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出版者:

作者:刘志澄

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页数:509

译者:

出版时间:2007-1

价格:180.00

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isbn号码:9787109118164

丛书系列:

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• 文学
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《现代工程优化理论与方法》 内容提要 本书系统梳理了现代工程优化理论的基石、核心方法及其在复杂工程系统设计、分析与决策中的应用。全书内容紧密围绕提升工程效率、保障系统性能以及实现资源最优化配置这一主线展开。 第一部分：优化理论基础与数学建模 本部分首先为读者奠定坚实的数学基础。详细阐述了优化问题的基本形式——目标函数、约束条件（等式约束与不等式约束）的数学描述，并引入了凸集、凸函数等关键概念，这些是区分可解与难解优化问题的根本。深入探讨了线性规划（LP）的理论框架，包括可行域、基本可行解、最优性条件等，并详尽介绍了单纯形法（Simplex Method）的迭代步骤、退化处理以及大M法和两阶段法在处理初始可行解问题上的应用。对于非线性规划（NLP），本书着重介绍了KKT（Karush-Kuhn-Tucker）最优性条件，这是求解和验证非线性优化问题解的基础。此外，还引入了拉格朗日乘子法在等式约束优化问题中的作用，并探讨了对偶理论，揭示了原问题与对偶问题之间的深刻联系，这对于理解敏感性分析和计算复杂性至关重要。 第二部分：经典无约束优化算法 本章聚焦于在没有约束条件下寻找函数极小值点的一系列高效数值算法。我们首先介绍基于导数信息的算法，如最速下降法（Gradient Descent），分析其收敛特性及其局部收敛速度慢的局限性。随后，重点介绍牛顿法（Newton's Method），探讨其二阶收敛速度的优势，同时也分析了计算Hessian矩阵的计算成本和正定性保证的挑战。为平衡计算效率与收敛速度，本书详细阐述了拟牛顿法（Quasi-Newton Methods）。其中，DFP算法和BFGS算法被作为核心内容进行解析，重点讲解如何通过秩一或秩二修正来近似Hessian矩阵的逆，从而避免直接计算和存储Hessian矩阵，实现了高效的全局收敛性。最后，对共轭梯度法（Conjugate Gradient Method）进行了系统阐述，特别是在大规模稀疏问题中的应用优势。 第三部分：约束优化数值求解技术 约束优化是工程实践中最常见和最具挑战性的领域。本部分系统介绍了处理约束问题的有效策略。首先，对内点法（Interior-Point Methods）和外点法（Exterior-Point Methods，包括罚函数法和增广拉格朗日法）进行了细致的对比分析。特别地，详细剖析了序列二次规划（SQP）方法。SQP方法通过在每一步迭代中求解一个二次规划（QP）子问题来逼近原非线性约束问题的最优解，被认为是求解中小型非线性约束问题的最有效算法之一，本书将重点阐述其如何通过牛顿法求解KKT条件。对于大规模问题，我们将介绍序列线性规划（SLP）的适用场景及其局限性。 