Lectures on Convex Optimization, 2nd Edition

Lectures on Convex Optimization, 2nd Edition pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Springer
作者:Yurii Nesterov
出品人:
页数:589
译者:
出版时间:2018-9-22
价格:USD 69.99
装帧:
isbn号码:9783319915777
丛书系列:
图书标签:
  • Optimization
  • AppMath
  • Convex Optimization
  • Optimization
  • Mathematical Programming
  • Applied Mathematics
  • Engineering
  • Computer Science
  • Machine Learning
  • Algorithms
  • Theory
  • Second Edition
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具体描述

This book provides a comprehensive, modern introduction to convex optimization, a field that is becoming increasingly important in applied mathematics, economics and finance, engineering, and computer science, notably in data science and machine learning.Written by a leading expert in the field, this book includes recent advances in the algorithmic theory of convex optimization, naturally complementing the existing literature. It contains a unified and rigorous presentation of the acceleration techniques for minimization schemes of first- and second-order. It provides readers with a full treatment of the smoothing technique, which has tremendously extended the abilities of gradient-type methods. Several powerful approaches in structural optimization, including optimization in relative scale and polynomial-time interior-point methods, are also discussed in detail.Researchers in theoretical optimization as well as professionals working on optimization problems will find this book very useful. It presents many successful examples of how to develop very fast specialized minimization algorithms. Based on the author?s lectures, it can naturally serve as the basis for introductory and advanced courses in convex optimization for students in engineering, economics, computer science and mathematics.

