Local Search in Combinatorial Optimization

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出版者:Princeton Univ Pr
作者:Aarts, Emile/ Aarts, Emile (EDT)/ Lenstra, J. K. (EDT)
出品人:
页数:536
译者:
出版时间:2003-7
价格:$ 79.10
装帧:Pap
isbn号码:9780691115221
丛书系列:
图书标签:
  • 元启发式算法
  • search
  • optimization
  • local
  • combinatorial
  • 组合优化
  • 局部搜索
  • 启发式算法
  • 算法设计
  • 优化算法
  • 运筹学
  • 人工智能
  • 计算机科学
  • 图论
  • 离散优化
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具体描述

In the past three decades, local search has grown from a simple heuristic idea into a mature field of research in combinatorial optimization that is attracting ever-increasing attention. Local search is still the method of choice for NP-hard problems as it provides a robust approach for obtaining high-quality solutions to problems of a realistic size in reasonable time. Local Search in Combinatorial Optimization covers local search and its variants from both a theoretical and practical point of view, each topic discussed by a leading authority. This book is an important reference and invaluable source of inspiration for students and researchers in discrete mathematics, computer science, operations research, industrial engineering, and management science. In addition to the editors, the contributors are Mihalis Yannakakis, Craig A. Tovey, Jan H. M. Korst, Peter J. M. van Laarhoven, Alain Hertz, Eric Taillard, Dominique de Werra, Heinz Mhlenbein, Carsten Peterson, Bo Sderberg, David S. Johnson, Lyle A. McGeoch, Michel Gendreau, Gilbert Laporte, Jean-Yves Potvin, Gerard A. P. Kindervater, Martin W. P. Savelsbergh, Edward J. Anderson, Celia A. Glass, Chris N. Potts, C. L. Liu, Peichen Pan, Iiro Honkala, and Patric R. J. stergrd.

