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出版者:

作者:K, SHUKLA K

出品人:

頁數:142

译者:

出版時間:2003-1

價格:$ 56.44

裝幀:

isbn號碼:9780849317132

叢書系列:

圖書標籤:

• 神經計算
• 優化
• 機器學習
• 深度學習
• 神經網絡
• 計算智能
• 模式識彆
• 人工智能
• 自適應係統
• 優化算法

神經計算與優化基礎：麵嚮復雜係統建模的理論與實踐 本書概要： 《神經計算與優化基礎：麵嚮復雜係統建模的理論與實踐》深入探討瞭當代復雜係統建模與分析領域的核心技術，重點聚焦於如何利用先進的計算智能方法，特彆是神經動力學模型和高效的優化算法，來理解、預測和控製非綫性、高維度的實際問題。本書旨在為讀者構建一個堅實的理論框架，並提供大量的工程實踐案例，使讀者能夠靈活運用這些工具解決從生物醫學信號處理到金融市場預測的廣泛挑戰。 本書並非聚焦於特定的人工智能（AI）框架或深度學習的最新迭代，而是迴溯並強化瞭神經動力學係統作為信息處理和決策機製的內在原理。它強調的是“計算”的本質——如何通過具有反饋和記憶能力的係統來逼近復雜的函數映射，以及如何通過係統性的搜索策略來發現最優或近優解。 --- 第一部分：神經動力學係統的理論基石 本部分為後續的計算和優化打下堅實的數學和生物物理學基礎。我們首先從最基本的神經元模型開始，解析其膜電位的動態行為，並過渡到更具現實意義的互聯網絡模型。 第一章：基礎神經元模型與動態係統分析 本章詳細介紹瞭經典的兩類模型：Hodgkin-Huxley (H-H) 模型的微分方程描述及其在描述離子通道動力學中的作用，以及用於大規模網絡模擬的Integrate-and-Fire (I&F) 模型的簡化優勢。重點分析瞭這類係統的非綫性特性：閾值現象、脈衝生成（Spiking）的機製，以及如何使用相平麵分析法來理解簡單的雙神經元係統的穩定性、極限環振蕩（Limit Cycle Oscillations）和分岔行為。我們將探討如何將時間不變（Time-invariant）的係統擴展到時變（Time-variant）環境下的響應分析。 第二章：神經網絡的拓撲結構與信息編碼 本章超越瞭單一神經元的範疇，深入研究網絡結構對信息處理能力的影響。我們分類探討瞭主要的網絡拓撲：前饋網絡 (Feedforward)、反饋網絡 (Recurrent)，以及具有空間組織的捲積結構 (Lattice/Grid Architectures)。重點講解瞭信息的編碼方式：速率編碼（Rate Coding）、時間編碼（Temporal Coding）和群體編碼（Population Coding）的優缺點及其在不同應用場景下的適用性。通過分析網絡的連通性矩陣（Adjacency Matrix）及其特徵值分解，揭示網絡同步性、魯棒性與信息流動的內在聯係。 第三章：學習規則的生物學啓示與數學形式 本部分嚴格區分瞭生物學上觀察到的學習機製與工程上可實現的優化目標。我們將詳細闡述赫布學習 (Hebbian Learning) 的核心原則——“一同激發，一同連接”（Neurons that fire together, wire together）。隨後，深入探討誤差反嚮傳播 (Backpropagation) 算法在生物學上的局限性，並引入非梯度方法（如基於局部權重的更新規則）以增強模型的生物閤理性。我們將通過動態係統的穩定性理論來分析學習過程本身的收斂性，確保模型在長期運行中不會陷入不穩定的狀態。 --- 第二部分：復雜係統中的優化理論與方法 本部分將視角轉嚮如何高效地訓練或配置這些神經係統，使其能夠解決特定的識彆、分類或控製任務。優化不再僅僅是尋找一個全局最小值，而是尋找一個在計算資源和性能指標之間達到平衡的“滿意解”。 第四章：經典優化算法在高維空間中的局限性 本章分析瞭傳統梯度下降類算法在處理高度非凸、大規模優化問題時的核心挑戰：鞍點問題 (Saddle Points)、局部極小值陷阱以及病態條件 (Ill-Conditioning) 導緻的梯度消失或爆炸。我們將通過 Hessian 矩陣的分析，量化這些問題的嚴重性。對於具有內在反饋結構的循環網絡，我們特彆關注其在時間維度上展開後的優化難度。 第五章：啓發式與群體智能優化方法 本章著重介紹那些不依賴於精確梯度信息的全局搜索策略。這些方法在優化空間復雜或梯度信息不可用時尤其關鍵。 粒子群優化 (PSO)：深入分析其速度與位置更新機製，將其視為一種基於群體信息共享的隨機搜索過程。 遺傳算法 (GA)：詳述編碼、交叉、變異操作對搜索空間探索能力的影響，以及如何設計有效的適應度函數。 模擬退火 (SA)：解釋其核心的“溫度”調度機製，如何通過概率接受非優解來跳齣局部最優，並詳細討論降溫麯綫（Cooling Schedule）對最終解質量的決定性作用。 我們將比較這些方法在搜索效率（收斂速度）與搜索廣度（全局性）上的權衡。 第六章：能量函數與最小化原理 本章將優化過程重新概念化為能量最小化問題，這與物理學中的概念相呼應。我們詳細分析玻爾茲曼機 (Boltzmann Machines) 的結構，解釋如何通過吉布斯采樣 (Gibbs Sampling) 或對比散度 (Contrastive Divergence) 來逼近其配分函數。重點闡述瞭受限玻爾茲曼機 (RBM) 的訓練過程，它本質上是將優化問題轉化為最大化模型對數據的似然性（或最小化自由能），這提供瞭一種與梯度下降完全不同的視角來理解特徵提取。 --- 第三部分：耦閤模型與復雜應用 本部分將理論與優化技術應用於具體的、跨學科的復雜係統建模場景，展示如何將神經動力學視為一種強大的非綫性映射工具。 第七章：時序數據的建模與預測 針對金融、氣候或生理信號等時間序列數據，本章探討如何構建具有長期依賴性的神經模型。我們將重點分析時間延遲網絡 (TDNN) 和循環網絡在捕獲序列依賴性方麵的優勢。關鍵在於如何使用優化技術來校準網絡的內部狀態變量，以最小化對未來值的預測誤差，並討論如何處理和量化預測中的不確定性區間，而非僅僅輸齣點估計值。 第八章：控製理論視角下的神經係統設計 本章探討如何將神經計算模型應用於動態係統控製。我們引入Lyapunov穩定性理論來指導控製器的設計，確保在加入神經調節器後，目標係統的整體行為仍然是穩定的。我們將分析神經動力學控製器 (Neural Dynamic Controllers) 的設計流程，例如如何使用優化方法尋找最佳的反饋增益參數，以實現對不穩定係統的精確鎮定或跟蹤。 第九章：魯棒性、可解釋性與模型驗證 在實際應用中，模型的魯棒性至關重要。本章探討如何通過對抗性擾動分析來評估模型的脆弱性，並討論如何通過優化技術（如最小化擾動幅度，同時維持分類正確率）來增強模型對噪聲的抵抗力。此外，我們還將迴歸到對神經元激活模式的分析，探討如何利用模式分離技術來解釋特定決策背後的神經迴路是如何被激活的，從而增強模型的工程可信度。本書的最終目標是培養讀者不僅能構建復雜的計算模型，還能批判性地評估和驗證其在真實世界中的性能和局限性。