聚焦精炼:探索凸优化理论与实践的精髓 在数学、工程、经济以及计算机科学等众多领域,优化问题无处不在,而凸优化以其独特的理论优势和广泛的应用前景,成为解决这些问题的强大工具。本书《Lectures on Convex Optimization, 2nd Edition》正是为了系统、深入地介绍凸优化的核心概念、基本理论、关键算法以及实际应用而精心编撰。本书旨在为读者构建坚实的理论基础,培养解决实际优化问题的能力,并为进一步的研究和开发奠定坚实基石。 本书的写作风格力求清晰、严谨且富有启发性。我们不仅会详细阐述凸优化的数学原理,还会通过丰富的示例和练习,引导读者理解理论在实际场景中的应用。第二版在第一版的基础上,进行了全面的更新和扩充,引入了最新的研究进展和技术方法,并对原有内容进行了优化和整合,使其更具系统性和前瞻性。 第一部分:凸集与凸函数——基石的构建 在深入探讨优化算法之前,理解凸集和凸函数的概念至关重要。它们是凸优化的基石,构成了问题的基本框架。 凸集 (Convex Sets): 我们将从凸集的基本定义入手,探讨其性质,例如闭合性、开集性、有界性等。读者将学习到各种常见的凸集,如超平面、半空间、凸多面体、球体、椭圆体以及它们之间的交集和仿射变换等。理解凸集的结构有助于我们分析优化问题的可行域,并为算法的设计提供指导。我们将深入研究凸集的几何特性,例如支撑超平面、极点以及锥体等概念,这些概念在理解更复杂的凸优化问题时具有不可或缺的作用。 凸函数 (Convex Functions): 凸函数是凸优化的核心。本书将详细介绍凸函数的定义,并通过 Jensen 不等式等基本性质来理解其形态。我们将探讨一系列重要的凸函数类,包括仿射函数、二次函数、范数函数、对数-线性函数以及半定规划中的迹函数等。对这些函数的深入理解,将帮助读者识别和建模实际中的凸优化问题。 凸函数的性质与判定: 为了更有效地识别凸函数,我们将介绍一系列判定方法。除了直接应用定义外,还将深入探讨一阶条件(梯度)和二阶条件(Hessian 矩阵)在判定函数凸性中的作用。对于非光滑函数,我们还会介绍次梯度(subgradient)的概念,并讨论其在优化问题中的应用。 对偶性 (Duality): 对偶理论是凸优化中一个非常强大且优雅的工具。本书将详细介绍拉格朗日对偶(Lagrangian duality)的原理,包括拉格朗日函数、对偶函数以及对偶问题。我们将证明弱对偶性(weak duality)和强对偶性(strong duality)定理,并探讨不同条件下(如 Slater 条件)强对偶性成立的充要条件。对偶问题的求解不仅能够提供原问题的下界信息,有时还能提供比原问题更易于求解的途径,并产生重要的经济学解释。 第二部分:凸优化问题的分类与性质 在掌握了凸集和凸函数的概念后,我们将转向对各种凸优化问题的分类和深入分析。 标准凸优化问题: 本书将系统介绍几种最常见且最重要的凸优化问题类型: 线性规划 (Linear Programming, LP): 作为最基础的凸优化问题,我们将详细介绍线性规划的标准形式、几何解释,以及其与对偶问题的关系。 二次规划 (Quadratic Programming, QP): 涉及二次目标函数和线性约束,我们将探讨凸二次规划的特性,以及其在机器学习、控制理论等领域的应用。 二次约束二次规划 (Quadratically Constrained Quadratic Programming, QCQP): 目标函数和约束条件均为二次形式,我们将分析其凸性条件和求解方法。 半定规划 (Semidefinite Programming, SDP): 这是一个非常重要的凸优化问题类别,涉及对半正定矩阵变量进行优化。我们将详细介绍 SDP 的标准形式,并阐述其在组合优化、控制系统设计、信号处理等领域的广泛应用。 二阶锥规划 (Second-Order Cone Programming, SOCP): 结合了线性规划和二次规划的特点,SOCP 在鲁棒优化、投资组合优化等领域具有重要的应用价值。 可行性问题 (Feasibility Problems): 在许多情况下,我们首先需要确定一个优化问题的可行域是否存在非空解。我们将介绍如何将可行性问题转化为凸优化问题,并讨论相关的判定方法。 最优化问题的结构: 我们将深入分析凸优化问题的结构特点,例如唯一最优解的存在性条件,以及最优解集的几何性质。 第三部分:凸优化算法——求解的艺术 理论知识的掌握最终需要通过算法来实现。本书将详细介绍一系列经典的、现代的以及实用的凸优化算法。 无约束优化算法: 梯度下降法 (Gradient Descent): 介绍一阶方法,包括其收敛性分析、步长选择策略(如线搜索、信赖域方法)。 牛顿法 (Newton's Method): 介绍二阶方法,强调其快速的局部收敛速度,以及如何处理 Hessian 矩阵的计算和逆。 拟牛顿法 (Quasi-Newton Methods): 如 BFGS 和 L-BFGS,它们通过近似 Hessian 矩阵来克服牛顿法计算量的缺点。 共轭梯度法 (Conjugate Gradient Method): 特别适用于求解大型线性系统和二次规划问题。 约束优化算法: 内点法 (Interior-Point Methods): 这是求解许多大型凸优化问题(如 LP, QP, SDP)最有效的方法之一。我们将详细介绍其核心思想,包括障碍函数法(barrier methods)、中心路径(central path)等概念,并讨论其收敛性和计算复杂度。 投影梯度法 (Projected Gradient Methods): 适用于目标函数光滑但约束为凸集的情况。 增广拉格朗日法 (Augmented Lagrangian Methods): 结合了拉格朗日乘子法和罚函数法,可以有效地处理等式和不等式约束。 序列二次规划法 (Sequential Quadratic Programming, SQP): 一种通用的约束优化算法,在求解非线性规划问题中具有广泛应用。 算法的理论分析: 对于每种算法,我们不仅会介绍其实现细节,还会深入探讨其理论性质,包括收敛速度、收敛域以及计算复杂度分析。我们将强调理论分析如何指导算法的选择和改进。 第四部分:凸优化在实际中的应用 理论与实践相结合是学习的最终目标。本书将通过大量的案例研究,展示凸优化在各个领域的强大应用能力。 机器学习 (Machine Learning): 支持向量机 (Support Vector Machines, SVM): 这是凸优化在机器学习中最经典的成功应用之一。我们将详细介绍 SVM 的原理,以及如何通过凸二次规划来求解。 逻辑回归 (Logistic Regression): 解释其目标函数为何是凸的,以及如何使用梯度下降等方法进行优化。 稀疏学习与 LASSO: 介绍 LASSO 回归如何利用 L1 范数实现变量选择和模型稀疏化,以及其背后的凸优化问题。 主成分分析 (Principal Component Analysis, PCA) 与其他降维技术: 阐述 PCA 如何与矩阵分解和凸优化相关联。 信号处理 (Signal Processing): 压缩感知 (Compressed Sensing): 介绍如何利用凸优化和稀疏性来从欠采样数据中恢复信号。 滤波设计 (Filter Design): 演示如何将滤波器设计问题转化为凸优化问题。 控制理论 (Control Theory): 模型预测控制 (Model Predictive Control, MPC): 介绍 MPC 如何利用在线优化来解决控制问题。 系统稳定性分析: 演示如何利用半定规划来分析系统的稳定性。 金融工程 (Financial Engineering): 投资组合优化 (Portfolio Optimization): 介绍 Markowitz 模型如何转化为二次规划问题。 风险度量与管理: 探讨如何利用凸优化来评估和管理金融风险。 运筹学 (Operations Research): 资源分配问题: 举例说明如何将资源分配问题建模为线性规划或混合整数规划。 网络流问题 (Network Flow Problems): 介绍其与线性规划的联系。 第五部分:高级主题与展望 在掌握了基本理论和算法后,本书还会触及一些更深入或前沿的主题。 凸优化软件库: 介绍当前流行的凸优化求解器(如 CVXPY, MOSEK, Gurobi, CPLEX 等),帮助读者将理论知识应用于实际问题。 非凸优化导论: 简要介绍非凸优化问题的挑战,以及与凸优化方法的区别。 大规模凸优化: 讨论在处理海量数据和高维度问题时,如何设计和选择适合的优化算法。 最优化理论的最新研究方向: 展望凸优化领域的前沿研究,如随机优化、分布式优化、机器学习中的优化等。 本书的第二版在保留第一版核心内容的基础上,进一步充实了算法的讲解,增加了更多先进的算法和应用案例,并对理论部分进行了更深入的阐述。我们希望本书能够成为读者学习凸优化的可靠伙伴,无论是初学者还是有经验的研究者,都能从中受益,并激发他们探索更广阔的优化世界。通过本书的学习,读者将能够自信地理解、建模和解决各种复杂的优化问题,并在各自的专业领域取得突破。

