非线性规划(第3版)/清华版双语教学用书

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Dimitri,P.,Bertsekas 著
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出版社: 清华大学出版社
ISBN:9787302482345
版次:1
商品编码:12350861
包装:平装
开本:16开
出版时间:2018-04-01
用纸:胶版纸
页数:861
字数:1208000

具体描述

内容简介

本书涵盖非线性规划的主要内容,包括无约束优化、凸优化、拉格朗日乘子理论和算法、对偶理论及方法等,包含了大量的实际应用案例. 本书从无约束优化问题入手,通过直观分析和严格证明给出了无约束优化问题的*优性条件,并讨论了梯度法、牛顿法、共轭方向法等基本实用算法. 进而本书将无约束优化问题的*优性条件和算法推广到具有凸集约束的优化问题中,进一步讨论了处理约束问题的可行方向法、条件梯度法、梯度投影法、双度量投影法、近似算法、流形次优化方法、坐标块下降法等. 拉格朗日乘子理论和算法是非线性规划的核心内容之一,也是本书的重点.

精彩书摘

Optimization over a Convex Set


Contents

3.1.ConstrainedOptimizationProblems.........p.2363.1.1.NecessaryandSu.cientConditionsforOptimality.p.2363.1.2.ExistenceofOptimalSolutions.........p.246

3.2.FeasibleDirections-ConditionalGradientMethod..p.2573.2.1.DescentDirectionsandStepsizeRules......p.2573.2.2.TheConditionalGradientMethod........p.262

3.3.GradientProjectionMethods............p.2723.3.1.FeasibleDirectionsandStepsizeRulesBasedon.....Projection..................p.2723.3.2.ConvergenceAnalysis..............p.283

3.4.Two-MetricProjectionMethods..........p.292

3.5.ManifoldSuboptimizationMethods.........p.298

3.6.ProximalAlgorithms...............p.3073.6.1.RateofConvergence..............p.3123.6.2.VariantsoftheProximalAlgorithm.......p.318

3.7.BlockCoordinateDescentMethods.........p.3233.7.1.VariantsofCoordinateDescent.........p.327

3.8.NetworkOptimizationAlgorithms..........p.331

3.9.NotesandSources................p.338

Inthischapterweconsidertheconstrainedoptimizationproblem

minimizef(x)subjecttox∈X,

where,intheabsenceofanexplicitstatementtothecontrary,weassumethroughoutthat:

(a)

Xisanonemptyandconvexsubsetofn .Whendealingwithalgo-rithms,weassumeinadditionthatXisclosed.


(b)

The function f : n →iscontinuouslydi.erentiableoveranopensetthatcontainsX.



Thisproblemgeneralizestheunconstrainedoptimizationproblemoftheprecedingchapters,whereX=n .Wewillseethatthemainalgorithmicideasforsolvingtheunconstrainedandtheconstrainedproblemsarequitesimilar.

UsuallythesetXhasstructurespeci.edbyequationsandinequal-ities.Ifwetakeintoaccountthisstructure,somenewalgorithmicideas,basedonLagrangemultipliersanddualitytheory,comeintoplay.Theseideaswillnotbediscussedinthepresentchapter,buttheywillbethefocusofsubsequentchapters.

Similartotheunconstrainedcase,themethodsofthischapterarebasedoniterativedescentalongsuitablyobtaineddirections.However,thesedirectionsmusthavetheadditionalpropertythattheymaintainfea-sibilityoftheiterates.Suchdirectionsarecalledfeasible,andaswewillseelater,theyareusuallyobtainedbysolvingcertainoptimizationsubprob-lems.Wewillconsidervariouswaystoconstructfeasibledescentdirectionsfollowingthediscussionofoptimalityconditionsinthenextsection.

3.1 CONSTRAINEDOPTIMIZATIONPROBLEMS

Inthissectionweconsiderthemainanalyticaltechniquesforourproblem,andweprovidesomeexamplesoftheirapplication.

