Combinatorial Designs

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出版者:Springer
作者:Douglas R. Stinson
出品人:
页数:322
译者:
出版时间:2003-10-17
价格:USD 109.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780387954875
丛书系列:
图书标签:
  • 组合设计
  • 数学
  • Math
  • 组合设计
  • 有限域
  • 代数结构
  • 图论
  • 编码理论
  • 密码学
  • 实验设计
  • 离散数学
  • 组合数学
  • 优化
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具体描述

Created to teach students many of the most important techniques used for constructing combinatorial designs, this is an ideal textbook for advanced undergraduate and graduate courses in combinatorial design theory. The text features clear explanations of basic designs, such as Steiner and Kirkman triple systems, mutual orthogonal Latin squares, finite projective and affine planes, and Steiner quadruple systems. In these settings, the student will master various construction techniques, both classic and modern, and will be well-prepared to construct a vast array of combinatorial designs. Design theory offers a progressive approach to the subject, with carefully ordered results. It begins with simple constructions that gradually increase in complexity. Each design has a construction that contains new ideas or that reinforces and builds upon similar ideas previously introduced. A new text/reference covering all apsects of modern combinatorial design theory. Graduates and professionals in computer science, applied mathematics, combinatorics, and applied statistics will find the book an essential resource.

《组合设计:结构、枚举与应用》 这本书深入探讨了组合设计这一数学领域的核心概念、理论框架及其广泛的应用。我们将从最基础的定义出发,循序渐进地揭示组合设计的丰富内涵。 第一部分:组合设计的基石 本部分将详细介绍组合设计的基本构成要素和最核心的几种类型。 平衡不完全区组设计 (Balanced Incomplete Block Designs, BIBD): 这是组合设计中最基本也是最重要的一种模型。我们将详尽阐述其定义:由 $v$ 个点和 $b$ 条线组成,每条线恰好包含 $k$ 个点,任意两条不同的线恰好有 $lambda$ 个公共点。我们将深入分析 BIBD 的参数($v, b, r, k, lambda$)之间的充要关系,即 Fisher 不等式以及其他基本存在的条件。本书将通过大量实例,例如设计实验中的分组问题,来帮助读者理解 BIBD 的实际意义。 拉丁方 (Latin Squares): 作为一种特殊的组合结构,我们将讨论 $n imes n$ 的拉丁方,即在 $n imes n$ 的网格中,每行每列都恰好包含 $n$ 种符号,且每种符号在每行每列中仅出现一次。