二十多年前,著名数学家石钟慈院士曾指出当今科学活动包括三大类方法:实验、理论推导和科学计算。实验方法出现最早,代表性的科学家包括伽利略等。实验结果积累再抽象之后就形成了理论,理论推导逐渐发展起来,代表性的科学家主要有牛顿等。上世纪,冯·诺依曼发明电子计算机,从此,科学计算越发成为解决问题的重要方法。
实际上,早在中国古代,计算由于其实用性就是数学的主要研究领域,取得了许重要成果,如:《周髀算经》,《九章算术》等,也出现了一批了不起的算术大家,如:祖冲之、刘辉、秦九韶等。早期科学计算应用于科学发现的一个著名案例就是1845年海王星的发现。科学计算提供的轨道预测帮助天文学家观测到了海王星。
随着电子计算机的发展,当代的科学计算应用范围越来越广。著名数学家张平文院士曾经说过,“计算无边界!”现在哪里都可以做计算,不知不觉就是在做计算。同样,著名数学家鄂维南院士也曾经提到,“大数据和人工智能为算法的研究和应用提供了无穷的空间。”
古今中外人类科学事业的发展历程及现状都说明科学计算与实验和理论推导并列,已成为科学研究的三种手段之一。数值分析课程阐述的是科学计算中基本的算法思想和理论,是数学和工科类专业的重要专业核心课程,对培养学生运用数学理论、数值方法和计算机解决实际问题的能力起着至关重要的作用,尤其在大数据和人工智能蓬勃发展的今天,其对新工科教育的作用越来越彰显。数值分析课程是关于如何利用计算机来计算并解决实际问题,主要针对几类基本问题介绍如何设计可以在计算机上实现的算法以及算法背后的数学原理,并探讨这些算法的收敛性、稳定性、误差估计及计算复杂度等。本课程按照知识点重构成四个必修模块:课程引言、数值逼近(含插值法、函数逼近、数值积分与微分)、非线性方程求根、线性代数方程组求解(含直接法和迭代法),以及1个选修模块:矩阵特征值与特征向量计算。按照授课方式可分成:理论授课和数值实验两个模块。每个模块的关键知识点讲授将通过视频在线呈现,各模块内容相对独立,以适合不同受众在不同时空环境下的需求,并引导学生按照不同的主题重构数值分析知识体系,领略数学之美与数值方法之有用。
第一章 .课程引言
第一节.引言
第二节.误差分析
第一单元 单元测试
第二章 .函数逼近:插值法
第一节.插值的定义与插值的存在唯一性
第二节.Lagrange插值多项式
第三节.Lagrange插值余项
第四节.差商及其性质
第五节.Newton插值多项式
第六节.分段线性插值多项式
第二单元测验
第三章 . 函数逼近: 最佳逼近、最小二乘
第一节.函数逼近简介
第二节.内积空间
第三节.函数的最佳平方逼近
第四节.正交多项式:正交化手续
第五节.正交多项式:Legendre 多项式
第六节.函数按正交多项式展开
第七节.曲线拟合的最小二乘法
第八节.离散 Fourier 变换
第九节.快速Fourier变换
第三单元测验
第四章 .函数逼近: 数值积分、数值微分
第一节.数值求积的基本思想与概念
第二节.插值型求积公式
第三节.Newton-Cotes公式
第四节.Romberg算法
第五节.复化求积公式
第六节.Gauss积分公式
第七节.Gauss公式的余项及稳定性
第八节.Gauss-Legendre积分公式
第九节.数值微分
第四章单元测验
第五章 .非线性方程的求解
第一节.根的搜索
第二节.迭代法
第三节.Newton法
第四节.Newton法的局部收敛性
第五节.弦截法
第五章单元测试
第六章 .线性方程组的求解: 直接法
第一节.Gauss消去法
第二节.列主元消去法
第三节.直接三角分解法
第四节.平方根法
第五节.向量和矩阵的范数
第六节.矩阵的条件数
第六章单元测验
第七章 .线性方程组的求解: 迭代法
第一节.迭代法简介
第二节.Jacobi迭代法、Gauss-Seidel迭代
第三节.迭代法收敛性
第四节.超松弛迭代法
第七章单元测试