3.1.1 NecessaryandSu.cientConditionsforOptimality

We.rstexpandtheunconstrainedoptimalityconditionsofSection1.1fortheproblemofminimizingthecontinuouslydi.erentiablefunctionfovertheconvexsetX.Recallingthede.nitionsofSection1.1,avectorx∈Xisreferredtoasafeasiblevector,andavectorx. ∈XisalocalminimumoffoverXifitisnoworsethanitsfeasibleneighbors;thatis,ifthereexistsan>0suchthat

f(x.)≤f(x),.x∈Xwithx.x.<.

A vector x . ∈XisaglobalminimumoffoverXifitisnoworsethanallotherfeasiblevectors,i.e.,

f (x .)≤f(x),.x∈X.


前言/序言

Preface to the Third Edition

The third edition of the book is a thoroughly rewritten version of the 1999

second edition. New material was included, some of the old material was

discarded, and a large portion of the remainder was reorganized or revised.

The total number of pages has increased by about 10 percent.

Aside from incremental improvements, the changes aim to bring the

book up-to-date with recent research progress, and in harmony with the major

developments in convex optimization theory and algorithms that have

occurred in the meantime. These developments were documented in three

of my books: the 2015 book “Convex Optimization Algorithms,” the 2009

book “Convex Optimization Theory,” and the 2003 book “Convex Analysis

and Optimization” (coauthored with Angelia Nedi′c and Asuman Ozdaglar).

A major difference is that these books have dealt primarily with convex, possibly

nondifferentiable, optimization problems and rely on convex analysis,

while the present book focuses primarily on algorithms for possibly nonconvex

differentiable problems, and relies on calculus and variational analysis.

Having written several interrelated optimization books, I have come to

see nonlinear programming and its associated duality theory as the lynchpin

that holds together deterministic optimization. I have consequently set as an

objective for the present book to integrate the contents of my books, together

with internet-accessible material, so that they complement each other and

form a unified whole. I have thus provided bridges to my other works with

extensive references to generalizations, discussions, and elaborations of the

analysis given here, and I have used throughout fairly consistent notation and

mathematical level.

Another connecting link of my books is that they all share the same style:

they rely on rigorous analysis, but they also aim at an intuitive exposition that

makes use of geometric visualization. This stems from my belief that success

in the practice of optimization strongly depends on the intuitive (as well as

the analytical) understanding of the underlying theory and algorithms.

Some of the more prominent new features of the present edition are:

(a) An expanded coverage of incremental methods and their connections to

stochastic gradient methods, based in part on my 2000 joint work with

Angelia Nedi′c; see Section 2.4 and Section 7.3.2.

(b) A discussion of asynchronous distributed algorithms based in large part

on my 1989 “Parallel and Distributed Computation” book (coauthored

xvii

xviii Preface to the Third Edition

with John Tsitsiklis); see Section 2.5.

(c) A discussion of the proximal algorithm and its variations in Section 3.6,

and the relation with the method of multipliers in Section 7.3.

(d) A substantial coverage of the alternating direction method of multipliers

(ADMM) in Section 7.4, with a discussion of its many applications and

variations, as well as references to my 1989 “Parallel and Distributed

Computation” and 2015 “Convex Optimization Algorithms” books.

(e) A fairly detailed treatment of conic programming problems in Section

6.4.1.

(f) A discussion of the question of existence of solutions in constrained optimization,

based on my 2007 joint work with Paul Tseng [BeT07], which

contains further analysis; see Section 3.1.2.

(g) Additional material on network flow problems in Section 3.8 and 6.4.3,

and their extensions to monotropic programming in Section 6.4.2, with

references to my 1998 “Network Optimization” book.

(h) An expansion of the material of Chapter 4 on Lagrangemultiplier theory,

using a strengthened version of the Fritz John conditions, and the notion

of pseudonormality, based on my 2002 joint work with Asuman Ozdaglar.

(i) An expansion of the material of Chapter 5 on Lagrange multiplier algorithms,

with references to my 1982 “Constrained Optimization and

Lagrange Multiplier Methods” book.

The book contains a few new exercises. As in the second edition, many

of the theoretical exercises have been solved in detail and their solutions have

been posted in the book’s internet site

http://www.athenasc.com/nonlinbook.html

These exercises have been marked with the symbolsWWW. Many other exercises

contain detailed hints and/or references to internet-accessible sources.