《Local Search in Combinatorial Optimization》 本书深入探讨了组合优化领域中一类强大且应用广泛的算法——局部搜索。它旨在为研究人员、工程师和任何对解决复杂离散优化问题感兴趣的读者提供一个全面而深入的视角。本书的重点在于解释局部搜索算法的原理、设计、分析和应用,同时避免对具体算法的繁琐数学推导进行过度依赖,而是更注重概念的清晰阐述和直观理解。 核心概念与理论基础 本书首先将读者带入组合优化的世界,介绍其基本概念,如搜索空间、目标函数、可行解集以及优化的目标。随后,重点引入局部搜索的核心思想:从一个初始解出发,通过一系列局部的“邻域”移动来逐步改进解的质量,直到达到一个局部最优解,或者满足某些停止条件。 我们将详细解析“邻域”的定义及其对算法性能的影响。不同的邻域结构可以捕获问题的不同特征,从而影响搜索的效率和最终找到解的质量。本书将探讨多种常见的邻域定义方式,例如交换、插入、翻转等,并讨论如何根据具体问题的结构来选择或设计合适的邻域。 另一个关键概念是“评价函数”或“成本函数”,它用于衡量当前解的好坏。本书将讨论如何有效地计算和更新评价函数,以及在某些情况下,评价函数的计算可能成为算法的瓶颈,并介绍一些优化评价函数计算的方法。 局部搜索算法的家族 本书将对几种主要的局部搜索算法家族进行详细阐述,并重点分析它们的运作机制和特点。 基本局部搜索(Basic Local Search): 这是最直观的一种方法,在邻域内寻找所有能改进当前解的移动,并执行最优的那个(最佳提升法 Best Improvement),或者执行第一个找到的能改进的移动(首次提升法 First Improvement)。本书将分析这两种方法的优缺点,以及它们在不同问题上的表现。 模拟退火(Simulated Annealing): 模拟退火是一种受物理退火过程启发的随机化局部搜索算法。它允许在一定概率下接受差于当前解的移动,以避免陷入局部最优。本书将深入讲解模拟退火的温度调度策略、接受概率的计算,以及其在跳出局部最优方面的作用。 禁忌搜索(Tabu Search): 禁忌搜索引入了“禁忌列表”的概念,用于防止算法在搜索过程中反复循环回到已经访问过的解或进行某些特定的移动。本书将详细介绍禁忌列表的长度、内容以及如何通过禁忌列表来引导搜索方向,避免陷入重复。 迭代加深搜索(Iterative Deepening Search): 虽然迭代加深搜索更常用于图搜索,但其迭代思想在局部搜索的某些变种中也有体现,例如通过逐渐扩大邻域范围来搜索。本书将简要介绍这种思想在局部搜索中的潜在应用。 遗传算法与进化计算(Genetic Algorithms and Evolutionary Computation): 虽然遗传算法是一种更广泛的全局优化方法,但其交叉和变异操作也可以被看作是一种形式的局部搜索,在解的“邻域”中进行探索。本书将从局部搜索的角度出发,阐述遗传算法中探索性操作的原理,以及它与传统局部搜索的区别和联系。 变邻域搜索(Variable Neighborhood Search, VNS): VNS是一种更系统化的局部搜索框架,它系统地改变邻域结构来逃离局部最优。本书将详细介绍VNS的原理,包括如何选择邻域序列以及如何进行系统性的邻域切换。 算法设计与分析 本书不仅仅是介绍算法,更侧重于指导读者如何设计和分析局部搜索算法。 问题建模: 如何将实际问题转化为组合优化问题,并为其定义合适的搜索空间、目标函数和邻域结构,是成功应用局部搜索的第一步。本书将提供一些通用的问题建模技巧和注意事项。 邻域设计: 邻域的设计对算法的性能至关重要。本书将提供一套设计邻域的原则和方法,帮助读者根据问题的特性来构建有效的邻域。 搜索策略: 除了基本的局部搜索,本书还将探讨更高级的搜索策略,例如宏邻域(macro-neighborhoods)、多尺度搜索(multi-scale search)等,以提高搜索效率和解的质量。 算法性能分析: 如何评估一个局部搜索算法的性能?本书将介绍一些理论分析工具,例如收敛性分析、计算复杂度分析,以及在实践中常用的性能评估指标,如平均运行时间、找到最优解的概率等。 停止条件: 确定合适的停止条件是算法实际应用中的一个重要问题。本书将讨论多种停止条件的策略,包括基于时间、基于解的改善程度、基于迭代次数等。 应用领域 局部搜索算法因其灵活性和高效性,在众多组合优化问题中得到了广泛应用。本书将精选一些典型的应用领域,并深入分析局部搜索在这些领域中的具体实现和挑战。 旅行商问题(Traveling Salesperson Problem, TSP): TSP是组合优化中最经典的问题之一,本书将详细介绍如何使用不同的局部搜索算法来解决TSP,并分析各种算法在TSP上的表现。 车辆路径问题(Vehicle Routing Problem, VRP): VRP是物流和供应链管理中的关键问题,本书将展示局部搜索如何在VRP中进行解的改进,例如通过交换路线、重新分配客户等。 调度问题(Scheduling Problems): 包括作业车间调度、流水线调度等。本书将探讨如何利用局部搜索来优化生产流程,减少生产时间,提高资源利用率。 图着色问题(Graph Coloring Problems): 在网络设计、资源分配等领域有广泛应用。本书将介绍如何将图着色问题转化为局部搜索可以处理的形式。 装箱问题(Bin Packing Problems): 在物流、存储等领域有重要意义。本书将讨论如何通过局部搜索来优化物品的放置,以最小化使用的箱子数量。 其他应用: 本书还将简要提及局部搜索在配置问题、布局问题、网络优化等其他领域的应用。 高级主题与未来方向 除了核心算法和应用,本书还将涉及一些更高级的主题。 混合算法: 许多实际问题往往需要结合多种算法的思想来达到最佳性能。本书将探讨如何将局部搜索与其他优化技术(如全局优化算法、启发式算法)相结合,形成更强大的混合算法。 并行与分布式局部搜索: 随着计算能力的提升,并行和分布式计算在解决大规模优化问题中扮演着越来越重要的角色。本书将介绍如何在并行和分布式环境下实现局部搜索算法。 元启发式方法(Metaheuristics): 局部搜索是许多元启发式方法(如禁忌搜索、模拟退火)的基础。本书将从局部搜索的角度,理解这些更高级元启发式算法的设计理念。 机器学习与局部搜索的结合: 近年来,机器学习技术在优化领域也取得了显著进展。本书将探讨如何利用机器学习来辅助局部搜索算法的设计,例如学习最优的邻域结构或搜索策略。 对新问题的适应性: 组合优化问题是不断涌现和变化的。本书将强调局部搜索算法的可扩展性和适应性,以及如何将其应用于解决新兴的、未知的优化挑战。 本书的目标读者 本书适合于拥有一定计算机科学、数学或工程背景的读者。特别推荐给以下人群: 研究生和博士生: 研究组合优化、运筹学、人工智能等方向的学生。 研究人员: 在相关领域进行学术研究的科研人员。 工程师和软件开发人员: 需要解决实际优化问题的行业从业者。 对算法和问题解决感兴趣的爱好者: 希望深入理解复杂优化问题求解方法的读者。 本书提供了一个严谨而不失生动的视角,帮助读者掌握局部搜索这一强大的工具,并能够将其灵活应用于各种实际的组合优化问题。通过本书的学习,读者将能够更自信地分析和解决具有挑战性的离散优化问题。

