Theory of Multiobjective Optimization

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出版者:Academic Press
作者:Yoshikazu Sawaragi
出品人:
页数:296
译者:
出版时间:1985-10-12
价格:USD 175.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780126203707
丛书系列:
图书标签:
  • Math
  • Theory
  • Optimization
  • Academic
  • 多目标优化
  • 优化理论
  • 运筹学
  • 决策分析
  • 数学规划
  • 算法
  • 工程优化
  • 复杂系统
  • 应用数学
  • 人工智能
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具体描述

复杂决策的科学:多目标优化理论的探索之旅 在现实世界的种种挑战中,我们常常面临着需要同时权衡多个相互冲突的目标。无论是企业追求利润最大化与环境可持续性,还是个人在职业发展与家庭生活之间寻找平衡,抑或是科学家在设计新材料时需要在强度、韧性与成本之间进行取舍,多目标优化理论为理解和解决这些复杂决策问题提供了强有力的数学框架和方法论。这本书将带领读者踏上一段深入探索多目标优化理论精髓的旅程,从其基本概念到前沿进展,全面展现这一领域的核心思想、关键技术以及广泛的应用场景。 第一部分:奠定基石——多目标优化的基本概念与理论框架 多目标优化问题的核心在于,目标函数并非单一,而是存在多个,并且这些目标往往相互制约,无法同时达到最优。例如,在生产制造过程中,我们可能希望在降低生产成本的同时,提高产品质量,并缩短生产周期。这三个目标之间很可能存在此消彼长的关系,我们无法找到一个同时令三者都达到“最优”的解决方案。因此,多目标优化不再追求单一的最优解,而是寻找一个能够“最好地”满足所有目标的解集,这个解集被称为帕累托最优集 (Pareto Optimal Set)。 本书将首先详细阐述帕累托最优性的概念。一个解被称为帕累托最优,当且仅当不存在另一个解,使得至少在一个目标上优于当前解,并且在所有其他目标上都不劣于当前解。换句话说,在帕累托最优解集中,我们无法在不牺牲至少一个目标的情况下,改进任何一个目标。理解帕累托最优性的概念是理解整个多目标优化理论的基础。 在此基础上,我们将引入帕累托前沿 (Pareto Front)的概念。帕累托前沿是指所有帕累托最优解在目标空间中的集合。它描绘了不同目标之间的权衡关系,揭示了在给定约束条件下,哪些是可能达到的最佳权衡结果。帕累托前沿的形状和特性能够直观地反映问题的复杂性和决策者在不同目标之间的偏好。 本书还将深入探讨多目标优化问题的分类。根据目标函数的性质(线性、非线性、凸、凹等)以及约束条件的类型(线性、非线性、等式、不等式等),多目标优化问题可以被划分为多种不同的类别,每种类别的求解方法也各有侧重。我们将介绍无约束和有约束的多目标优化问题,以及它们在实际应用中的区别。 第二部分:工具箱——多目标优化的关键方法与算法 为了求解多目标优化问题,科研人员和工程师们开发了多种多样的算法。本书将系统介绍这些经典和现代的求解方法。 加权求和法 (Weighted Sum Method):这是一种最直观的将多目标问题转化为单目标问题的方法。通过为每个目标分配一个权重,然后将加权的目标函数相加,形成一个新的单一目标函数。然而,这种方法在处理非凸帕累托前沿时可能会遇到困难,无法找到所有帕累托最优解。我们将详细分析其原理、适用范围以及局限性。 ε-约束法 (ε-Constraint Method):与加权求和法不同,ε-约束法将其中一个目标作为主目标进行优化,而将其他目标转化为约束条件,并设定各自的上限(ε值)。通过改变ε值,可以系统地生成帕累托前沿上的不同点。我们将详细讲解其算法流程、参数选择以及在求解非凸问题时的优势。 目标规划法 (Goal Programming):这种方法侧重于最小化目标与预设目标值之间的偏差。它引入了“目标”和“偏差变量”的概念,通过最小化偏差的总和或加权偏差来寻求“最接近”理想目标的解。我们将探讨其不同变体,如分层目标规划和加权目标规划。 进化算法 (Evolutionary Algorithms):近年来,以多目标遗传算法 (Multi-objective Genetic Algorithms, MOGAs)为代表的进化算法在多目标优化领域取得了巨大成功。