Peter Knabner

This graduate-level text provides an application oriented introduction to the numerical methods for elliptic and parabolic partial differential equations. It covers finite difference, finite element, and finite volume methods, interweaving theory and applications throughout. The book examines modern topics such as adaptive methods, multilevel methods, and methods for convection-dominated problems and includes detailed illustrations and extensive exercises. For students with mathematics major it is an excellent introduction to the theory and methods, guiding them in the selection of methods and helping them to understand and pursue finite element programming. For engineering and physics students it provides a general framework for the formulation and analysis of methods. This second edition sees additional chapters on mixed discretization and on generalizing and unifying known approaches; broader applications on systems of diffusion, convection and reaction; enhanced chapters on node-centered finite volume methods and methods of convection-dominated problems, specifically treating the now-popular cell-centered finite volume method; and the consideration of realistic formulations beyond the Poisson's equation for all models and methods.

This graduate-level text provides an application oriented introduction to the numerical methods for elliptic and parabolic partial differential equations. It covers finite difference, finite element, and finite volume methods, interweaving theory and applications throughout. The book examines modern topics such as adaptive methods, multilevel methods, and methods for convection-dominated problems and includes detailed illustrations and extensive exercises. For students with mathematics major it is an excellent introduction to the theory and methods, guiding them in the selection of methods and helping them to understand and pursue finite element programming. For engineering and physics students it provides a general framework for the formulation and analysis of methods. This second edition sees additional chapters on mixed discretization and on generalizing and unifying known approaches; broader applications on systems of diffusion, convection and reaction; enhanced chapters on node-centered finite volume methods and methods of convection-dominated problems, specifically treating the now-popular cell-centered finite volume method; and the consideration of realistic formulations beyond the Poisson's equation for all models and methods.

Sie möchten eventuell Mathematik studieren, wissen aber noch nicht, was wirklich auf Sie zukommt? Im ersten Studienjahr des Mathematikstudiums stellt das hohe Maß an Rigorosität und Abstraktion oft eine große Hürde dar - trotz der deutlichen inhaltlichen Überlappungen mit der Schulmathematik. Häufig liegt das an einer Schwerpunktverschiebung weg vom “Rechnen” hin zum Verstehen und Entwickeln von Mathematik. Dieses Buch führt Leser*innen in die wissenschaftlich-mathematische Denkweise an Universitäten ein, ohne dabei die Schulmathematik zu wiederholen. Informatikstudent*innen erhalten darüber hinaus eine Basis für das Verständnis der Konzepte des eigenen Faches und einen algorithmischen Zugang zu der oft nur als Werkzeug verstandenen Mathematik. Der Text ist insbesondere zum Selbststudium gedacht, mit vielen Programmierbeispielen in Python und zahlreichen Übungsaufgaben inkl. allen zugehörigen Lösungen und Programmcodes. Das Buch gliedert sich in zwei Teile. Im erstenTeil wird in die Grundlagen des logischen Arbeitens eingeführt: Mathematik hat mit Logik zu tun, aber wie genau und was ist Logik? Was ist die Basis für mathematisches Denken, wann sind mathematische Gedankengänge präzise und wie drückt man sie aus und schreibt sie auf? Im zweiten Teil geht es um die Frage, was Zahlen eigentlich sind und woher sie kommen. Von den natürlichen über die ganzen und rationalen Zahlen führt der Weg zu den reellen Zahlen, die sich meist als Dezimalzahl nicht mehr exakt hinschreiben, sondern nur noch beliebig genau approximieren lassen. Solche Rechenverfahren lässt man besser Computer ausführen, daher wird parallel zur Mathematik auch in das Programmieren mit Python eingeführt. Alle entwickelten Algorithmen, angefangen von der Definition einer Addition durch einfaches Hochzählen bis hin zur beliebig genauen Approximation der Kreiszahl p, werden damit realisiert. Der Leser erhält so neben einer soliden Einführung in die Grundlagen der Mathematik auchdas notwendige Handwerkszeug für programmiertechnische Anwendungen.

