Nonlinear Equations and Optimisation, Volume 4

出版者:North Holland

作者:L.T. Watson

页数:384

出版时间:2001-3-28

价格:USD 95.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780444505996

具体描述

In one of the papers in this collection, the remark that 'nothing at all takes place in the universe in which some rule of maximum of minimum does not appear' is attributed to no less an authority than Euler. Simplifying the syntax a little, we might paraphrase this as Everything is an optimization problem. While this might be something of an overstatement, the element of exaggeration is certainly reduced if we consider the extended form: Everything is an optimization problem or a system of equations. This observation, even if only partly true, stands as a fitting testimonial to the importance of the work covered by this volume. Since the 1960s, much effort has gone into the development and application of numerical algorithms for solving problems in the two areas of optimization and systems of equations. As a result, many different ideas have been proposed for dealing efficiently with (for example) severe nonlinearities and/or very large numbers of variables. Libraries of powerful software now embody the most successful of these ideas, and one objective of this volume is to assist potential users in choosing appropriate software for the problems they need to solve. More generally, however, these collected review articles are intended to provide both researchers and practitioners with snapshots of the 'state-of-the-art' with regard to algorithms for particular classes of problem. These snapshots are meant to have the virtues of immediacy through the inclusion of very recent ideas, but they also have sufficient depth of field to show how ideas have developed and how today's research questions have grown out of previous solution attempts. The most efficient methods for local optimization, both unconstrained and constrained, are still derived from the classical Newton approach. As well as dealing in-depth with the various classical, or neo-classical, approaches, the selection of papers on optimization in this volume ensures that newer ideas are also well represented. Solving nonlinear algebraic systems of equations is closely related to optimization. The two are not completely equivalent, however, and usually something is lost in the translation. Algorithms for nonlinear equations can be roughly classified as locally convergent or globally convergent. The characterization is not perfect. Locally convergent algorithms include Newton's method, modern quasi-Newton variants of Newton's method, and trust region methods. All of these approaches are well represented in this volume.

用户评价

我是一个在计算科学领域摸爬滚打多年的研究者，经常需要自己编写求解器来处理一些高度定制化的、商业软件无法胜任的特殊非线性系统。因此，对于一本侧重于底层算法的书籍，我的要求是极为苛刻的。我需要看到关于算法稳定性和计算效率的权衡。第四卷在这方面没有让我失望。它详尽地分析了拟牛顿法（Quasi-Newton Methods），特别是BFGS算法的推导和实际应用中的注意事项。作者不仅解释了如何构造和更新近似的Hessian矩阵 $B_k$，还深入讨论了在有限精度计算环境下，如何避免矩阵的“退化”（即丧失正定性），以及如何使用Cholesky分解来保持计算的数值稳定性。这种对工程实践中“陷阱”的警示，使得这本书的价值远超于纯理论探讨。它更像是一本“高级算法实现的黑箱拆解指南”。通过阅读这些章节，我得以修正了自己代码中关于拟牛顿秩一修正的一个细微错误，从而使我的收敛速度提升了近30%。这本书不是用来“读完”的，而是用来“参考”和“对照”的，对于任何致力于构建高性能非线性求解器的专业人士而言，它都是一个不可或缺的工具箱。

这本《非线性方程与优化，第四卷》的译本在我桌上已经放了半个多月了，但真正翻开它却是在一个细雨绵绵的周末。我本来是冲着“优化”这个词来的，毕竟在我的工作中，很多实际问题最终都会归结到寻找一个最优解上，而线性规划那套工具箱显然已经捉襟见肘。这本书的开篇，并没有直接跳入那些令人望而生畏的矩阵运算和复杂的Lagrange乘子法，而是花了不少篇幅去铺陈非线性问题的本质——那种内在的、潜藏的复杂性。作者似乎非常耐心地试图让我明白，为什么我们不能像处理线性系统那样简单粗暴地“解”掉它们。其中关于局部最优与全局最优之间鸿沟的讨论，尤其发人深省。我记得其中一个例子，是关于一个高维空间中的能量面，图形化的描述虽然没有直接给出，但文字的张力足以让我感受到那种在光滑的曲面上小心翼翼试探前进的工程师的焦虑。这本书的语言风格非常严谨，但又时不时地流露出一种对数学美感的执着，让你在感到烧脑的同时，又不失探索未知领域的兴奋感。它不是那种能让你一蹴而就掌握所有技巧的“速成手册”，更像是一位经验老到的导师，在你迷失于错综复杂的参数空间时，轻轻点拨你，让你重新审视问题的基本假设。我感觉自己需要的不是更快的算法，而是对问题根源更深刻的理解，这本书似乎正在满足我的这种需求。

