Optimal Transport

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出版者:Springer
作者:Cédric Villani
出品人:
页数:1000
译者:
出版时间:2008-11-17
价格:USD 159.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9783540710493
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
  • 最优传输
  • transport
  • 運籌學
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  • 数学分析7
  • Optimal Transport
  • Wasserstein Distance
  • Measure Theory
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  • Statistics
  • Machine Learning
  • Geometry
  • Analysis
  • Algorithms
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具体描述

At the close of the 1980s, the independent contributions of Yann Brenier, Mike Cullen and John Mather launched a revolution in the venerable field of optimal transport founded by G. Monge in the 18th century, which has made breathtaking forays into various other domains of mathematics ever since. The author presents a broad overview of this area, supplying complete and self-contained proofs of all the fundamental results of the theory of optimal transport at the appropriate level of generality. Thus, the book encompasses the broad spectrum ranging from basic theory to the most recent research results. PhD students or researchers can read the entire book without any prior knowledge of the field. A comprehensive bibliography with notes that extensively discuss the existing literature underlines the book's value as a most welcome reference text on this subject.

《最优输运:理论、算法与应用》 引言 在自然科学、工程技术乃至经济社会的诸多领域,我们常常面临着一个核心问题:如何将一种“分布”高效、经济地转化为另一种“分布”。这种“分布”可以是物质的、能量的、信息的,甚至是概率的。举例来说,工厂如何最经济地将原材料运送到不同的生产线,城市交通系统如何规划最优路线以缓解拥堵,或者在图像处理中,如何将一张图片的风格“传递”到另一张图片上,这些都蕴含着“最优输运”的思想。 《最优输运:理论、算法与应用》一书,旨在深入浅出地揭示这一强大而普适的数学框架。它并非仅仅是提供一套现成的解决方案,而是引领读者穿越最优输运的理论迷宫,理解其深厚的数学根基,掌握其多样化的算法工具,并最终将其灵活应用于解决现实世界中的复杂问题。本书的撰写,力求在严谨的数学表述与直观的物理意义之间架起桥梁,让理论的严密性与应用的灵活性得以兼顾,既服务于理论研究者,也面向有志于将此技术应用于实际的工程师、数据科学家和领域专家。 第一部分:理论基础——理解最优输运的数学语言 理论是根基,没有扎实的理论理解,应用就如同空中楼阁。