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XuetangX

数值分析

Yangzhou University via XuetangX

Overview

数值分析课程主要介绍适用于在计算机上进行数值计算的方法和理论,对各种常见数学问题的计算方法都做了较详细的介绍,内容包括误差分析、非线性方程组求根、解线性方程组的直接法和迭代法、插值法、曲线拟合和函数逼近、数值微分和数值积分和常微分方程初值问题的数值解法等。该课程同时也对各种计算方法的设计、分析、计算效率和实现难度等作了适当的讨论,并融入了课程思政元素。 该课程的校内讲授时间为3个学分,48个课时,适用于数学各专业本科生(如数学与应用数学、信息与计算科学和统计学等)和理工科各专业研究生(如物理学、化学、机械工程、信息工程、土木工程、电气工程、建筑工程和水利科学等)。课程以大单元教学思想统领各章节,在有机融合丰富课程思政元素以及数值建模案例的基础,较多地采用对比的方式突出不同数值方法的优劣。

该课程具有四大特色:

(1)课程与数学建模有机融合:数学是一切科学技术的基础,而数值分析课程恰恰切合了培养和提高大学生应用数学能力的需要,使学生能够通过计算机并运用相关的数值计算方法知识,去解决科学和工程中的具体问题,为今后从事相关工作做好理论知识的储备。

(2)课程设计采用大单元教学设计思想:课程绪论处采用思维导图的方式概述了全课程的知识点,并且章节的开始概述了本章的结构和内容,以及各知识点之间的相互逻辑关系,思路清晰,便于学生理解。同时课程例题丰富、方法对比使用特征明显、习题难度层次分明,从而有助于强化学生对知识点的理解与应用。

(3)课程具有较强育人功能:数值分析课程本身是理论与实践的统一,蕴涵了丰富的课程思政元素,具有极好的育人功能,可以激发大学生的求知欲,培养大学生的家国情怀,增强民族自豪感。

(4)课程建设底蕴深厚:我校自上世纪50年代开设数学学科以来,老一代师范人就自学、翻译国外教材,开设了数值分析(原课程名为计算方法)课程。2002年开始对数值分析推行双语教学改革,先后由袁东锦老师编写了《数值分析英文版》(2005年,东南大学出版社)和《计算方法--数值分析》教材(2007年,南京师范大学出版社),并多次修订和再版。 先后为我校数学科学学院本科生以及理工科各专业研究生开设了该课程,培养了一批从事计算数学方向研究和教学的高层次人才。 近5年来,课程负责人和团队成员主讲本课程共计6轮,完成了校级重点建设全英文教材《Numerical Analysis》并与科学出版社签订出版合同(2022年底出版),主持江苏省教学改革重中之重课题1项(2022年),主持校级“课程思政”教学示范课程《数值分析》(2020年),获批立项了校级研究生精品课程《数值分析》(2021年),校级研究生精品教材(2022),同时课程配套的中文版本《数值分析》教材于2021年与科学出版社签订出版意向书,计划2023年底出版;团队成员王楠老师的《箭过留痕-曲线拟合初探》获得扬州大学微课教学二等奖(2022)。


Syllabus

  • 第1章 引论
    • 1.1 误差的来源及定义
    • 1.2 有效数字及数据误差对函数值的影响
    • 1.3 机器数系
    • 1.4 数值稳定问题
    • 1.5 避免误差危害及减少运算次数
  • 第2章 非线性方程组求根
    • 2.1 二分法
    • 2.2 迭代法的一般原理(一)
    • 2.3 迭代法的一般原理(二)
    • 2.4 牛顿迭代法(一)
    • 2.5 牛顿迭代法(二)
    • 2.6 迭代法的收敛速度
    • 2.7 迭代过程的加速
  • 第3章 解线性方程组的直接解法
    • 3.1 Gauss消去法(一)
    • 3.2 Gauss消去法(二)
    • 3.3 列主元消去法
    • 3.4 Doolittle分解法
    • 3.5 平方根法
    • 3.6 追赶法
  • 第4章 解线性方程组的迭代法
    • 4.1 向量范数
    • 4.2 矩阵范数
    • 4.3 Jacobi迭代法
    • 4.4 Gauss-Seidel迭代法
    • 4.5 SOR迭代法
    • 4.6 迭代法收敛性
    • 4.7 方程组的误差分析
  • 第5章 插值法
    • 5.1 插值多项式基本介绍
    • 5.2 拉格朗日插值多项式
    • 5.3 牛顿插值多项式
    • 5.4 分段线性插值
    • 5.5 埃尔米特插值
    • 5.6 样条插值概念
    • 5.7 样条插值求法
  • 第6章 曲线拟合和函数逼近
    • 6.1 最小二乘法
    • 6.2 曲线拟合的最小二乘法
    • 6.3 函数的最佳平方逼近
  • 第7章 数值微分和数值积分
    • 7.1 数值微分
    • 7.2 数值积分基本思想和代数精度
    • 7.3 插值型求积公式
    • 7.4 牛顿-科特斯公式
    • 7.5 常见的牛顿-科特斯公式(一)
    • 7.6 常见的牛顿-科特斯公式(二)
    • 7.7 复化求积公式(一)
    • 7.8 复化求积公式(二)
    • 7.9 递推化的梯形公式
    • 7.10 龙贝格求积公式
  • 第8章 常微分方程初值问题的数值解法
    • 8.1 常微分方程数值解法概述
    • 8.2 Euler公式
    • 8.3 梯形公式与改进Euler公式
    • 8.4 Runge-Kutta方法(一)
    • 8.5 Runge-Kutta方法(二)
    • 8.6 单步方法的收敛性
    • 8.7 单步方法的稳定性
  • 期末考试
    • 期末考试

Taught by

Lai Zhang, Jianfei Huang, Qiang Li, Nan Wang, and Zhi Ling

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