环节都至关重要。我期待这本书能够提供一个循序渐进的学习路径，即使是初学者也能从头学起，逐步掌握Fortran和C语言的精髓，并能够自信地运用它们来解决自己感兴趣的物理问题。当然，MPI的部分，我希望能看到如何有效地设计并行算法，以及如何调试和优化并行程序，这对于处理大规模的科学计算任务至关重要。

评分☆☆☆☆☆

我的工作常常需要处理海量的数据，并且对计算速度有着极高的要求，因此，我一直在寻找能够帮助我提升计算效率的工具和方法。《计算物理手册-Fortran, C, 与MPI》这个书名，就像是为我量身定做一样。我希望这本书能够深入探讨Fortran和C语言在高性能计算领域的应用，不仅仅是基础语法，更重要的是它们在科学计算中的特性和优势。我尤其关注书中关于MPI（Message Passing Interface）的部分，因为在处理大规模并行计算时，MPI是必不可少的工具。我希望它能详细介绍MPI的各个方面，从最基本的点对点通信，到更高级的集体通信操作，以及如何有效地划分数据和任务，以实现最佳的并行效率。我期待书中能够提供一些实际的并行算法设计和实现案例，例如如何并行化一个迭代求解器，或者如何并行处理一个大型网格。此外，我希望这本书能包含一些性能优化的技巧和调试策略，这对于解决复杂的并行计算问题至关重要。如果书中还能涉及一些与特定物理问题相关的计算方法，例如谱方法、有限差分法在并行环境下的实现，那将是锦上添花。