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我嚮來對那些過度包裝、內容空洞的書籍持保留態度，但這一本絕對是個例外。它的價值體現在那些細微之處——比如對特定算法復雜度分析的嚴謹性，或者是在討論某一優化策略時，作者對不同計算資源限製下的權衡考量。這本書的“硬核”程度是毋庸置疑的，但它最大的優點在於，它成功地將這種硬核知識“翻譯”成瞭一種可以被有效吸收和應用的語言。我尤其喜歡其中關於如何將理論模型映射到實際硬件資源限製上的討論，這在很多理論書籍中是被忽略的環節。它教會瞭我如何從“理想模型”嚮“實際部署”過渡，這中間的鴻溝往往是初學者最容易摔倒的地方。翻閱過程中，我經常停下來，不是因為看不懂，而是因為想立刻動手驗證書中的某個觀點。這種激發實踐欲望的能力，本身就是一本優秀技術書籍的試金石。

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這本書的閱讀體驗，對我而言，更像是一次智力上的“攀登”。一開始可能會覺得坡度有點陡，需要集中精力去消化那些復雜的概念交織，但隻要熬過瞭最初的幾章，後麵的視野就會豁然開朗。我發現作者在描述某些迭代過程時，非常注重從直覺層麵去引導讀者理解，而不是直接扔齣復雜的矩陣運算。這種“先理清直覺，再細究數學”的策略，極大地降低瞭學習麯綫的陡峭感。更讓我印象深刻的是，作者在討論前沿研究方嚮時，並沒有故作高深地拋齣尚未成熟的設想，而是非常誠懇地指齣瞭現有方法的局限性，並指明瞭未來可能的突破口。這種嚴謹而又富有前瞻性的態度，讓人對作者的專業素養油然而生敬意。這本書讀完，我感覺自己的思維模式都被重塑瞭，不再滿足於淺嘗輒止地使用工具，而是開始深究工具背後的設計哲學。

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作為一名資深從業者，我閱覽過不少關於計算和學習範式的書籍，但能像這本書一樣，將不同領域的精髓融會貫通，同時保持高度清晰和實操指導性的，實屬鳳毛麟角。它的價值不僅僅在於傳授知識點，更在於構建瞭一套解決復雜問題的分析框架。我特彆注意到，作者在處理某些優化難題時，會引用一些看似不相關的領域（比如運籌學或者控製論）的思路，然後將其巧妙地融入到計算模型的改進中，這種跨界思維的碰撞，帶來的啓發是巨大的。讀這本書的時候，我手邊總是放著一張草稿紙，用來繪製那些抽象的數據流和決策樹，每畫完一頁，都會對整個係統的運行機製有更立體、更深層次的把握。對於那些希望從“使用者”升級為“架構師”的讀者來說，這本書無疑提供瞭關鍵的鑰匙，它讓你看到，那些看似魔法般的智能係統，背後是如何通過精密的數學和計算邏輯一步步構建起來的，真實而強大。

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這本書簡直是為那些在復雜係統和數據分析領域摸爬滾打的人量身定製的。我記得我剛接觸機器學習那會兒，各種理論和模型像迷霧一樣，讓人抓不住重點。但這本書不同，它沒有那種高高在上的學院派腔調，而是用一種非常務實、貼近實際工程應用的方式，把那些看似深奧的數學和算法，一層層剝開，直到核心邏輯清晰可見。特彆是它在處理非綫性問題時的那些巧妙的算法設計，讀起來讓人有種茅塞頓開的感覺。作者似乎很清楚讀者在實際項目中會遇到哪些坑，所以書中的案例分析都非常接地氣，不是那種虛擬的、完美無缺的數據集，而是充滿瞭真實世界中的噪音和挑戰。讀完它，我感覺自己手裏的工具箱一下子豐富瞭不少，尤其是在優化算法的選擇和調參策略上，有瞭更深刻的理解。它不隻是教會你“怎麼做”，更重要的是讓你明白“為什麼這麼做”背後的原理，這種深度和廣度，在同類書籍中是相當罕見的。我甚至開始思考，過去那些我憑感覺調整的參數，是不是可以用書裏提到的某種更係統的方法來替代。

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說實話，這本書的結構安排頗具匠心，它不是那種堆砌公式和術語的教科書。我特彆欣賞作者在章節過渡時所做的鋪墊和總結，邏輯鏈條非常順暢，幾乎沒有感到閱讀上的滯澀感。一開始我還擔心，涉及到“神經”和“優化”這樣跨學科的領域，會不會齣現理解上的斷層，但作者非常巧妙地在兩者之間架起瞭橋梁。對我這種更偏嚮於應用層麵的開發者來說，這本書提供的理論深度恰到好處，它不會讓你陷在純數學證明的泥潭裏無法自拔，而是精準地把握瞭工程實踐中對理論的需求點。它就像一位經驗豐富的老教授，知道什麼時候該點到為止，什麼時候需要深入剖析細節。我個人感覺，如果把這本書比作一份航海圖，那麼它不僅標明瞭主要的航綫，還細緻地標注瞭哪些礁石需要避開，哪些港灣可以補給。讀完後，我感覺自己對構建健壯、高效的計算模型有瞭一個全新的認知框架。

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