作者简介

目录信息

Part I. Black-Box Optimization
1 Nonlinear Optimization
1.1 The World of Nonlinear Optimization
1.1.1 General Formulation of the Problem
1.1.2 Performance of Numerical Methods
1.1.3 Complexity Bounds for Global Optimization
1.1.4 Identity Cards of the Fields
1.2 Local Methods in Unconstrained Minimization
1.2.1 Relaxation and Approximation
1.2.2 Classes of Differentiable Functions
1.2.3 The Gradient Method
1.2.4 Newton's Method
1.3 First-Order Methods in Nonlinear Optimization
1.3.1 The Gradient Method and Newton's Method: What Is Different?
1.3.2 Conjugate Gradients
1.3.3 Constrained Minimization
2 Smooth Convex Optimization
2.1 Minimization of Smooth Functions
2.1.1 Smooth Convex Functions
2.1.2 Lower Complexity Bounds for FL∞,1(Rn)
2.1.3 Strongly Convex Functions
2.1.4 Lower Complexity Bounds for Sμ,L∞,1(Rn)
2.1.5 The Gradient Method
2.2 Optimal Methods
2.2.1 Estimating Sequences
2.2.2 Decreasing the Norm of the Gradient
2.2.3 Convex Sets
2.2.4 The Gradient Mapping
2.2.5 Minimization over Simple Sets
2.3 The Minimization Problem with Smooth Components
2.3.1 The Minimax Problem
2.3.2 Gradient Mapping
2.3.3 Minimization Methods for the Minimax Problem
2.3.4 Optimization with Functional Constraints
2.3.5 The Method for Constrained Minimization
3 Nonsmooth Convex Optimization
3.1 General Convex Functions
3.1.1 Motivation and Definitions
3.1.2 Operations with Convex Functions
3.1.3 Continuity and Differentiability
3.1.4 Separation Theorems
3.1.5 Subgradients
3.1.6 Computing Subgradients
3.1.7 Optimality Conditions
3.1.8 Minimax Theorems
3.1.9 Basic Elements of Primal-Dual Methods
3.2 Methods of Nonsmooth Minimization
3.2.1 General Lower Complexity Bounds
3.2.2 Estimating Quality of Approximate Solutions
3.2.3 The Subgradient Method
3.2.4 Minimization with Functional Constraints
3.2.5 Approximating the Optimal Lagrange Multipliers
3.2.6 Strongly Convex Functions
3.2.7 Complexity Bounds in Finite Dimension
3.2.8 Cutting Plane Schemes
3.3 Methods with Complete Data
3.3.1 Nonsmooth Models of the Objective Function
3.3.2 Kelley's Method
3.3.3 The Level Method
3.3.4 Constrained Minimization
4 Second-Order Methods
4.1 Cubic Regularization of Newton's Method
4.1.1 Cubic Regularization of Quadratic Approximation
4.1.2 General Convergence Results
4.1.3 Global Efficiency Bounds on Specific Problem Classes
4.1.4 Implementation Issues
4.1.5 Global Complexity Bounds
4.2 Accelerated Cubic Newton
4.2.1 Real Vector Spaces
4.2.2 Uniformly Convex Functions
4.2.3 Cubic Regularization of Newton Iteration
4.2.4 An Accelerated Scheme
4.2.5 Global Non-degeneracy for Second-Order Schemes
4.2.6 Minimizing Strongly Convex Functions
4.2.7 False Acceleration
4.2.8 Decreasing the Norm of the Gradient
4.2.9 Complexity of Non-degenerate Problems
4.3 Optimal Second-Order Methods
4.3.1 Lower Complexity Bounds
4.3.2 A Conceptual Optimal Scheme
4.3.3 Complexity of the Search Procedure
4.4 The Modified Gauss–Newton Method
4.4.1 Quadratic Regularization of the Gauss–Newton Iterate
4.4.2 The Modified Gauss–Newton Process
4.4.3 Global Rate of Convergence
4.4.4 Discussion
Part II. Structural Optimization
5 Polynomial-Time Interior-Point Methods
5.1 Self-concordant Functions
5.1.1 The Black Box Concept in Convex Optimization
5.1.2 What Does the Newton's Method Actually Do?
5.1.3 Definition of Self-concordant Functions
5.1.4 Main Inequalities
5.1.5 Self-Concordance and Fenchel Duality
5.2 Minimizing Self-concordant Functions
5.2.1 Local Convergence of Newton's Methods
5.2.2 Path-Following Scheme
5.2.3 Minimizing Strongly Convex Functions