The book’s internet site also contains links to additional resources, such as

many additional solved exercises from my convex optimization books, computer

codes, my lecture slides from MIT Nonlinear Programming classes, and

full course contents from the MIT OpenCourseWare (OCW) site.

I would like to express my thanks to the many colleagues who contributed

suggestions for improvement of the third edition. In particular, let

me note with appreciation my principal collaborators on nonlinear programming

topics since the 1999 second edition: Angelia Nedi′c, Asuman Ozdaglar,

Paul Tseng, Mengdi Wang, and Huizhen (Janey) Yu.

Dimitri P. Bertsekas

June, 2016



内容概要 本书致力于深入浅出地介绍非线性规划这一重要的优化理论与方法。作为一本双语教学用书,它旨在为国内外不同背景的读者提供一个系统、严谨的学习平台。全书围绕非线性规划的核心概念、基本理论、经典算法以及实际应用展开,力求在理论深度和工程实践之间找到最佳平衡点。 第一部分:理论基础 在非线性规划领域,理解其基本框架至关重要。本部分首先会从最基础的数学模型入手,阐述非线性规划问题的一般形式,包括目标函数和约束条件的非线性特性。我们会详细探讨凸集和凸函数等核心概念,因为它们是保证许多非线性规划算法能够找到全局最优解的关键。对于非凸问题,我们将分析其固有难度,并介绍一些局部最优的概念。 接着,我们会深入讲解非线性规划的理论基石——Kuhn-Tucker(KKT)条件。这部分内容将是本书的重中之重,我们将从几何角度和代数角度详细推导KKT条件,并分析其充要条件。我们会详细介绍拉格朗日乘子法、对偶理论等,以及它们在非线性规划中的作用。特别是,我们将探讨对偶问题的结构,以及弱对偶、强对偶等重要概念,并给出相应的证明。 为了更好地理解KKT条件,我们还会介绍一些重要的数学工具,例如凸集分离定理、 Farkas 引理等,并展示它们如何在理论证明中发挥关键作用。此外,对于涉及不等式约束的非线性规划,我们会详细介绍约束规范(Constraint Qualifications),如 Slater 条件、线性独立约束规范(LICQ)等,并解释它们为何对于KKT条件成立至关重要。 第二部分:经典算法 理论的构建离不开实际的计算方法。本部分将系统介绍求解非线性规划问题的各类经典算法,并详细分析它们的原理、收敛性以及适用范围。 首先,我们会从最基础的迭代法开始,例如梯度下降法。我们将详细讲解其原理,包括最速下降方向的选取,并分析其优缺点,例如在某些情况下收敛速度较慢的问题。接着,我们会介绍共轭梯度法,重点阐述其如何克服梯度下降法的缺点,以及其在大型稀疏问题中的优势。 之后,我们将深入探讨牛顿法及其变种。牛顿法以其二阶收敛的性质而著称,我们将详细介绍其原理,包括海森矩阵的计算和逆运算。然而,由于牛顿法在计算海森矩阵及其逆方面存在挑战,我们还会介绍拟牛顿法,例如DFP法和BFGS法。我们会详细推导这些方法的迭代公式,并分析它们在保证算法稳定性和计算效率方面的贡献。 对于不等式约束问题,我们将重点介绍序列二次规划(SQP)方法。SQP方法通过将原非线性规划问题转化为一系列二次规划子问题来求解,是一种非常强大且应用广泛的算法。我们将详细讲解SQP方法的框架,包括二次规划子问题的构建(例如利用Hessian矩阵的近似)以及如何处理约束。我们还会讨论SQP方法的收敛性分析,并介绍一些提高其鲁棒性的技巧。 除了上述经典方法,我们还会介绍一些其他重要的算法,例如内点法。内点法以其在大规模线性规划和某些非线性规划问题上的优异表现而闻名,我们将介绍其基本思想,例如通过引入障碍函数或中心路径来处理约束。 