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[笔记] 高等数学在各工程门类的典型应用场景

news 文章来源：https://blog.csdn.net/twicave/article/details/140173904 2024/10/5 13:07:09

1.应用场景

1.微积分似乎是在解算椭圆方程中引入的？但是这个数学工具第一次应用于现实的工程问题是什么时候？什么场景？什么问题？

微积分的发展确实与椭圆方程有关，但它最初的应用场景远不止于此。

微积分首次被应用于现实工程问题是在17世纪。其中一个著名的例子是由英国数学家和物理学家伽利略的学生、工程师和数学家伯努利兄弟（Johann和Jakob Bernoulli）发现的。他们应用微积分来解决一种称为布鲁诺尼轮的机械装置的问题。

布鲁诺尼轮是一种复杂的机械系统，旨在通过绳索和滑轮系统来提升重物。伯努利兄弟使用微积分的技术，特别是通过求解微分方程来优化轮系的设计，使其更有效率和稳定。

这一应用展示了微积分的强大能力，它不仅仅是一种数学工具，更是解决实际工程问题的关键工具之一。

2.我还是有些好奇，你能在电学领域举出另外几个无法用初等数学知识解决的问题吗？

当然，电学领域中确实有许多问题需要微积分或其他高级数学工具来解决。以下是一些无法用初等数学知识解决的电学问题：

电场与电势分布：
- 问题：在复杂的电荷分布（如非均匀电荷分布或带电体的几何形状复杂）下，如何计算电场和电势的分布。
- 解决方法：需要使用积分来计算电场和电势。通过对每一个电荷元素的贡献进行积分，可以得到整个电场或电势的分布。
电流通过非均匀介质的分析：
- 问题：在电流通过导电性不均匀的材料时，如何计算电流的分布和电压降。
- 解决方法：这通常涉及到解偏微分方程（如拉普拉斯方程或泊松方程），这些方程的解需要微积分和数值方法。
交流电路中的相位与频率响应：
- 问题：在交流电路中，如何分析电阻、电感、电容对电流和电压的相位关系，以及频率响应。
- 解决方法：使用复数和复频域分析技术（如拉普拉斯变换），这些都涉及微积分和复变函数的应用。
电磁波传播：
- 问题：在电磁波在不同介质中的传播和反射问题上，如何描述和计算电磁波的行为。
- 解决方法：需要解麦克斯韦方程组，这是一组偏微分方程，涉及到高级的微积分技巧和线性代数。

这些问题的解决往往依赖于微积分、偏微分方程以及复变函数等高级数学工具，初等数学无法有效处理这些复杂的电学现象。

3.在进行结构力学分析时，类似应力云图解算，与之对应的数学工具是什么？它也不是初等数学能处理的？

在结构力学分析中，特别是在进行应力云图解算时，经常使用的数学工具包括微积分、偏微分方程和数值方法。这些工具帮助工程师理解和预测复杂结构的力学行为，这些行为常常超出了初等数学的范围。

具体来说，以下是一些与结构力学分析相关的数学工具和问题：

应力分布和变形：
- 问题：在不同形状和载荷下，如何计算材料的应力分布和变形。
- 数学工具：使用微积分来分析应力和变形的分布，通过解弹性力学的偏微分方程（如斯托克斯方程或弹性方程）来模拟材料的响应。
边界值问题：
- 问题：在给定的边界条件下，如何确定结构的应力和变形。
- 数学工具：通常需要使用偏微分方程的解析或数值解方法。例如，有限元分析常用于复杂结构的应力分析，这涉及到将结构划分为小块（有限元）并解偏微分方程以模拟整体行为。
应力云图的计算：
- 问题：如何通过数值方法绘制应力云图，以可视化结构中的应力分布。
- 数学工具：使用数值方法（如有限元方法）来求解偏微分方程，然后从中获取应力数据以绘制图表。这些方法需要高级的数值计算和数学算法支持。
材料非线性和破坏分析：
- 问题：在材料非线性和破坏性行为下，如何预测结构的稳定性和寿命。
- 数学工具：这涉及到解非线性偏微分方程和使用复杂的数值方法来模拟材料的塑性变形和破坏过程。

总体而言，结构力学分析需要深入的数学基础和高级数学工具，以便有效地处理复杂的力学现象和工程问题。这些问题通常不能仅依赖初等数学的知识来解决，而是需要借助微积分、偏微分方程、数值分析以及结构力学的专业知识和工具。