5.3 Self-concordant Barriers
5.3.1 Motivation
5.3.2 Definition of a Self-concordant Barrier
5.3.3 Main Inequalities
5.3.4 The Path-Following Scheme
5.3.5 Finding the Analytic Center
5.3.6 Problems with Functional Constraints
5.4 Applications to Problems with Explicit Structure
5.4.1 Lower Bounds for the Parameter of a Self-concordant Barrier
5.4.2 Upper Bound: Universal Barrier and Polar Set
5.4.3 Linear and Quadratic Optimization
5.4.4 Semidefinite Optimization
5.4.5 Extremal Ellipsoids
5.4.6 Constructing Self-concordant Barriers for Convex Sets
5.4.7 Examples of Self-concordant Barriers
5.4.8 Separable Optimization
5.4.9 Choice of Minimization Scheme
6 The Primal-Dual Model of an Objective Function
6.1 Smoothing for an Explicit Model of an Objective Function
6.1.1 Smooth Approximations of Non-differentiable Functions
6.1.2 The Minimax Model of an Objective Function
6.1.3 The Fast Gradient Method for Composite Minimization
6.1.4 Application Examples
6.1.5 Implementation Issues
6.2 An Excessive Gap Technique for Non-smooth ConvexMinimization
6.2.1 Primal-Dual Problem Structure
6.2.2 An Excessive Gap Condition
6.2.3 Convergence Analysis
6.2.4 Minimizing Strongly Convex Functions
6.3 The Smoothing Technique in Semidefinite Optimization
6.3.1 Smooth Symmetric Functions of Eigenvalues
6.3.2 Minimizing the Maximal Eigenvalue of the Symmetric Matrix
6.4 Minimizing the Local Model of an Objective Function
6.4.1 A Linear Optimization Oracle
6.4.2 The Method of Conditional Gradients with Composite Objective
6.4.3 Conditional Gradients with Contraction
6.4.4 Computing the Primal-Dual Solution
6.4.5 Strong Convexity of the Composite Term
6.4.6 Minimizing the Second-Order Model
7 Optimization in Relative Scale
7.1 Homogeneous Models of an Objective Function
7.1.1 The Conic Unconstrained Minimization Problem
7.1.2 The Subgradient Approximation Scheme
7.1.3 Direct Use of the Problem Structure
7.1.4 Application Examples
7.2 Rounding of Convex Sets
7.2.1 Computing Rounding Ellipsoids
7.2.2 Minimizing the Maximal Absolute Value of Linear Functions
7.2.3 Bilinear Matrix Games with Non-negative Coefficients
7.2.4 Minimizing the Spectral Radius of Symmetric Matrices
7.3 Barrier Subgradient Method
7.3.1 Smoothing by a Self-Concordant Barrier
7.3.2 The Barrier Subgradient Scheme
7.3.3 Maximizing Positive Concave Functions
7.3.4 Applications
7.3.5 Online Optimization as an Alternative to Stochastic Programming
7.4 Optimization with Mixed Accuracy
7.4.1 Strictly Positive Functions
7.4.2 The Quasi-Newton Method
7.4.3 Interpretation of Approximate Solutions
Appendix A. Solving Some Auxiliary Optimization Problems
A.1 Newton's Method for Univariate Minimization
A.2 Barrier Projection onto a Simplex
Bibliographical Comments
Chapter 1: Nonlinear Optimization
Chapter 2: Smooth Convex Optimization
Chapter 3: Nonsmooth Convex Optimization
Chapter 4: Second-Order Methods
Chapter 5: Polynomial-Time Interior-Point Methods
Chapter 6: The Primal-Dual Model of an Objective Function
Chapter 7: Optimization in Relative Scale
References
Index
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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说实话,我是在一个急需快速将理论转化为生产力的项目背景下接触到这本专著的。时间紧,任务重,我需要的是一本能够快速桥接理论与实践鸿沟的工具书,而不是一本仅仅用于学术探讨的哲学著作。这本书的实战价值,可以说是超出了我的预期。它在阐述基础理论的同时,非常注重算法的收敛性和实际的计算复杂度分析。例如,在介绍内点法的时候,作者并没有停留在对数势函数的抽象构造上,而是详细地对比了不同的步长选择策略,以及它们对实际求解大型稀疏问题的性能影响。这种对计算细节的关注,对于一个天天和求解器打交道的工程师来说,简直是福音。我曾经遇到一个大规模的二次规划问题,由于数据规模庞大,传统的单纯形法根本无法处理,而这本书中关于牛顿法变种和预处理技术的章节,直接提供了我需要的优化思路和关键的数值稳定性考量。它的表达方式非常精炼,没有多余的叙述性废话,每一个定理、每一个推论都直指核心,这极大地提高了我的阅读效率,让我在短时间内就能够将书中的智慧有效地移植到我的代码实现中去。

