An accessible introduction to the finite element method for solving numeric problems, this volume offers the keys to an important technique in computational mathematics. Suitable for advanced undergraduate and graduate courses, it outlines clear connections with applications and considers numerous examples from a variety of science- and engineering-related specialties.This text encompasses all varieties of the basic linear partial differential equations, including elliptic, parabolic and hyperbolic problems, as well as stationary and time-dependent problems. Additional topics include finite element methods for integral equations, an introduction to nonlinear problems, and considerations of unique developments of finite element techniques related to parabolic problems, including methods for automatic time step control. The relevant mathematics are expressed in non-technical terms whenever possible, in the interests of keeping the treatment accessible to a majority of students.
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.
Dieses Lehr- und Handbuch behandelt sowohl die elementaren Konzepte als auch die fortgeschrittenen und zukunftsweisenden linearen und nichtlinearen FE-Methoden in Statik, Dynamik, Festkörper- und Fluidmechanik. Es wird sowohl der physikalische als auch der mathematische Hintergrund der Prozeduren ausführlich und verständlich beschrieben. Das Werk enthält eine Vielzahl von ausgearbeiteten Beispielen, Rechnerübungen und Programmlisten. Als Übersetzung eines erfolgreichen amerikanischen Lehrbuchs hat es sich in zwei Auflagen auch bei den deutschsprachigen Ingenieuren etabliert. Die umfangreichen Änderungen gegenüber der Vorauflage innerhalb aller Kapitel - vor allem aber der fortgeschrittenen - spiegeln die rasche Entwicklung innerhalb des letzten Jahrzehnts auf diesem Gebiet wieder. TOC:Eine Einführung in den Gebrauch von Finite-Elemente-Verfahren.-Vektoren, Matrizen und Tensoren.-Einige Grundbegriffe ingenieurwissenschaftlicher Berechnungen.-Formulierung der Methode der finiten Elemente.-Formulierung und Berechnung von isoparametrischen Finite-Elemente-Matrizen.-Nichtlineare Finite-Elemente-Berechnungen in der Festkörper- und Strukturmechanik.-Finite-Elemente-Berechnungen von Wärmeübertragungs- und Feldproblemen.-Lösung von Gleichgewichtsbeziehungen in statischen Berechnungen.-Lösung von Bewegungsgleichungen in kinetischen Berechnungen.-Vorbemerkungen zur Lösung von Eigenproblemen.-Lösungsverfahren für Eigenprobleme.-Implementierung der Finite-Elemente-Methode.
In image processing and computer vision applications such as medical or scientific image data analysis, as well as in industrial scenarios, images are used as input measurement data. It is good scientific practice that proper measurements must be equipped with error and uncertainty estimates. For many applications, not only the measured values but also their errors and uncertainties, should be—and more and more frequently are—taken into account for further processing. This error and uncertainty propagation must be done for every processing step such that the final result comes with a reliable precision estimate. The goal of this book is to introduce the reader to the recent advances from the field of uncertainty quantification and error propagation for computer vision, image processing, and image analysis that are based on partial differential equations (PDEs). It presents a concept with which error propagation and sensitivity analysis can be formulated with a set of basic operations. The approach discussed in this book has the potential for application in all areas of quantitative computer vision, image processing, and image analysis. In particular, it might help medical imaging finally become a scientific discipline that is characterized by the classical paradigms of observation, measurement, and error awareness. This book is comprised of eight chapters. After an introduction to the goals of the book (Chapter 1), we present a brief review of PDEs and their numerical treatment (Chapter 2), PDE-based image processing (Chapter 3), and the numerics of stochastic PDEs (Chapter 4). We then proceed to define the concept of stochastic images (Chapter 5), describe how to accomplish image processing and computer vision with stochastic images (Chapter 6), and demonstrate the use of these principles for accomplishing sensitivity analysis (Chapter 7). Chapter 8 concludes the book and highlights new research topics for the future.
Die Anwendung der Finite-Element-Methode auf nichtlineare technische Probleme hat in den letzten Jahren - auch wegen der stark angestiegenen Rechnerleistung - erheblich zugenommen. Bei nichtlinearen numerischen Simulationen sind verschiedene Aspekte zu berücksichtigen, die das Wissen und Verstehen der theoretischen Grundlagen, der zugehörigen Elementformulierungen sowie der Algorithmen zur Lösung der nichtlinearen Gleichungen voraussetzen. Hierzu soll dieses Buch beitragen, wobei die Bandbreite nichtlinearer Finite-Element-Analysen im Bereich der Festkörpermechanik abgedeckt wird. Das Buch wendet sich an Studierende des Ingenieurwesens im Hauptstudium, an Doktoranden aber auch an praktisch tätige Ingenieure, die Hintergrundwissen im Bereich der Finite-Element-Methode erlangen möchten.
The self-contained treatment covers Fourier series, orthogonal systems, Fourier and Laplace transforms, Bessel functions, and partial differential equations of the first and second orders. 266 exercises with solutions. 1970 edition.
This lecture is written primarily for the non-expert engineer or the undergraduate or graduate student who wants to learn, for the first time, the finite element method with applications to electromagnetics. It is also designed for research engineers who have knowledge of other numerical techniques and want to familiarize themselves with the finite element method.Finite element method is a numerical method used to solve boundary-value problems characterized by a partial differential equation and a set of boundary conditions. Author Anastasis Polycarpou provides the reader with all information necessary to successfully apply the finite element method to one- and two-dimensional boundary-value problems in electromagnetics.The book is accompanied by a number of codes written by the author in Matlab. These are the finite element codes that were used to generate most of the graphs presented in this book. Specifically, there are three Matlab codes for the one-dimensional case (Chapter 1) and two Matlab codes for the two-dimensional case (Chapter 2). The reader may execute these codes, modify certain parameters such as mesh size or object dimensions, and visualize the results. The codes are available on the Morgan & Claypool Web site at http://www.morganclaypool.com.