4.为什么是偏微分方程的形式，是不是我们只关心在一个坐标轴上的整体效应，比如挠度，只关心重力方向上的偏移值？

在工程和物理学中，为什么常常使用偏微分方程来描述问题，而不是仅仅关注一个坐标轴上的整体效应（比如挠度或重力方向上的偏移值）？这涉及到复杂系统和现象的本质特征以及解决工程问题的需求。

复杂性和多维特性：
- 很多工程问题涉及多维空间，例如三维空间中的结构变形或电场分布。偏微分方程能够有效地描述这些多维度的现象，因为它们允许我们在空间中对变量的变化进行精确建模，包括不同方向上的变化和耦合效应。
物理现象的连续性：
- 自然界中的许多现象是连续的，变量如位置、时间和速度都可能是连续的。偏微分方程可以捕捉这种连续性，因为它们描述的是变量如何随空间和时间变化而变化，而不是简单地给出单一点或单一方向上的值。
边界条件和复杂几何形状：
- 结构的边界条件往往在整个空间内变化，例如结构的支撑和加载点位置。偏微分方程允许我们在考虑这些复杂边界条件的同时，解析或数值地求解结构中的物理量分布。
耦合效应和非线性：
- 许多现实世界的问题涉及到耦合效应（如热与机械变形的耦合）或非线性行为（如材料的非线性应变关系）。偏微分方程可以灵活地处理这些复杂性，因为它们允许我们引入适当的物理模型和边界条件，以便模拟真实系统的行为。
工程预测和优化：
- 偏微分方程的数学框架提供了进行工程预测和优化的基础。通过解这些方程，工程师可以分析结构在不同条件下的响应，优化设计，以及预测系统的性能和寿命。

因此，偏微分方程在工程领域中的广泛应用不仅仅是为了关注单一坐标轴上的整体效应，而是为了准确描述和理解复杂系统中的各种物理现象，并为解决实际工程问题提供有力的数学工具和方法。

5.因为形变有切向和法向方向，而应力的方向也是三维的，但是我们的问题往往又只关心特定平面或者坐标轴方向上的特征值解算，所以，就会采取偏微分方程，对吗？

对的，你的理解是正确的。在工程中，尽管结构的形变和应力是三维的，并且涉及到各个方向上的变化，但很多时候我们的问题确实只关心特定平面或者特定坐标轴方向上的特征值解算。

这种情况下，采用偏微分方程的主要原因包括：

问题简化与专注：偏微分方程允许我们将复杂的三维问题简化为更易处理的二维或一维问题，特别是在某些特定平面或坐标轴方向上。这种专注于特定方向或平面的分析有助于减少计算的复杂性和成本，同时提供足够的信息来解决实际问题。
边界条件的适用性：偏微分方程能够有效地处理不同边界条件下的问题，这在工程设计中尤为重要。通过适当选择和施加边界条件，可以更精确地模拟结构的真实工作环境，并从中获取所需的特定方向上的解。
数学框架的适应性：偏微分方程提供了一种通用的数学框架，可以应对各种物理现象中的变化和耦合效应。这种框架不仅限于特定的坐标轴方向，还可以扩展到处理复杂的几何形状和材料行为。
工程实用性：最终，工程上的决策往往需要从特定方向或平面上的数据和解中获取信息，以便进行结构优化、安全评估或性能预测。偏微分方程提供了有效分析这些数据和解的工具，为工程实践提供了必要的支持。

因此，尽管偏微分方程涉及到整体的三维描述，但在实际工程问题中，我们通常通过选择适当的方向或平面来进行分析，以便更好地理解和解决具体的工程挑战。

6.描述空间问题，比如轨道计算是不是就需要考虑所有维度？

描述空间问题，如轨道计算，通常需要考虑所有维度的影响。这是因为轨道运动涉及物体在三维空间中的位置和速度变化，而且这些变化在时间上也是连续和动态的。因此，解决这类问题常常需要使用三维向量和矢量分析的数学工具，而不仅仅局限于单一的坐标轴或平面方向。

