计算物理学（新编21世纪物理学系列教材）

作者：李茂枝 季威 郭茵 卢仲毅

书号：322858

定价：￥35 元

字数：143 千字

印次：1-1

开本：16

出版时间：2024-01-02

ISBN：978-7-300-32285-8

包装：平

内容提要：  
本书的主要内容包括常微分方程和偏微分方程的数值求解、分子动力学方法、蒙特卡罗方法以及有限元方法。本书着重讲解与物理学科联系较为紧密的数值计算和模拟方法，包括微分方程的数值解、分子动力学和蒙特卡罗模拟等，重点讲解如何从数值模拟出发，思考、研究和解决物理问题，使学生初步理解计算物理的精髓，掌握计算物理的研究方法和思路。  



作者简介：  
李茂枝， 中国人民大学物理学系教授。2001年于中国科学院物理研究所获得理学博士学位。2007年10月加入中国人民大学物理学系。主要从事合金液体和非晶合金的微观结构表征、动力学、力学性质以及玻璃转变机制等的理论分析和计算模拟研究。长期教授本科生专业核心课《热力学与统计物理》和《计算物理》。  

季 威， 中国人民大学物理学系教授，博士生导师。2010年进入中国人民大学工作，2014年晋升教授。从教13年来，先后主讲过6门本科生课程和4门研究生课程；指导了30余篇本科生毕业论文和10余篇博士学位论文。入选国家级高层次人才年度奖励项目（2021），获得北京市高等学校青年教学名师奖（2022）。  

郭 茵， 中国人民大学物理学系教授。1992年在美国马里兰大学物理系获博士学位。1993年起在美国俄克拉何马州立大学工作，先后在物理系任客座助理教授、助理教授、客座副教授。主要从事多原子系统中计算方法的发展和应用的研究。  

卢仲毅，中国人民大学物理学系教授，主要研究凝聚态物质的电子结构和计算方法的发展，曾获国家杰出青年科学基金项目资助，中国物理学会叶企孙物理奖、教育部自然科学奖一等奖和国家自然科学奖二等奖。  

目录：  
第一章 常微分方程的数值求解方法  

1.1 引 言  

1.2 常微分方程初值问题的数值求解  

1.3 步长选择  

1.4 常微分方程组和高阶常微分方程  

1.5 边值问题  

1.6 有限差分法  

第二章 偏微分方程的数值求解  

2.1引 言  

2.2 双曲型方程  

2.3 抛物型方程的差分解法  

2.4 椭圆型方程的差分解法  

第三章 分子动力学方法  

3.1 基本原理与方法概述  

3.2 牛顿方程的数值解法  

3.3 原子间相互作用势  

3.4 分子动力学模拟中的条件设置  

3.5 分子动力学模拟中的系综  

3.6 宏观物理量的计算  

第四章 蒙特卡罗方法  

4.1 概 述  

4.2 随机数  

4.3 对概率分布函数的抽样  

4.4 蒙特卡罗方法在物理中的应用  

4.5 动力学蒙特卡罗方法  

第五章 有限元方法  

5.1 引 言  

5.2 有限元方法的基础和原理  

5.3 变分有限元方法  

5.4 偏微分方程边值问题的有限元解法  

参考文献  

在线试读：  
前 言  

计算物理学是以计算机及技术为工具和手段，应用适当的数学方法对物理、材料、化学、生物等领域的问题进行数值分析和理论研究，对物理过程进行数值模拟的一门新兴学科，是物理、数学、计算机应用三者结合的产物。在过去的三、四十年里，随着计算方法和计算机性能的快速发展，计算物理也得到了快速发展，已经成为物理学的第三大分支，成为与实验物理和理论物理并重的二级学科，对建立理论框架、解释实验发现和预测新现象、新材料等至关重要。计算物理学也是当前支撑物理学及其交叉学科发展的重要支柱，已经在化学、材料、信息、生物、经济、社会等领域得到了广泛的应用，极大地促进了前沿交叉学科领域的发展。  
计算物理学的发展得益于计算物理人才的培养。2004年，教育部高等学校物理与天文学教学指导委员会建议将计算物理学课程作为物理学和应用物理学本科生的必修课。在此基础上，国内许多高校与物理学相关的人才培养方案中，都将计算物理学列为了本科生的必修课，为计算物理学的发展奠定了坚实的人才基础。中国人民大学物理系在建系之初，就非常重视计算物理学科的发展和人才培养。物理系不仅建立了计算物理方法及应用、材料计算与物质模拟等与计算物理学相关的研究团队，还将与计算物理学相关的知识和方法分为四个层次，从计算机基础及程序设计，到基本的数值分析方法，如插值拟合、优化、数值微分和积分、矩阵特征值计算、方程组的数值求解等，再到基本的计算物理方法，如微分方程的数值求解、分子动力学和蒙特卡洛模拟方法等，以及更高级的涉及量子多体计算的内容和方法，如数值重整化群、量子蒙特卡洛、动力学平均场理论、第一性原理计算等。将这些知识和方法纳入一个统一的框架下，形成了包括“计算机基础和程序设计”、“ 数值方法”、“计算物理”和“高等计算物理”等四门课程的一套完整的计算物理学的知识体系，并制订了相应课程的教学大纲，使得本科生从入学初始从最基本的计算机基础和程序设计出发，由浅入深，逐步完成计算物理学相关知识体系的学习、构建和训练。  
本书是在中国人民大学物理系“计算物理”课程讲义的基础上，参考了国内外优秀的计算物理学教材编写而成的。按照中国人民大学物理系计算物理学课程教学体系的设置，本《计算物理学》教材重点关注与物理学科联系较为紧密的基本数值计算和模拟方法，包括微分方程的数值解、分子动力学方法和蒙特卡洛方法等，重点讲解如何从数值模拟出发，思考、研究和解决物理问题，使学生初步理解和掌握计算物理学的研究方法和思路。全书共分5章，第一和第二章介绍常微分方程和偏微分方程的数值求解，包括初值问题和边值问题。第三章和第四章分别介绍分子动力学方法和蒙特卡洛方法，包括基本思想、算法、以及应用等。第五章简要介绍有限元方法，包括有限元方法的发展历史、基本思想及实现过程。本教材更注重物理问题的研究、分析和解决，适合已经具备一定编程知识和技能以及基本数值方法的大学理工院系本科三、四年级的学生，以及从事计算物理相关研究工作的低年级研究生研读和学习。  
本书基于多年来“数值方法”和“计算物理”课程讲义的撰写和修改，同时从国内外优秀的计算物理学教材和经典书籍以及文献中汲取了丰富的知识和有价值的素材。在此对相关作者表示诚挚的敬意。同时，衷心感谢中国人民大学出版社给予的大力支持。  
由于编著者水平有限，书中必可避免地会存在不完善的地方，恳请读者不吝批评指正。  


编著者  
2023年5月