Algorithms in Bioinformatics

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出版者:Springer
作者:Lagergren, Jens 编
出品人:
页数:396
译者:
出版时间:2008-10-24
价格:USD 89.95
装帧:Paperback
isbn号码:9783540873600
丛书系列:
图书标签:
  • 生物信息学
  • 算法
  • 计算生物学
  • 基因组学
  • 序列分析
  • 蛋白质组学
  • 进化计算
  • 数据挖掘
  • 机器学习
  • 生物统计学
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具体描述

This book constitutes the refereed proceedings of the 8th International Workshop on Algorithms in Bioinformatics, WABI 2008, held in Karlsruhe, Germany, in September 2008 as part of the ALGO 2008 meeting. The 32 revised full papers presented together with the abstract of a keynote talk were carefully reviewed and selected from 81 submissions. All current issues of algorithms in bioinformatics are addressed, reaching from mathematical tools to experimental studies of approximation algorithms and reports on significant computational analyses. The topics range in biological applicability from genome mapping, to sequence assembly, to microarray quality, to phylogenetic inference, to molecular modeling.

领域前沿的算法与计算方法:一本深度解析与实践指南 书名: 领域前沿的算法与计算方法 核心主题: 本书全面深入地探讨了应用于复杂系统分析、大规模数据处理以及前沿科学计算领域的核心算法与计算模型。它旨在为读者提供一个坚实的理论基础,同时侧重于这些方法的实际应用、性能优化和前沿发展趋势。 内容梗概: 本书结构清晰,内容涵盖了从经典计算理论到最新机器学习范式的多个层面,重点关注那些能够解决实际工程和科研难题的计算工具箱。 第一部分:基础计算模型与复杂性分析 本部分首先回顾了计算理论的基石,但着重于如何将这些抽象模型应用于处理现实世界中的非理想化问题。 高级数据结构与内存优化: 深入讨论了非传统数据结构(如B树族的变体、跳跃表的高级应用)在数据库和大规模文件系统中的优化策略。重点分析了缓存效应(Cache Effects)、内存层级结构(Memory Hierarchy)对算法性能的实际影响,并引入了面向内存层次的算法设计范式。 复杂性理论的实际考量: 超越P vs NP的基本讨论,本书聚焦于参数化复杂性理论(Parameterized Complexity)和近似算法设计。详细解析了如何为NP难问题构建具有可接受误差界限的实用算法,包括线性规划松弛、割平面法(Cutting Plane Methods)以及随机化近似技术的应用案例。 并行与分布式计算基础: 介绍了从共享内存模型(如OpenMP)到大规模分布式架构(如MPI)的核心编程范式。探讨了数据依赖性分析、负载均衡策略以及同步与异步计算模型之间的权衡,为后续的高性能计算章节奠定基础。 第二部分:图论与网络科学的计算挑战 本部分将图论视为描述关系和连接的通用语言,专注于解决实际网络中的关键计算难题。 大规模图的表示与存储: 针对万亿级边的图结构,探讨了压缩存储技术,如邻接列表的高效压缩、基于空间的索引结构,以及如何利用图嵌入技术(Graph Embeddings)减少存储需求和加速查询。 动态图算法: 区别于静态图分析,本章聚焦于随时间变化的图结构。详细介绍了维护连通性信息、识别演化中的社群结构(Evolving Communities)以及高效处理边缘增删操作的算法框架,例如时间序列图算法。 中心性度量的深度解析: 不仅涵盖了传统的度中心性、介数中心性,更深入剖析了PageRank的随机游走变体、Katz中心性在信息传播模型中的应用,并讨论了在大规模网络中并行计算这些度量的方法。 