本书的第一部分将系统地阐述最优输运的数学精髓。 概率测度的世界: 最优输运的核心对象是概率测度。本书将从概率空间、随机变量和概率分布等基本概念出发,逐步引入测度的概念,包括勒贝格测度、Borel测度等,并强调概率测度作为一种特殊的测度,在最优输运中的重要性。我们将探讨测度的性质,如支撑集、紧集、可分性等,这些性质对于理解输运问题的可解性和解的性质至关重要。 距离的衡量:欧氏距离到输运距离: 在讨论“如何最经济地输运”时,我们首先需要定义“经济”的标准,也就是“距离”或“成本”。本书将回顾欧氏空间中的各种距离度量,然后引出最优输运的经典定义:Monge-Kantorovich问题。我们将详细介绍Monge问题,即寻找一个映射,将源测度精确地映射到目标测度,使得映射的“输运成本”最小。然而,Monge问题在某些情况下可能不存在解。因此,本书将重点介绍Kantorovich的松弛问题,它引入了“输运耦合”的概念。 输运耦合:桥梁与连接: 输运耦合是一个联合概率测度,描述了如何将源测度上的点“输运”到目标测度上的点。本书将深入探讨输运耦合的定义、性质以及它与Monge问题的关系。我们将展示如何将Monge问题转化为一个更易于处理的线性规划问题(当离散化时)或凸优化问题(当连续时),其解即为最优输运耦合。 度量空间的输运:W_p距离: 最优输运不仅仅局限于欧氏空间,其强大的生命力在于可以推广到更一般的度量空间,甚至是黎曼流形。本书将介绍Wasserstein距离(W_p距离),也称为p-输运距离。我们将详细阐述W_p距离的定义,特别是W_1距离(Earth Mover's Distance, EMD)和W_2距离,并解释它们在量化两个概率分布之间“距离”方面的意义。Emdient解释了W_p距离是如何通过寻找最优输运方案来度量的,并探讨了不同p值对距离性质的影响。 理论的深度:存在性、唯一性与正则性: 理论的严谨性要求我们回答“解是否存在”、“解是否唯一”、“解具有怎样的性质”等问题。本书将深入探讨最优输运解的存在性定理,例如在Kadets-Kuzmin-Levin定理等框架下,解释何种条件下最优输运解保证存在。同时,我们也会讨论解的唯一性条件,例如当源测度和目标测度具有连续密度时,Monge问题通常有唯一解。此外,对于连续情况下的最优输运,我们将简要介绍解的正则性,即解的平滑性,这对于后续的数值计算和理论分析至关重要。 连续与离散的桥梁: 现实世界中的数据往往是离散的,而理论往往从连续的角度出发。本书将在理论部分就着重探讨连续测度上的最优输运,并为后续的离散化算法打下基础。我们将解释如何将连续的概率分布近似为离散的狄拉克测度集合,以及离散最优输运问题与连续问题的内在联系。 第二部分:算法实现——将理论转化为计算 理论的优雅需要通过有效的算法才能转化为实际的计算结果。本书的第二部分将聚焦于最优输运的各种计算方法。 线性规划的视角:离散最优输运: 当我们将概率分布离散化为一组点以及每个点的权重时,最优输运问题就转化为一个经典的线性规划问题。本书将详细讲解如何构建这个线性规划问题,包括定义决策变量(输运矩阵)、目标函数(总输运成本)和约束条件(保证输运量的守恒)。我们将介绍常用的求解器,如Simplex算法或内点法,以及它们在求解离散最优输运问题中的应用。 Sinkhorn迭代:加速与稳定: 经典的线性规划求解方法在处理大规模离散最优输运问题时,可能会面临计算效率和内存占用的挑战。Sinkhorn算法,也称为Sinkhorn-Knopp算法,为解决这个问题提供了一种高效且易于实现的迭代方法。本书将详细推导Sinkhorn算法的原理,解释其如何通过引入熵正则项来近似最优输运问题,并展示其在加速计算和提高数值稳定性方面的优势。我们将探讨不同熵正则化参数的选择对算法性能的影响。 基于梯度下降的方法: 最优输运问题的另一个角度是通过优化一个目标函数来求解。例如,Kantorovich松弛问题本质上是一个凸优化问题。本书将介绍基于梯度下降的优化方法,包括各种变体,如随机梯度下降(SGD)、Adam等,来求解最优输运耦合。我们将解释如何计算目标函数关于输运耦合的梯度,以及如何利用梯度信息来迭代更新输运耦合,直至收敛。 基于最短路径的算法: 在某些特定情况下,最优输运问题可以转化为图论中的最短路径问题。例如,当源测度和目标测度都是离散点时,可以构建一个图,其边权表示输运成本,然后寻找最短路径来求解。本书将介绍这类算法,并讨论其适用范围和局限性。 连续最优输运的数值方法: 对于连续概率分布,直接求解Monge-Kantorovich问题通常是困难的。