第四部分：全局优化与启发式算法 工程系统往往存在多峰、非凸的优化地形，使得经典局部优化方法易于陷入局部最优。因此，本书专门辟出章节介绍如何有效搜索全局最优解。我们首先概述确定性全局优化方法（如分支定界法）的原理及其在超大规模问题中的计算瓶颈。随后，将重点转移到更具实用价值的随机搜索与启发式算法。详细介绍了模拟退火算法（Simulated Annealing, SA），阐释了其接受劣质解的概率机制如何帮助跳出局部最优；遗传算法（Genetic Algorithm, GA）则从种群演化、交叉、变异等操作入手，展示其在复杂离散和连续空间搜索中的强大鲁棒性。此外，还简要介绍了粒子群优化（PSO）等群体智能算法在工程设计中的最新进展。 第五部分：鲁棒优化与不确定性下的决策 现代工程系统运行在充满不确定性的环境中，参数可能受测量误差、环境波动等影响。本章旨在解决优化问题中对模型参数不确定性的敏感性问题。本书详细介绍了鲁棒优化（Robust Optimization）的基本框架，即寻找在所有可能的不确定性集合下目标函数值表现最优的解。与传统的随机优化相比，鲁棒优化不要求精确的概率分布信息，更侧重于“最坏情况”下的性能保障。内容涵盖了椭球不确定集、Box不确定集下的鲁棒优化模型的建立与求解技术，以及鲁棒优化与弹性优化（Resilience Optimization）的交叉研究。 第六部分：工程应用实例与软件实现 本部分通过具体案例展示理论方法的实际效能。内容涵盖了： 1. 结构优化设计： 利用拓扑优化和形状优化方法，在满足强度、刚度约束下实现轻量化设计。 2. 过程控制与调度： 将复杂的生产调度问题转化为混合整数线性规划（MILP）问题，并利用商业求解器进行求解。 3. 机器学习模型参数估计： 讨论如何将模型训练过程视为一个大规模的非线性最小二乘问题，并应用拟牛顿法或内点法进行高效求解。 4. 供应链网络设计： 运用多目标优化方法（如 $epsilon$-约束法）平衡成本、时间和风险等多个相互冲突的目标。 本书最后对主流商业优化软件（如CPLEX, Gurobi）和开源库（如SciPy Optimize, CVXPY）的使用方法进行了概括性介绍，旨在帮助读者将所学理论快速转化为解决实际工程问题的工具。 本书特点 理论深度与工程应用紧密结合： 既有严格的数学推导，又有大量的工程案例佐证。 覆盖面广： 涵盖了从经典的线性规划到前沿的鲁棒优化和启发式方法。 注重算法细节： 对核心算法（如BFGS、SQP）的迭代细节和收敛性分析进行了细致描述，便于读者自行编程实现。 本书适用于高等院校工科专业高年级本科生、研究生，以及从事工程设计、系统分析与决策支持的工程师和科研人员。 《先进材料的微观结构与性能调控》 内容提要 本书致力于深入探讨先进功能材料，如高性能合金、先进陶瓷、复合材料以及纳米结构材料，其微观组织（包括晶体结构、晶界特征、相分布、缺陷类型和尺寸效应）如何决定并调控其宏观力学、电学、热学及功能特性。全书结构遵循“微观结构—作用机制—性能实现”的研究范式，强调结构与性能之间的定量关联性。 第一部分：材料微观结构表征的先进技术 本部分首先聚焦于现代材料科学研究不可或缺的实验与计算表征手段。详细介绍了透射电子显微镜（TEM/STEM）在原子尺度成像、晶体缺陷分析和元素微区成分分析中的应用，特别是高角环形暗场（HAADF-STEM）如何实现对重原子高对比度成像。对扫描电子显微镜（SEM）的背散射电子（BSE）和二次电子（SE）成像原理及其在织构、晶粒尺寸分析中的作用进行了阐述。