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第1章 数值计算与计算机1

1.1 计算机发展史与数值模式1

1.2 计算机软件与数值模式比较3

1.2.1 计算机软件和数值模式的特点3

1.2.2 计算机软件与数值模式的发展4

1.3 程序设计对计算的影响9

1.3.1 计算方法对计算精度的影响9

1.3.2 程序设计对计算精度的影响10

1.3.3 程序设计对计算速度的影响11

1.4 数值误差与科学预测12

1.5 数值计算中值得注意的几个问题13

1.6 本章小结14

思考题15

主要参考文献15

第2章 数据储存格式变换和压缩16

2.1 计算机中数的表示和运算16

2.1.1 计算机内数的表示方法16

2.1.2 原码、反码和补码18

2.1.3 位运算方法18

2.1.4 Little-Endian Big-Endian20

2.1.5 不同系统下数据格式变换20

2.2 几种常见的数据压缩算法22

2.2.1 行程编码23

2.2.2 Huffman编码23

2.2.3 算术编码23

2.2.4 LZ系列算法24

2.2.5 整数编码28

2.3 LZSS压缩实例29

2.3.1 环形字符串缓冲区29

2.3.2 二叉查找树的应用30

2.3.3 LZSS算法的实现方法30

2.4 本章小结35

思考题35

主要参考文献36

第3章 几种自我描述格式文件37

3.1 文件概述37

3.1.1 文件的组织结构37

3.1.2 文件的存取方式38

3.1.3 文件的访问方式38

3.2 GRIB文件及其使用工具39

3.2.1 GRIB2的格式39

3.2.2 GRIB2压缩方法41

3.2.3 GRIB2格式数据访问42

3.3 HDF文件及其使用工具44

3.3.1 HDF5文件44

3.3.2 HDF5工具软件45

3.3.3 HDF5库简介46

3.3.4 使用HDF5库的实例47

3.4 NetCDF文件及其使用工具50

3.4.1 NetCDF文件51

3.4.2 NetCDF工具软件52

3.4.3 NetCDF库简介52

3.4.4 使用NetCDF库的实例53

3.5 并行HDF和NetCDF库的接口简介57

3.6 本章小结58

思考题58

主要参考文献59

第4章 无微分算法及其应用实例60

4.1 方程求解算法60

4.1.1 使用反拉格朗日多项式求解方程60

4.1.2 二分法算法62

4.1.3 试位法算法62

4.1.4 雷德斯算法63

4.1.5 反二次插值试位法算法65

4.2 单元函数的极值搜寻计算66

4.2.1 黄金分割搜寻67

4.2.2 斐波那契搜寻68

4.3 多元函数的极值搜寻计算70

4.3.1 Nelder-Mead算法70

4.3.2 多元方向设置算法78

4.3.3 现代随机优化算法82

4.4 无微分算法的应用实例87

4.5 本章小结88

思考题89

主要参考文献89

第5章 高精度计算程序设计91

5.1 高精度数的基本表示方法91

5.1.1 高精度数的储存形式91

5.1.2 高精度整数与小数92

5.1.3 数字存放顺序92

5.1.4 数的进制设置92

5.1.5 数的输入与输出转换93

5.2 高精度加法和减法94

5.3 高精度乘法的直接计算98

5.3.1 高精度乘法计算基础99

5.3.2 高精度整数乘法99

5.3.3 高精度浮点数乘法101

5.4 使用FFT进行高精度乘法的计算103

5.4.1 快速傅里叶变换原理103

5.4.2 使用FFT进行多项式乘法的计算原理106

5.4.3 FFT程序设计107

5.4.4 使用FFT进行长整数乘法计算的实例109

5.5 高精度除法110

5.5.1 直接进行高精度除法计算110

5.5.2 高精度除法快速计算111

5.6 高精度乘方和开方112

5.7 本章小结113

思考题113

主要参考文献113

第6章 等值线图制作技术及程序设计115

6.1 等值线标注字体和连线115

6.1.1 点阵字体和矢量字体115

6.1.2 作图连线方法116

6.1.3 数字的矢量表示法117

6.1.4 小数点和负号的表示法119

6.2 等值线插值119

6.2.1 插值点的判别119

6.2.2 插值计算方法119

6.2.3 插值过程和顺序120

6.3 等值线生成法121

6.3.1 追踪法121

6.3.2 拼图法123

6.4 等值线图绘制的基本设计124

6.4.1 图形数据与图形显示124

6.4.2 等值线标注124

6.4.3 等值线生成控制125

6.4.4 等值线平滑126

6.4.5 等值线显示设计128

6.5 等值线图填充129

6.5.1 一般的图形填充方法129

6.5.2 等值线图的填充方法132

6.6 等值线作图的实例134

6.7 等值线作图的应用139

6.7.1 等值线科学应用139

6.7.2 等值面积和体积的计算140

6.7.3 等值线剖面图的绘制140

6.8 本章小结140

思考题141

主要参考文献141

第7章 字符串表达式匹配的程序设计143

7.1 字符及转义143

7.1.1 普通字符及其转义143

7.1.2 特殊字符及其转义144

7.2 正则表达式145

7.2.1 单元符145

7.2.2 定位符146

7.2.3 限定符146

7.3 通配符147

7.3.1 常见的通配符147

7.3.2 通配符与正则表达式的区别148

7.4 字符串匹配过程中的问题148

7.5 字符串匹配程序的设计方法149

7.6 正则表达式匹配的编程实例150

7.6.1 正则表达式字符串的解释151

7.6.2 一个简单的正则表达式匹配程序154

7.7 通配符匹配的编程实例156

7.8 本章小结159

思考题160

主要参考文献160

第8章 简单脚本运行程序的设计161

8.1 解释程序的工作原理161

