Spectral Methods for Time-Dependent Problems

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Author: Jan S. Hesthaven,Sigal Gottlieb,David Gottlieb

Publisher: Cambridge University Press

ISBN: 113945952X

Category: Mathematics

Page: N.A

View: 4544

Spectral methods are well-suited to solve problems modeled by time-dependent partial differential equations: they are fast, efficient and accurate and widely used by mathematicians and practitioners. This class-tested 2007 introduction, the first on the subject, is ideal for graduate courses, or self-study. The authors describe the basic theory of spectral methods, allowing the reader to understand the techniques through numerous examples as well as more rigorous developments. They provide a detailed treatment of methods based on Fourier expansions and orthogonal polynomials (including discussions of stability, boundary conditions, filtering, and the extension from the linear to the nonlinear situation). Computational solution techniques for integration in time are dealt with by Runge-Kutta type methods. Several chapters are devoted to material not previously covered in book form, including stability theory for polynomial methods, techniques for problems with discontinuous solutions, round-off errors and the formulation of spectral methods on general grids. These will be especially helpful for practitioners.

Lectures on the Theory of Water Waves

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Author: Thomas J. Bridges,Mark D. Groves,David P. Nicholls

Publisher: Cambridge University Press

ISBN: 1316558940

Category: Science

Page: N.A

View: 689

In the summer of 2014 leading experts in the theory of water waves gathered at the Newton Institute for Mathematical Sciences in Cambridge for four weeks of research interaction. A cross-section of those experts was invited to give introductory-level talks on active topics. This book is a compilation of those talks and illustrates the diversity, intensity, and progress of current research in this area. The key themes that emerge are numerical methods for analysis, stability and simulation of water waves, transform methods, rigorous analysis of model equations, three-dimensionality of water waves, variational principles, shallow water hydrodynamics, the role of deterministic and random bottom topography, and modulation equations. This book is an ideal introduction for PhD students and researchers looking for a research project. It may also be used as a supplementary text for advanced courses in mathematics or fluid dynamics.

An Introductory Guide to Computational Methods for the Solution of Physics Problems

With Emphasis on Spectral Methods

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Author: George Rawitscher,Victo dos Santos Filho,Thiago Carvalho Peixoto

Publisher: Springer

ISBN: 3319427032

Category: Science

Page: 221

View: 861

This monograph presents fundamental aspects of modern spectral and other computational methods, which are not generally taught in traditional courses. It emphasizes concepts as errors, convergence, stability, order and efficiency applied to the solution of physical problems. The spectral methods consist in expanding the function to be calculated into a set of appropriate basis functions (generally orthogonal polynomials) and the respective expansion coefficients are obtained via collocation equations. The main advantage of these methods is that they simultaneously take into account all available information, rather only the information available at a limited number of mesh points. They require more complicated matrix equations than those obtained in finite difference methods. However, the elegance, speed, and accuracy of the spectral methods more than compensates for any such drawbacks. During the course of the monograph, the authors examine the usually rapid convergence of the spectral expansions and the improved accuracy that results when nonequispaced support points are used, in contrast to the equispaced points used in finite difference methods. In particular, they demonstrate the enhanced accuracy obtained in the solutionof integral equations. The monograph includes an informative introduction to old and new computational methods with numerous practical examples, while at the same time pointing out the errors that each of the available algorithms introduces into the specific solution. It is a valuable resource for undergraduate students as an introduction to the field and for graduate students wishing to compare the available computational methods. In addition, the work develops the criteria required for students to select the most suitable method to solve the particular scientific problem that they are confronting.

Partial Differential Equations: Modeling, Analysis and Numerical Approximation

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Author: Hervé Le Dret,Brigitte Lucquin

Publisher: Birkhäuser

ISBN: 3319270672

Category: Mathematics

Page: 395

View: 4305

This book is devoted to the study of partial differential equation problems both from the theoretical and numerical points of view. After presenting modeling aspects, it develops the theoretical analysis of partial differential equation problems for the three main classes of partial differential equations: elliptic, parabolic and hyperbolic. Several numerical approximation methods adapted to each of these examples are analyzed: finite difference, finite element and finite volumes methods, and they are illustrated using numerical simulation results. Although parts of the book are accessible to Bachelor students in mathematics or engineering, it is primarily aimed at Masters students in applied mathematics or computational engineering. The emphasis is on mathematical detail and rigor for the analysis of both continuous and discrete problems.