本书将介绍一些近似连续最优输运的方法,例如基于粒子法的模拟,或者将连续分布离散化后利用离散最优输运算法。我们还会简要介绍一些更高级的数值方法,如基于有限元或有限差分的方法,用于求解相关的偏微分方程。 软件工具与库: 为了方便读者实践,本书将介绍一些常用的开源软件库,如Python中的`POT`(Python Optimal Transport)库,以及其他在科学计算领域广泛应用的工具。我们将提供代码示例,演示如何使用这些工具来实现本书介绍的各种算法。 第三部分:应用领域——最优输运的实践力量 理论的价值最终体现在其解决实际问题的能力。本书的第三部分将展示最优输运在不同领域的广泛应用。 计算机视觉与图像处理: 图像检索与匹配: 利用EMD度量两幅图像的“距离”,实现高效的图像检索和相似图像匹配。 图像形变与对齐: 通过求解最优输运,实现图像的非刚性形变和对齐,例如人脸识别中的特征点对齐。 风格迁移与图像生成: 将一张图像的风格“输运”到另一张图像上,实现艺术风格的迁移,或用于生成具有特定风格的新图像。 图像分割与目标识别: 将图像像素的分布进行最优输运,用于目标区域的分割和识别。 机器学习与统计学: 分布距离度量: Wasserstein距离作为一种强大的分布距离度量,在衡量生成模型(如GANs)的性能,以及进行分布间的比较时具有重要作用。 无监督学习与聚类: 利用最优输运来度量数据点之间的“相似性”,从而实现更有效的聚类分析。 迁移学习: 当不同领域的数据分布存在差异时,最优输运可以帮助学习模型在不同领域之间进行迁移。 生成模型: 在生成对抗网络(GANs)等生成模型中,Wasserstein GANs(WGANs)利用Wasserstein距离作为损失函数,有效地解决了传统GANs的模式崩溃问题。 自然语言处理(NLP): 词向量与句向量的距离: 利用最优输运度量不同词语或句子的语义距离,改进词向量和句向量的表示。 文本匹配与相似度计算: 将文本表示为词袋模型或更高阶的分布,利用最优输运计算文本间的相似度。 物理学与工程学: 流体动力学: 在模拟流体运动、描述粒子分布的演化等方面,最优输运扮演着重要角色。 材料科学: 分析材料微观结构的分布,或模拟材料在不同条件下的形变。 机器人学: 路径规划、运动控制以及机器人姿态的匹配。 信号处理: 信号的去噪、增强和匹配。 金融与经济学: 风险管理: 衡量不同资产组合之间的风险分布差异。 优化配置: 资源的最优配置问题,例如在供应链管理中。 宏观经济模型: 模拟不同经济体之间财富或收入的分布转移。 生物信息学: 基因序列比对: 衡量基因序列之间的相似度。 蛋白质结构比对: 比较不同蛋白质的三维结构。 其他新兴领域: 本书还会提及最优输运在地理信息系统(GIS)、气候建模、社会网络分析等领域的潜在应用,并鼓励读者探索其更广泛的应用可能性。 结论 《最优输运:理论、算法与应用》不仅仅是一本教科书,更是一扇通往强大数学工具的大门。通过系统地阐述其理论基础,详细介绍计算算法,并展示其在各行各业的广泛应用,本书旨在赋能读者理解、掌握并应用最优输运这一强大的框架。我们相信,无论您是寻求理论突破的研究者,还是致力于解决实际问题的工程师,亦或是对数据科学充满好奇的学生,都能从本书中获得启发与助益,开启利用最优输运解决复杂问题的旅程。 最优输运的魅力在于其普适性与深刻性,它以一种统一的语言连接了看似无关的领域,提供了解决分布匹配问题的强大工具。本书的完成,希望能激发更多人对最优输运的兴趣,并为其在科学和技术发展中的进一步推广和应用贡献一份力量。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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读完这本书后,我脑海中浮现的是一幅巨大的、结构无比精密的工程蓝图,而不是一个故事或一个观点。这本书似乎着重强调了“结构稳定性”和“一致性”在理论建构中的至高无上地位。其中对于某一类算子性质的分类和讨论,体现了作者极高的分类学天赋,他似乎能将原本混杂的现象归纳到几个清晰的类别下,并且为每个类别提供了明确的数学特征。然而,我发现书中对某些基础概念的引用非常跳跃,它默认读者对某个特定领域(可能是泛函分析或概率论的交叉点)的知识已经达到了硕士研究生的水平。如果将这本书比作一座冰山,那么读者能看到的只是水面上的尖端,水面之下隐藏的知识量和复杂性才是真正决定其深度的关键。总体而言,它更像是邀请已经具备一定专业知识的同行进行一次深度交流的邀请函,而不是向大众普及知识的教材。

