Spectral Methods for Time-Dependent Problems

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

Publisher: Cambridge University Press

ISBN: 113945952X

Category: Mathematics

Page: N.A

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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

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

Publisher: Cambridge University Press

ISBN: 1316558940

Category: Science

Page: N.A

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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

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

Publisher: Springer

ISBN: 3319427032

Category: Science

Page: 221

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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

Author: Hervé Le Dret,Brigitte Lucquin

Publisher: Birkhäuser

ISBN: 3319270672

Category: Mathematics

Page: 395

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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

Author: Dietrich Braess

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3662072343

Category: Mathematics

Page: 305

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Hierarchische Matrizen

Algorithmen und Analysis

Author: Wolfgang Hackbusch

Publisher: Springer Science & Business Media

ISBN: 3642002218

Category: Mathematics

Page: 451

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Bei der Diskretisierung von Randwertaufgaben und Integralgleichungen entstehen große, eventuell auch voll besetzte Matrizen. In dem Band stellt der Autor eine neuartige Methode dar, die es erstmals erlaubt, solche Matrizen nicht nur effizient zu speichern, sondern auch alle Matrixoperationen einschließlich der Matrixinversion bzw. der Dreieckszerlegung approximativ durchzuführen. Anwendung findet diese Technik nicht nur bei der Lösung großer Gleichungssysteme, sondern auch bei Matrixgleichungen und der Berechnung von Matrixfunktionen.

Mathematik und Technologie

Author: Christiane Rousseau,Yvan Saint-Aubin

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3642300928

Category: Mathematics

Page: 609

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Zusammen mit der Abstraktion ist die Mathematik das entscheidende Werkzeug für technologische Innovationen. Das Buch bietet eine Einführung in zahlreiche Anwendungen der Mathematik auf dem Gebiet der Technologie. Meist werden moderne Anwendungen dargestellt, die heute zum Alltag gehören. Die mathematischen Grundlagen für technologische Anwendungen sind dabei relativ elementar, was die Leistungsstärke der mathematischen Modellbildung und der mathematischen Hilfsmittel beweist. Mit zahlreichen originellen Übungen am Ende eines jeden Kapitels.

Endliche Gruppen

Eine Einführung in die Theorie der endlichen Gruppen

Author: H. Kurzweil

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3642953131

Category: Mathematics

Page: 190

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Rheology

Concepts, Methods & Applications

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.

Partielle Differentialgleichungen und numerische Methoden

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.

Numerische Simulation in der Moleküldynamik

Numerik, Algorithmen, Parallelisierung, Anwendungen

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.

Vorlesungen über partielle Differentialgleichungen

Author: Vladimir I. Arnold

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3540350314

Category: Mathematics

Page: 174

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Nach seinem bekannten und viel verwendeten Buch über gewöhnliche Differentialgleichungen widmet sich der berühmte Mathematiker Vladimir Arnold nun den partiellen Differentialgleichungen in einem neuen Lehrbuch. In seiner unnachahmlich eleganten Art führt er über einen geometrischen, anschaulichen Weg in das Thema ein, und ermöglicht den Lesern so ein vertieftes Verständnis der Natur der partiellen Differentialgleichungen. Für Studierende der Mathematik und Physik ist dieses Buch ein Muss. Wie alle Bücher Vladimir Arnolds ist dieses Buch voller geometrischer Erkenntnisse. Arnold illustriert jeden Grundsatz mit einer Abbildung. Das Buch behandelt die elementarsten Teile des Fachgebiets and beschränkt sich hauptsächlich auf das Cauchy-Problem und das Neumann-Problems für die klassischen Lineargleichungen der mathematischen Physik, insbesondere auf die Laplace-Gleichung und die Wellengleichung, wobei die Wärmeleitungsgleichung und die Korteweg-de-Vries-Gleichung aber ebenfalls diskutiert werden. Die physikalische Intuition wird besonders hervorgehoben. Eine große Anzahl von Problemen ist übers ganze Buch verteilt, und ein ganzer Satz von Aufgaben findet sich am Ende. Was dieses Buch so einzigartig macht, ist das besondere Talent Arnolds, ein Thema aus einer neuen, frischen Perspektive zu beleuchten. Er lüftet gerne den Schleier der Verallgemeinerung, der so viele mathematische Texte umgibt, und enthüllt die im wesentlichen einfachen, intuitiven Ideen, die dem Thema zugrunde liegen. Das kann er besser als jeder andere mathematische Autor.