Convex Optimization Algorithms

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出版者:Athena Scientific
作者:Dimitri P. Bertsekas
出品人:
页数:576
译者:
出版时间:2015-2-10
价格:USD 89.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9781886529281
丛书系列:
图书标签:
  • 数学和计算机
  • 数学
  • Optimization
  • 2016
  • 凸优化
  • 优化算法
  • 数值优化
  • 运筹学
  • 机器学习
  • 最优化理论
  • 算法设计
  • 数学规划
  • 凸分析
  • 优化方法
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具体描述

优化之旅:探索高效算法的奥秘 想象一下,你站在一座宏伟的山峰脚下,目标是找到山顶的最高点。这不是一次简单的攀爬,而是一场需要智慧、策略和强大工具的探索。《优化之旅:探索高效算法的奥秘》将带你踏上这场激动人心的旅程,深入揭示现代科学与工程领域中无处不在的“优化”问题,并为你提供一系列经过精心打磨、行之有效的算法武器,让你能够从容应对复杂挑战,直抵最优解。 本书并非堆砌艰涩的数学公式,而是以一种清晰、直观的方式,引导读者理解优化问题的本质,以及为什么高效的算法至关重要。我们将从基础概念出发,循序渐进地介绍各种优化场景,从最简单的线性规划,到更复杂的非线性规划,再到那些涉及大规模数据集和高维度空间的挑战。无论你是数据科学家、机器学习工程师、运筹学专家,还是对如何让系统运行得更有效率充满好奇的研究者,这本书都将为你提供宝贵的洞见和实用的技能。 核心内容概览: 理解优化的语言: 我们将从定义“目标函数”和“约束条件”开始,学习如何将实际问题转化为数学模型。你将掌握什么是可行域、什么是全局最优解和局部最优解,以及理解不同类型的优化问题(如凸优化、非凸优化)的特性。 梯度下降的魅力与演进: 作为最基本也最强大的优化工具之一,梯度下降算法将是本书的重中之重。我们将深入解析其背后的原理,了解梯度如何指引我们走向目标,并在此基础上介绍一系列对其进行改进的算法,如随机梯度下降 (SGD)、动量法 (Momentum)、Adam、RMSprop 等。你将学会如何根据问题的特点选择最合适的梯度下降变体,以及如何通过调整学习率、批量大小等超参数来优化算法的性能。 牛顿法的优雅与效率: 当梯度信息不足以满足对更高精度和更快收敛速度的需求时,牛顿法及其变种将闪耀登场。我们将探讨如何利用海森矩阵(Hessian matrix)的二次近似信息来加速搜索过程,并介绍拟牛顿法 (Quasi-Newton methods),如BFGS算法,它们在不直接计算海森矩阵的情况下,也能实现类似牛顿法的快速收敛。 约束优化的艺术: 现实世界中的优化问题往往伴随着各种各样的限制条件。本书将详细介绍处理约束条件的技术,包括拉格朗日乘子法 (Lagrange Multipliers)、KKT条件 (Karush-Kuhn-Tucker conditions),以及专门为处理约束而设计的算法,如内点法 (Interior-Point Methods)。你将学会如何巧妙地绕过或满足这些约束,从而找到在限制条件下最优的解决方案。 凸优化的强大力量: 凸优化问题因其“单峰性”,通常更容易找到全局最优解。我们将深入探讨凸集、凸函数等核心概念,并介绍专门针对凸优化问题设计的强大算法,如共轭梯度法 (Conjugate Gradient Method)、坐标下降法 (Coordinate Descent) 以及投影梯度法 (Projected Gradient Method)。这些算法在许多领域,如机器学习、信号处理和金融工程中,都扮演着至关重要的角色。 案例研究与实践应用: 理论知识的掌握固然重要,但更关键的是如何将其应用于实际问题。本书将提供一系列引人入胜的案例研究,涵盖: 机器学习模型训练: 从支持向量机 (SVM) 到神经网络,优化算法是驱动这些模型学习的核心。 推荐系统: 如何通过优化算法,为用户精准推荐他们可能感兴趣的内容。 资源分配与调度: 如何在有限的资源下,实现最高效率的分配或最优的调度。 统计建模与参数估计: 如何通过优化算法,找到最能拟合数据的模型参数。 信号处理与图像恢复: 如何利用优化技术,从噪声中恢复原始信号或图像。 算法的权衡与选择: 在众多优化算法中,如何做出明智的选择?我们将引导你思考算法的收敛速度、计算复杂度、内存需求以及对数据敏感性等关键因素,帮助你根据具体问题的特点,选择最高效、最适合的算法。 本书的独特之处: 清晰的逻辑结构: 从基础到进阶,循序渐进,确保读者能够扎实掌握每一个概念。 直观的解释: 避免不必要的数学晦涩,通过类比、图示和生动的语言,帮助读者理解算法的内在逻辑。 强调实践: 结合丰富的案例和应用场景,让读者看到算法的强大生命力,并能将其应用于自己的工作中。 算法的“为什么”: 不仅讲解“如何做”,更深入剖析“为什么这样有效”,帮助读者建立对算法的深刻理解,而非死记硬背。 踏上这场优化之旅,你将不仅仅学会如何使用算法,更将理解算法背后的智慧,掌握解决复杂问题的强大武器。让《优化之旅:探索高效算法的奥秘》成为你通往最优解决方案的可靠向导,开启你的高效决策与问题解决新篇章。

