应用数学基础

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出版者:华夏出版社
作者:邓俊谦
出品人:
页数:308
译者:
出版时间:2005-6
价格:28.00元
装帧:
isbn号码:9787508037271
丛书系列:
图书标签:
  • 应用数学
  • 数学基础
  • 高等教育
  • 理工科
  • 数学建模
  • 数值分析
  • 概率论
  • 线性代数
  • 微积分
  • 优化方法
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具体描述

本书内容有:集合、不等式、逻辑用语、函数、三角函数、平面向量和复数五章。

现代工程中的优化理论与方法 内容提要: 本书深入探讨了现代工程、科学研究以及经济决策领域中至关重要的优化理论与方法。全书结构清晰,逻辑严谨,旨在为读者提供坚实的数学基础和实用的计算工具,以解决现实世界中复杂系统的最佳化问题。内容涵盖从线性规划到非线性优化、从连续优化到离散优化等多个关键分支,特别强调了算法的收敛性分析和工程应用案例。 第一部分:优化问题的数学基础与建模 第一章:优化问题的背景与分类 本章首先阐述了优化在现代科学与工程中的核心地位,从资源分配、结构设计到机器学习模型的参数调整,无不依赖于寻找最优解。我们将界定什么是优化问题,其基本要素——目标函数、决策变量和约束条件。随后,详细介绍优化问题的标准分类方法:连续与离散、约束与无约束、线性与非线性、凸与非凸。这些分类是选择恰当求解算法的前提。 第二章:凸优化基础 凸优化是理论和应用的基础。本章聚焦于凸集和凸函数的严格定义及其重要性质,例如极值点的唯一性。我们将推导出凸优化问题的必要优化条件(KKT条件)及其充分条件。本章内容为理解更复杂的非线性优化算法奠定了坚实的理论基石。 第三章:线性规划(LP) 线性规划作为最基础且应用最广泛的优化模型,在本章得到详尽阐述。我们将从实际应用场景出发,逐步构建标准形式和一般形式的LP模型。核心内容包括单纯形法(Simplex Method)的详细步骤、大M法和两阶段法的应用,以及对对偶理论的深刻剖析——对偶规划如何提供敏感性分析和经济解释。本章将通过大量图解和计算实例,确保读者能熟练掌握求解过程。 第二部分:连续优化:无约束与约束问题 第四章:无约束优化算法 针对目标函数没有额外约束条件的情况,本章系统介绍各类迭代求解方法。首先从一维搜索方法(如黄金分割法、精确线搜索)开始,引入梯度下降法的基本思想。重点剖析牛顿法(Newton’s Method)及其收敛特性,并介绍利用拟牛顿信息(如DFP和BFGS算法)来避免计算和存储Hessian矩阵的实用策略。最后,讨论共轭梯度法(Conjugate Gradient Method)在处理大规模稀疏问题中的高效性。 第五章:约束优化:拉格朗日函数与KKT条件 约束优化是工程实践中的常态。本章引入拉格朗日乘子法来处理等式约束问题。随后,扩展到包含不等式约束的非线性规划(NLP),详细推导和解释Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件,这些条件是判断一个解是否为局部最优的黄金标准。本章还将讨论约束规范(Constraint Qualifications,如LICQ)对KKT条件有效性的影响。 第六章:序列二次规划(SQP)与内点法 本章介绍两种现代约束优化算法的核心思想。序列二次规划(SQP)通过在每一步迭代中求解一个二次近似问题(即一个二次规划子问题)来逼近最优解,具有快速收敛的特点。内点法(Interior-Point Methods)则通过引入障碍函数,将约束问题转化为一系列无约束或简单约束问题,尤其擅长处理大规模线性与非线性问题,并提供精确的边界信息。 第三部分:离散与组合优化 第七章:整数规划(IP)与混合整数规划(MIP) 许多实际决策问题涉及非连续的变量(如开关、设备选择)。本章专注于整数规划的理论与求解。重点介绍割平面法(Cutting Plane Method)和分支定界法(Branch and Bound Method)的原理和实现流程,这两种方法是求解精确整数解的基石。混合整数规划(MIP)中连续变量与整数变量并存的情况也将被详细讨论。 第八章:组合优化基础:图论与网络流 组合优化在网络设计、调度和路径规划中发挥关键作用。本章介绍基础图论概念,并深入研究网络流问题,包括最大流最小割定理、最短路径问题(Dijkstra算法、Bellman-Ford算法)以及最小费用最大流问题。这些模型为物流、通信和电力系统的优化提供了强大的分析工具。 第四部分:应用与高级主题 第九章:随机优化与鲁棒优化 现实世界中存在大量不确定性。本章探讨如何处理随机性。随机优化(Stochastic Optimization)通过多阶段决策和期望最小化来处理随机参数。鲁棒优化(Robust Optimization)则侧重于在最坏情况下仍能保持可行性或绩效的解决方案,重点介绍不确定性集的概念及其对模型结构的影响。 第十章:大规模优化与并行计算 随着问题规模的增大,传统算法的计算瓶颈日益突出。本章讨论处理大规模问题的策略,包括分解技术(如Benders分解和Lagrange松弛)和分布式优化算法。同时,简要介绍利用并行计算架构(如GPU加速)来加速优化迭代过程的最新进展。 第十一章:优化在特定领域的应用实例 本章通过具体案例展示优化技术的强大威力。包括:金融投资组合优化(均值-方差模型)、土木工程结构的拓扑优化、生产计划与排程问题,以及在数据科学中作为损失函数最小化的核心地位。每个案例都将回归到前面介绍的某个优化模型和求解方法。 附录:优化软件与工具 附录提供了一个快速指南,介绍当前主流的优化求解器(如CPLEX, Gurobi, MOSEK, SciPy Optimize)及其接口语言(Python/Pyomo, MATLAB),帮助读者将理论知识转化为实际的计算成果。 本书特色: 1. 理论与实践并重: 每一章节的理论推导都紧密联系着实际的应用场景,而非纯粹的数学抽象。 2. 算法的计算实现: 详细描述了核心算法的迭代步骤,便于读者理解算法的内在逻辑和数值稳定性。 3. 严格的数学表述: 保证了数学定义的精确性,为后续深入研究打下坚实基础。 4. 广泛的覆盖面: 涵盖了从经典线性规划到现代随机鲁棒优化的主流研究方向。

