线性和非线性规划 (第3版)

线性和非线性规划 (第3版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:世界图书出版公司
作者:[美] David G. Luenberger
出品人:
页数:546
译者:
出版时间:2015-5-1
价格:99.00 元
装帧:平装
isbn号码:9787510094736
丛书系列:
图书标签:
  • 最优化
  • 运筹学
  • 科学
  • 数学
  • 优化
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  • 数学规划
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具体描述

《线性与非线性规划:求解优化问题的现代工具箱》 在当今数据驱动、追求效率的时代,优化无处不在。从企业制定生产计划、投资组合管理,到科研人员设计实验方案、分析复杂系统,再到物流公司优化配送路线、金融机构评估风险,如何以最经济、最高效的方式达成目标,是核心的挑战。本书《线性与非线性规划》(第三版)正是为应对这些挑战而生,它是一本深入浅出、理论与实践并重的权威著作,旨在为读者构建一个扎实的优化理论基础,并装备上解决实际问题的强大工具。 本书不仅仅是一本数学理论的罗列,它更是通往理解和掌握现代优化技术的一扇大门。它将引导您一步步揭开线性规划和非线性规划的神秘面纱,让您深刻理解其背后所蕴含的数学思想、算法原理以及在各个领域的广泛应用。我们相信,在学习完本书后,您将能够以一种全新的视角去审视那些需要做出最优决策的问题,并能自信地运用所学知识去寻找最佳解决方案。 第一部分:奠定优化基石——线性规划的理论与方法 线性规划是优化领域中最基础也是最强大的分支之一。它处理的是目标函数和约束条件均为线性的问题。本书的第一部分将从最核心的概念出发,为您构建严谨的理论框架。 问题的数学建模: 您将学习如何将现实世界中具有线性特征的优化问题,抽象成数学模型,包括确定目标函数和一系列线性等式或不等式约束。这一过程是解决任何优化问题的第一步,也是至关重要的一步。我们将通过大量生动且贴近实际的案例,例如资源分配、生产调度、运输问题等,来演示如何进行有效的数学建模。您将学会识别问题的关键要素,并将其转化为精确的数学表达式。 基本概念与几何解释: 我们将深入探讨线性规划中的基本概念,如可行域、最优解、基本可行解等。通过直观的几何解释,您将理解这些概念在二维和三维空间中的形态,从而为理解更复杂的理论打下基础。例如,可行域在二维空间中是多边形,在三维空间中是多面体,而最优解则位于这些区域的顶点上。这种几何直觉将帮助您更深刻地理解算法的工作原理。 单纯形法: 作为求解线性规划问题的经典算法,单纯形法是本书的核心内容之一。我们将详细介绍单纯形法的每一步操作,包括如何构建初始基本可行解,如何通过旋转操作搜索最优解,以及如何处理退化和无界等特殊情况。您将学习到单纯形法的代数原理和迭代过程,并通过实例进行手动计算,从而彻底掌握这一强大的工具。 对偶理论: 对偶理论是线性规划中一个极其重要的概念,它不仅提供了另一种看待问题的视角,更在理论和实践上具有深刻的意义。您将学习如何构造原问题和对偶问题,并理解它们之间的内在联系,例如对偶可行性定理、互补松弛性定理等。对偶问题常常比原问题更容易求解,并且对偶变量的解释在经济学和管理学中具有重要的意义,例如它们可以被视为资源的影子价格。 特殊问题与扩展: 除了标准的线性规划问题,本书还将介绍一些特殊的线性规划问题,如运输问题、指派问题等,以及如何使用专门的算法(如最小费用流算法)来高效求解。此外,我们还将探讨一些线性规划的扩展,如整数规划,它在许多组合优化问题中扮演着重要角色。 第二部分:探索复杂性——非线性规划的挑战与解决方案 当现实世界中的问题出现非线性目标函数或非线性约束时,我们就进入了非线性规划的范畴。这通常意味着问题的复杂度大大增加,求解也更具挑战性。本书的第二部分将带领您深入探索这一领域。 非线性规划问题的定义与类型: 您将学习非线性规划问题的标准形式,包括非线性的目标函数和非线性的等式或不等式约束。我们将区分凸规划和非凸规划,理解它们在求解难度和最优解性质上的差异。凸规划是线性规划之后最容易处理的非线性规划问题,它保证了局部最优解就是全局最优解。 最优性条件: 非线性规划问题的求解离不开最优性条件的分析。我们将介绍拉格朗日乘数法、KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件等一系列重要的最优性条件,包括一阶和二阶条件。