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读后感

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用户评价

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**这是一本在我学习凸优过程中,绝对不可或缺的参考书。** 刚开始接触凸优化理论的时候,感觉像是进入了一个全新的世界,那些严谨的数学定义、复杂的定理证明,还有那些看似抽象的算法,都让我觉得有些难以招架。尤其是当我想深入理解某个具体算法的原理,比如内点法或者投影梯度法,我发现仅仅阅读教材的介绍是不够的。这时候,《Convex Optimization Algorithms》就成了我的救星。它没有直接给出结论,而是像一位耐心的老师,一步一步地剖析每一个算法的构成。从问题的背景介绍,到算法的核心思想,再到详细的推导过程,每一个细节都处理得极其到位。我特别喜欢它在讲解算法时,不仅给出了数学公式,还通过直观的几何解释来帮助理解。比如说,对于投影梯度法,书中会画出目标函数等高线和可行集,然后展示投影操作如何一步步地将迭代点拉回到可行域,这个过程用图像来辅助理解,比单纯的公式推导要清晰太多了。更让我印象深刻的是,书中对于算法的收敛性分析也写得非常严谨,但又不会过于艰涩,能够让你理解为什么这些算法能够奏效,以及在什么条件下能保证收敛。有时候,即使我只是想复习一下某个算法的某个细节,翻开这本书,总能找到我需要的信息,而且解释得清晰易懂。它不仅仅是一本算法的汇编,更是一本能够帮助你建立起对凸优化算法深刻理解的宝典。我经常会在遇到实际问题时,先尝试找到对应的算法,然后翻阅这本书来验证自己的理解,或者学习更优化的解法。这本书的价值,在于它能够将那些看似高深的理论,转化为清晰、可操作的算法理解。

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**这本书为我构建了一个坚实的凸优化算法知识体系。** 在我学习凸优的过程中,我曾遇到过各种各样的算法,但往往停留在“知道有这个算法”的层面,对其内在的数学原理和设计思想知之甚少。《Convex Optimization Algorithms》这本书,正好弥补了我的这一不足。它就像一位经验丰富的向导,带领我深入探索凸优化算法的世界。我特别喜欢书中对一阶方法的深入讲解,例如梯度下降法的各种变种,如随机梯度下降、小批量梯度下降,以及它们在处理大规模数据集时的优势。书中详细阐述了这些方法的收敛性分析,以及它们在不同场景下的适用性。我印象深刻的是,书中对于“步长选择”的讨论,这看似简单的部分,实则对算法的性能有着至关重要的影响。书中介绍的精确线搜索、回溯线搜索等方法,都给予了详细的解释和推导。此外,对于内点法,这本书的讲解更是深入人心。它不仅仅给出了算法的流程,还详细地解释了内点法如何通过构造中心路径来近似最优解,以及其在处理大规模线性规划和二次规划问题上的强大能力。书中对于内点法中各种“障碍函数”的选取和性质的讨论,都极具启发性。这本书的价值,在于它能够将那些抽象的数学概念,转化为清晰、易于理解的算法解释,让我能够更有信心地去解决实际的优化问题。