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这本书的行文风格有着一种近乎古板的古典美感,每一个句子都像是经过了反复的锤炼,力求达到数学表达上的“无懈可击”。它似乎极其重视对某个特定数学对象进行“显式构造”的过程,通过一步步的构建展示其内在的完备性。关于边界条件的处理,我发现书中给出了好几种截然不同的处理方法,每种方法都对应着理论推导中的不同侧重点,这显示了作者处理问题的多维度视角。虽然全书的数学符号密度非常高,但奇怪的是,它却营造出一种独特的节奏感,这种节奏感来自于公式推导的韵律而非语言的流畅性。如果说有什么缺点,那可能在于它对“直觉”的疏忽,所有的论证都必须通过严格的代数或分析手段来证明,缺乏那种让人豁然开朗的启发性插曲。这本书更像是一场漫长而艰苦的智力攀登,目标是到达一个纯粹的理论高地。

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这本书的章节结构安排得非常紧凑,似乎作者对任何可以节省篇幅的解释都持保留态度。引人注目的是,它对某个经典优化问题的现代重构进行了详尽的论述,这条线索贯穿了全书,并且展示了如何利用新的数学工具来解决老问题的新视角。其中关于“度量空间”的讨论,简直就是一场严谨的学术盛宴,作者没有放过任何一个细微的拓扑性质差异,并且精确地给出了这些差异在后续推导中的决定性作用。这本书的语言风格极其克制和客观,几乎没有带有任何个人色彩的叙述,完全沉浸在纯粹的数学陈述之中。我注意到书中似乎花费了很大篇幅来论证某个核心不等式的最优界限,那部分的证明过程环环相扣,让人不得不佩服作者的精妙布局和严谨推导。对于那些热衷于探究数学证明“为什么是这样”的读者来说,这本书提供了一个极佳的范本,尽管这个范本对读者的智力要求极高。

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我花了相当一段时间才算是勉强浏览完这本书的大部分章节,坦白说,这本书的阅读体验充满了“斗争感”。它的逻辑推进速度极快,而且假设读者已经完全掌握了前置知识,这一点对于非专业人士来说简直是灾难性的。我尤其在理解“公理化设定”的那几页感到异常吃力,作者似乎热衷于用最简洁、最浓缩的数学语言来表达复杂的思想,这种极度的精炼反而让初学者望而却步。书中穿插的图表虽然清晰,但它们更多是作为理论模型的视觉辅助,而非直观解释。与其说这是一本书,不如说更像是一份高度浓缩的研究报告合集,每一个论证都像是一层层堆叠的数学魔方,抽掉任何一块都可能导致整个结构的崩塌。我期待能在某个地方找到一些更平易近人的比喻或类比,帮助我锚定这些抽象概念,但很遗憾,这本书似乎认为这样的辅助是多余的,它只忠实于其内在的数学逻辑。

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这本书的包装设计本身就给人一种沉稳、严谨的学术气息,装帧精美,纸张的质感也相当不错,拿在手里很有分量。内容上,它似乎是围绕着一种非常基础且核心的数学概念展开的,尽管我对此领域涉猎不深,但从章节标题和引言部分可以感受到作者试图构建一个严密的理论框架。书中大量引用了近代的数学进展,同时也追溯了一些经典理论的源头,像是在搭建一座连接过去与现在的知识桥梁。我特别留意到其中对于某个特定几何结构的探讨,那部分描述得极为细致,涉及到拓扑学和微分几何的一些前沿概念,读起来需要极大的专注力和一定的背景知识储备。整体来看,它不像是一本快餐式的读物,而更像是一部需要反复研读的参考书,适合那些希望深入理解某个深层数学原理的研究者或高年级学生。关于实际应用,书中似乎也给出了几个富有挑战性的案例分析,但这些案例的抽象程度很高,需要读者具备将理论映射到具体场景的强大能力。

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http://cedricvillani.org/wp-content/uploads/2012/08/preprint-1.pdf

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豆瓣无所不知啊,以后可以用一用了。对于这本书,只能说,villani得菲尔兹奖还是有道理的。只是有点儿可惜,最后没能跟着大神读博士。

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豆瓣无所不知啊,以后可以用一用了。对于这本书,只能说,villani得菲尔兹奖还是有道理的。只是有点儿可惜,最后没能跟着大神读博士。

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证明基本上都是self-contained,不过后面都是在讲黎曼几何了,对于只想了解下最优传输在机器学习或是经济学的应用而没什么兴趣体验一下数学之美的人来说,这书显然不应该作为首选。。

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