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计算科学

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X-43A试验机于7马赫速度时的计算流体力学(CFD)等值线图
X-43A试验机于7马赫速度时的计算流体力学(CFD)等值线图

计算科学,又称科学计算,是一个与数学模型构建、定量分析方法以及利用电脑来分析和解决科学问题相关的研究领域。在实际应用中,计算科学主要应用于:对各个科学学科中的问题,进行电脑模拟和其他形式的计算。

这一领域不同于电脑科学(对于计算、电脑以及信息处理的研究),同时也异于科学和工程学的传统形式——理论与实验。科学计算技术要想获得理解,主要需要通过在电脑上实现的数学模型进行分析。

科学家和工程师发展了电脑程序应用软件,来为被研究的系统创建模型,并以多种输入参数运行这些程序。一般来说,这些模型需要大量的计算(通常为浮点计算),常在超级电脑分布式计算平台上执行。

数值分析是计算科学中使用的技法的重要基础。

应用

计算科学的问题域包括:

数值模拟

数值模拟有各种不同的目的,取决于被模拟的任务的特性:

  • 重建和理解已知事件(如地震、海啸和其他自然灾害)。
  • 预测未来或未被观测到的情况(如天气、亚原子粒子的行为)。

模型拟合与数据分析

  • 适当调整模型或利用观察来解方程,不过也需要服从模型的约束条件(如石油勘探地球物理学、计算语言学)。
  • 利用图论创建网络的模型,特别是那些相互联系的个人、组织和网站的模型。

计算优化

  • 最优化已知方案(如工艺和制造过程、前端工程学)。

方法和算法

计算科学中的算法和数学方法是多样的,常用的应用方法包括:

程序设计语言普遍应用于科学计算应用中偏向数学的方面,包括R语言MATLABMathematica[1]ScilabGNU OctaveCOMSOL MultiphysicsSciPyPython语言等。偏向于密集型计算的科学计算常会利用C语言Fortran的一些变体以及BLASLAPACK等最优化代数库。

计算科学应用程序常常创建真实世界变化情况的模型,包括天气、飞机周围的气流、事故中的汽车车身变形、星系中恒星的运动、爆炸设备等。这类程序会在电脑内存中创建一个“逻辑网格”,网格中的每一项在空间上都对应一个区域,并包含与模型相关的那一空间的信息。例如在天气模型中,每一项都可以是一平方千米,并包含了地面海拔、当前风向、温度、压力等。程序会在模拟时步中基于当前状态计算出可能的下一状态,解出描述系统运转方式的方程,然后重复上述过程计算出下一状态。

计算科学家”一词常用于描述科学计算领域中的技能高超者。他们通常是科学家、统计学家或应用数学家,会以不同方式应用高性能电脑,以提高他们各自的应用学科(如物理学、化学或工程学的相关学科)中最先进的理论和技术水平。科学计算也对经济学、生物学及医学等领域有着越来越大的影响。

计算科学常被认为是科学的第三种方法,是实验/观察理论这两种方法的补充和扩展。[2] 计算科学的本质是数值算法[3]以及计算数学[4]。在发展科学计算算法、程序设计语言的有效实现以及计算结果确认上,人们已经做出了实质性的努力。计算科学中的一系列问题和解决方法都可以在相关文献中找到。[5]

教育

应用数学电脑科学的教学大纲中,或是在标准的数学、科学或工程学的教学大纲中常会有计算科学的相关课程。在一些研究型学府中,科学计算可以作为另一个同层次或不同层次主修专业的辅修专业。不过近年来,欧美的计算科学专业学士和硕士学位获得者正在不断增加,一些学校还设有计算科学、计算工程学、计算科学与工程以及科学计算专业的博士点,而大中华地区的很多学校也开设了信息与计算科学的本科专业。

计算物理学计算化学等专业也有一些学校开设。

相关领域

参见

参考文献

  1. ^ Mathematica 6页面存档备份,存于互联网档案馆) Scientific Computing World, May 2007
  2. ^ 工业与应用数学协会(SIAM). [2010-08-01]. (原始内容存档于2018-01-01). 
  3. ^ Nonweiler T. R., 1986. Computational Mathematics: An Introduction to Numerical Approximation, John Wiley and Sons
  4. ^ Yang X. S., 2008. Introduction to Computational Mathematics, World Scientific Publishing
  5. ^ Steeb W.-H., Hardy Y., Hardy A. and Stoop R., 2004. Problems and Solutions in Scientific Computing with C++ and Java Simulations, World Scientific Publishing. ISBN 981-256-112-9

外部链接

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