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读后感

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用户评价

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这本书的整体篇幅不算薄,但阅读体验上却时常感到信息密度过高,或者反过来,在关键点上信息量不足。例如,在讲解多元统计分析时,对主成分分析(PCA)的阐述,虽然在数学上是正确的,主要集中在特征值分解的几何意义上,但缺乏对如何选择最佳维度、如何解释方差保留率等实际操作层面的深入讨论。很多时候,我感觉作者更专注于证明“为什么这个方法是成立的”,而非“在什么情况下应该使用这个方法,以及如何正确地使用它”。此外,关于时间序列分析的部分,内容非常陈旧,主要集中在ARMA模型的经典框架下,完全没有顾及到近十年来在金融计量和大数据领域广泛使用的状态空间模型或更现代的机器学习方法对时间序列的影响。这使得这本书在时效性上大打折扣,对于希望了解当代应用数学前沿的读者来说,这本书提供的知识体系略显过时和局限。它像是一个停留在上世纪末的数学工具箱,里面工具齐全,但缺少了对新材料和新工具的关注。

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这本书的封面设计得相当朴实,没有花哨的图案,蓝色的主色调给人一种沉稳、专业的感觉。内页纸张的质量也中规中矩,印刷清晰,字体大小适中,阅读起来比较舒服。拿到书的时候,我主要关注的是它的内容的深度和广度。首先,它在代数和几何部分的处理上,似乎更侧重于理论的构建而非实际应用,这对于初学者来说可能稍显抽象。例如,对于矩阵理论的介绍,篇幅不少,但很多证明过程没有提供详细的中间步骤,需要读者具备较强的数理逻辑能力才能跟上。另外,书中涉及到的微积分部分,虽然覆盖了极限、导数和积分的基本概念,但在处理多元函数和向量微积分时,图形化的辅助说明略显不足,使得抽象概念的理解门槛提高了不少。我特别留意了它对数理统计的介绍,感觉这部分内容比较基础,像是一个引子,并未深入到高级的推断统计或贝叶斯方法,这让我有些失望,因为我期待能在这本书里找到更坚实的统计学基础。总的来说,这本书更像是一本面向数学系本科生早期课程的教材,强调的是数学概念的严谨性,对于希望快速掌握应用技巧的读者来说,可能需要额外的资源来补充。