在算法介绍的各个部分,我们都会穿插实际的算例,通过具体的数值计算过程来加深读者对算法的理解。同时,我们会讨论算法的实现细节,例如步长选择策略、终止条件等,并分析不同算法在面对不同类型问题时的性能表现。 第三部分:特殊类型与高级主题 在掌握了非线性规划的基础理论和经典算法之后,本部分将进一步拓展视野,探讨一些特殊类型的非线性规划问题和更高级的主题。 我们会首先关注二次规划(Quadratic Programming, QP)。尽管二次规划是线性规划的一个特例,但其目标函数为二次,约束为线性的形式,使得它成为许多更复杂优化问题的基础。我们会介绍求解二次规划的专用算法,例如Lemke-Howton算法,并分析其在理论和实践中的意义。 接着,我们会讨论凸优化问题。凸优化因其能够保证找到全局最优解而备受关注。我们将详细阐述凸优化的定义,包括凸函数、凸集以及凸优化问题的标准形式。我们会介绍求解凸优化问题的各种高效算法,例如梯度下降法、牛顿法、内点法等在凸优化问题上的应用,并重点分析它们的收敛性保证。 对于非凸优化问题,虽然全局最优解难以保证,但局部最优解仍然具有重要意义。本部分将探讨如何识别和查找局部最优解,并讨论一些旨在避免陷入“糟糕”局部最优的启发式方法或全局优化技术。 此外,我们还将介绍一些高级主题,例如求解非线性规划的全局优化方法,包括模拟退火、遗传算法等启发式方法,以及一些确定性的全局优化方法(如分支定界法)。我们会探讨这些方法的原理、优缺点以及适用场景。 我们还会触及大规模非线性规划的求解,讨论在处理维度极高或问题规模巨大的情况下,需要采取的特殊策略,例如降维技术、并行计算方法等。 第四部分:实际应用 理论与算法的最终目的是解决实际问题。本部分将通过一系列来自不同工程和科学领域的实际案例,展示非线性规划的强大应用能力。 在工程设计领域,我们将展示如何利用非线性规划来优化结构设计、电路布局、工艺参数等。例如,在机械工程中,可能需要最小化材料用量同时保证结构强度,这就可能转化为一个非线性规划问题。 在金融工程领域,非线性规划被广泛应用于投资组合优化、风险管理、期权定价等方面。我们会介绍如何将这些金融问题建模为非线性规划问题,并讨论相应的求解方法。 在机器学习领域,许多模型的训练过程本质上就是求解一个非线性优化问题。例如,训练神经网络中的损失函数最小化问题,常常需要借助非线性规划算法。我们会介绍梯度下降及其变种在机器学习中的应用。 在运营研究领域,非线性规划也扮演着重要角色,例如在生产调度、资源分配、供应链管理等方面。我们会通过具体案例展示如何建立非线性规划模型来解决这些实际问题。 在每个应用案例中,我们都会详细介绍问题的背景、数学建模的过程、所选用的求解算法以及结果的解释。通过这些生动的实例,读者将深刻体会到非线性规划作为一种强大的数学工具,在解决现实世界复杂问题中的价值。 学习资源与方法 本书作为一本双语教学用书,提供了中英文对照的术语和解释,方便不同语言背景的学习者。每章末尾都附有习题,涵盖了理论推导、算法分析和问题建模等多个方面,旨在帮助读者巩固所学知识。对于有志于深入研究的读者,我们还会提供进一步阅读的参考书目和相关文献。 本书的编写风格力求清晰、严谨,同时注重概念的直观性和方法的实用性。我们希望通过本书的学习,读者不仅能掌握非线性规划的理论精髓,更能灵活运用各种算法来解决实际问题,为他们在各自的领域发展奠定坚实的数学基础。 致谢 (此处可根据实际情况添加致谢内容,例如感谢提供资料、审阅意见的专家,或对本书编写做出贡献的个人等。) (本内容旨在介绍本书的整体结构和涵盖的知识点,并非本书的实际内容。)

用户评价

评分

一本厚重的书,沉甸甸地躺在书桌上,翻开它,扑面而来的是严谨的学术气息,纸张的触感很舒服,散发着淡淡的书香。封面设计简洁大气,几个简单的几何图形和文字,却恰恰点明了这本书的主题。作为一个对数学建模和优化问题略有涉猎的业余爱好者,我一直对非线性规划这个领域充满好奇,但又苦于难以找到系统深入的学习资料。市面上的一些书籍要么过于理论化,让初学者望而却步,要么过于简化,无法触及问题的本质。而这本《非线性规划(第3版)》的出现,似乎正是我一直在寻找的那一本。从书本的装帧和排版来看,它都显得十分专业,双语教学用书的定位更是让人眼前一亮,这对于我这样希望接触国际前沿知识,同时又希望能够理解透彻的读者来说,无疑是巨大的福音。我期待着这本书能带我领略非线性规划的魅力,解决那些看似复杂却又充满规律的优化难题。

