工程數學

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王宜達
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具体描述

  本書編譯自 Dennis G. Zill、Warren S. Wright 和 Jian-Jiun Ding 所編著之 Engineering Mathematics 一書。本書在各章章首添加系統架構圖,使學生對每章的內容有系統性的概念。
 
  本書著重以下幾點:
 
  系統性地總結重要的公式和性質。
  盡可能以清晰的方式呈現概念,使學生更容易了解。
 
  本書共由五部分組成:
 
  第一部分 ( 第 1~4 章 ) 是關於解微分方程式。此部分探討如何求解一階 ( 第 2 章 )、高階 ( 第 3 和 4 章 )、線性和非線性微分方程式及其在物理和工程中的應用 ( 第 2 和 3 章 )。
 
  第二部分 ( 第 5 章 ) 是拉普拉斯轉換。它在線性系統分析和解微分方程式中扮演著重要的角色,並且廣泛的應用於工程領域方面。
 
  第三部分 ( 第 6~9 章 ) 是關於向量和矩陣分析。此部分介紹了向量的基本概念 ( 第 6 章 )、向量計算 ( 第 7 章 ) 和矩陣 ( 第 8 章 ),描述正交特性和矩陣的特徵向量和特徵值 ( 第 9 章 );並且說明了在幾何、物理和工程上的應用 ( 第 6~9 章 )。
 