我们将介绍其基本性质,例如两个拉丁方的正交性,以及如何构造和计数不同阶数的拉丁方。拉丁方的应用广泛,从实验设计到密码学,都将有所提及。 族集 (Set Systems) 和超图 (Hypergraphs): 我们将引入更一般的组合结构——族集,即一个集合的子集的集合。在此基础上,我们将探讨超图的概念,它允许每条“边”包含任意数量的“顶点”。这为我们理解更复杂的组合设计模型提供了统一的视角。 平衡不完全区组设计 (BIBD) 的构造方法: 除了理论上的存在性,本书还将重点介绍多种构造 BIBD 的实际方法。这包括但不限于: 差集方法 (Difference Methods): 利用群论中的差集概念来生成 BIBD。 组合构造法 (Combinatorial Constructions): 基于已有的组合结构,例如完全图或完全二分图,来构造新的 BIBD。 代数构造法 (Algebraic Constructions): 利用有限域、伽罗瓦域等代数工具来设计 BIBD。 第二部分:深入探索组合设计 在掌握了基本概念后,本部分将进一步深入,探讨更高级的组合设计理论和相关概念。 设计中的参数问题: 对于给定的参数,确定是否存在 BIBD 是一个普遍而深刻的问题。我们将回顾一些著名的未解决问题,例如关于某些参数集下是否存在 BIBD 的猜想。 关联代数 (Incidence Algebras): 组合设计的结构可以通过关联代数来形式化和研究。我们将介绍关联代数的定义及其与组合设计的关系,并展示如何利用关联代数来证明一些重要的组合性质。 度量设计 (Metric Designs): 一类特殊的组合设计,其中点之间存在距离的概念。我们将探讨度量设计的基本性质,例如球体的结构,以及它们在编码理论和信息论中的应用。 伸缩设计 (Affine Designs) 和射影设计 (Projective Designs): 这些是结构更强的设计,与仿射几何和射影几何紧密相关。我们将详细介绍它们的定义、参数以及它们与 BIBD 的关系。 不相交设计 (Disjoint Designs) 和完全设计 (Complete Designs): 对 BIBD 进行更精细的分类和研究,探讨其结构上的特殊性。 第三部分:组合设计的枚举与计数 了解组合设计的存在性和构造方法后,本部分将转向组合设计的计数问题。 设计的同构 (Isomorphism of Designs): 两个设计在结构上是否等价?我们将定义设计的同构,并介绍判断设计同构性的方法和挑战。 计数技术: 如何计算特定类型的组合设计有多少种(在同构意义下)?我们将介绍一些基本的计数原理,例如 Burnside 引理,以及如何应用于组合设计的计数问题。 枚举经典设计: 我们将计算一些经典组合设计(如斯坦纳三元系统 $S(2,3,v)$)的计数结果。 第四部分:组合设计的应用 组合设计并非纯粹的数学抽象,它们在众多科学和工程领域展现出强大的实用价值。 统计学中的实验设计 (Design of Experiments): 这是组合设计最直接和最广泛的应用领域。我们将详细阐述如何利用 BIBD、拉丁方等来设计高效的统计实验,以最小的成本获得最多的信息。例如,在农业实验中,如何安排作物种植以控制土壤肥力、光照等因素的影响;在医药研发中,如何设计临床试验以评估药物效果。 编码理论 (Coding Theory): 组合设计是构造纠错码的重要工具。我们将介绍如何利用设计中的结构来构建具有良好纠错能力的线性码和非线性码。例如,设计中的点集和线集可以对应于码字中的某些性质,而设计的平衡性则有助于提高纠错性能。 密码学 (Cryptography): 组合设计在设计安全的密码体制中扮演着重要角色,例如用于生成密钥、设计序列密码或分组密码。 图论 (Graph Theory): 许多组合设计可以通过图论的语言来描述和分析。例如,BIBD 可以看作是特殊的图,其顶点和边代表设计中的点和线。 计算机科学 (Computer Science): 在算法设计、数据结构、测试生成等领域,组合设计也提供了有力的工具。 本书特色: 理论与实践并重: 本书不仅深入讲解组合设计的数学理论,还通过大量的实例和应用来展示其现实意义。 循序渐进的结构: 从基础概念到高级理论,再到实际应用,本书的章节安排逻辑清晰,易于读者理解。 严谨的数学表述: 采用标准数学符号和精确的定义,确保理论的严谨性。 丰富的参考文献: 为读者提供了进一步深入研究的线索。 通过阅读本书,读者将能够深刻理解组合设计的精妙之处,掌握其核心理论和方法,并能够将其应用于解决各种实际问题。无论您是数学专业学生、研究人员,还是对组合结构及其应用感兴趣的工程师或数据科学家,本书都将是您不可或缺的参考。