在无损表征方面，重点介绍了X射线衍射（XRD）在物相鉴定、晶格常数测定和残余应力分析中的应用，并探讨了同步辐射光源在分析小角散射（SAXS）和高分辨率衍射中的突破。此外，还引入了原子探针层析成像（APT）在三维纳米尺度元素分布重建中的关键作用。计算模拟方面，概述了第一性原理计算（DFT）在预测新材料相稳定性和电子结构中的基础应用。 第二部分：晶体塑性与机械性能调控 本章的核心在于揭示材料在宏观载荷作用下，其微观变形机制如何决定其强度、韧性、疲劳寿命等关键力学指标。详细分析了位错运动、缠结、交叉和湮灭的微观过程，并引入了Hall-Petch关系在晶粒尺寸对屈服强度影响中的应用，以及在纳米晶材料中出现的反常尺寸效应。对于复杂材料体系，如高熵合金和镍基高温合金，重点讨论了第二相粒子（如$gamma'$析出相）对位错运动的阻碍作用和强化机制。在疲劳和断裂领域，本书深入研究了疲劳裂纹萌生与扩展的微观路径选择，包括裂纹沿晶界还是穿晶扩展的决定因素。此外，详细介绍了晶体塑性有限元（CPFEM）模型，该模型能够将本构关系建立在单晶的滑移系上，从而实现对宏观塑性各向异性的精确模拟。 第三部分：功能材料的电学与热学性能关联 本部分探讨了在电子、能源材料中，微观结构对电荷传输、载流子散射以及热传导的影响。在半导体材料中，重点分析了杂质原子分布、晶界电子态对载流子迁移率的散射影响。对于铁电和压电材料，探讨了电畴结构（尺寸、形貌和耦合）的演化如何影响其介电响应和能量转换效率。在热学性能方面，深入剖析了声子（Phonon）的平均自由程与其在晶格缺陷、纳米界面的散射机制。本书详细阐述了塞贝克效应与材料电子态密度、声子散射率之间的关系，以指导热电材料的设计。对于电池电极材料，探讨了锂离子在不同晶相和缺陷位点上的扩散动力学，以及界面阻抗在充放电过程中的演变。 第四部分：多相与复合材料的界面科学 先进材料的设计越来越依赖于多相结构的协同效应。本章聚焦于材料内部不同相之间的界面，它是性能调控的关键所在。详细介绍了界面能、界面应力对相分离和宏观性能的影响。在金属基复合材料中，重点分析了增强相（如碳化硅颗粒或碳纳米管）与基体之间的界面粘接质量对载荷有效传递的决定性作用，并讨论了界面反应层对材料长期稳定性的影响。对于梯度材料，探讨了如何通过控制相的体积分数或晶粒尺寸梯度来实现应力场的平滑过渡，从而提高材料的抗冲击能力。此外，还涵盖了生物医用材料中材料表面形貌与细胞粘附、组织整合的界面生物学效应。 第五部分：原位/动态表征与性能演化 要真正理解材料性能的来源，必须在材料服役状态下对其进行实时监测。本部分详细介绍了原位（In-situ）实验技术。内容包括在原位拉伸/压缩实验中同步进行TEM成像或XRD分析，以捕捉位错源的激活和演化。针对高温应用，介绍了在原位高真空/高压炉中对材料进行加热测试时，实时监测相变和蠕变行为的技术。对于电化学体系，详细阐述了原位电化学测试与光谱学（如XPS、拉曼）联用的方法，用以监测活性物质在充放电循环中的结构动态变化。这些动态表征为建立更准确的材料寿命预测模型提供了实验依据。 本书特点 跨学科视野： 融合了凝聚态物理、材料热力学、断裂力学和先进表征技术。 注重定量关联： 强调微观参数（如缺陷密度、界面能）向宏观性能（如屈服强度、导热系数）的转化规律。 案例驱动： 结合了航空航天、能源存储和生物医学等前沿领域的实际工程需求。 本书可作为材料科学与工程、物理学、化学等相关专业的研究生教材，并为从事材料研发与应用的高级工程师提供深入参考。