评分

这本书的封面,简单到极致,却又蕴含着某种哲思。那不是随便一个设计师就能做出来的,它似乎在无声地诉说着非线性规划的精髓——那些蜿蜒曲折、难以捉摸却又最终指向最优解的路径。我之前接触过一些关于线性规划的书籍,觉得它们相对来说比较“直白”,问题和解法都比较容易理解。但非线性规划,正如其名,总给我一种“深不可测”的感觉。它的目标函数和约束条件可能包含平方项、指数项,甚至更复杂的函数,这使得求解的难度呈几何级数增长。我一直好奇,那些在工业生产、金融投资、人工智能等领域看似“神奇”的优化决策,背后究竟隐藏着怎样的数学原理?这本书,以其“双语教学用书”的身份,承诺了内容上的严谨性和国际视野,这让我对它充满了期待。我希望能在这本书中找到解答,理解那些非线性的约束如何被巧妙地处理,那些复杂的算法是如何被设计出来以应对挑战的。

评分

书的纸张质感非常棒,拿在手里有一种踏实的感觉,不是那种廉价的、容易泛黄的纸。封面设计低调而富有内涵,没有那些花里胡哨的图案,却能精准地传达出“非线性规划”这个主题的学术气质。作为一个对量化分析充满兴趣的金融从业者,我深知非线性关系在金融市场中无处不在。比如,资产的风险和收益之间可能存在非线性关系,投资组合的优化也常常需要考虑这些复杂的交互作用。我之前尝试过阅读一些关于金融优化的书籍,但很多都直接跳到了模型和算法,而缺乏对非线性规划基础理论的深入讲解。这本《非线性规划(第3版)》以“双语教学用书”的面貌出现,让我看到了它系统性、严谨性以及国际化的视野,我希望它能帮助我搭建起坚实的理论基础,从而更好地理解和应用非线性规划在金融领域中的各种模型和方法。

评分

当这本书静静地躺在桌面上时,我仿佛能感受到其中蕴含的强大力量。它的厚度,不仅是纸张的堆叠,更是知识的积累和智慧的沉淀。作为一名对计算科学和人工智能领域有着浓厚兴趣的学生,我经常在论文和研究报告中遇到“非线性规划”这个词。它就像是解决复杂优化问题的一把瑞士军刀,在机器学习模型的训练、机器人路径规划、资源调度优化等众多领域都有着举足轻重的地位。然而,对于非线性规划的深入理解,我一直觉得有所欠缺。这本书,以“第3版”的更新和“双语教学用书”的定位,让我看到了它在理论深度和教学实用性上的双重追求。我非常期待这本书能够带领我穿越非线性规划的迷宫,理解那些看似复杂但又遵循一定规律的数学模型,掌握那些强大的求解算法,并最终能够将这些知识融会贯通,应用于我所热爱的计算科学研究中。

评分

拿到这本书的那一刻,我就被它沉甸甸的重量和精美的装帧所吸引。清华出品,本身就意味着品质的保证,而“双语教学用书”更是让我看到了它在教学和科研领域的专业定位。我一直认为,学习非线性规划,不仅仅是掌握一套算法,更重要的是理解其背后的思想和方法论。很多现实世界的问题,都无法用简单的线性模型来描述,这时候就需要非线性规划的工具来捕捉更精细的规律。我之前在一些行业应用的文章中看到过非线性规划的身影,比如在资源分配、生产调度、投资组合优化等方面,它都能发挥巨大的作用。然而,对于其中的具体细节,我总是感到有些模糊。这本书的出现,对我来说,就像是一盏明灯,指引着我深入了解非线性规划的理论体系和实际应用。我尤其期待它在算法介绍和案例分析方面的深度,希望能从中获得解决实际问题的灵感和方法。

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