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**《Convex Optimization Algorithms》是我学习凸优化道路上的一盏明灯。** 过去,我在学习各种优化算法时,常常会遇到一些“黑箱”般的算法,只知道它们能解决问题,但对其背后的数学逻辑却一知半解。这本书,则让我看到了算法的“灵魂”。它不仅仅罗列了各种算法,更重要的是,它深入剖析了这些算法的设计思想和数学原理。例如,书中对投影梯度法(Projected Gradient Descent)的讲解,让我印象非常深刻。它不仅仅给出了算法的迭代公式,更通过几何上的解释,说明了投影操作如何确保迭代点始终位于可行域内,以及这种操作如何影响算法的收敛性。书中对各种可行集(如凸集、球集、多面体)上的投影算法都有详细的介绍。我特别喜欢书中关于“加速收敛”的章节。它详细介绍了FISTA(Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm)等加速算法,解释了它们如何通过引入动量项来提高收敛速度,并且给出了具体的数学推导和理论保证。这对于我理解如何设计更高效的优化算法,提供了重要的启示。此外,书中对于对偶理论的讲解也十分到位,它清晰地展示了如何通过构造对偶问题来求解原问题,以及对偶问题的解如何与原问题的解相关联。这本书的价值,在于它能够将那些看似高深的数学理论,转化为一套清晰、可操作的算法解释,让我能够更有信心地去解决实际的优化问题。

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**对于任何想要深入理解凸优化领域的读者,《Convex Optimization Algorithms》都是一本不容错过的经典。** 过去,我在学习凸优化时,常常会遇到一些算法,比如增广拉格朗日法或者ADMM,尽管知道它们能解决问题,但总觉得知其然不知其所以然。这本书正好填补了我的这一知识空白。它不仅仅是一份算法的目录,更像是一本探险指南,带领读者深入算法的腹地。我尤其欣赏书中对各种算法的由来和发展历程的介绍。它会从一个基本问题出发,逐步引入解决这个问题的各种方法,然后解释这些方法之间的联系和区别,以及为什么会有人提出新的方法来改进原有的算法。这种历史性的视角,让我在学习算法时,能够更好地理解其演进的逻辑。对于我来说,最受益的章节之一是关于分布式优化的算法。在当今大数据和分布式计算的环境下,如何有效地解决大规模的分布式凸优化问题变得越来越重要。书中详细介绍了分布式梯度下降、ADMM的分布式变种等,并分析了它们在通信成本、收敛速度等方面的权衡。这些内容对于我理解如何将理论算法应用于实际的分布式系统具有极大的启发意义。此外,书中对于每种算法的数学推导都非常详尽,一步一步地跟着推导,能够清晰地理解算法的每一步是如何得出的,以及最终的收敛性证明是如何构建的。这本书的价值,在于它能够将那些看似晦涩的数学理论,转化为清晰、可操作的算法理解,让我能够更有信心地去解决实际问题。

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**《Convex Optimization Algorithms》是一本我愿意反复翻阅的参考书,它为我提供了解决复杂优化问题的宝贵见解。** 在我过去的研究和项目经历中,我常常会遇到一些涉及到高维数据和复杂约束条件的优化问题。这时候,仅仅了解一些基础的优化算法是不够的,我需要更深入地理解各种算法的内在机制,以便选择最优的求解策略。《Convex Optimization Algorithms》这本书,正好满足了我的这一需求。它系统地梳理了各种凸优化算法,并且对每一种算法的理论基础、数学推导以及实际应用都进行了详尽的阐述。例如,书中关于“次梯度法”(Subgradient Method)的讨论,对于处理非光滑凸优化问题提供了重要的理论支撑。它详细解释了次梯度的概念,以及如何利用次梯度来更新迭代点,并且分析了次梯度法在收敛速度上的局限性。为了克服这些局限性,书中还介绍了像“光滑近似法”(Smoothing Approximation)和“镜像下降法”(Mirror Descent)等改进方法。我尤其对书中关于“大规模凸优化”的章节印象深刻。它介绍了诸如随机坐标下降法(Stochastic Coordinate Descent)和ADMM(Alternating Direction Method of Multipliers)等算法,并分析了它们在处理大规模问题时的优势和劣势。这些内容对于我设计和实现分布式或并行优化算法具有极大的启发意义。总而言之,这本书就像一个“算法百科全书”,里面包含了解决各种凸优化问题的“秘籍”,并且详细地指导我如何去运用它们。