Finite Elemente

Theorie, schnelle Löser und Anwendungen in der Elastizitätstheorie

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Author: Dietrich Braess

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3662072335

Category: Technology & Engineering

Page: 320

View: 891

Diese völlig überarbeitete Neuauflage bietet dem Leser eine gründliche Einführung in die Methode der Finiten Elemente, welche heute verstärkt zur numerischen Lösung von partiellen Differentialgleichungen eingesetzt werden. Die Theorie wird so weit entwickelt, daß der Leser mit Kenntnissen aus den Grundvorlesungen des Mathematikstudiums auskommt. Dem für die Praxis relevanten Mehrgitterverfahren und der Methode der konjugierten Gradienten wird ein breiter Platz eingeräumt. Ausführlich wird die Strukturmechanik als ein wichtiger und typischer Anwendungsbereich für Finite Elemente behandelt. Da dieser Aspekt in anderen Lehrbüchern kaum Berücksichtigung findet, wurde er in der Neuauflage stark überarbeitet und abgerundet. Als weitere Ergänzung ist vor allem die Diskussion von a posteriori Schätzern zu nennen.

Gewöhnliche Differentialgleichungen

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Author: Vladimir I. Arnold

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3642564801

Category: Mathematics

Page: 344

View: 8314

nen (die fast unverändert in moderne Lehrbücher der Analysis übernommen wurde) ermöglichten ihm nach seinen eigenen Worten, "in einer halben Vier telstunde" die Flächen beliebiger Figuren zu vergleichen. Newton zeigte, daß die Koeffizienten seiner Reihen proportional zu den sukzessiven Ableitungen der Funktion sind, doch ging er darauf nicht weiter ein, da er zu Recht meinte, daß die Rechnungen in der Analysis bequemer auszuführen sind, wenn man nicht mit höheren Ableitungen arbeitet, sondern die ersten Glieder der Reihenentwicklung ausrechnet. Für Newton diente der Zusammenhang zwischen den Koeffizienten der Reihe und den Ableitungen eher dazu, die Ableitungen zu berechnen als die Reihe aufzustellen. Eine von Newtons wichtigsten Leistungen war seine Theorie des Sonnensy stems, die in den "Mathematischen Prinzipien der Naturlehre" ("Principia") ohne Verwendung der mathematischen Analysis dargestellt ist. Allgemein wird angenommen, daß Newton das allgemeine Gravitationsgesetz mit Hilfe seiner Analysis entdeckt habe. Tatsächlich hat Newton (1680) lediglich be wiesen, daß die Bahnkurven in einem Anziehungsfeld Ellipsen sind, wenn die Anziehungskraft invers proportional zum Abstandsquadrat ist: Auf das Ge setz selbst wurde Newton von Hooke (1635-1703) hingewiesen (vgl. § 8) und es scheint, daß es noch von weiteren Forschern vermutet wurde.

Mathematisches Denken

Vom Vergnügen am Umgang mit Zahlen

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Author: T.W. Körner

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3034850018

Category: Science

Page: 719

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Dieses Buch wendet sich zuallererst an intelligente Schüler ab 14 Jahren sowie an Studienanfänger, die sich für Mathematik interessieren und etwas mehr als die Anfangsgründe dieser Wissenschaft kennenlernen möchten. Es gibt inzwischen mehrere Bücher, die eine ähnliche Zielstellung verfolgen. Besonders gern erinnere ich mich an das Werk Vom Einmaleins zum Integral von Colerus, das ich in meiner Kindheit las. Es beginnt mit der folgenden entschiedenen Feststellung: Die Mathematik ist eine Mausefalle. Wer einmal in dieser Falle gefangen sitzt, findet selten den Ausgang, der zurück in seinen vormathematischen Seelenzustand leitet. ([49], S. 7) Einige dieser Bücher sind im Anhang zusammengestellt und kommen tiert. Tatsächlich ist das Unternehmen aber so lohnenswert und die Anzahl der schon vorhandenen Bücher doch so begrenzt, daß ich mich nicht scheue, ihnen ein weiteres hinzuzufügen. An zahlreichen amerikanischen Universitäten gibt es Vorlesungen, die gemeinhin oder auch offiziell als ,,Mathematik für Schöngeister'' firmieren. Dieser Kategorie ist das vorliegende Buch nicht zuzuordnen. Statt dessen soll es sich um eine ,,Mathematik für Mathematiker'' handeln, für Mathema tiker freilich, die noch sehr wenig von der Mathematik verstehen. Weshalb aber sollte nicht der eine oder andere von ihnen eines Tages den Autor dieses 1 Buches durch seine Vorlesungen in Staunen versetzen? Ich hoffe, daß auch meine Mathematikerkollegen Freude an dem Werk haben werden, und ich würde mir wünschen, daß auch andere Leser, bei denen die Wertschätzung für die Mathematik stärker als die Furcht vor ihr ist, Gefallen an ihm finden mögen.