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读后感

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用户评价

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关于排版和符号系统的标准化问题,这也是一个持续干扰我阅读体验的方面。虽然这本书的装帧质量尚可,但内部的排版设计实在称不上现代。大量的希腊字母和上下标的使用,在某些复杂的公式中,特别是当设计参数涉及到多个嵌套的集合时,导致公式块变得异常拥挤,视觉上极易产生混淆。更令人头疼的是,符号定义缺乏一致性。例如,在某些章节中,代表“完备性”的符号是$mathcal{C}$,而在另一章涉及特定类型的正交阵列时,它又被替换成了$mathcal{O}$,而作者并未在脚注或符号索引中明确指出这种局部性的变更。这迫使我必须时刻保持警惕,生怕自己把一个章节的概念套用到了另一个章节的特定语境中。对于如此精密的数学分支,这种规范性上的疏忽是难以容忍的,它不仅减慢了阅读速度,更重要的是,它间接地暗示了编辑和审校过程可能存在流程上的疏漏,这让读者对书中更深层次内容的准确性也产生了一丝不必要的疑虑。

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这本书的深度毋庸置疑,尤其是在探讨有限域上的投影平面和仿射平面时,作者展示了深厚的功力。那些关于伽罗瓦域上的构造性证明,逻辑链条严密得令人称奇,仿佛是精密的瑞士钟表,每一个齿轮都咬合得天衣无缝。但是,这种极致的严谨性也带来了另一个问题:可读性的大幅下降。在处理涉及域扩张和矩阵分解的部分时,作者直接从一个复杂的定理跳到另一个更复杂的定理,中间的过渡和动机解释严重不足。比如,在介绍Ryser关于完美阵列的猜想时,作者并未花足够的时间来解释为什么这个猜想对于构建特定类型的强正交样本(S.O.S.)矩阵具有里程碑式的意义。我感觉自己像是在被推着走过一条布满数学符号的隧道,虽然知道出口是宏大的理论成果,却缺乏足够的“照明”来理解沿途那些关键的几何直觉。对于我而言,优秀的数学著作不仅要证明“是什么”,更要解释“为什么是这样”以及“它和它周围的世界有什么联系”,而这一点,在这本书的中间章节显得尤为缺失。

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我必须提到这本书在例子和习题设计上的不足。一个复杂的数学概念,如果不能通过具体的、可操作的例子来固化理解,那么它在头脑中就很容易变得模糊不清。对于“Combinatorial Designs”这样一个高度依赖构造性证明和具体实例的领域,这本书的例证显得过于稀疏和抽象。在讨论Kirkman公分式设计时,作者给出了一个三阶立方的例子,但这例子仅仅是展示了最终结果,完全没有展示是如何从基本参数$v, k, lambda$出发,通过系统性的算法或构造方法一步步推导出这个具体的设计的。更糟糕的是,习题部分,大部分题目要么是要求证明一个非常深奥的、依赖于前面多处引用的定理(这迫使我反复翻阅),要么就是简单的参数验证,缺乏那种能激发创造性思维的“设计构造”类问题。一个读者渴望在习题中亲自动手设计一个$t-(v, k, lambda)$设计,哪怕是一个简单的,以此来检验自己对对称性和覆盖性质的理解,但这本书几乎没有提供这样的机会,这极大地削弱了其实用价值。

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这本书在章节间的组织逻辑,坦率地说,令人感到困惑。它并没有遵循一个从简单到复杂的、渐进式的学习路径。比如,我们刚刚在第三章详细讨论了平衡不完全区组设计(BIBD)的参数约束和唯一性证明,但紧接着在第五章讨论统计学中的方差分析模型应用时,作者又突然引入了需要高度定制化设计的特殊拉丁方阵,而这些拉丁方阵的构造细节,却被草草地归结到了附录C中,要求读者自行推导。这种跳跃式的结构使得知识点之间缺乏有效的粘合剂。一个好的教材应该能自然地引导读者,让后一个知识点成为前一个知识点的逻辑延伸或应用场景的拓展。在这本书里,我体验到的是一连串相对独立的、高度专业化的模块被强行堆砌在一起。结果是,我很难将所学的理论知识系统地串联起来,形成一个完整的知识体系。每次开始一个新的章节,都像是在开始阅读一本全新的、作者假设你已经掌握了上一个章节所有细微差别的专业论文集,而非一个统一的、有机的学习资源。

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翻开这本关于“Combinatorial Designs”的书,我原本是满怀期待的,毕竟这个领域充满了精妙的数学结构和无穷的可能性。然而,读完之后,我的感受却像是品尝了一道用料十足但火候全失的菜肴。首先,关于引论部分,作者似乎陷入了对历史背景的过度沉溺,花费了大量篇幅去追溯组合设计理论的起源,从欧拉的柯尼斯堡桥问题谈到费马的数论猜想,这些内容固然有趣,却未能迅速切入核心的数学构建。我真正需要的,是清晰、直观地理解“设计”的本质——那些对称性、平衡性和完备性是如何通过代数和几何语言被精确捕捉的。可惜的是,基础概念的铺陈显得冗长且不够聚焦,当我终于试图理解平衡不完全区组设计(BIBD)的定义时,已经因为前面积累的阅读疲劳而感到吃力。这本书像是为一位已经掌握了基础抽象代数和集合论的专家准备的参考手册,而不是为我这样一个试图深入该领域的学习者设计的导航图。它似乎默认读者已经具备了极高的先验知识储备,使得初学者的入门门槛陡增,让人不得不频繁地查阅其他辅助资料来澄清那些本应在教材中阐明的基础步骤。

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