8.1.1 解释程序的运行过程161

8.1.2 解释程序工作环境的设计162

8.2 解释程序设计的技术基础163

8.2.1 脚本语言的关键字164

8.2.2 控制语句分类164

8.2.3 对脚本解释的方法165

8.2.4 对单语句的规定166

8.2.5 对程序块的处理方法167

8.3 解释程序运行过程的初步设计169

8.3.1 脚本的装载169

8.3.2 脚本关键字的确定和关键字查寻表170

8.3.3 脚本程序的主函数171

8.3.4 脚本打印语句的解释方法172

8.3.5 脚本函数的解释方法173

8.4 利用递归原理设计解释程序175

8.4.1 递归式解释的主控函数175

8.4.2 递归式解释的用户自定义函数176

8.4.3 递归式解释的循环控制177

8.4.4 递归式解释的条件控制179

8.5 利用堆栈原理设计解释程序180

8.6 一个对脚本文件解释的实例185

8.7 本章小结187

思考题188

主要参考文献188

第9章 计算程序代码的优化设计189

9.1 程序优化概述189

9.1.1 程序优化层次189

9.1.2 程序优化分类190

9.2 程序可维护性的优化设计190

9.3 程序代码优化的基本方法191

9.3.1 删除冗余代码191

9.3.2 提出公用子表达式192

9.3.3 简化运算步骤193

9.3.4 减小计算强度194

9.4 程序代码结构的优化196

9.4.1 变量的优化197

9.4.2 表达式的优化198

9.4.3 一般函数结构的优化198

9.4.4 减小程序复杂度200

9.4.5 降低数组维数201

9.5 程序控制结构的优化201

9.5.1 顺序结构的优化201

9.5.2 选择结构的优化202

9.5.3 循环结构的优化208

9.6 内存使用的优化213

9.7 与编译器或处理器相关的优化215

9.7.1 使用修饰符215

9.7.2 对字节对齐优化217

9.7.3 数组下标排列及其优化218

9.7.4 使用2的乘方数221

9.7.5 合理分配寄存器221

9.8 递归函数的优化222

9.9 本章小结225

思考题226

主要参考文献226

第10章 可复用计算程序的设计227

10.1 可复用程序的设计概述227

10.1.1 复用程序与设计可复用程序227

10.1.2 影响程序可复用性的因素228

10.1.3 通用程序与可复用程序228

10.1.4 可复用程序的“手性”特点229

10.2 “手掌型”可复用程序的设计230

10.2.1 程序的封装230

10.2.2 使用模板231

10.2.3 使用共享环境234

10.2.4 使用泛型236

10.3 “掌指关节型”可复用程序的设计237

10.3.1 代码替换237

10.3.2 变量替换240

10.3.3 函数调用接口覆盖241

10.3.4 使用类型转换共享函数调用接口245

10.3.5 共享I/O接口247

10.4 “手指型”可复用程序的设计249

10.4.1 “手指型”与“手掌型”可复用程序设计的比较249

10.4.2 使用相对性对象249

10.4.3 使用情景函数250

10.5 C＋＋程序的复用机制250

10.6 本章小结252

思考题253

主要参考文献253

第11章 并行计算MPI程序设计基础254

11.1 并行程序的设计基础254

11.1.1 线程与进程254

11.1.2 并行程序设计模型255

11.1.3 并行计算的通信257

11.1.4 并行程序的工作任务分解257

11.1.5 并行计算的工作原理258

11.2 MPI并行程序设计入门259

11.3 MPI的基本通信操作261

11.3.1 点对点通信（P2P）261

11.3.2 集合通信262

11.3.3 通信阻塞与同步267

11.4 MPI进程组和通信子268

11.4.1 进程组管理268

11.4.2 通信集管理270

11.4.3 通信分组应用实例271

11.5 进程拓扑结构272

11.5.1 笛卡儿拓扑结构272

11.5.2 图拓扑结构276

11.5.3 进程拓扑应用实例277

11.6 派生数据类型279

11.6.1 数据类型查询函数279

11.6.2 新类型的构建280

11.6.3 提交和释放282

11.6.4 派生数据类型应用实例282

11.7 本章小结284

思考题284

主要参考文献285

第12章 数值计算的混合编程286

12.1 混合编程的实现方法286

12.1.1 结合式的连接方法286

12.1.2 调用式连接的方法287

12.1.3 中介式连接的方法288

12.2 Fortran与C/C＋＋语言的混合编程289

12.2.1 Fortran与C/C＋＋比较290

12.2.2 Fortran与C/C＋混合编程的简单实例291

12.2.3 Fortran与C/C＋＋程序之间的参数传递方法296

12.2.4 通过库文件进行Fortran C/C＋＋的混合编程300

12.3 低版本与高版本语言的混合编程303

12.3.1 C与C＋＋间的混合编程303

12.3.2 F77与F90/95间的混合编程305

12.4 脚本与计算程序的混合编程306

12.4.1 计算作业自动提交脚本的设计306

12.4.2 绘图程序与计算程序的混合编程308

12.5 本章小结311

思考题312

主要参考文献312

第13章 UNIX/Linux系统下计算的辅助编程313

13.1 文件和目录管理操作313

13.1.1 system（）函数313

13.1.2 文件和目录管理函数314

13.1.3 文件的遍历查找319

13.2 编写一个在Xnix系统下运行的服务程序320

13.3 在Xnix系统下建立回收站326

13.4 SSH自动登录328

13.4.1 公钥与私钥的设置方法328

13.4.2 使用expect的方法330

13.5 本章小结330

思考题331

主要参考文献331