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这本书的装帧和排版确实体现了出版方的一贯水准,书脊牢固,不易散页,即使频繁翻阅也不会有太大问题。不过,内容上的编排顺序和章节之间的过渡,我个人觉得有些生硬。比如,它在第三章详细讨论了线性代数,到了第四章突然跳到了实变函数的一些基本概念,然后又在第五章回过头来深化了拓扑学的入门知识。这种看似覆盖面广的布局,却导致知识体系的连贯性有所缺失。对于一个试图建立完整“应用数学”框架的读者来说,这种跳跃感让人难以构建起一个清晰的学习路径。我期待的“应用”体现在理论之间的桥梁搭建上,比如如何将微分方程的结果平滑地引向数值解法的讨论,但这本书在这方面做得不够到位。数值分析的章节非常简短,几乎只是罗列了有限差分法和牛顿迭代法的基本公式,对于误差分析和收敛性的讨论轻描淡写,这与前面宏大的理论篇幅形成了鲜明的对比,给人一种虎头蛇尾的感觉。总而言之,它更像是一套不同数学分支的“概要合集”,而非一个融会贯通的“应用数学”教程。

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我翻阅这本书时,发现它在介绍高级主题时,似乎对读者的背景知识抱有很高的期望。例如,在讨论傅里叶分析时,作者直接引入了希尔伯特空间的概念,但没有花足够的时间来铺垫泛函分析的基础知识。这对于那些数学基础尚可,但在高等数学阶段接触过相关内容的读者来说,无疑是一个巨大的挑战。我尝试用它来复习信号处理中的频域分析,结果发现,书中的推导过程省略了太多关键的中间步骤,很多地方需要我查阅其他更基础的信号处理教材来补全理解链条。再者,对于优化理论的介绍也显得过于理论化,它详细阐述了凸优化的一些必要和充分条件,但对于实际应用中常见的约束处理、启发式算法(如遗传算法、模拟退火)则完全没有提及。这使得这本书在“应用”二字上显得底气不足。如果这本书的目标读者是希望在工业界从事优化或建模工作的人士,那么这种理论的深度与应用的广度之间的失衡,会使得它在工具书的定位上显得力不从心,更像是一本严肃的数学专著,而非面向工程实践的参考书。

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读完这本书,我最大的感受是作者在逻辑推导上的精妙与严谨,几乎每一个定理的提出和证明都像是在搭建一座精密的数学结构。然而,这种极致的严谨性在某些章节的处理上,反而成了理解的障碍。比如在讲述离散数学的部分,关于图论和组合学的章节,虽然理论框架非常完整,但缺乏足够贴近实际问题的案例分析来作为支撑。书中给出的例子大多是教科书式的、非常理想化的场景,这让我在试图将这些知识应用到实际的数据分析项目时,感到无从下手。这本书更像是纯数学家写给未来数学家的指南,而不是给工程师或数据科学家准备的工具箱。我尤其想提一下它对概率论的阐述,它从公理化视角出发,非常扎实,但对于条件概率和随机变量的直观解释相对薄弱,很多重要的概率分布只是简单罗列了性质,缺少对它们在现实世界中是如何被选用的深入探讨。如果能增加一些软件实现或计算方法的讨论,比如如何用编程语言模拟这些数学模型,这本书的实用价值无疑会大大提升。目前看来,它更适合在课堂上配合讲师的讲解来学习,单独阅读,需要读者有较强的自我消化能力。

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