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**《Convex Optimization Algorithms》这本书,彻底改变了我对“理解算法”的认知。** 在我看来,很多关于算法的书籍,要么过于理论化,脱离实际;要么过于工程化,缺乏严谨的数学基础。这本书则恰好找到了一个完美的平衡点,它在保持数学严谨性的同时,又能够清晰地阐述算法的直观意义和实际应用。我尤其欣赏书中对二阶方法的讲解,比如牛顿法及其变种。它不仅仅给出了迭代公式,更深入地解释了牛顿法如何利用函数的局部曲率信息来加速收敛,以及在哪些情况下海森矩阵的计算是一个挑战,从而引出了拟牛顿法的必要性。书中对 BFGS 和 L-BFGS 等方法的介绍,都非常详尽,并且给出了它们在实际计算中的注意事项。对我而言,最具有启发性的章节之一是关于“无约束优化”和“约束优化”的过渡。书中详细介绍了如何通过对偶方法、罚函数方法以及增广拉格朗日法等技术,将一个复杂的约束优化问题转化为一系列更容易求解的无约束或松弛约束问题。这种思想的转换,极大地扩展了我解决问题的思路。此外,书中对于各种算法的收敛性分析,都是基于严格的数学证明,但又不会让你感到枯燥乏味。它会适时地穿插一些解释性的文字,来帮助你理解证明的逻辑和关键所在。这本书的价值,在于它能够将那些看似抽象的数学理论,转化为一套清晰、可操作的算法框架,让我能够更有信心去解决更复杂、更实际的优化问题。

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**《Convex Optimization Algorithms》这本书,在我看来,已经超越了一本教科书的范畴,它更像是一本“算法圣经”般的存在。** 过去,我接触到的很多关于优化的书籍,往往侧重于理论的介绍,或者只给出算法的伪代码,对于中间的推导过程和背后的思想却语焉不详。而这本书,则真正做到了“言必有据,行必有章”。它在介绍每一种算法时,都会从其动机和背景开始,细致地阐述为什么会出现这种算法,它试图解决的核心问题是什么。例如,在讲解一阶方法的章节,它并没有仅仅停留在梯度下降,而是深入讨论了步长选择策略的重要性,以及加速梯度下降方法(如Nesterov加速梯度法)是如何通过引入动量来提高收敛速度的。这种循序渐进的讲解方式,让我在理解算法的精髓时,感到非常顺畅。我特别喜欢书中关于惩罚函数方法和约束优化方法的章节。它详细解释了如何通过引入惩罚项或使用拉格朗日乘子法来处理等式和不等式约束,并且清晰地展示了增广拉格朗日法如何结合罚函数和拉格朗日乘子法的优点,提供了一种更为鲁棒的约束优化方法。书中对于数学证明的严谨性也是令人赞叹的,但它又善于用直观的例子和图示来辅助理解,使得复杂的证明不再那么令人望而生畏。这本书的阅读体验,就像是在一个迷宫中,而这本书就是那个指引你走出迷宫的地图,每一个岔路口都有详细的解释,让你知道哪条路是正确的,以及为什么。