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.
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.
Designed for students without in-depth mathematical training, this text includes a comprehensive presentation and analysis of algorithms of time-dependent phenomena plus beam, plate, and shell theories. Solution guide available upon request.
A powerful tool for the approximate solution of differential equations, the finite element is extensively used in industry and research. This book offers students of engineering and physics a comprehensive view of the principles involved, with numerous illustrative examples and exercises. Starting with continuum boundary value problems and the need for numerical discretization, the text examines finite difference methods, weighted residual methods in the context of continuous trial functions, and piecewise defined trial functions and the finite element method. Additional topics include higher order finite element approximation, mapping and numerical integration, variational methods, and partial discretization and time-dependent problems. A survey of generalized finite elements and error estimates concludes the text.
Mathematiker, Naturwissenschaftler und Ingenieure erhalten mit diesem Lehrbuch eine Einführung in die numerische Behandlung partieller Differentialgleichungen. Diskutiert werden die grundlegenden Verfahren - Finite Differenzen, Finite Volumen und Finite Elemente - für die wesentlichen Typen partieller Differentialgleichungen: elliptische, parabolische und hyperbolische Gleichungen. Einbezogen werden auch moderne Methoden zur Lösung der diskreten Probleme. Hinweise auf aktuelle Software sowie zahlreiche Beispiele und Übungsaufgaben runden diese Einführung ab.
Numerical Methods for Partial Differential Equations: An Introduction Vitoriano Ruas, Sorbonne Universités, UPMC - Université Paris 6, France A comprehensive overview of techniques for the computational solution of PDE's Numerical Methods for Partial Differential Equations: An Introduction covers the three most popular methods for solving partial differential equations: the finite difference method, the finite element method and the finite volume method. The book combines clear descriptions of the three methods, their reliability, and practical implementation aspects. Justifications for why numerical methods for the main classes of PDE's work or not, or how well they work, are supplied and exemplified. Aimed primarily at students of Engineering, Mathematics, Computer Science, Physics and Chemistry among others this book offers a substantial insight into the principles numerical methods in this class of problems are based upon. The book can also be used as a reference for research work on numerical methods for PDE’s. Key features: A balanced emphasis is given to both practical considerations and a rigorous mathematical treatment The reliability analyses for the three methods are carried out in a unified framework and in a structured and visible manner, for the basic types of PDE's Special attention is given to low order methods, as practitioner's overwhelming default options for everyday use New techniques are employed to derive known results, thereby simplifying their proof Supplementary material is available from a companion website.
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.
Geared toward undergraduate and graduate students, this text extends applications of the finite element method from linear problems in elastic structures to a broad class of practical, nonlinear problems in continuum mechanics. It treats both theory and applications from a general and unifying point of view. The text reviews the thermomechanical principles of continuous media and the properties of the finite element method, and then brings them together to produce discrete physical models of nonlinear continua. The mathematical properties of these models are analyzed, along with the numerical solution of the equations governing the discrete model. Though the theory and methods are sufficiently general to be applied to any nonlinear problem, emphasis has been placed on problems in finite elasticity, viscoelasticity, heat conduction, and thermoviscoelasticity. Problems in rarefied gas dynamics and nonlinear partial differential equations are also examined. Other topics include topological properties of finite element models, applications to linear and nonlinear boundary value problems, and discrete models of nonlinear thermomechanical behavior of dissipative media. This comprehensive text is valuable not only to students of structural analysis and continuum mechanics but also to professionals researching the numerical analysis of continua
"Geared toward advanced undergraduates or graduate students of chemical engineering studying applied mathematics, this text introduces the quantitative treatment of differential equations arising from modeling physical phenomena in chemical engineering. Coverage includes topics such as ODE-IVPs, placing emphasis on numerical methods and modeling implemented in commercial mathematical software available in 1985"--
Die Finite-Elemente-Methode wird in dieser Einführung in ihrer Komplexität auf eindimensionale Elemente heruntergebrochen. Somit bleibt die mathematische Beschreibung weitgehend einfach und überschaubar. Das Augenmerk liegt in jedem Kapitel auf der Erläuterung der Methode und deren Verständnis. Der Leser lernt, die Annahmen und Ableitungen bei verschiedenen physikalischen Problemstellungen in der Strukturmechanik zu verstehen und Möglichkeiten und Grenzen der Methode der Finiten Elemente kritisch zu beurteilen. Diese Herangehensweise ermöglicht das methodische Verständnis wichtiger Themenbereiche, wie z.B. Plastizität oder Verbundwerkstoffe und gewährleistet einen einfachen Einstieg in weiterführende Anwendungsgebiete. Ausführliche durchgerechnete und kommentierte Beispiele und weiterführende Aufgaben mit Kurzlösung im Anhang unterstützen den Lernerfolg. In der zweiten Auflage dieses Lehrbuches wurden alle graphischen Darstellungen überarbeitet, die Wärmeleitung bei den Stabelementen ergänzt und Spezialelemente als neues Kapitel aufgenommen. Auch wurde das Prinzip der virtuellen Arbeiten zur Ableitung der Finite-Elemente-Hauptgleichung eingeführt.
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.

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