  第四部分 ( 第 10 章 ) 是關於傅立葉分析,這是工程中最重要的數學工具之一。此部分介紹了傅立葉級數、傅立葉轉換。
 
  第五部分 ( 第 11~13 章 ) 是關於求解偏微分方程式,方法上包括分離變數法 ( 第 11 和 12 章 ) 和積分轉換法 ( 第 13 章 )。
史海沉浮:一部跨越千年的文明回响 引言: 本书并非聚焦于抽象的数学模型或精确的计算技巧,而是以一种宏大而细腻的笔触,勾勒出人类文明在不同历史阶段中,那些塑造了我们今日世界的关键转折点、思想交锋与技术革新。我们试图穿透时间的迷雾,探寻那些被历史洪流裹挟的个体命运,以及在时代风暴中孕育出的、具有深远影响力的文化、艺术与社会结构。 第一部:青铜的低语与文字的黎明 (公元前 3000 年 – 公元前 500 年) 本部分将读者带回人类历史的曙光,聚焦于美索不达米亚的苏美尔城邦、尼罗河畔的古埃及法老王朝以及早期中华文明的雏形。我们不再关注标准的历史编年,而是深入考察特定社会形态下的知识体系与信仰结构。 文明的基石与早期治理: 详细描绘了早期城邦如何在资源稀缺的环境下,发展出复杂的灌溉系统和基于神权与王权的治理结构。重点分析了泥板文书和莎草纸上的记录,这些记录不仅是行政命令,更是早期对自然现象的朴素观察与秩序构建的尝试。例如,美索不达米亚天文学的兴起,并非纯粹的科学追求,而是与祭祀周期、农时预报紧密结合的实用需求。 文字的革命与社会分化: 探讨了象形文字向表音文字过渡的过程,以及这一转变对知识传播效率的巨大影响。文字的普及与掌握,如何在社会中催生了最初的“知识精英”阶层,他们掌握着记录、法律和宗教解释权,从而固化了社会等级。古埃及的“生命之书”及其复杂的来世观念,被视为一种试图在不确定的世界中建立精神秩序的努力。 早期的伦理与契约精神: 以《汉谟拉比法典》为例,剖析了早期社会如何试图通过成文法典来规范人际关系,即使这些规范充满了阶级差异。同时,也简要提及早期东方哲学(如周易的卦象体系)中,对宇宙运行规律与人类行为之间关系的初步探索,这是一种不同于西方线性思维的、强调循环与对立统一的宇宙观。 第二部:古典的辉煌与思想的熔炉 (公元前 500 年 – 公元 476 年) 本章将焦点投向地中海世界与东方的轴心时代,这是一个思想爆炸、帝国兴衰交替的时代。 希腊的理性之光与城邦的张力: 深入探讨了雅典民主的运作机制及其内在的脆弱性。对苏格拉底、柏拉图和亚里士多德的哲学思想,我们不作概念性的阐述,而是将其置于城邦政治衰落的背景下。例如,柏拉图的“理想国”正是对雅典直接民主实践失控的一种深刻反思与回应。同时,分析了希腊戏剧——悲剧与喜剧——如何成为公民参与公共议程、审视自身道德困境的独特场所。 帝国的边界与多元文化的融合: 亚历山大大帝的东征,并非简单的军事胜利,而是东西方文化交流的催化剂。本书描述了亚历山大城图书馆的兴衰,它象征着古典知识的集大成,以及在埃及、波斯、希腊文化交汇处产生的学术张力与创新。罗马的法律体系,特别是其对“自然法”概念的构建,被视为一种超越地域限制、试图建立普适性秩序的政治哲学尝试。 东方秩序的稳固与挑战: 在中国,秦汉帝国如何通过中央集权和郡县制,成功地将广袤的土地整合为一个统一的文化实体。对儒家思想的分析,侧重于其对社会角色的严格定义(如“君君臣臣父父子子”)如何有效地维持了长期的社会稳定,但也限制了个体自由的探索空间。佛教的传入与本土化过程,则展示了外来思想在面对既有强大文化体系时,如何通过适应性改造来实现传播。 第三部:信仰的扩张与知识的保存 (公元 476 年 – 公元 1450 年) 中世纪的“黑暗时代”常常被误解为知识的停滞,本部分旨在揭示这一时期内在的活力与知识的延续性。 基督教世界的精神地图: 重点考察了修道院在保存古典文献中的关键作用,以及中世纪神学(如托马斯·阿奎那的调和工作)如何尝试将亚里士多德的理性哲学与基督教教义进行整合,这本身就是一场宏大的智力工程。拜占庭帝国作为古典遗产的守护者,其法典的编纂对后世欧洲法律思想产生了间接影响。 伊斯兰黄金时代的学术飞跃: 详细介绍了从巴格达到科尔多瓦的知识中心。阿拉伯学者们不仅翻译和保存了大量希腊和印度文献,更在医学、光学和代数领域取得了实质性突破。本书强调,这些进步并非孤立的,而是建立在与波斯、印度文化深入交流的基础之上。他们对实验方法论的萌芽性探索,为后来的科学革命埋下了伏笔。 东方帝国的技术与商业网络: 聚焦于宋代的经济革命——包括活字印刷术的出现、指南针的广泛应用和纸币的发行。这些技术进步极大地改变了社会结构和信息流通的速度,极大地推动了商业活动和城市化进程。同时,也分析了丝绸之路沿线不同文明间贸易、疾病和观念的复杂互动关系。 第四部:变革的序曲与世界的重塑 (公元 1450 年 – 公元 1789 年) 本书的最后部分,探讨了从文艺复兴到启蒙运动期间,人类对自身、对自然界认识发生的根本性转变。 人文主义的觉醒与个体价值的回归: 探讨了文艺复兴时期,艺术家和学者如何从对来世的关注转向对现世成就和人类潜能的赞美。达·芬奇的手稿、米开朗基罗的雕塑,被视为人类重新发现自身价值的视觉宣言。印刷术的普及,打破了教会对知识的垄断,使得新思想得以迅速传播,加速了宗教改革的进程。 地理大发现与世界观的剧变: 哥伦布、麦哲伦的航行,不仅仅是地理上的扩展,更是对传统欧亚中心论的彻底颠覆。本书关注这次大发现对全球经济体系(如白银的流动)和生态环境(物种的交换)造成的连锁反应,以及由此引发的殖民主义伦理困境。 科学革命的诞生与理性之巅: 重点分析了哥白尼、伽利略、牛顿等人的工作如何从根本上改变了人们对宇宙的认知,将世界从一个充满神秘目的的有机体,转变为一个可以被数学规律精确描述的机械系统。这种新世界观的建立,为后续的启蒙运动提供了方法论基础。 启蒙运动与政治哲学的交锋: 卢梭、洛克、孟德斯鸠的思想如何批判绝对君主制,提出社会契约、天赋人权和三权分立等概念。这些思想并非凭空出现,而是对前代科学理性主义、古希腊城邦经验以及文艺复兴时期个体解放思潮的系统性整合,为即将到来的革命浪潮做了深刻的理论准备。 结语: 本书旨在提供一个多维度的历史视角,去理解人类文明是如何通过反复的试验、冲突、保存与超越,逐步构建起我们今日所共享的知识、制度和文化景观。它强调的是思想的流动性、知识的复杂性及其与具体社会环境的深刻关联。

