首页 > 图书中心 > 计算电磁学的数值方法(第2版)

前言

前言

笔者1962年考入北京大学技术物理系,由于众所周知的原因,直到1968年年底毕业分配到大连通信电缆厂。1978年中国恢复了研究生招生,笔者考入北京邮电学院(今北京邮电大学),于1981年和1988年分别获得硕士学位和博士学位,毕业后留校任教。感谢叶培大院士以学术超前的眼光,决定开设“计算电磁学数值方法”课程,这是当时中国高等教育课程的一枝独秀。叶培大院士指定笔者编写并讲授这门电磁场与微波技术专业的博士研究生必修数理基础课程。

经过两年准备,笔者于1990年秋季学期开启了第一次授课,一直到2019年。1991年1月,笔者受教育部派遣为高级访问学者赴美国,有幸被美国Syracuse大学接收,师从被学术界称为电磁场矩量法之父的著名科学家哈林登(R. F. Harrington)教授进行矩量法及其在电磁散射、孔缝耦合等方面的研究。半年后又进入美国东北部并行计算中心(NPAC)参加了著名并行计算机科学家杰弗瑞·福克斯(Geoffrey Fox)教授的研究团队,参加美国国家HPCC计划研究,进行电磁散射接收与成像及并行计算方法研究。在NPAC,笔者进行有关Timing研究时,使用了当时最先进的并行计算机,包括CM2、CM5、nCube、iPSC/860、IBM 6000等十几种非商业用途的并行计算机。这段经历给笔者留下了深刻的印象,笔者相信,并行计算的基础是计算科学的数值方法。在此期间,美国教育界正在热衷于讨论计算机科学与计算科学的从属关系。人们最终达成了一致意见: 计算科学是在应用数学、计算机科学的基础上与各门科学交叉出来的独立的交叉学科。

在后来的教学和科研中,常常有人问起计算科学的数值方法在数学体系中的地位和合法性问题,为了讲清楚这个问题,笔者结合20世纪科学家,特别是莱布尼茨、希尔伯特、弗雷格、哥德尔、图灵、诺特尔等人奠定数学及科学数学化基础的工作,本书在第1章中修订补充了1.1节和1.2节。

为了适应计算科学在通信、工业控制、航天等领域的需求,本书在修订中对第3章做了较多的补充,阐述了笔者在防雷研究中应用蒙特卡罗法的成果及如何根据存在性定理针对实际问题构建概率密度函数的方法;补充了布朗运动与古典位势之间的数学关系;补充了3.8节阐述移动通信系统仿真中的蒙特卡罗法。

对8.1节修订补充了适用于各种积分方法的截断误差产生的数值色散的分析和处理方法。另外,修改了基于反应技术的方程。

此外,对第4~7章进行了仔细审阅,修改了第1版中的印刷错误以及一些不严谨的语句。

第2版编著工作中张洪欣教授做出了很多贡献,他在笔者指导下获得博士学位后留校任教,主要从事电磁场与电磁波、电磁兼容、电磁信息安全和脑机接口等方面的教学和研究工作,承担“计算电磁学中的数值方法”“电磁场与电磁波”“电磁兼容原理”“生物医学电子学”等多门课程的教学工作;主持省部级以上教改项目5项,发表教改论文10多篇,主持出版了北京市优质本科教材和新形态教材,开发了FDTD电磁分析仿真设计软件包用于仿真实践和研究生教学。张洪欣教授是国家级一流本科专业负责人,曾获得北京市第十五届教学名师奖、北京邮电大学教学名师奖、优秀研究生导师奖等荣誉称号。2010年以来,张洪欣教授和笔者共同主持北京邮电大学的“计算电磁学中的数值方法”课程教学和科研工作,积累了丰富的教学经验和成果。2022年,“计算电磁学中的数值方法”被评为北京市研究生思政示范课程,《计算电磁学的数值方法》被确定为课程建设教材。