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从学术史的角度来看,这本书为组合优化领域提供了一个扎实的参考点,它清晰地勾勒出了局部搜索算法在经典问题求解谱系中的地位。作者的写作风格非常克制,几乎没有使用任何夸张或鼓吹性的词汇,一切都以事实和数学逻辑为依据,这对于严谨的科研人员来说是极大的福音。但是,这种过度的克制也带来了一个问题:全书的情感温度非常低。阅读过程如同在精密仪器房内操作,效率很高,但缺乏激励人心的叙事感。对于需要向本科生介绍这个领域、并希望激发他们兴趣的教师而言,本书可能略显枯燥。它缺乏那种能将抽象概念与现实世界中惊心动魄的调度或设计难题联系起来的生动案例。比如,如何将这些搜索策略应用于基因组学的数据比对,或者在供应链中断的实时决策中,这些算法是如何被“驯服”和部署的——书中鲜有此类引人入胜的宏大叙事。

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这本书的封面设计颇具匠心,那种深沉的蓝色调,配上金色的字体,立刻给人一种专业、严谨又不失经典的学术气息。我最初拿起它,是冲着这个领域里它相对较新的出版时间去的,期待能看到一些前沿的、与时俱进的优化算法的阐述。然而,实际阅读下来,我发现它在内容组织上的逻辑性虽然清晰,但深度上似乎有所保留。章节间的衔接处理得比较平滑,这一点值得称赞,它没有那种生硬的、为了凑字数而强行拉扯的过渡感。但是,对于像我这样已经在这个领域摸爬滚打了一段时间的读者来说,很多基础概念的介绍显得有些冗长,似乎是为了照顾初学者而特意放慢了节奏。我期待能看到更多关于复杂约束处理的创新性方法,或者至少是对当前主流元启发式算法在特定工业场景下效率瓶颈的深入剖析,但书中大多停留在理论框架的构建和基础算例的演示上。整本书读下来,感觉像是走过一条铺设精良的康庄大道,虽然平稳舒适,却少了那么一点探索未知的惊险与刺激,对寻求突破性见解的人来说,可能需要自己再挖掘更深层次的内容。

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这本书的参考文献列表非常详尽,这使得它在追溯特定理论的源头时变得非常有用。我可以轻易地根据书中的引用,找到特定算法提出者的一手资料。这体现了作者深厚的文献功底。但有趣的是,在讨论到近年来非常热门的、结合了机器学习(特别是强化学习)来指导搜索过程的“学习型优化器”这一交叉领域时,本书的论述显得犹豫且简略,仿佛这是作者不愿深入涉足的“灰色地带”。当前优化领域的发展趋势已经不可逆转地指向人机协同,而本书似乎在刻意保持一种对“纯粹”算法的固守。我个人认为,如果一本聚焦于“搜索”的书籍不能对如何利用数据和预测模型来动态优化搜索路径这一核心议题给出至少一个深入的章节探讨,那么它在定义“当前”的局部搜索前沿时,就显得有些滞后了。它更像是一部关于上个十年优化的权威总结,而非面向未来的路线图。

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这本书的排版和印刷质量无疑是教科书级别的典范。纸张的质感厚实,墨迹清晰锐利,即便是长时间盯着那些复杂的数学公式和伪代码,眼睛的疲劳感也比阅读某些廉价影印本要轻得多。这种对细节的关注,体现了出版方对学术严肃性的尊重。不过,这种精美包装下隐藏的内容,却让我有些困惑。作者似乎花费了大量的笔墨去回顾和重申那些已经被学界广泛接受的经典模型——比如旅行商问题(TSP)或背包问题(Knapsack)的几种经典变体——的建立过程。我原以为这会是一部聚焦于“局部搜索”这一具体范畴的深度指南,但读完相关章节后,我发现其中对全局优化策略的讨论被稀释了,甚至感觉更像是一本广谱的组合优化导论,只是在后半部分才勉强聚焦到局部搜索的几个核心思想上。这使得本书的定位有些模糊:它想成为一本入门读物,却又用了过于高阶的语言;想成为一本前沿综述,却又重复了太多基础知识。对于想直接深入了解次梯度方法或高级邻域结构设计的读者来说,他们需要做的“信息过滤”工作量相当大。

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我尤其欣赏作者在章节末尾设置的“思考题”部分,它们往往不只是简单的数值计算,更要求读者对算法的收敛性质和时间复杂度进行定性分析。这无疑是检验学习效果的绝佳工具。然而,当我尝试去验证某些高级搜索策略(比如某种特定的禁忌搜索变体)的实际运行效果时,发现书中提供的所有示例代码——即便是伪代码——在处理大规模、高维度问题时,其性能评估的篇幅明显不足。这种“知其然不知其所以然”的感觉,是阅读专业技术书籍时最令人沮丧的体验之一。例如,书中提到了一种基于解质量的动态阈值调整机制,理论描述得十分巧妙,但缺乏一个关于何时该“激进探索”何时该“保守利用”的实际案例对比。我希望作者能提供更具挑战性的基准测试集,并详细对比几种不同局部搜索策略在资源受限环境下的表现差异,这样这本书的实践价值才能得到最大程度的提升。

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