这些条件是判断一个点是否为最优解的充要条件,也是许多算法设计的基础。理解这些条件将帮助您深刻理解非线性规划的数学本质。 无约束优化方法: 在没有约束的情况下,如何找到目标函数的最小值或最大值?本书将介绍一系列经典的无约束优化算法,如梯度下降法、共轭梯度法、牛顿法、拟牛 বিপজ্জনক法等。我们将分析它们的收敛性、收敛速度以及各自的优缺点,并通过实例演示其应用。您将学习到如何根据问题的特性选择合适的无约束优化算法。 有约束优化方法: 现实世界的问题几乎总是伴随着约束。对于有约束的非线性规划问题,我们将介绍几种重要的求解方法: 可行方向法: 这类方法的核心思想是在可行域内寻找一个能够使目标函数下降的方向,并沿着该方向进行迭代。我们将介绍其中的典型算法,如单纯形法在非线性问题中的推广(虽然不常独立使用)、中心差分法等。 序列二次规划(SQP)法: SQP法是一种非常强大的有约束非线性规划求解方法。它通过在每一步迭代中近似二次规划问题来求解原问题。我们将详细介绍SQP法的原理、迭代步骤以及它在实际应用中的优势。 内点法: 内点法近年来在求解大规模线性规划和非线性规划问题中表现出色。我们将介绍内点法的基本思想,以及它如何通过构造障碍函数和求解一系列线性方程组来逼近最优解。 增广拉格朗日法: 这种方法结合了拉格朗日乘数法和罚函数法,能够有效地处理等式和不等式约束,并具有良好的收敛性。 凸优化: 凸优化是运筹学和机器学习领域的核心技术。本书将专门辟出章节来探讨凸优化问题。您将学习到凸函数的性质、凸集的性质,以及凸优化问题的特殊结构。凸优化问题通常可以高效地求解,并且存在全局最优解。我们将介绍几种求解凸优化问题的有效算法,例如内点法在凸优化中的应用。 第三部分:实战与前沿——优化在实践中的应用 理论知识最终需要应用于实践。本书的第三部分将重点关注线性与非线性规划在各个领域的应用,并介绍一些更高级的主题和前沿发展。 实际应用案例分析: 我们将通过大量详实的案例,展示线性与非线性规划如何解决现实世界中的复杂问题。这些案例将涵盖: 管理科学: 生产计划、库存管理、资源分配、项目管理、供应链优化。 金融工程: 投资组合优化、风险管理、期权定价。 工程领域: 结构优化、控制系统设计、信号处理。 机器学习: 模型参数优化、特征选择。 数据科学: 数据挖掘、模式识别。 您将看到如何将实际问题转化为数学模型,并运用书中介绍的算法来寻找最优解决方案。 算法的实现与软件工具: 掌握理论和算法固然重要,但实际操作中更需要有效的软件工具。本书将简要介绍一些常用的优化软件库和编程语言(如Python的SciPy、MATLAB的优化工具箱、Gurobi、CPLEX等),并提供如何使用它们来求解线性与非线性规划问题的指导。虽然本书不直接提供代码,但将为您指明学习和应用的道路。 对大规模优化问题的思考: 随着数据量的爆炸式增长,如何高效地求解大规模优化问题成为一个重要的研究方向。我们将探讨一些应对大规模优化问题的策略,例如分解方法、分布式优化等。 优化与其他学科的交叉: 优化技术与其他学科有着千丝万缕的联系。我们将简要探讨优化与统计学、机器学习、运筹学、控制理论等学科的交叉与融合,激发您对更广阔研究领域的兴趣。 本书的特色与价值: 严谨的理论体系: 本书建立在扎实的数学基础之上,概念清晰,推导严谨,确保您真正理解优化背后的数学原理。 丰富的例证与案例: 从基础概念到高级应用,每一个理论点都配有丰富的例证和实际案例,帮助您将理论知识与实际问题相结合。 循序渐进的学习路径: 本书从易到难,层层递进,适合不同背景的读者,无论是初学者还是有一定基础的学习者,都能从中获益。 注重算法的理解与应用: 本书不仅介绍算法的原理,更强调如何理解算法的精髓,并掌握在实际问题中的应用。 反映最新发展: 第三版在保持经典内容的同时,也更新了部分算法和应用,反映了优化领域的一些最新发展动态。 您将获得的收获: 通过阅读本书,您将能够: 建立坚实的数学建模能力: 将复杂的现实问题转化为精确的数学模型。 深刻理解线性与非线性规划的理论: 掌握求解优化问题的核心数学工具。 熟练运用经典的优化算法: 能够独立或借助软件工具求解各类优化问题。 拓展解决实际问题的思路: 以优化的视角去分析和解决工程、管理、金融等领域的挑战。 为进一步学习高级优化技术打下基础: 为深入研究运筹学、机器学习等领域做好准备。 无论您是来自学术界的研究人员,还是企业界的决策者,亦或是对优化技术充满好奇的探索者,《线性与非线性规划》(第三版)都将是您不可或缺的智囊与工具。它将赋能您以更科学、更高效的方式去追求卓越,在瞬息万变的现代世界中,找到通往最佳解决方案的清晰路径。