Die erste Auflage hat als umfassendes Lehr-, Lern- und Referenzbuch der Linearen Algebra viel positive Resonanz hervorgerufen. In dieser zweiten Auflage wurde der Inhalt überarbeitet und erweitert. Ziel des Buchs ist es, die Theorie und Anwendungen linearer Strukturen und die Vernetzung der Inhalte deutlich zu machen. Es wird klar, wie z. B. Aspekte der affinen Geometrie (wichtig fürs Lehramt), Spektralanalyse und lineare Differentialgleichungen (essentiell in der Physik) sowie die Anfänge der linearen und quadratischen Optimierung (Teil der Wirtschaftsmathematik) zusammenhängen. Die erarbeitete Theorie und Algorithmik wird durchgängig mit innermathematischen Themen verbunden. Die Leserinnen und Leser können auf diese Weise die Verbindungen zwischen den einzelnen Themengebieten erkennen und vertiefen. Darüber hinaus wird auch immer ein Bezug zu realen Anwendungen hergestellt. Eine klare optische Struktur der Inhalte ermöglicht es den Leserinnen und Leser zudem, den Kerntextvon weiterführenden Bemerkungen leicht zu unterscheiden.Dieser Band wird durch einen Aufgaben- und Lösungsbuch ergänzt.

Dieser Aufgabenband bietet Studienanfängern einen neuen Zugang zum umfangreichen Stoff der Linearen Algebra: Das Buch enthält ausführliche Lösungsvorschläge für alle Aufgaben aus dem zugrunde liegenden Lehrbuch der Autoren, wobei aber ausgewählte Übungen mehrfach aufgegriffen und aus einem jeweils neuen Blickwinkel betrachtet werden, wenn sich das Stoffverständnis weiterentwickelt hat. Dadurch kann der Leser die Inhalte der Vorlesung leichter nachvollziehen und sich die Lerninhalte, an den Aufgaben orientiert, selbst erarbeiten. Hierbei werden auch fundamentale Aspekte des Gebiets sowie inner- und außermathematische Auswirkungen der Ergebnisse deutlicher.

Dieses mit ausgefallenen und lehrreichen Beispielen versehene Buch beinhaltet die wesentlichen Aspekte der mehrdimensionalen Analysis und der gewöhnlichen Differentialgleichungen. Diese interessanten und anwendungsorientierten Inhalte der Mathematik sind in zahlreichen Studiengängen von großem Interesse. An wen richtet sich also dieses Buch? Neben den Studierenden der Ingenieurwissenschaften und technisch-physikalisch orientierten Studiengänge profitieren auch in besonderer Weise Lehramtsstudierende wegen der beispielorientierten Aufbereitung der anspruchsvollen Inhalte von diesem Werk. Ebenso ist dieses Buch für Studierende des Faches Mathematik neben den zahlreichen kreativen Beispielen auch durch die Beweisorientierung vieler Aussagen ein großer Gewinn. Gibt es eine weitere Besonderheit in diesem Buch? Natürlich! Jeder Abschnitt wird mit Aufgaben unterschiedlichen Niveaus ausgestattet, welche passgenau die besprochenen Inhalte aufgreifen. Somit bieten240 Aufgaben den Leserinnen und Lesern die Möglichkeit, den Stoff zu vertiefen und Freude an der Materie zu gewinnen. Ein gesondertes Lösungsbuch mit gleichnamigem Titel gibt es selbstverständlich auch!

Dieses Buch bietet Lösungen zu den 240 Aufgaben aus dem Buch „Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler - Band 2: Analysis in R^n und gewöhnliche Differentialgleichungen“. Die Lösungen sind detailliert und verständlich ausgearbeitet, bei einigen Aufgaben werden alternative Lösungswege vorgestellt und verglichen. Bedingt durch das breite Aufgabenspektrum eignet sich dieses Aufgaben- und Lösungsbuch für diverse Studiengänge. Neben den Studierenden der Ingenieurwissenschaften und technisch-physikalisch orientierten Studiengänge profitieren auch in besonderer Weise Lehramtsstudierende und Studierende des Faches Mathematik von der Aufgabenvielfalt.

Mathematical models are the decisive tool to explain and predict phenomena in the natural and engineering sciences. With this book readers will learn to derive mathematical models which help to understand real world phenomena. At the same time a wealth of important examples for the abstract concepts treated in the curriculum of mathematics degrees are given. An essential feature of this book is that mathematical structures are used as an ordering principle and not the fields of application. Methods from linear algebra, analysis and the theory of ordinary and partial differential equations are thoroughly introduced and applied in the modeling process. Examples of applications in the fields electrical networks, chemical reaction dynamics, population dynamics, fluid dynamics, elasticity theory and crystal growth are treated comprehensively.