这本书的排版和图示，坦白说，并不像现代流行的那些鲜亮、色彩丰富的教材那样讨喜。它更偏向于传统的学术专著风格，黑白分明，符号密集，需要读者有很强的符号处理能力。然而，正是这种朴素，反而突出了内容的重量。在讨论惩罚函数法和障碍函数法时，作者通过巧妙的边界条件设计，展示了如何用一个近似的、无约束的问题去模拟一个有约束的问题。这听起来像是“障眼法”，但其背后的数学逻辑——通过趋于无穷或零的参数——却展示了数学家如何将一个复杂的结构“平滑化”以便于处理。我个人对其中的敏感性分析和参数微分部分印象最为深刻。在工程设计中，我们不仅要知道最优解在哪里，更要知道当输入参数（比如材料强度、初始温度）轻微变化时，最优解会如何移动。这本书详细解释了如何利用一阶和二阶导数信息来预估这种变化，这对于进行鲁棒性设计至关重要。它提供了一种从“静态求解”到“动态响应预测”的思维飞跃。

说实话，拿到这本书的时候，我内心是带着一丝抵触的，因为我对纯数学理论的耐心一直不算太好。我更偏爱那些能直接落地、代码就能跑通的工具集。然而，这部《非线性方程与优化，第四卷》的结构安排，却出乎意料地贴合了我的学习习惯。它不是那种堆砌定理和证明的教科书，它的重点似乎放在了“如何构建模型”以及“为什么特定方法会失败”上。在涉及迭代算法的部分，作者非常细致地剖析了每一步的收敛性条件，特别是牛顿法在处理病态（ill-conditioned）问题时的脆弱性，这一点对我很有帮助。我曾经为一个工程优化问题感到头疼不已，发现无论我如何调整步长或阻尼因子，计算结果总是在一个很小的区域内震荡，无法收敛。这本书让我意识到，问题的核心可能不在于我的实现代码，而在于目标函数本身的曲率信息——也就是Hessian矩阵——出了问题。它没有直接给出“万能药”，但它提供了一套诊断问题的思维框架。读到关于信赖域方法的部分，我仿佛看到了另一扇门，相比于传统的线搜索，信赖域提供了一种更稳健的、对局部信息更负责任的探索策略。这本书的价值在于，它教会了你“慢下来”观察你正在处理的函数，而不是急于求成地去逼近一个点。

这本书的深度绝对不是新手能够轻易驾驭的，我花了将近两周时间才啃完前三章，主要是因为作者对“约束”这个概念的阐述极其精妙，几乎将它提升到了哲学的高度。我们习惯了在简单区域内找最优解，但真实世界充满了限制：资源有限、物理定律的约束、甚至预算的限制。第四卷对KKT（Karush-Kuhn-Tucker）条件的探讨，远比我在其他教材中看到的要细致入微。它不仅仅是列出必要条件，而是深入挖掘了在哪些拓扑结构下，这些条件从必要变成充分，以及当约束条件变得“稀疏”或“激活”时，求解器需要如何调整策略。我特别欣赏作者在讨论对偶理论时所采取的视角：将原问题从一个难以处理的直接优化，转化为一个在对偶空间中可能更容易处理的间接优化。这种视角转换是如此优雅，它揭示了数学优化理论内在的对称性和统一性。对于那些想要从“会用”优化软件进阶到“理解并设计”优化算法的人来说，这本书提供了坚实且富有启发性的理论基础。它迫使你不断地去问“为什么”，而不是满足于“是什么”。