作者简介

目录信息

Chapter 1.Introduction
1.1.Optimization
1.2.Types of Problems
1.3.Size of Problems
1.4.Iterative Algorithms and Convergence
PART Ⅰ Linear Programming
Chapter 2.Basic Properties of Linear Programs
2.1.Introduction
2.2.Examples of Linear Programming Problems
2.3.Basic Solutions
2.4.The Fundamental Theorem of Linear Programming
2.5.Relations to Convexity
2.6.Exercises
Chapter 3.The Simplex Method
3.1.Pivots
3.2.Adjacent Extreme Points
3.3.Determining a Minimum Feasible Solution
3.4.Computational Procedure—Simplex Method
3.5.Artificial Variables
3.6.Matrix Form of the Simplex Method
3.7.The Revised Simplex Method
3.8.The Simplex Method and LU Decomposition
3.9.Decomposition
3.10.Summary
3.11.Exercises
Chapter 4.Duality
4.1.Dual Linear Programs
4.2.The Duality Theorem
4.3.Relations to the Simplex Procedure
4.4.Sensitivity and Complementary Slackness
4.5.The Dual Simplex Method
4.6.The—Primal—Dual Algorithm
4.7.Reduction of Linear Inequalities
4.8.Exercises
Chapter 5.Interior—Point Methods
5.1.Elements of Complexity Theory
5.2.The Simplex Method is not Polynomial—Time
5.3.The Ellipsoid Method
5.4.The Analytic Center
5.5.The Central Path
5.6.Solution Strategies
5.7.Termination and Initialization
5.8.Summary
5.9.Exercises
Chapter 6.Transportation and Network Flow Problems
6.1.The Transportation Problem
6.2.Finding a Basic Feasible Solution
6.3.Basis Triangularity
6.4.Simplex Method for Transportation Problems
6.5.The Assignment Problem
6.6.Basic Network Concepts
6.7.Minimum Cost Flow
6.8.Maximal Flow
6.9.Summary
6.10.Exercises
PART Ⅱ Unconstrained Problems
Chapter 7.Basic Properties of Solutions and Algorithms
7.1.First—Order Necessary Conditions
7.2.Examples of Unconstrained Problems
7.3.Second—Order Conditions
7.4.Convex and Concave Functions
7.5.Minimization and Maximization of Convex Functions
7.6.Zero—Order Conditions
7.7.Global Convergence of Descent Algorithms
7.8.Speed of Convergence
7.9.Summary
7.10.Exercises
Chapter 8.Basic Descent Methods
8.1.Fibonacci and Golden Section Search
8.2.Line Search by Curve Fitting
8.3.Global Convergence of Curve Fitting
8.4.Closedness of Line Search Algorithms
8.5.Inaccurate Line Search
8.6.The Method of Steepest Descent
8.7.Applications of the Theory
8.8.Newton's Method
8.9.Coordinate Descent Methods
8.10.Spacer Steps
8.11.Summary
8.12.Exercises
Chapter 9.Conjugate Direction Methods
9.1.Conjugate Directions
9.2.Descent Properties of the Conjugate Direction Method
9.3.The Conjugate Gradient Method
9.4.The C—G Method as an Optimal Process
9.5.The Partial Conjugate Gradient Method
9.6.Extension to Nonquadratic Problems
9.7.Parallel Tangents
9.8.Exercises
Chapter 10.Quasi—Newton Methods
10.1.Modified Newton Method