第三部分:数值分析与高性能科学计算 本部分侧重于解决涉及连续变量和高精度要求的科学问题,强调算法的稳定性和计算效率。 稀疏线性代数系统: 针对工程和物理模拟中常见的超大规模稀疏矩阵,本书详述了迭代求解器(如GMRES, BiCGStab)的收敛性理论和预处理技术(如代数多重网格AMG)。讨论了如何利用GPU架构加速这些迭代过程。 优化算法的高级应用: 深入研究了非线性优化和凸优化的现代方法。重点介绍内点法(Interior Point Methods)的理论基础及其在资源分配和控制系统中的实际部署,同时涵盖了随机梯度下降(SGD)及其在处理高维、大规模优化问题时的变体(如Adam, Adagrad)。 傅里叶分析与快速变换的扩展: 除了标准的FFT,本书探讨了多维傅里叶变换、小波分析(Wavelet Analysis)在信号去噪和特征提取中的应用,以及针对非均匀采样数据的插值和重构技术。 第四部分:面向数据的智能计算范式 本部分是全书的亮点之一,聚焦于现代数据驱动模型的核心算法和推理机制。 概率图模型与推理: 深入解析了贝叶斯网络和马尔可夫随机场(MRF)的结构。重点讨论了在复杂模型中进行高效概率推理的技术,包括变分推断(Variational Inference)的近似方法和MCMC(如Hamiltonian Monte Carlo)在难以采样的分布上的应用。 集成学习与决策树的深度优化: 不仅仅停留在XGBoost和LightGBM的表面介绍,本书剖析了这些梯度提升框架背后的目标函数优化、正则化策略以及并行化策略。探讨了如何设计新的分裂标准以适应特定类型的数据分布。 深度学习基础架构的计算效率: 从计算角度审视深度神经网络。分析了反向传播算法在现代硬件(GPU/TPU)上的实现细节、量化(Quantization)对模型性能和精度的影响,以及如何设计更节省带宽的通信原语来实现高效的分布式训练。 本书特色: 1. 理论与实践的紧密结合: 每个算法的介绍都伴随着对其实际复杂度、内存占用分析以及在特定计算平台(多核CPU、GPU集群)上的性能瓶颈讨论。 2. 强调现代计算环境: 大量内容聚焦于如何设计能够充分利用现代硬件并行性和内存结构的算法,而非仅仅停留在渐近分析层面。 3. 面向前沿研究的桥梁: 为读者提供了理解当前大规模科学计算、数据挖掘和人工智能领域核心论文所需的扎实算法背景。 目标读者: 计算机科学、工程学、物理学、生物信息学等领域的研究人员、高级本科生、研究生以及希望深入理解和优化复杂计算系统的软件工程师和数据科学家。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书给我最大的启发在于它对数据模型选择重要性的强调。作者似乎坚信,在生物信息学中,算法的成功与否,往往取决于我们如何将复杂的生物学实体(如基因、蛋白质相互作用网络)抽象化为数学模型。书中有专门的章节对比了不同网络表示法(如邻接矩阵与邻接表)在处理稀疏生物网络时的内存效率差异,以及这种差异如何影响到后续的社区发现算法的运行速度。这种从数据结构层面深入到应用层面的剖析,展现了作者深厚的跨学科功底。书中对贝叶斯方法在群体遗传学中的应用进行了非常详尽的介绍,特别是对MCMC(马尔可夫链蒙特卡洛)方法的稳定性分析,令人印象深刻。它没有回避MCMC收敛诊断中的常见陷阱,并提供了实用的工具和经验法则来规避这些问题。然而,在涉及生物学背景知识的解释上,本书的假设前提较高,如果你对分子生物学特别是基因调控网络的基本概念不熟悉,可能会在理解某些算法应用场景时感到吃力,需要频繁地查阅其他分子生物学书籍作为补充。

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这本书的结构安排颇具匠心,它没有采取那种将所有算法一网打尽的流水账式叙述,而是非常巧妙地将生物学问题作为驱动力来介绍相应的算法。比如,在讨论基因组组装问题时,它不是直接抛出De Bruijn图或Overlap-Layout-Consensus(OLC)模型,而是先细致地描绘了下一代测序(NGS)数据的特点和它带来的“碎片化”挑战,然后顺理成章地引出了如何用图论方法解决这些挑战。这种以问题驱动的叙事方式,极大地提升了阅读的连贯性和趣味性。我特别欣赏作者在讲解某些复杂的概率模型时,所使用的类比和可视化图示,它们有效地打破了抽象概念带来的理解壁垒。例如,在阐述隐马尔可夫模型(HMM)用于蛋白质结构域识别时,书中通过一个假想的“翻译过程”来解释前向-后向算法的逻辑,这比单纯罗列转移矩阵和发射概率要直观得多。唯一的小遗憾是,部分代码示例显得略微陈旧,如果能提供一些现代编程语言(比如Python的特定科学计算库)实现的例子,将更贴近当前实验室的实际操作环境,让读者能更顺畅地将理论转化为可执行的脚本。