这些算法基于仿生学的思想,通过模拟自然选择和遗传变异的过程,能够高效地搜索复杂的目标空间,并直接生成近似的帕累托前沿。本书将重点介绍一些著名的MOGAs,如NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) 和SPEA2 (Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2),并详细讲解它们的算法机制、优势以及在求解大规模和复杂问题中的应用。 其他先进方法:此外,我们还将介绍一些其他重要的求解技术,包括基于模糊逻辑 (Fuzzy Logic)的方法、人工神经网络 (Artificial Neural Networks, ANNs)在多目标优化中的应用、基于偏好的方法 (Preference-based Methods),以及针对特定类型问题(如动态多目标优化、随机多目标优化)的专门算法。 第三部分:融会贯通——多目标优化的理论延伸与前沿研究 在掌握了多目标优化的基本理论和常用算法之后,本书将进一步拓展读者的视野,探讨该领域的理论延伸和前沿研究方向。 不确定性下的多目标优化:在许多实际应用中,决策模型中的参数常常带有不确定性。本书将介绍如何处理随机多目标优化 (Stochastic Multiobjective Optimization)和模糊多目标优化 (Fuzzy Multiobjective Optimization)问题,探索在不确定性环境下寻求稳健的帕累托最优解的策略。 动态多目标优化:现实世界并非静态不变,很多优化问题中的目标和约束会随着时间而演变。本书将探讨动态多目标优化 (Dynamic Multiobjective Optimization)问题,研究如何在高动态环境下实时调整决策,以适应不断变化的最优解。 多目标优化与人工智能的交叉:人工智能技术,尤其是机器学习和深度学习,正在深刻地改变着优化领域。本书将讨论如何利用这些技术来辅助多目标优化问题的建模、求解和分析,例如利用机器学习来预测帕累托前沿、学习优化器的策略,以及在强化学习中实现多目标决策。 多主体系统中的多目标优化:在复杂的分布式系统中,多个智能体需要独立做出决策,同时又需要考虑全局的整体性能。本书将介绍多主体多目标优化 (Multi-agent Multiobjective Optimization),探讨如何在分布式环境中协调和优化多个智能体的行为。 面向大规模和高维问题的多目标优化:随着数据规模和问题维度的不断增加,求解大规模和高维多目标优化问题成为一个巨大的挑战。本书将介绍一些专门针对这些问题的技术,如降维技术、代理模型 (Surrogate Models) 的应用、以及高效的种群管理策略。 第四部分:实践出真知——多目标优化的应用领域 多目标优化理论并非纸上谈兵,它在各个领域都展现出强大的实用价值。本书将通过丰富的案例研究,展示多目标优化在不同行业的应用。 工程设计与制造:在产品设计阶段,工程师需要平衡性能、成本、可靠性、美观度等多个指标。多目标优化能够帮助设计师找到满足各项要求的最佳设计方案。在制造过程中,如何优化生产调度、资源分配,以实现高效率、低成本和高质量,也是多目标优化的典型应用。 金融与经济:在投资组合优化中,投资者需要在风险与回报之间找到平衡。多目标优化能够帮助构建风险可控、收益最大化的投资组合。在宏观经济调控中,政府需要在经济增长、物价稳定、充分就业、环境保护等多个目标之间进行权衡。 环境保护与资源管理:在生态系统管理中,如何平衡经济发展与环境保护,实现可持续发展,是多目标优化的重要应用。例如,在水资源管理中,需要在满足灌溉、工业、生活用水需求的同时,保护河流生态。 医疗健康:在疾病诊断与治疗方案的选择上,需要权衡疗效、副作用、费用等多个因素。多目标优化能够帮助医生为患者制定个性化的最佳治疗方案。 人工智能与机器人技术:在机器人路径规划、任务分配、以及多机器人协同作业中,都需要考虑效率、安全性、能耗等多个目标。多目标优化为解决这些问题提供了有效的手段。 结语 《Theory of Multiobjective Optimization》旨在为读者提供一个全面、深入且易于理解的多目标优化理论学习体验。本书不仅涵盖了该领域的经典理论和方法,更紧密跟踪了最新的研究进展和前沿技术。通过理论讲解、算法剖析和案例分析的结合,我们希望能够激发读者对多目标优化问题的兴趣,并为其在科研和实践中解决复杂决策问题提供坚实的理论基础和实用的工具。无论您是该领域的初学者,还是寻求深入研究的专业人士,本书都将是您探索复杂决策科学的宝贵指南。