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我花了整整一个周末的时间来通读其中的几篇核心论述，感受最深的是作者那种洞察事物本质的穿透力。他的论述绝不是停留在表面的现象描述，而是如同精准的手术刀一般，直达问题的核心肌理。那些复杂的理论和概念，在他的笔下被层层剥离、抽丝剥茧，最终以一种令人拍案叫绝的清晰度和逻辑性呈现出来。特别是对于 XX 领域的某个经典难题的重新阐释部分，我曾多方查阅资料，始终不得其解，但读到他独到的见解后，豁然开朗，仿佛迷雾散尽。这种思维的深度和广度，展现了一位真正大师级的学者风范，他既能高屋建瓴地把握宏观趋势，又能细致入微地捕捉到最微小的逻辑漏洞并加以弥补。每一次阅读，都像是在与一位智者进行高强度的脑力激荡，迫使我不断地跳出原有的思维定势，去审视和挑战那些看似理所当然的固有认知。这本书是思想的炼金石，能够将粗浅的理解锤炼成精纯的洞察力。

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我特别留意了文集后半部分关于方法论构建的章节，这对我目前的日常工作指导意义极其重大。作者不仅仅提出了理论，更重要的是，他提供了一套可以被系统学习和复制的思维框架和操作流程。他没有用空泛的口号来搪塞读者，而是通过大量的案例分析，手把手地展示了如何从零开始建立一个严谨的研究体系，如何在新旧理论冲突中找到突破口，以及如何将抽象的哲学思考转化为可量化的实践步骤。这些实操性的指导，对于许多在实际操作中感到迷茫的专业人士来说，无疑是久旱逢甘霖。我尝试着将其中一套“多维交叉验证模型”应用到我最近的一个项目中，结果令人惊喜地看到了效率和准确性的显著提升。这本书的价值，在于它成功地架设了理论与实践之间的桥梁，让高深的学问真正落地生根，服务于现实世界的复杂挑战。

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这本书的装帧设计简直让人眼前一亮，初拿到手时，那种沉甸甸的质感和封面那种雅致的古朴气息就深深地吸引了我。纸张的选择非常考究，拿在手里有一种温润如玉的感觉，即便是长时间翻阅，手指也不会感到丝毫的疲惫。排版布局更是匠心独运，字体的选择既保留了传统书籍的美感，又兼顾了现代读者的阅读舒适度，行间距的处理恰到好处，让人在沉浸于文字世界时，能享受到极佳的视觉体验。尤其是那些需要仔细品味的章节，作者似乎深谙读者的阅读习惯，总能在关键之处留下恰当的留白，让思绪有时间沉淀下来。这种对书籍实体本身的尊重和细致入微的打磨，让阅读过程变成了一种享受，不仅仅是知识的获取，更像是一场与实体书的深度对话。细节处见真章，这本书的制作水平，完全可以与那些博物馆级别的典藏本相媲美，它不仅仅是一本文集，更像是一件值得珍藏的艺术品，让人爱不释手，每次翻开都能带来新的发现和愉悦感。

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这本书的语言风格变化多端，令人惊奇。有时，作者的文笔如同山涧清泉，流畅自然，带着一种古典的韵味，读来令人心旷神怡，仿佛能感受到作者在文字中流露出的那份从容与淡定。然而，在论及一些尖锐的社会现象或学术争鸣时，他的文字立刻转为刚劲有力，措辞犀利，字字珠玑，充满了批判性的力量和无可辩驳的理性光辉。更令人称奇的是，在一些个人感怀的篇章里，他又展现出极其细腻、近乎诗意的情感表达，那种对世事变迁的喟叹，对生命意义的追问，都处理得恰到好处，不至于矫揉造作，反而显得真挚而深沉。这种驾驭不同语域和情感层次的能力，绝非一日之功，它体现了作者深厚的文学修养和广博的人生阅历。每次翻到风格迥异的篇章，我都需要快速调整自己的“阅读频道”，这种阅读上的多重体验，极大地丰富了我的精神世界，远超预期。

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从整体的阅读感受来说，这本书给我带来了一种久违的、对知识体系的敬畏感。它不像那些快餐式的读物，读完后脑子里只留下一些零散的标签和术语；它更像是一部精密构造的宏伟建筑，每一个章节、每一段论述，都像是承重墙上的一块基石，相互支撑，共同构筑起一个坚固而完整的知识大厦。读完后，我感到自己的认知版图被大大拓展了，视野也随之拉远，过去纠结的一些小问题，现在看来都显得微不足道。这本书的影响是深远的，它不是提供一个即时答案，而是教会你如何提出更好的问题，如何用更深刻的视角去观察这个纷繁复杂的世界。我强烈推荐给所有不满足于停留在表面、渴望进行深度思考和追求知识内在统一性的读者，这本书绝对是值得反复研读，并随着时间推移而愈发散发出光芒的宝藏之作。

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