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出版者:中国水利水电出版社

作者:谢兆鸿

出品人:

页数:258

译者:

出版时间:2003-1

价格:25.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787508416694

丛书系列:

图书标签:

• 数学建模
• 建模方法
• 算法
• 优化
• 仿真
• 案例分析
• MATLAB
• Python
• 数学应用
• 高等教育

聚焦前沿：数据科学与算法优化实践指南 （一本关于数据驱动决策与复杂系统优化的专业参考书） 本书旨在为读者提供一套全面、深入且极具实操性的数据科学、优化理论及其在现代工程、商业决策中的应用框架。它避免了纯粹的理论堆砌，而是聚焦于如何利用数学工具和计算方法解决现实世界中遇到的复杂问题，强调从数据获取、模型构建到结果验证的完整流程。 --- 第一部分：现代数据科学基础与数据准备的艺术 本部分内容将读者带入数据科学的核心领域，不仅涵盖了基础的统计学原理，更侧重于处理真实世界数据的复杂性和不确定性。 第一章：大数据时代的统计思维重塑 传统统计学在处理海量、高维、非结构化数据时面临的挑战。本章深入探讨了贝叶斯方法在信息融合中的优势，以及现代统计推断如何结合计算模拟（如马尔可夫链蒙特卡洛 MCMC）来处理复杂模型。重点讲解了假设检验在高维空间中的鲁棒性问题，并介绍了非参数统计方法在数据分布未知情况下的应用策略。 第二章：数据清洗、特征工程与维度管理 原始数据往往是嘈杂且信息密度低的。本章将详细阐述数据预处理的各个环节。内容包括：缺失值的高级插补技术（如基于随机森林或多重插补法）、异常值的识别与平滑处理（不仅仅是 IQR 法则，还包括基于密度和距离的检测）。特征工程部分将聚焦于如何从原始变量中提取具有高解释力和预测能力的衍生特征，包括时间序列的滞后特征、文本数据的语义特征提取（如 TF-IDF 的局限性与 BERT 嵌入的初步介绍）。同时，深入探讨主成分分析（PCA）、流形学习（如 t-SNE 的应用场景）在维度缩减中的作用，强调维度选择而非单纯的降维，以保留模型的可解释性。 第三章：探索性数据分析（EDA）的深度挖掘 EDA 不应止步于简单的图表展示。本章教授读者如何通过构建交互式可视化仪表盘，揭示数据集中隐藏的潜在模式、相关性和异构性。内容包括：多变量分布的可视化技术（如平行坐标图、热力图）、时间序列数据的趋势分解与季节性分析、以及如何利用分位数回归来理解不同数据子群体的差异化特征。强调在探索阶段识别数据偏差（Bias）和方差（Variance）的来源。 --- 第二部分：预测建模与机器学习的精细化应用 本部分着重于超越基础线性模型的预测技术，探讨如何构建高精度、高泛化能力的智能模型。 第四章：回归与分类的高级迭代模型 本章系统梳理了从广义线性模型（GLM）到非线性模型的过渡。重点讲解了正则化技术（Lasso, Ridge, Elastic Net）如何平衡模型的拟合优度与复杂性。此外，将详述树模型（如随机森林、梯度提升机 XGBoost/LightGBM）的内部工作机制、超参数的系统优化方法（如贝叶斯优化替代网格搜索），以及如何诊断和解决模型过拟合与欠拟合的问题。 第五章：深度学习在结构化数据中的实用化 虽然深度学习常用于非结构化数据，但本章侧重于其在处理结构化和半结构化数据时的特定应用。内容包括：如何使用多层感知机（MLP）处理高维稀疏特征、使用自编码器（Autoencoders）进行特征学习和降噪。将讨论迁移学习在数据量受限场景下的应用思路，并对比不同激活函数和优化器（如 AdamW, RMSProp）对收敛速度和最终性能的影响。 第六章：模型评估、可解释性与稳健性检验 一个“好”的模型不仅要预测准确，还必须可靠和可解释。本章深入探讨了评估指标的选取（如 PR 曲线、F1-Score 的选择依据），以及如何进行交叉验证（K-Fold, 留一法）以确保评估的公平性。重点放在模型的可解释性（XAI）技术，包括局部可解释模型（LIME）和全局模型解释（SHAP 值），帮助读者理解模型决策背后的驱动因素。最后，讨论对抗性攻击的初步概念以及如何通过鲁棒性测试增强模型在现实环境下的稳定性。 --- 第三部分：优化理论与决策科学的计算实现 本部分将理论优化方法与实际的计算求解器相结合，展示如何将复杂的业务问题转化为可求解的数学模型。 第七章：线性与非线性规划的核心求解策略 优化是决策的基础。本章从单目标线性规划（LP）开始，系统介绍单纯形法和内点法的基本原理。随后过渡到更复杂的非线性规划（NLP），重点讲解凸优化问题的求解方法（如内点法、牛顿法及其变体）。对于非凸问题，则介绍全局优化策略，如模拟退火、遗传算法等启发式搜索方法的应用边界。 第八章：整数规划与组合优化实践 现实中的许多决策涉及离散变量（如资源分配、调度）。本章详细剖析了整数规划（IP）和混合整数规划（MIP）。内容涵盖割平面法和分支定界法（Branch and Bound）的原理，并介绍如何使用商业求解器（如 CPLEX 或开源的 PuLP/Gurobi 接口）来建模和求解复杂的排程问题、指派问题和背包问题。强调如何通过问题的松弛化来获得问题的可行上下界。 第四章：随机优化与鲁棒优化设计 面对不确定性（如需求波动、资源延迟），单点最优解往往不足够。本章专注于随机优化方法，包括两阶段随机规划和场景生成技术，用于应对已知概率分布的不确定性。更进一步，介绍鲁棒优化（Robust Optimization），用于处理不确定性集合未知或难以量化的情况，构建在最坏情况（Worst-Case Scenario）下仍能保持可行性或最优性的决策方案。 --- 第四部分：系统仿真与复杂系统分析 本部分将读者引向动态系统的分析，理解随时间演变的系统行为。 第十章：离散事件仿真（DES）与系统建模 本章专注于使用仿真技术来评估那些难以通过解析方法求解的复杂系统。详细介绍离散事件仿真的核心要素：实体、资源、事件和时钟。重点在于如何使用过程式建模语言（如 Arena 或 SimPy 的基础思想）来模拟排队系统、供应链流程或生产线效率。强调仿真模型的验证（Verification）与确认（Validation，V&V）流程，确保仿真结果的有效性。 第十一章：动态系统与控制理论的桥梁 本章探讨如何使用微分方程组（ODE/PDE）来描述连续时间动态系统的演变。介绍状态空间表示法在多输入多输出（MIMO）系统分析中的应用。讨论经典控制理论（如 PID 控制器）在工程实践中的调参艺术，并初步引入最优控制（如庞特里亚金极大值原理的直观理解）在资源随时间分配问题中的潜力。 --- 本书的特色在于紧密结合了工业界和学术界的前沿实践，提供了大量的案例分析和代码实现思路（着重于 Python/R 生态下的库应用），帮助读者将抽象的数学理论转化为解决实际问题的强大工具集。它面向对象是希望掌握数据驱动决策、精通复杂系统分析的工程师、研究人员和高级分析师。

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