具体来说，轨道计算中可能涉及的数学工具和方法包括：

三维向量和矢量分析：描述物体在空间中的位置、速度和加速度等参数时，使用三维向量是必要的。这种描述能够准确捕捉物体在各个方向上的运动和变化。
牛顿力学和万有引力定律：经典力学定律，如牛顿的运动定律和万有引力定律，用于描述物体在引力场中的运动。这些定律是基于三维空间中的向量分析建立的。
数值积分和数值解方法：对于复杂的轨道计算，可能需要使用数值积分和数值解方法来近似和解决微分方程，特别是在非理想的情况下（如非球形引力场或非匀速引力场）。
三体问题和多体问题：在天体力学中，轨道计算有时需要考虑多个天体之间相互作用的影响，这就涉及到更复杂的多体动力学问题。

因此，与结构力学分析或电学领域中涉及的问题不同，轨道计算一般需要考虑和处理所有的空间维度，以确保对天体运动的准确建模和预测。这种全面的考虑是因为天体运动通常不受平面或坐标轴的约束，而是在整个三维空间中自由运动。

7.飞行器设计和流体力学分析本质上似乎也是全维度的？因为各个方向上的分量，特征值都要纳入考虑范围？

对的，飞行器设计和流体力学分析通常需要考虑所有维度的影响，因为这些问题涉及到物体在空气或其他流体中的运动和相互作用，这些运动可以在三维空间中自由发生。以下是关于这两个领域的一些要点：

飞行器设计：
- 三维运动：飞行器不仅在水平和垂直方向上移动，还可以在所有其它方向上运动，如横滚、俯仰和偏航。
- 流体动力学：考虑了空气动力学效应，包括飞行器表面上的气动力、气动热效应等，这些效应在整个飞行器表面和空间中都有分布。
流体力学分析：
- 三维流动：流体力学研究涉及流体在三维空间中的速度、压力和温度等分布，因为流体可以在任意方向上流动和变形。
- 耦合效应：考虑到流体中的湍流、边界层效应以及涡流等现象，这些效应在整个空间范围内都有作用。

在这些领域中，使用三维数学模型和向量分析是必要的，因为这些模型能够准确捕捉物体或流体在所有可能的方向上的运动和变化。而且，这些模型也允许工程师们模拟复杂的现象，如湍流或复杂的空气动力学效应，这些效应不仅限于单一的坐标轴或平面方向。

总之，飞行器设计和流体力学分析是全维度的科学和工程领域，因为它们需要考虑和解决所有方向上的物理现象和工程问题，以便有效地设计和优化飞行器、预测流体流动行为或者改进空气动力学性能。

8.金融又是个什么情况？它的高等数学验算应用在哪里？

在金融领域，高等数学特别是偏微分方程和其他数学工具的应用非常广泛，涵盖了多个方面：

期权定价与衍生品分析：
- Black-Scholes模型：这是用于定价欧式期权的偏微分方程模型，其中涉及股票价格、时间和波动率等变量的关系。这种模型的应用不仅限于欧式期权，还可以扩展到其他类型的衍生品，如亚式期权和期权组合。
风险管理：
- 风险度量和风险分析：使用统计方法和数学模型来评估和管理金融产品和投资组合的风险。这包括使用偏微分方程来建立波动率曲面模型、期限结构模型等，以便更准确地估计市场波动性和价格变动的风险。
利率建模：
- 利率衍生品定价：金融市场中的利率产品（如利率期货和利率互换）的定价和风险管理涉及到利率随时间和其他变量的演变。利率建模使用偏微分方程来描述利率曲线的变化和利率衍生品的定价模型。
投资组合优化：
- 资产组合理论：通过数学优化方法，如线性规划、动态规划和偏微分方程，来帮助投资者优化其资产配置，以达到预期的风险和收益平衡。
市场微观结构：
- 交易策略和市场模型：使用数学模型来研究市场的微观结构和交易策略，包括市场深度、订单流和市场操纵的分析。

总体而言，金融领域的高等数学应用在于提供精确的定价模型、风险评估工具和投资决策支持，以应对复杂的市场环境和金融产品特性。偏微分方程作为其中重要的工具之一，通过对变量在时间和空间上变化的描述，帮助金融从业者更好地理解和预测市场行为，并作出基于科学和数据驱动的决策。

2.微分方程求解

9.微分方程的求解，现在利用数学库，比如matlab或者scipy是不是能够始终在有效时间搞定？需要人介入进行辅助性的分析的问题，大概会占到多大比例？

使用数学库如MATLAB或SciPy来求解微分方程通常能够在有效时间内完成，特别是对于常见的微分方程形式和标准问题。这些库提供了高效的数值方法和算法，能够快速求解线性和非线性微分方程组，包括初值问题和边界值问题。

