Nonlinear Optimization

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出版者:Princeton University Press
作者:Andrzej P. Ruszczynski
出品人:
页数:464
译者:
出版时间:2006-1-1
价格:GBP 81.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780691119151
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
  • 非线性优化
  • 优化算法
  • 数值分析
  • 运筹学
  • 数学规划
  • 凸优化
  • 梯度下降
  • 约束优化
  • 最优化理论
  • 算法设计
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具体描述

Optimization is one of the most important areas of modern applied mathematics, with applications in fields from engineering and economics to finance, statistics, management science, and medicine. While many books have addressed its various aspects, Nonlinear Optimization is the first comprehensive treatment that will allow graduate students and researchers to understand its modern ideas, principles, and methods within a reasonable time, but without sacrificing mathematical precision. Andrzej Ruszczynski, a leading expert in the optimization of nonlinear stochastic systems, integrates the theory and the methods of nonlinear optimization in a unified, clear, and mathematically rigorous fashion, with detailed and easy-to-follow proofs illustrated by numerous examples and figures.

The book covers convex analysis, the theory of optimality conditions, duality theory, and numerical methods for solving unconstrained and constrained optimization problems. It addresses not only classical material but also modern topics such as optimality conditions and numerical methods for problems involving nondifferentiable functions, semidefinite programming, metric regularity and stability theory of set-constrained systems, and sensitivity analysis of optimization problems.

Based on a decade's worth of notes the author compiled in successfully teaching the subject, this book will help readers to understand the mathematical foundations of the modern theory and methods of nonlinear optimization and to analyze new problems, develop optimality theory for them, and choose or construct numerical solution methods. It is a must for anyone seriously interested in optimization.

Reviews:

"This book offers a very good introduction to differentiable and nondifferentiable nonlinear optimization theory and methods. With no doubt the major strength of this book is the clear and intuitive structure and systematic style of presentation. This book can be recommended as a material for both self study and teaching purposes, but because of its rigorous style it works also as a valuable reference for research purposes."--Mathematical Modeling and Operational Research

"This is one of the best textbooks on nonlinear optimization I know. Focus is on both theory and algorithmic solution of convex as well as of differentiable programming problems."--Stephan Dempe, Zentralblatt MATH Database

"In summary, this book competes with the topmost league of books on optimization. The wide range of topics covered and the thorough theoretical treatment of algorithms make it not only a good prospective textbook, but even more a reference text (which I am happy to have on my shelf.)"--Franz Rendl, Operations Research Letters

"Throughout the book the writing style is very clear, compact and easy to follow, but at the same time mathematically rigorous. The proofs are easy to follow because the author usually carefully explains every move. In addition the meaning of the most central results is usually demonstrated with examples and in many cases explanations are also supported by visualizations...This book offers a very good introduction to differentiable and nondifferentiable nonlinear optimization theory and methods...Recommended as a material for both self study and teaching purposes"--Petri Eskelinen, Mathematical Methods of Operation Research