著者信息

图书目录

1 簡介
2 一階常微分方程式
3 高階常微分方程式
4 線性微分方程式級數解
5 拉普拉斯轉換
6 向量
7 向量微積分
8 矩陣
9 矩陣應用
10 正交函數、傅立葉級數與傅立葉轉換
11 直角座標系統的邊界值問題
12 各座標系中的邊界值問題
13 積分轉換方法
附錄 I 伽瑪函數
附錄 II 拉普拉斯轉換
附錄 III 微分公式
附錄 IV 積分公式表
習題解答
中英文索引

图书序言

图书试读

用户评价

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我對這本《工程數學》最讚賞的一點,或許是它在處理偏微分方程式(PDEs)時的細膩度。在我們學校的課程安排中,PDE通常是放在最後面,而且常常因為時間不夠而草草帶過,搞得大家對熱傳導、波動方程式這些基礎的物理定律,只停留在背公式的階段。但這本書很不一樣,它花了好大的篇幅,非常耐心地從一維的熱傳導問題開始,用分離變數法逐步推導出傅立葉級數和傅立葉積分的必要性。我記得它解釋傅立葉展開時,特別強調了週期性函式的「重建」過程,這讓我突然明白了為什麼我們在處理信號分析時,可以把一個複雜的波形拆解成一堆簡單的正弦波。而且,它沒有只停留在理論推導,書中提供了許多與實際工程應用緊密相關的範例,像是橋樑的振動分析、流體中的熱量分佈模擬等,這些案例讓我們這些準工程師能更清晰地意識到,我們正在學的不是純數學,而是解決真實世界問題的工具箱。如果說這本書有什麼需要改進的地方,大概就是排版上可以再更現代一點,畢竟現在的學生習慣了大量的彩色圖表和互動式介面,這種傳統的黑白印刷,對於某些視覺學習者來說,可能需要多一點專注力才能吸收。

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坦白說,這本《工程數學》對我這種數學底子比較薄弱的同學來說,初期閱讀的門檻確實不低。雖然前面說了編排很「務實」,但畢竟是工程數學,基礎的分析能力還是得夠硬。我印象最深的是在看關於向量空間與矩陣分解的部分,作者試圖用圖解的方式來解釋高維度的概念,這一點我很欣賞,畢竟光是想像四維以上的空間就已經是個挑戰了。不過,即便有圖輔助,一開始還是常常在做矩陣乘法的時候搞混順序,或是對特徵值、特徵向量的物理意義感到迷惘。那段時間我幾乎天天泡在圖書館,把課堂上老師強調的那些「重點觀念」和書上的範例題目來回對照著看。這本書的優點是,它附帶的習題難度分佈還蠻廣的,從基礎計算到需要綜合運用好幾個章節概念的綜合題都有。我記得有一道題目是關於振動系統的模態分析,我花了整整一個下午才解出來,過程中還跑去問了好幾次助教,最後發現自己少了一個很關鍵的初始條件設定。這本書不會刻意把簡單的題目寫得很複雜,也不會把複雜的題目弄得過於簡化,它給的梯度非常自然,但前提是,你得真的肯花時間去「磨」。對於那些想衝高分的同學來說,光看懂定義是不夠的,每一個例題背後的邏輯鏈條都必須要能清晰地重現才行,否則到了考試現場,面對變化後的題目,馬上就會卡住。