10.2.Construction of the Inverse
10.3.Davidon—Fletcher—Powell Method
10.4.The Broyden Family
10.5.Convergence Properties
10.6.Scaling
10.7.Memoryless Quasi—Newton Methods
10.8.Combination of Steepest Descent and Newton's Method
10.9.Summary
10.10.Exercises
PART Ⅲ Constrained Minimization
Chapter 11.Constrained Minimization Conditions
1.1.Constraints
1.2.Tangent Plane
1.3.First—Order Necessary Conditions(Equality Constraints)
1.4.Examples
1.5.Second—Order Conditions
1.6.Eigenvalues in Tangent Subspace
1.7.Sensitivity
1.8.Inequality Constraints
1.9.Zero—Order Conditions and Lagrange Multipliers
1.10.Summary
1.11.Exercises
Chapter 12.Primal Methods
12.1.Advantage of Primal Methods
12.2.Feasible Direction Methods
12.3.Active Set Methods
12.4.The Gradient Projection Method
12.5.Convergence Rate of the Gradient Projection Method
12.6.The Reduced Gradient Method
12.7.Convergence Rate of the Reduced Gradient Method
12.8.Variations
12.9.Summary
12.10.Exercises
Chapter 13.Penalty and Barrier Methods
13.1.Penalty Methods
13.2.Barrier Methods
13.3.Properties of Penalty and Barrier Functions
13.4.Newton's Method and Penalty Functions
13.5.Conjugate Gradients and Penalty Methods
13.6.Normalization of Penalty Functions
13.7.Penalty Functions and Gradient Projection
13.8.Exact Penalty Functions
13.9.Summary
13.10.Exercises
Chapter 14.Dual and Cutting Plane Methods
14.1.Global Duality
14.2.Local Duality
14.3.Dual Canonical Convergence Rate
14.4.Separable Problems
14.5.Augmented Lagrangians
14.6.The Dual Viewpoint
14.7.Cutting Plane Methods
14.8.Kelley's Convex Cutting Plane Algorithm
14.9.Modifications
14.10.Exercises
Chapter 15.Primal—Dual Methods
15.1.The Standard Problem
15.2.Strategies
15.3.A Simple Merit Function
15.4.Basic Primal—Dual Methods
15.5.Modified Newton Methods
15.6.Descent Properties
15.7.Rate of Convergence
15.8.Interior Point Methods
15.9.Semidefinite Programming
15.10.Summary
15.11.Exercises
Appendix A.Mathematical Review
A.1.Sets
A.2.Matrix Notation
A.3.Spaces
A.4.Eigenvalues and Quadratic Forms
A.5.Topological Concepts
A.6.Functions
Appendix B.Convex Sets
B.1.Basic Definitions
B.2.Hyperplanes and Polytopes
B.3.Separating and Supporting Hyperplanes
B.4.Extreme Points
Appendix C.Gaussian Elimination
Bibliography
Index
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书的装帧设计确实很用心,封面那种磨砂质感,拿在手里沉甸甸的,一看就知道是下了功夫的。不过,内容上嘛,我得说,对于初学者来说,这本书的入门门槛似乎有点高了。它直接就深入到那些复杂的数学推导和算法细节中去了,感觉就像是把我们这些刚接触优化理论的新手直接扔到了深水区。比如,在介绍线性规划的对偶理论时,作者的处理方式显得过于学术化,很多概念的铺垫不够充分,导致我在理解背后的几何意义和经济学含义时,花了大量的时间去查阅其他辅助资料。我希望能看到更多贴近实际工程应用的例子,哪怕是简单的库存管理或者资源分配问题,能够通过具体的案例来串联起理论知识,这样学习起来会更有方向感。现在的这种写法,更像是为已经有一定基础的研究生准备的参考书,而不是一本面向广泛读者的教材。如果能增加一些循序渐进的习题解析,或者提供一些软件实现的小贴士,想必会大大提升这本书的实用价值。