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**阅读《Convex Optimization Algorithms》的过程,对我来说是一次深刻的“算法启蒙”之旅。** 在我之前的学习中,很多算法的讲解都停留在“如何使用”的层面,而这本书则着重于“为何如此”。它不仅仅列举了各种算法,更重要的是,它深入挖掘了这些算法背后的数学原理和设计哲学。例如,在讲解惩罚函数法时,书中详细阐述了如何通过增加一个“惩罚项”来转化约束优化问题,并且分析了不同惩罚函数的性质对算法收敛性的影响。这让我明白了为什么在某些情况下,需要选择特定形式的惩罚项。我特别欣赏书中对增广拉格朗日法(Augmented Lagrangian Method)的细致讲解。它清楚地展示了增广拉格朗日法如何结合了罚函数法和拉格朗日乘子法的优点,从而克服了各自的局限性,提供了一种更稳定、更鲁棒的约束优化方法。书中对于增广拉格朗日法的迭代过程、更新规则以及收敛性证明都进行了详尽的阐述。此外,书中还深入探讨了求解凸二次规划(Convex Quadratic Programming)的各种方法,例如内点法和活跃集法,并分析了它们在不同规模和结构问题上的性能表现。这本书的价值,在于它能够将那些抽象的数学概念,转化为一套清晰、可操作的算法解释,让我能够更有信心去解决实际的优化问题,并且能够对算法的选择和设计有更深入的理解。

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**读完《Convex Optimization Algorithms》后,我才真正体会到“算法”二字的精妙所在。** 在我之前的学习经历中,提到“算法”往往就意味着代码实现或者流程图,但这本书让我看到了算法的灵魂。它不仅仅罗列了各种凸优化算法,更重要的是,它深入探讨了这些算法背后的数学思想和设计哲学。举个例子,书中对牛顿法和拟牛顿法的讲解,我印象非常深刻。它不是简单地给出牛顿法的迭代公式,而是详细解释了牛顿法如何利用海森矩阵来逼近二阶泰勒展开,从而找到一个更优的搜索方向。然后,它又解释了当计算海森矩阵或者其逆矩阵变得困难时,我们如何通过近似来构建拟牛顿法,比如BFGS方法。在这个过程中,我看到了数学的智慧是如何被巧妙地转化为实际的计算方法的。书中对于每一种算法的推导,都力求严谨,但又不会让你感到枯燥。它会解释为什么选择某个步骤,这个步骤的意义是什么,以及它如何影响算法的整体性能。我特别喜欢书中对收敛速度的分析,它会明确指出哪些算法具有线性收敛速度,哪些具有超线性收敛速度,甚至二次收敛速度,并解释这些速度差异的根源。这种对算法内在机制的深入剖析,让我能够根据具体问题的特点,选择最合适的算法。而且,书中还会提到一些算法的变种和改进,这为进一步的研究提供了思路。可以说,这本书极大地拓宽了我对算法的认知边界,让我从“知道有这个算法”变成了“理解这个算法为什么存在,以及它如何工作”。

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**每当我需要对一个凸优化问题进行建模并寻找高效求解算法时,《Convex Optimization Algorithms》都是我首先翻阅的书籍。** 在过去的学习和实践中,我常常会遇到一些工程上的问题,这些问题经过抽象后,往往可以转化为一个凸优化问题。然而,如何选择一个合适的算法来高效地求解这些问题,却是一门艺术。这本书,恰恰是这门艺术的最佳教科书。它系统地梳理了各种凸优化算法,并且对每一种算法的优缺点、适用场景进行了详细的分析。例如,对于大型问题的求解,书中介绍的分布式算法和随机算法,为我提供了重要的思路。我尤其对书中关于近端梯度下降(Proximal Gradient Descent)和其变种的讨论印象深刻。在许多实际应用中,目标函数可能包含一个可分离的、但非光滑的正则化项,这时直接应用梯度下降会遇到困难。书中详细解释了近端梯度下降如何利用算子(proximal operator)来处理这类问题,并给出了清晰的数学推导和收敛性分析。这种对算法细节的深入剖析,让我能够真正理解算法的工作机制,而不是仅仅停留在表面。此外,书中还穿插了许多与实际应用相关的例子,例如在机器学习、信号处理等领域的应用,这让我在学习理论知识的同时,也能感受到其强大的实践价值。总而言之,这本书就像一个算法的“工具箱”,里面装满了各种高效的解决问题的利器,并且详细说明了如何使用它们。

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