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这本书,天哪,简直是为我这种深度学习的“炼丹师”量身定做的。我记得我刚接触到凸优化这个领域的时候,感觉就像站在一片迷雾缭绕的群山脚下,各种理论、算法堆积如山,让人望而生畏。市面上那些入门级的教材,要么过于简化,只停留在表面概念,讲一些浅尝辄止的梯度下降,完全无法满足我处理实际复杂问题的需求;要么就是上来就抛一堆高等数学的公式,把人直接淹没在抽象的集合论和拓扑学的海洋里。这本书的出现,就像一位经验丰富、不厌其烦的向导,带着你一步步攀登,但每一步都走得异常扎实、清晰。它没有急于求成,而是用一种近乎工匠精神的态度,将那些看似冰冷晦涩的数学原理,用极其直观的几何视角和严谨的代数推导完美结合起来。我尤其欣赏它处理对偶理论和KKT条件时的那种深度和广度,不是简单地罗列公式,而是深入剖析了它们背后的物理意义和经济学含义,这对于我后续设计优化算法,判断解的性质,简直是醍醐灌顶。读完一章,我总感觉自己不仅学会了一个技巧,更是对整个优化问题的结构有了更深层次的理解,那种“豁然开朗”的感觉,比解出一个复杂的优化问题本身还要令人兴奋。