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這本《工程數學》,說真的,我當初拿到這本書的時候,心裡是既期待又有點怕怕的。畢竟,數學這東西,對我們理工科的學生來說,就像是過年要包紅包一樣,是必需品,但有時候又會讓人傷透腦筋。我記得我那時候修微積分跟線性代數都還算過得去,但只要一碰到像傅立葉轉換、拉普拉斯變換這種比較「進階」的東西,腦袋就開始自動關機。這本書的編排方式還蠻有意思的,它不像有些教科書一樣,一開始就給你一堆密密麻麻的公式和定理,讓你看了就想打瞌睡。它比較像是用一種比較「實務」的角度切入,會先跟你講這個數學工具在工程上到底能用來解決什麼問題,然後再帶你一步一步拆解背後的原理。我個人特別喜歡它在講解ODE(常微分方程式)那幾章的處理方式,它沒有直接丟給你一大堆解法公式,而是從物理現象的建模開始講起,像是彈簧的振動、RLC電路的電流分析等等,這樣一來,你就不會覺得那些方程式只是空泛的符號組合,而是真真切切地跟我們日常會碰到的物理現象連結在一起。我記得有一次為了準備期中考,把書上那個關於邊界值問題的章節啃了兩遍,雖然過程很痛苦,但當最後真的能自己把一個實際的結構受力分析圖畫出來,並用書上的方法解出那個應力分佈時,那種成就感真的是難以言喻,感覺自己好像真的摸到了一點工程的門道。

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說實話,這本《工程數學》對於想跨領域發展的讀者來說,簡直是一把萬能鑰匙。我大學畢業後,進入了一家跟自動化控制比較相關的新創公司工作,一開始面對的軟體和演算法都涉及到大量的狀態空間模型和卡爾曼濾波(Kalman Filter)。坦白講,剛出社會時,對於這些東西的數學基礎是相當模糊的,很多時候只能依賴現成的程式庫,知其然而不知其所以然。後來我重拾這本書,專門去啃了關於隨機過程和最小平方法那一塊,才真正理解為什麼卡爾曼濾波的遞迴關係能有效地降低估計誤差。書中對樂格朗日方程式(Lagrange's Equations)的闡述,雖然主要放在經典力學的脈絡下,但其變分原理的思想,在現代最佳化控制理論中也是無所不在。這本書的價值在於,它建立了一個非常堅實的數學基礎,這個基礎足夠支撐我們在面對更高階的工程學科時,不會因為數學工具的不足而感到挫敗。它教會的不是「解題」,而是「建模思維」。如果你只是想應付考試,可能讀一半就夠了,但如果你想在未來的專業領域走得更深、更遠,這本書的後半部絕對值得你花時間去精讀,它會是你職涯中很穩固的後盾。

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個人覺得,這本《工程數學》的作者在處理「數值方法」這一部分的平衡感拿捏得相當到位。在傳統的工程數學教材中,數值方法常常被視為輔助章節,重點放在解析解的推導上。但這本書很不一樣,它很早就引入了數值近似的概念,這對於我們現在這個高度依賴電腦模擬的時代來說,實在是太及時雨了。舉例來說,在介紹線性方程組的求解時,它不僅僅講解了高斯消去法,還花了不少篇幅討論了矩陣的條件數和迭代法的收斂性問題。這就讓讀者意識到,在實際操作中,解析解可能根本不存在,或者計算成本過高,這時候數值穩定性和效率就變得至關重要。我記得在實習的時候,我們需要對一個複雜的流場進行壓力計算,由於網格劃分導致矩陣非常稀疏,傳統的直接求解法跑不動,最後還是靠著書中提到的共軛梯度法(Conjugate Gradient Method)找到了突破口。這本書沒有把數值方法當作是另一門獨立的課程來處理,而是將其無縫整合到微分方程、矩陣運算等內容中,使得整個工程數學的知識體系顯得更加完整和具備實用性。對於想往計算科學或數值模擬領域發展的學生,這本書無疑是提供了最好的啟蒙路徑。

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