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从排版的角度来看,这本书的印刷质量是无可挑剔的,字体清晰,图表绘制得非常规范,这在阅读大量数学公式时,极大地减轻了眼睛的疲劳。但阅读体验上的不顺畅,主要来源于其内在的逻辑组织。它似乎更偏向于“是什么”和“怎么算”,而对于“为什么”的解释却有所欠缺。举个例子,在讲解KKT条件时,书中的证明过程是严谨的,但对于这些条件在实际问题求解中扮演的角色,以及它们与拉格朗日乘子法的内在联系,没有给出足够的直观阐释。这使得读者在记忆和应用这些条件时,容易陷入纯粹的符号操作,而无法形成系统的知识框架。我更希望看到的是一种“故事化”的讲述方式,将复杂的数学概念融入到清晰的逻辑链条中,而不是把它们孤立地陈述出来。

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这本书的习题部分,说实话,让我有些望而生畏。它们大多是纯粹的理论证明题,要求读者从基础公理出发去推导和论证,这无疑是对数学功底的极大考验。虽然这种强度的训练有助于夯实理论基础,但对于那些以提高解决实际工程问题能力为主要目的的读者来说,这样的习题设置可能过于偏重“纯数学”而偏离了应用的目标。我更期待看到一些需要编程实现、需要运用商业软件求解的计算型习题。例如,如何将一个复杂的生产调度问题转化为标准形式,并用MATLAB或者Python来求解,而不是仅仅停留在纸面上的代数操作。如果能有一个配套的在线资源,提供这些计算题目的数据集和参考代码,这本书的实用价值将呈几何级数增长。

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坦白讲,在阅读这本书的过程中,我发现它在对非线性规划(NLP)的处理上显得尤为保守和传统。尽管它确实全面覆盖了经典的序列二次规划(SQP)和牛顿法等方法,但对于近年来发展迅猛的全局优化算法,比如基于种群的元启发式算法(如遗传算法、粒子群优化),或者是针对大规模、非光滑问题的现代方法,介绍得非常简略,仿佛是上个世纪的知识体系。在当前人工智能和大数据驱动的时代背景下,优化问题往往具有高度的非凸性、高维度和随机性,传统的局部优化方法已经力不从心。我希望作者能在新版中加入对这些新兴领域的关注,探讨如何将现代计算方法与传统的优化理论进行有机结合,这样才能使这本书真正跟上时代的发展步伐,成为一本面向未来的指导手册。

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我花了几个周末的时间试图啃完前三章,最大的感受是,这本书的叙述节奏把握得不太好,有些地方详略失当。对于那些核心的优化算法,比如单纯形法或者内点法,作者给出的描述非常详尽,公式推导也无可挑剔,这对于深入研究者来说是优点。然而,在介绍一些更现代或者更具应用前景的方法时,比如启发式算法或者大规模优化问题的处理策略,内容却显得有些单薄,似乎只是蜻蜓点水地提了一下。这让我不禁怀疑,这本书的定位究竟是追求理论的完备性,还是关注应用的前沿动态?在我看来,一本好的教材应该在理论深度和广度之间找到一个平衡点。此外,书中对一些经典文献的引用也显得有些陈旧,如果能结合近十年来的研究进展,特别是机器学习和大数据背景下的优化挑战,这本书的价值无疑会得到提升。

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