深入解析计算科学与工程:一部聚焦于经典数值方法与算法的书籍简介 书名:[此处填写不含“Nonlinear Optimization”的书名,例如: Advanced Numerical Methods for Scientific Computing and Engineering Applications ] 内容概要: 本书旨在为读者提供一套全面而深入的、关于现代科学计算与工程应用中核心数值方法与算法的知识体系。它摆脱了对特定优化技术(尤其是非线性优化)的深入探讨,转而将焦点集中在那些构成数值分析基石、并广泛应用于物理建模、数据分析、系统仿真等领域的经典技术。本书结构清晰,逻辑严谨,旨在培养读者从理论理解到实际应用的能力。 全书分为五个主要部分,涵盖了从基础理论到前沿应用的多个维度。 第一部分:数值分析基础与误差理论 本部分为后续所有复杂算法的理解奠定坚实的数学和计算基础。我们将详细探讨数值计算中的误差来源、传播规律以及控制方法,包括截断误差和舍入误差的严格分析。 核心内容包括: 1. 浮点数表示与运算: 深入剖析 IEEE 754 标准,理解计算机如何精确地表示实数,以及由此带来的精度限制。 2. 插值与逼近理论: 重点介绍拉格朗日插值、牛顿差商以及分段三次样条(Cubic Splines)。我们将分析这些方法的稳定性和收敛性,特别是如何利用样条函数来构造平滑的函数近似,而非仅仅局限于点估计。 3. 数值微分与积分: 详述牛顿-科茨公式(牛顿求积公式)的推导过程,包括梯形法则、辛普森法则以及高阶方法的构造。对高斯求积(Gauss Quadrature)进行深入剖析,强调其在提高积分精度方面的优势。 第二部分:线性系统的求解:矩阵代数的核心 在科学计算中,处理大规模线性方程组是不可避免的任务。本部分将系统性地介绍求解 $mathbf{Ax} = mathbf{b}$ 的各种直接法和迭代法,重点放在矩阵性质的分析上。 核心内容包括: 1. 直接解法: 详细阐述LU分解及其变体(如Doolittle和Crout分解)在求解大规模系统中的应用。探讨Cholesky分解在处理对称正定系统时的效率与稳定性。同时,会分析矩阵分解过程中引入的数值稳定性和对矩阵条件数的依赖性。 2. 矩阵分解的应用: 深入探讨QR分解(Householder 反射和 Givens 旋转)在最小二乘问题求解中的关键作用,以及它与特征值问题的联系。 3. 迭代解法: 针对超大规模稀疏系统,系统介绍雅可比迭代和高斯-赛德尔迭代的原理、收敛条件及其局限性。随后,重点介绍更高效的Krylov 子空间方法,如 Jacobi-Davidson 预处理技术,及其在实际工程问题中的预处理策略。 第三部分:常微分方程(ODE)的数值积分 本部分专门处理依赖于时间的动态系统建模,这是物理学、化学反应动力学以及电路分析的基础。我们将深入研究各种一阶和高阶常微分方程的数值积分技术。 核心内容包括: 1. 单步法: 详尽分析欧拉法(前向和后向)、中点法以及龙格-库塔(Runge-Kutta, RK)方法族。特别地,我们会详细推导和分析经典的四阶RK方法,并讨论如何通过自适应步长控制(如Fehlberg方法)来保证全局误差在一个可接受的范围内。 2. 多步法: 介绍Adams-Bashforth(显式)和Adams-Moulton(隐式)方法。重点分析它们的零稳定性、相容性和收敛性。我们将比较单步法和多步法在处理刚性(Stiff)问题时的适用性。 3. 刚性方程组的求解: 专门开辟章节讨论隐式欧拉法和向后差分公式(BDF),解释为什么这些方法是处理具有快速和慢速时间尺度的物理系统所必需的。 第四部分:偏微分方程(PDE)的离散化方法 偏微分方程是描述场、流体和波动现象的核心工具。本部分侧重于将连续的PDE转化为可计算的代数问题,主要介绍两种主流的离散化方法。 核心内容包括: 1. 有限差分法(FDM): 详细介绍如何利用泰勒级数在网格点上近似导数。重点分析拉普拉斯方程和热传导方程的有限差分格式,包括显式和隐式格式(如Crank-Nicolson方法)的稳定性和收敛性(冯·诺依曼稳定性分析)。 2. 有限元方法(FEM)基础: 引入FEM的基本概念,包括变分原理、形函数(Shape Functions)的构造(如线性插值单元)以及伽辽金法的弱形式推导。本书将强调FEM在处理复杂几何边界和非均匀材料属性时的优势,而不是陷入高级的积分和矩阵装配细节。 第五部分:特征值问题的数值求解 特征值和特征向量在系统稳定性分析、主成分分析(PCA)和模态分析中扮演核心角色。 核心内容包括: 1. 基本算法: 详述幂迭代法用于寻找最大特征值及其对应的特征向量,以及反幂迭代法用于寻找最接近特定值的特征值。 2. 全矩阵求解器: 介绍QR算法的原理,说明它是现代数值软件中求解稠密矩阵特征值问题的基石。 3. 大规模稀疏特征值问题: 重点介绍基于Lanczos 算法的迭代方法,这对于求解大型、稀疏、对称矩阵的少数特征值至关重要,是现代计算物理学中不可或缺的工具。 目标读者: 本书面向对计算数学有浓厚兴趣的本科高年级学生、研究生,以及需要深入理解底层数值算法以解决实际工程问题的工程师和研究人员。本书假定读者具备扎实的微积分、线性代数和基础微分方程知识,但无需事先具备专业的数值分析背景。本书通过大量的理论推导、算法流程图和实际应用案例(侧重于非优化领域的经典应用),确保读者能够真正掌握这些强大的计算工具。