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作为一名研究机器学习泛化理论的学生,我常常为理论的“不接地气”而苦恼。很多优化理论,停留在理论家构建的理想世界中,无法完美对应到我们日常面对的那些充满噪声、非光滑、甚至非凸的真实世界问题。然而,这本书的精妙之处在于,它虽然聚焦于“凸”这个完美的范畴,但它所建立的坚实基础,恰恰是你理解和分析“非凸”世界混乱局面的起点和参照系。它教会你如何严谨地定义和论证“最优性”,即使在非凸情况下,我们退而求其次寻找的局部最优解或鞍点,其评估标准和性质判断,无不深深植根于这本书所阐述的凸集特性和次梯度理论之中。更不用说,在现代优化算法中,如张量分解、矩阵补全这些热门课题,其核心正则化项往往就是基于L1范数或核范数等凸函数,这本书对这些基础范数的深入剖析,确保了我对这些高级应用的理解不会停留在“黑箱调用”的层面,而是能够洞悉其背后的优化驱动力。

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这本书的排版和结构设计,体现了一种对读者心智负担的深切体谅。我很少看到一本数学专著能够做到如此清晰的章节组织和逻辑递进。它不像某些教科书那样,把所有内容一股脑地塞进来,让人无从下手;它更像是一部精心策划的交响乐。开篇奠定基础,然后逐步引入约束条件的复杂性,随后深入到最优雅、也最强大的对偶理论,最后引向高效的迭代算法。每一部分之间的过渡都如行云流水般自然,你几乎不需要频繁地翻回去查阅前面对概念的定义,因为作者总是在你需要的时候,用一种微妙的方式将关键的定义或引理重新带回视野,加深你的记忆和理解。我喜欢它在证明过程中的那种“步步为营”,它不会跳过任何一个看似微小的代数步骤,这保证了即便是跨学科背景的读者,也能有足够的信心跟上作者的思维轨迹,而不是被一个突如其来的复杂变换搞得晕头转向。这种对教学节奏的精准把控,是很多严肃的学术著作所欠缺的。

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我必须承认,初次翻开这本书时,我带着一丝敬畏,甚至有点害怕。毕竟,凸优化在学术界有着“皇冠上的宝石”之称,其严谨性毋庸置疑。然而,随着阅读的深入,这种敬畏逐渐转变为一种深深的信赖感——信赖作者的权威性、信赖这套理论的完备性。这本书不像某些学术著作那样,充斥着未经证实的“直觉”,它几乎每一个论断都建立在坚不可摧的数学逻辑之上。它就像一个完美的数学构造,每一个组件都严丝合缝地嵌合在一起,形成一个可以抵御任何质疑的整体。它不仅仅是一本关于“如何做”的书,更是一本关于“为什么是这样”的书。例如,它对于凸函数定义域的讨论,以及如何通过仿射变换来保持凸性的性质,这些看似基础的讨论,却奠定了整个优化问题的理论基石。阅读它,我感觉自己不是在被动接收信息,而是在主动参与一场严谨的思维训练,这种思维方式的提升,其价值远超书本本身所传授的优化技巧。

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