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这本书初读下来,最直观的感受是它在理论深度和实际应用之间搭建了一座扎实的桥梁,但对于一个期望快速上手特定算法的读者来说,可能需要一些耐心。作者似乎非常注重基础原理的推导,那些复杂的数学模型和证明被详尽地铺陈开来,这对于想要深入理解计算生物学核心机制的科研人员无疑是宝贵的财富。我花了很长时间才啃完关于序列比对那几章,书中对动态规划算法的变体及其在生物学问题中的映射讨论得极为透彻,不同约束条件下的时间复杂度和空间优化策略分析得面面俱到,甚至连早期文献中的一些经典方法也被追根溯源地提及。然而,这种详尽也带来了一定的阅读负担,对于只想了解如何调用现有工具包解决特定问题的工程师而言,开头的理论铺垫可能会显得冗长。书中对最新的高通量数据处理流水线的提及相对较少,更多地聚焦于那些经过时间检验的经典算法框架,例如进化树构建中的最大简约法和最大似然法,其背后的统计学假设被阐述得清晰有力,但如果期望看到基于深度学习的基因组结构预测的最新进展,这本书可能需要配合其他更前沿的资料一起阅读。整体而言,它更像是一本优秀的参考手册,而非一本快速入门指南。

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坦率地说,我是在寻找一本能系统梳理计算生物学领域中“复杂度分析”的书籍时发现了它。这本书在算法的效率和可扩展性方面的探讨,达到了极高的水准。它不仅仅停留在展示“如何实现”某个算法,更深入地剖析了在处理海量生物数据集时,算法性能瓶颈的真正来源。关于NP难问题的讨论,作者非常审慎地界定了哪些问题在生物学中是“近似可解”的,以及为了达到可接受的精度,我们通常采用何种启发式或近似算法。书中对分支限界法在特定优化问题中的应用分析得尤为细致,它展示了如何通过精妙的剪枝策略来将原本指数级的搜索空间有效压缩到可处理的范围内。这种对计算资源消耗的深刻理解,对于负责构建大型生物信息学分析平台的人员来说,是至关重要的设计哲学。相较于市面上很多侧重于“实现”而非“优化”的教材,本书的视角无疑更为高屋建瓴。不过,对于初学者,这种对渐进复杂度的反复强调可能会让人感到略微枯燥,需要一定的数学基础才能完全领会其中精妙之处。

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作为一本侧重算法的书籍,我本来预期它会更偏向于纯粹的计算机科学理论,但这本书却成功地将算法的“艺术性”融入了生物学的语境。特别是在处理序列比对中的“模糊匹配”和“局部最优解”问题时,作者没有简单地罗列Gotoh或Smith-Waterman算法,而是探讨了引入相似性矩阵(如BLOSUM或PAM)背后的生物学意义——即氨基酸之间的保守替换和演化压力。这种对“为什么用这个算法”而非“如何用这个算法”的深入探讨,使得阅读过程充满了洞察力。书中对进化模型的讨论,特别是关于中性演化理论在生物信息学中的应用,解释得清晰且具有批判性,引导读者思考模型的局限性。这本书的行文风格非常严谨,几乎找不到任何可以被挑剔的逻辑漏洞,但正因如此,它显得有些“严肃”。它更适合那些已经掌握了基础算法知识,并希望将这些知识系统化、专业化地应用于生物信息学领域的进阶学习者。它不是那种能让你在周末轻松读完的书,而是一本需要你带着笔和纸,反复推敲才能真正消化的经典。

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