Dieses Lehrbuch bietet eine lebendige und anschauliche Einführung in die mathematische Modellierung von Phänomenen aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften. Die Leserin und der Leser lernen mathematische Modelle zu verstehen und selbst herzuleiten und finden gleichzeitig eine Fülle von wichtigen Beispielen für die im Mathematikstudium behandelten abstrakten Konzepte. Es werden Methoden aus der Linearen Algebra, der Analysis und der Theorie der gewöhnlichen und partiellen Differentialgleichungen benutzt bzw. sorgfältig eingeführt. Anwendungsbeispiele aus den Bereichen elektrische Netzwerke, chemische Reaktionskinetik, Populationsdynamik, Strömungsdynamik, Elastizitätstheorie und Kristallwachstum werden ausführlich behandelt. Der Stoffumfang des Buches eignet sich für bis zu zwei vierstündige Vorlesungen für Studierende der Mathematik und der Ingenieur- oder Naturwissenschaften ab dem vierten Semester.

Das Buch bietet detailliert und verständlich ausgearbeitete Lösungsvorschläge zu den 430 Aufgaben aus dem Buch "Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Lineare Algebra und Analysis in R". Zahlreiche dieser Lösungsvorschläge werden gesondert besprochen und analysiert, und bei einigen Aufgaben werden verschiedene Lösungswege vorgelegt. Bedingt durch das breite Aufgabenspektrum, eignet sich dieses Lösungsbuch für eine Vielzahl von Studiengängen. Neben den Studierenden aus den Ingenieurstudiengängen, profitieren auch in besonderer Weise Mathematik- und Lehramtsstudierende von der Aufgabenvielfalt.

Das Buch beinhaltet alle Themen einer Mathematikvorlesung, die für Ingenieure in den beiden ersten Semestern an deutschen Universitäten relevant sind: Lineare Algebra und Analysis in einer Raumdimension. Eine detaillierte Darstellung und zahlreiche kreative und teils ausgefallene Beispiele, die an jeder Stelle zu finden sind, zeichnen dieses Buch aus. Zusätzliches Übungsmaterial wird per Video im Internet bereitgestellt. Da die meisten Aussagen bewiesen bzw. mit einer Beweisidee versehen werden, ist es auch für Studierende des Lehramtes und der Mathematik (Bachelor) als hervorragende Ergänzung geeignet. Das Buch basiert auf jahrzehntelanger Lehrerfahrung an der Universität Erlangen und wichtige Teile des Buches entstammen aus dort entstandenen Skripten.

This text provides an introduction to numerical methods for partial differential equations interweaving both theory and applications throughout. It covers finite difference, finite element and finite volume methods.

Dieses Lehrbuch bietet eine Einführung in Diskretisierungsmethoden für partielle Differentialgleichungen. Im Mittelpunkt steht das Finite-Element-Verfahren, aber es werden auch Finite-Differenzen- und Finite-Volumen-Verfahren behandelt. Basierend auf einer mathematisch präzisen Darstellung von Verfahren und ihrer Theorie spannt der Text den Rahmen bis hin zur Finite-Element-Implementierung. Dies beinhaltet eine Einführung in moderne Entwicklungen wie Multilevel- oder adaptive Verfahren. Das Spektrum der behandelten Differentialgleichungen reicht von linearen elliptischen Randwertaufgaben bis zu - auch konvektionsdominierten - nichtlinearen parabolischen Problemen. Diese werden jeweils durch Modelle aus einem spezifischen Anwendungsgebiet illustriert. Das Lehrbuch entspricht im Umfang etwa einer einsemestrigen Veranstaltung mit Ergänzungen und wendet sich an Studierende der Mathematik und der Ingenieur- oder Naturwissenschaften nach dem Vordiplom.

Transport und Sorption geloster Stoffe in porosen Medien sind von fundamentaler Bedeutung in verschiedenen Gebieten, von analytischer Chemie und chemischer Verfahrenstechnik zu Bodenkunde und Hydrologie. Die vorliegende Arbeit entwickelt ein allgemeines mathematisches Modell in Form eines Systems aus nichtlinearen parabolischen und gewohnlichen Differentialgleichungen. Die typische Form von Adsorptionsisothermen hat Singularitaten in den Nichtlinearitaten des Systems zur Folge, sogenannte Degeneration. Nach grundsatzlichen Fragen (eindeutige Existenz, Stabilitat, Grenzverhalten) werden fur eine Raumdimension die qualitativen Eigenschaften von Losungen untersucht. Nichtlineare Struktur und Degeneration bedingen laufende Wellen und die (physikalisch korrekte) Existenz scharfer Konzentrationsfronten. Numerische Simulationen schliessen die Arbeit ab."