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这本书的语言风格,用“如庖丁解牛”来形容可能有些夸张,但绝对是恰如其分的描述了作者处理复杂概念时的那种游刃有余。我阅读了很多关于优化理论的教材,很多作者要么是过于追求数学的严谨性,把读者直接扔进了晦涩的符号海洋中,要么就是为了追求易读性而牺牲了理论的深度,导致很多关键的逻辑链条含糊不清。然而,这本书的作者显然找到了一个完美的平衡点。他们似乎非常清楚读者在学习过程中可能在哪里绊倒,因此在关键的定义和定理推导之前,总是会用一段非常清晰、富有洞察力的文字进行铺垫,引导读者的思路。尤其是在介绍一些经典算法的演变历史时,作者并未简单地罗列公式,而是将其置于当时的研究背景下进行阐述,这让读者能理解“为什么”需要这样的方法,而不是死记硬背“是什么”。这种叙事性的教学方式,极大地降低了理解门槛,使原本高深的理论变得触手可及,让人在学习过程中充满信心。

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这本书对前沿研究的覆盖面和时效性,是它区别于许多陈旧教材的关键优势。它并非仅仅停留在经典的线性规划或基本的加权和方法上,而是深入探讨了近年来在计算智能和大规模系统优化中兴起的新范式。我特别关注了其中关于“进化算法在多目标优化中的应用”那一部分,作者不仅详细介绍了NSGA-II和MOEA/D等主流算法的机制,更难能可贵的是,它还讨论了这些启发式方法在处理高维、非凸或带约束问题时的局限性与最新的改进方向。这表明作者的知识库绝对是与当前学术界同步的,书中的许多引文都指向了近五到七年内的顶级会议和期刊成果。对于一个需要将理论应用于实际工程问题的研究人员来说,这种紧跟时代脉搏的知识密度和前瞻性,是衡量一本参考书价值的首要标准,而这本书在这方面无疑是令人信服的。

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从教学反馈和学习效果来看,这本书的习题设计可以说是独具匠心,绝非应试教育的产物。它没有采用大量重复性的、仅仅是套用公式的练习题来凑数,相反,每一组习题似乎都在尝试挑战读者对核心概念的不同理解层面。有些习题是需要进行完整的理论推导,以巩固对定理证明的掌握;而另一些则是开放性的案例分析题,要求读者结合实际情境,自行选择合适的优化框架和评估标准。我尤其欣赏那些需要结合编程实现的实践性题目,它们通常会提供一个复杂的数学模型,要求读者自行选择适当的工具包或从零开始实现一个算法来求解。这种将理论知识与实践能力紧密结合的设计理念,使得阅读这本书的过程不再是被动的接受信息,而是一个主动构建知识体系和提升解决问题能力的主动探索过程。这本书真正做到了“授人以渔”,而非仅仅是“授人以鱼”。

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这本书的装帧设计真是下了一番功夫,硬壳精装,拿在手里沉甸甸的,摸上去纹理也很细腻,一看就是那种能经受住时间考验的经典之作。封面设计简洁大气,没有过多花哨的图案,仅仅是书名和作者信息的排版就透露出一种严谨的学术气息。我特别喜欢它内页的纸张选择,光线好的时候阅读不会有反光,长时间盯着看眼睛也不会太累,而且油墨的印刷清晰度非常高,即便是最复杂的公式和图表,细节也能看得一清二楚。装订也非常牢固,可以完全平铺在桌面上,这对于需要对照着公式反复推导的学习者来说简直是福音。初次翻阅时,那种翻动书页带来的沙沙声,让我瞬间感觉自己进入了一种沉浸式的学习氛围中,这比阅读电子书的体验要好上太多了。这本书的版式设计也很有特点,合理的留白让整个页面看起来呼吸感十足,不会让人感到拥挤和压迫,即便是厚达数百页的篇幅,也不会让人望而生畏。由此可见,出版方在制作这本书时,绝对是以面向专业研究人员的标准来要求的,每一个细节都体现了对知识载体的尊重。

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我最欣赏这本书的组织结构安排,它展现出一种清晰的、由浅入深的逻辑递进。初读时,你会发现前几章的内容虽然是基础,但其广度已经超越了我以前接触过的任何入门教材,它似乎没有浪费任何一个章节来讲解那些已被广泛接受的常识,而是直接切入到核心的、具有区分度的概念。作者并没有按照传统的“单目标优化 -> 多目标优化”的线性路径展开,而是巧妙地穿插了诸如“偏好建模”和“决策后分析”等更偏向应用和哲学的讨论,这使得读者在掌握技术工具的同时,也能对多目标决策的本质问题有所思考。特别是当引入Pareto前沿的概念时,作者不仅给出了严格的数学证明,还配上了多个不同维度和约束条件的几何解释图示,这些图示的精妙程度,简直是教科书级别的典范。整个书的章节布局就像一个精心设计的迷宫,每走一步都有新的发现,但出口永远清晰可见,保证了阅读体验的连贯性和目标性。

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