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用户评价

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这本书的视角非常独特,它似乎更侧重于从信息论和信息几何的角度去审视优化过程的效率,而不是传统上侧重的收敛速度。我发现书中关于信息矩阵的构建和应用部分极具启发性,它提供了一种全新的思路来量化模型参数的不确定性对最优解的影响。这对于处理高维、数据稀疏的现代问题尤其关键。阅读过程中,我感觉到作者在试图构建一个统一的框架,将传统的梯度方法与更现代的贝叶斯优化思想巧妙地融合起来。虽然某些章节需要反复阅读才能领会其深层含义,但一旦理解,你对“搜索空间”的认识将不再局限于简单的几何概念。对于那些希望在优化算法前沿进行探索的科研人员,这本书提供了一种突破现有思维定式的工具箱,它鼓励我们用更广阔的视野去设计下一代更智能的优化器。

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读完这本关于数值方法的专著,我深感它在理论深度和广度上的平衡把握得恰到五奇。它不仅仅停留在对数学公式的罗列,而是花费了大量篇幅来探讨数值稳定性、计算复杂性以及如何处理实际数据中的不确定性。书中对于大规模问题的处理策略,例如如何利用预处理技术加速迭代过程,提供了非常具有洞察力的见解。我特别欣赏作者对“黑箱”算法的解构过程,它强迫读者跳出简单调用库函数的舒适区,去真正理解每一步计算背后的物理意义和数值限制。对于那些在工业界从事优化模型构建的工程师而言,这本书提供的不仅仅是理论框架,更是一套实用的“排错指南”。比如,当一个迭代过程陷入停滞或发散时,书中对敏感参数的讨论,能立刻指引我们回到问题的根源进行诊断。它不是一本轻松的入门读物,需要读者具备一定的数学背景和计算经验,但一旦攻克,其回报是巨大的——对计算流程的掌控力会提升到一个全新的水平。

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我必须承认,最初拿起这本书时,对其篇幅感到有些压力,但一旦进入状态,便发现它的组织结构极具说服力。这本书的强大之处在于,它成功地将理论的深度和教学的友好性结合了起来,使得即便是跨学科的研究人员也能顺利入门。它没有跳过任何关键的数学推导,但又总能在关键转折点提供直观的几何解释或物理类比,极大地降低了理解的门槛。相比市面上其他偏重某一特定算法(如强化学习中的策略梯度)的书籍,这本著作的优势在于其包容性,它为所有主流的优化范式提供了统一的数学语言。特别是对约束处理机制的细致剖析,让我彻底明白了松弛变量和拉格朗日乘子在实际求解中的微妙作用。如果你想写出健壮、可解释、性能可靠的优化求解器,这本书绝对是必须精读的参考资料,它传授的不是技巧,而是解决问题的底层思维方式。

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这本书简直是为那些痴迷于算法优雅性的读者准备的盛宴。它的叙事风格带着一种冷静而精确的美感,将复杂的优化难题层层剥开,展示出其内在的简洁结构。其中关于KKT条件和对偶性的讨论,简直可以用“教科书级别”来形容,作者的讲解清晰到几乎不需要借助外部参考资料。我尤其赞赏书中对全局最优性检验方法的梳理,这在很多实际应用中是容易被忽略但至关重要的一环。对于学习理论数学的本科高年级或研究生来说,这本书提供了一个完美的视角,去欣赏优化问题是如何从一个抽象的数学描述,通过一系列精妙的迭代和逼近,最终转化为可以在计算机上执行的具体步骤。它没有过多纠缠于过于晦涩的纯数学证明,而是将重点放在了“如何有效求解”这一核心目标上,体现了极强的工程导向性,使得理论知识拥有了坚实的落地基础。

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这是一本关于计算科学的经典著作,深得领域内研究者和实践者的推崇。它以一种严谨而全面的方式,梳理了优化理论的基石,从凸集、凸函数这些基础概念出发,逐步深入到线性规划、二次规划等经典模型。作者在阐述理论的同时,非常注重与实际应用的结合,书中包含了大量的案例分析和算法实现细节,对于希望将优化方法应用于工程、金融、机器学习等领域的读者来说,无疑是一本极佳的参考手册。书中对于算法收敛性的分析深入而透彻,这一点对于需要设计或改进优化算法的研究人员尤为重要。无论是初学者试图建立扎实的理论基础,还是资深专家希望回顾或查阅特定问题的求解策略,都能在这本书中找到价值。特别是它对内点法、牛顿法等核心算法的详尽介绍,使得读者能够清晰地理解这些强大工具背后的数学原理和计算效率考量。全书结构清晰,逻辑性强,阅读体验流畅,是理解现代优化技术不可或缺的工具书。

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