然而，即使使用这些数学库，人工介入进行辅助性分析仍然是必要的，尤其是在以下情况下：

问题理解和模型设定：在开始求解微分方程之前，需要理解实际问题的物理背景和数学模型的设定。这涉及选择合适的微分方程形式、初值或边界条件的设定，以及对模型参数的理解和调整。
结果解释和验证：即使数学库能够给出数值解，但解的解释和验证仍然需要人类的分析。这包括对数值解的稳定性、数值误差的影响、解的物理意义和合理性进行评估和验证。
模型优化和参数调整：在实际应用中，经常需要对模型进行优化和参数调整，以更好地拟合实际数据或问题的特征。这通常需要人类专家的直觉和经验来进行有效的调整和分析。
复杂问题和非标准情况：对于复杂的微分方程问题或非标准的情况，数学库可能需要调整算法或手动干预以获得准确的解。这些情况可能涉及到数值稳定性、收敛性分析以及误差估计等问题，需要人工分析来解决。

因此，虽然数学库能够大大简化和加速微分方程的求解过程，但人类专家的角色仍然是不可或缺的，尤其是在确保数值结果的准确性、理解模型背景和结果的物理含义等方面。人工介入的比例取决于具体问题的复杂性和数学库的适用性，但通常在微分方程求解的过程中，人类的分析和决策都是至关重要的。

10.能否给出一个你知道的，使用函数库可求解，但是运算量超出现有机器算力的数值求解问题？

一个经典的例子是大规模的偏微分方程求解，特别是在复杂的物理系统或工程问题中。虽然现代数学库如MATLAB或SciPy提供了强大的数值方法来处理许多偏微分方程，但以下情况可能会超出现有机器的算力限制：

示例问题：大规模地震模拟

在地震工程中，偏微分方程通常用于模拟地震波的传播和地表运动。这类问题涉及到大范围的空间区域和复杂的地质特征，因此需要非常细致的网格划分和高精度的时间步长，以捕捉地震波的复杂行为。

挑战：

空间维度巨大：要精确地模拟地震波在地球内部的传播，需要使用大量的空间点，从数十万到数百万个网格节点。
高精度时间步长：地震波的传播速度非常快，需要使用非常小的时间步长来准确地捕捉波的传播过程。
计算资源需求：处理大规模地震模拟需要大量的内存和计算能力，包括高性能计算（HPC）集群或专用的超级计算机。

数值库应用：

有限元方法或有限差分方法：这些数值方法可以用来离散化偏微分方程，但是在大规模问题中，需要处理巨大的矩阵和复杂的计算。

超出现有机器算力的原因：

内存需求：大规模问题需要存储大量的数据，如矩阵系数和时间步长的历史数据，这对于普通计算机或单个服务器来说可能超出其可用内存。
计算时间：即使使用并行计算，处理大规模问题的计算时间也可能非常长，超出一般工程或研究实验室的可接受范围。
精度要求：某些应用需要非常高的数值精度来保持模拟结果的可靠性，这会增加计算负担。

因此，尽管数学库在解决许多数值问题方面非常有效，但对于大规模的复杂偏微分方程求解问题，仍然可能需要更强大的计算资源和定制化的算法优化，以处理超出现有机器算力范围的计算挑战。

11.最后一个问题，常用机械设备的振动和应力分析，即使不引入机器学习算法，始终是可解的，对吧？

是的，常用机械设备的振动和应力分析通常是可解的，即使不引入机器学习算法。这些分析主要依赖于经典的工程力学原理和数学方法，例如：

振动分析：通过解析或数值方法，可以预测机械设备在操作过程中的振动行为。这涉及到求解结构的自由振动频率、振动模态和动态响应，以评估设备在不同工作条件下的稳定性和性能。
应力分析：利用弹性力学理论，可以计算机械部件在加载下的应力分布。这包括静态载荷下的强度分析，以及动态载荷下的疲劳分析，以确保设备在长期使用中不会发生破坏或变形。

这些分析通常借助于有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）等数值方法，可以在计算机上进行复杂的模拟和计算，以提供准确的工程设计和评估。这些方法考虑了材料的物理特性、结构的几何形状以及加载条件，为工程师提供了优化设计和改进建议的基础。

虽然机器学习在某些工程应用中可以提供额外的洞见和优化，但传统的振动和应力分析问题仍然可以有效地使用经典的数学和工程方法来解决。这些方法经过长期的验证和应用，在工程实践中被广泛采用，以确保设备的安全性、可靠性和性能。