Partielle Differentialgleichungen und numerische Methoden

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Author: Stig Larsson,Vidar Thomee

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3540274227

Category: Mathematics

Page: 272

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Das Buch ist für Studenten der angewandten Mathematik und der Ingenieurwissenschaften auf Vordiplomniveau geeignet. Der Schwerpunkt liegt auf der Verbindung der Theorie linearer partieller Differentialgleichungen mit der Theorie finiter Differenzenverfahren und der Theorie der Methoden finiter Elemente. Für jede Klasse partieller Differentialgleichungen, d.h. elliptische, parabolische und hyperbolische, enthält der Text jeweils ein Kapitel zur mathematischen Theorie der Differentialgleichung gefolgt von einem Kapitel zu finiten Differenzenverfahren sowie einem zu Methoden der finiten Elemente. Den Kapiteln zu elliptischen Gleichungen geht ein Kapitel zum Zweipunkt-Randwertproblem für gewöhnliche Differentialgleichungen voran. Ebenso ist den Kapiteln zu zeitabhängigen Problemen ein Kapitel zum Anfangswertproblem für gewöhnliche Differentialgleichungen vorangestellt. Zudem gibt es ein Kapitel zum elliptischen Eigenwertproblem und zur Entwicklung nach Eigenfunktionen. Die Darstellung setzt keine tiefer gehenden Kenntnisse in Analysis und Funktionalanalysis voraus. Das erforderliche Grundwissen über lineare Funktionalanalysis und Sobolev-Räume wird im Anhang im Überblick besprochen.

Rheology

Concepts, Methods & Applications

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Author: Aleksandr I͡Akovlevich Malkin,Alexander Ya Malkin,Avraam I. Isayev

Publisher: ChemTec Publishing

ISBN: 189519833X

Category: Technology & Engineering

Page: 474

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There are few comprehensive books on the market on the subject of rheology – the complex science dealing with flow and deformation of matter – and these are several years old. At last there is now a book that explains the meaning of a science that many scientists need to use but only a few can fully grasp. It does so by striking the balance between oversimplification and overload of theory in a very compelling and readable manner. The author's systematic presentation enables the authors to include all components of rheology in one volume. The first four chapters of this book discuss various aspects of theoretical rheology and, by examples of many studies, show how particular theory, model, or equation can be used in solving different problems. The main emphasis is on liquids, but solid materials are discussed in one full chapter as well. Methods of measurement and raw data treatment are included in one large chapter which constitutes more than one quarter of the book. Eight groups of methods are discussed giving many choices for experimentation and guidance on where and how to use them properly. The final chapter shows how to use rheological methods in different groups of products and methods of their manufacture. Usefulness of chemorheological (rheokinetical) measurements is also emphasized. This chapter continues with examples of purposeful applications in practical matters.

Numerische Simulation in der Moleküldynamik

Numerik, Algorithmen, Parallelisierung, Anwendungen

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Author: Michael Griebel,Stephan Knapek,Gerhard Zumbusch,Attila Caglar

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 364218779X

Category: Mathematics

Page: 480

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Das Buch behandelt Methoden des wissenschaftlichen Rechnens in der Moleküldynamik, einem Bereich, der in vielen Anwendungen der Chemie, der Biowissenschaften, der Materialwissenschaften, insbesondere der Nanotechnologie, sowie der Astrophysik eine wichtige Rolle spielt. Es führt in die wichtigsten Simulationstechniken zur numerischen Behandlung der Newtonschen Bewegungsgleichungen ein. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der schnellen Auswertung kurz- und langreichweitiger Kräfte mittels Linked Cell-, P$/\3$M-, Baum- und Multipol-Verfahren, sowie deren paralleler Implementierung und Lastbalancierung auf Rechensystemen mit verteiltem Speicher. Die einzelnen Kapitel beinhalten darüberhinaus detailierte Hinweise, um die Verfahren Schritt für Schritt in ein Programmpaket umzusetzen. In zahlreichen farbigen Abbildungen werden Simulationsergebnisse für eine Reihe von Anwendungen präsentiert.

Endliche Gruppen

Eine Einführung in die Theorie der endlichen Gruppen

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Author: H. Kurzweil

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3642953131

Category: Mathematics

Page: 190

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