张洪欣教授在第2版编著工作中做了很多修改工作,特别是在第1章补充了计算电磁学常用方法及软件简介;在第2章补充了我国高性能计算机的发展概况;在第5章补充了总场散射场区连接边界条件和周期性边界条件;全面重新编写了第9章的射线跟踪法;另外,对一些参考文献进行了修订。

吕英华2023年3月

第1版前言现有的教材可以分成“计算方法”和“电磁场数值计算”两大类别。“计算方法”教材的内容侧重于计算方法的基本原理与方法,属于大学理科教材,可以用于工科研究生使用。其内容主要是数值计算和数值处理的基本方法,主要的内容和训练仍然是有限差分法的范畴,距离计算电磁学和计算物理学的实际需要差距很大。“电磁场数值计算”结合电磁工程的需要阐述了电磁场数值计算中常用的几种方法,可用于电磁场类专业的研究生使用。其内容主要是关于定量分析各类工程电磁学问题所需要的算法及实施过程。该类教材包括了数值积分法、有限差分法、有限元法、矩量法、边界元法等方法,但是对各种方法的数理基础阐述深度不够,而且仍然是基于数值计算方法的,其内容在结合电磁场理论、计算机科学和计算数学方面显得不足,没有满足应用计算机实现对真实世界的模拟和理解的研究需要,没有提供针对工程设计和实现的新的思维和试验方法,没有反映已经形成的独立的交叉科学——计算科学的精神和内容。因此,电磁专业的读者学习之后只能模仿教科书的方法而不能创新,应用数学或计算机专业的读者由于不很清楚电磁学理论和电磁工程而无法应用书中的方法解决电磁学实际问题。实际上,计算电磁学是20世纪90年代在电磁学、计算数学和计算机科学的基础上产生的新的基于近代计算机平台的交叉科学,创造了对世界的模拟和理解的新的途径,创造了新的思维和试验方法。为了满足计算电磁学乃至计算科学发展和应用的需求,笔者产生了编写本教材的想法,尽管教材内容很不完善,甚至存在某些错误,但是作者期望能在新的思路上编写出反映交叉科学特点的教材。

本书把计算电磁学作为独立的交叉科学。在此方针指导下,书中尽量介绍使用计算数学及近代数学工具,结合计算机科学方法和过程,目标明确地指向电磁学理论及应用的需要。书的结构尽量吸收国内外一些优秀的计算物理学方法和电磁计算方法书籍的写法,以电磁工程应用为目的,加强电磁学原理的近代数学表述和数学物理方法论的内容;按照计算电磁学中的数值方法分类,专题阐述各类工程电磁学问题所需要的算法及实施过程。书中在突出阐述计算电磁学的数值方法的同时,还特别强调和具体阐述了处理电磁学问题由连续的物理空间映射到分立的数值空间时所产生的变化的物理含意和产生的影响;强调计算电磁学的数值方法及实施过程的特点以及每一步骤的物理概念;突出了把近代计算机及计算机网络技术应用到电磁学问题进行数值建模时所需要的知识结构和创新的概念。笔者认为,只有这样才能够把计算科学方法与实际的物理问题和实际的工程问题结合起来,才能真正地应用计算机工具探索世界,才能获得新知识。希望本书能满足从事计算电磁学学习和研究的人员的需求,能对从事计算物理学研究工作的读者有一定的参考价值。

计算科学包括计算物理学、计算化学、计算电磁学等,已经成长为独立的交叉科学,显然,作为这门新的交叉科学的应用数学基础应当是计算科学的数值方法。由于计算科学的数值方法对新交叉科学的成熟非常重要,所以,笔者力图把本书写成理论与应用并重、兼顾教学与科研开发的需要、兼顾计算电磁学特点与其他科学需要的精品图书。由于笔者的水平和精力有限,本书难免会有错误和不足之处,欢迎广大读者批评指正。

吕英华于北京邮电大学2006年3月

版权所有(C)2023 清华大学出版社有限公司 京ICP备10035462号 京公网安备11010802042911号

联系我们 | 网站地图 | 法律声明 | 友情链接 | 盗版举报 | 人才招聘