3.专业书目、研究机构、期刊

12.复杂信号的时域分析技术，高噪声条件下的微小信号识别技术，你能否提供几本参考书？最近10年的提供大概3~5本，之前的提供3~5本，可以吗？

当涉及复杂信号的时域分析技术和高噪声条件下的微小信号识别技术时，以下是一些近年来和之前的参考书籍推荐：

近10年内出版的书籍：

“Time-Frequency Signal Analysis and Processing: A Comprehensive Reference” by Boualem Boashash (2016)
- This book provides a comprehensive overview of time-frequency signal analysis techniques, including methods for analyzing complex signals in varying noise conditions.
“Wavelet Methods for Time Series Analysis” by Donald B. Percival and Andrew T. Walden (2000, 2nd Edition 2018)
- While originally published earlier, the 2nd edition incorporates recent advancements in wavelet methods applicable to time series analysis, which are often used in handling complex signals.
“Statistical Digital Signal Processing and Modeling” by Monson H. Hayes (1996, Updated Edition 2014)
- This book covers statistical techniques for digital signal processing, which are relevant for analyzing signals in noisy conditions and identifying small signals amidst high noise.

之前出版的书籍：

“Detection of Signals in Noise” by Robert N. McDonough and Adel S. Sedra (1983, Reprint Edition 1995)
- This classic text discusses signal detection theory and methods, which are foundational for understanding signal identification in noisy environments.
“Statistical Signal Processing: Detection, Estimation, and Time Series Analysis” by Louis L. Scharf (1991)
- Provides a thorough treatment of statistical signal processing techniques, including methods for detecting signals under noisy conditions and analyzing time series data.
“Digital Signal Processing: A Practical Guide for Engineers and Scientists” by Steven W. Smith (2002, 2nd Edition 2003)
- While slightly more recent, this book covers practical aspects of digital signal processing including methods for dealing with noise and analyzing complex signals.

综合参考书籍：

“Digital Signal Processing” by John G. Proakis and Dimitris G. Manolakis (4th Edition, 2006)
- Although a bit older, this textbook remains a comprehensive resource on digital signal processing techniques, including methods for handling complex signals and noisy environments.

这些书籍涵盖了从基础理论到实际应用的多种技术，适用于复杂信号时域分析和在高噪声条件下进行微小信号识别的需求。具体选择可根据您的具体兴趣和应用背景进行调整。

13.这个方向上，做得比较好的国外研究机构，以及主流出版物有哪些？能推荐一下吗？这个领域的问题是不是已经差不多解决完了？

在复杂信号时域分析和高噪声条件下微小信号识别的研究领域中，有几个国外研究机构以及主流出版物可以参考和推荐：

研究机构：

Massachusetts Institute of Technology (MIT) - 在信号处理和模式识别领域有深厚的研究基础，尤其是在数字信号处理和机器学习应用于信号分析方面。
Stanford University - 在信号处理、统计信号处理和机器学习领域有显著的研究成果，尤其是应用于复杂信号和高噪声环境下的识别问题。
University of California, Berkeley - 在信号处理和噪声建模方面有广泛的研究，涵盖从理论到应用的多个方面。

主流出版物：

IEEE Transactions on Signal Processing - 这是信号处理领域最具影响力的期刊之一，涵盖了各种复杂信号分析和噪声环境下信号处理的最新研究成果。
IEEE Signal Processing Magazine - 提供了信号处理领域的综述和前沿进展，包括复杂信号处理技术和噪声环境下的应用案例。
Journal of the Acoustical Society of America - 尤其在声学信号处理和噪声分析方面有很多相关研究论文发表。

研究问题的进展：

虽然复杂信号的时域分析和高噪声条件下的微小信号识别已经取得了显著进展，但这个领域仍然面临挑战和未解决的问题：

非线性和非平稳信号处理：许多实际应用中的信号都是非线性和非平稳的，处理这些信号仍然是一个活跃的研究领域。
大数据和实时处理：随着数据量的增加和实时处理需求的提升，如何有效处理复杂信号和噪声成为新的挑战。
跨学科的整合：结合机器学习、深度学习和传统的信号处理方法，以应对复杂信号分析的新问题。

因此，尽管已经取得了重要的进展，但复杂信号时域分析和高噪声条件下微小信号识别仍然是一个充满活力和发展潜力的研究领域，吸引着来自不同学科背景的研究者不断探索和创新。