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出版者:Springer

作者:Bernhard Korte

出品人:

页数:717

译者:Takao Asano

出版时间:2009-12-31

价格:0

装帧:Hardcover

isbn号码:9784431100218

丛书系列:

图书标签:

• 组合优化
• 运筹学
• 算法
• 离散数学
• 图论
• 整数规划
• 启发式算法
• NP-hard问题
• 优化模型
• 计算复杂性

《组合优化》 这是一本关于组合优化理论与应用的深度探索，旨在为读者构建坚实的理论基础，并揭示其在解决现实世界复杂问题中的强大力量。本书并非机械地罗列算法，而是力求通过严谨的数学表述和清晰的逻辑推理，深入浅出地阐释组合优化问题的本质、核心概念、经典模型以及前沿进展。 本书核心内容概览： 第一部分：理论基石与数学语言 导论：何为组合优化？ 我们将从基本概念入手，清晰界定组合优化的范畴，区分它与其他优化领域（如连续优化）的区别。 探讨组合优化问题的普遍性，从简单的图论问题到复杂的调度和布局问题，展示其广泛的应用场景。 介绍解决组合优化问题的基本思路：建模、算法设计与分析。 基本数学工具与概念 集合论与图论基础： 详细回顾集合运算、关系、函数等基础概念，并深入讲解图的定义、表示（邻接矩阵、邻接表）、连通性、路径、圈等图论的基本构成要素，为后续模型构建奠定基础。 离散数学与代数结构： 介绍布尔代数、格论、线性代数在组合优化中的应用，以及群、环、域等代数结构如何为特定问题提供洞察。 概率论与统计学入门： 简要介绍随机变量、期望、方差等概念，为理解随机优化和近似算法做好铺垫。 组合优化的数学建模 整数线性规划 (ILP)： 这是组合优化中最核心和最强大的建模语言之一。我们将详细介绍变量的整数约束、二进制变量的应用（例如，表示选择与否），以及如何将各种实际问题转化为ILP模型。 二次规划 (QP) 与二阶锥规划 (SOCP) 的离散化： 探讨在何种情况下，原本连续的二次或二阶锥规划问题可以被离散化，从而纳入组合优化的范畴。 图模型： 深入研究以图为基础的建模方式，例如，使用节点和边来表示对象及其关系。 网络流模型： 介绍最大流、最小割、最小费用流等经典网络流模型，并展示它们如何解决诸如匹配、调度和资源分配等问题。 约束规划 (CP)： 探讨与ILP略有不同的建模范式，CP侧重于变量的域和变量之间的约束关系，在某些问题上表现出更高的效率。 第二部分：经典算法与求解技术 精确算法： 图论算法： 详细讲解寻找最短路径（Dijkstra, Bellman-Ford, Floyd-Warshall）、最小生成树（Prim, Kruskal）、最大匹配、最小割等经典图算法，并分析其时间复杂度。 分支定界法 (Branch and Bound)： 这一通用求解策略将搜索空间进行系统性划分（分支）和剪枝（定界）。我们将深入剖析其工作原理，包括界函数的设计、节点的选取策略以及剪枝条件。 割平面法 (Cutting Plane Method)： 介绍如何通过添加新的不等式约束（割平面）来逐步逼近整数规划的解空间，直至找到最优整数解。 动态规划 (Dynamic Programming)： 阐述动态规划的核心思想：最优子结构和重叠子问题，并通过一系列典型问题（如背包问题、最长公共子序列、最短路径问题）演示其应用。 近似算法与启发式方法： 贪心算法 (Greedy Algorithms)： 介绍贪心策略的局限性与适用性，以及如何设计有效的贪心算法。 局部搜索 (Local Search)： 探讨通过在解空间中迭代地进行小幅修改来寻找最优解的方法，例如，爬山法、模拟退火、禁忌搜索。 元启发式算法 (Metaheuristics)： 深入介绍更高级的搜索策略，如遗传算法、粒子群优化、蚁群算法等，分析它们的原理、优缺点以及在复杂问题上的适用性。 近似比分析： 引入近似比的概念，用于量化近似算法解的质量，并介绍一些具有良好近似比的算法。 第三部分：关键问题模型与求解实践 调度问题 (Scheduling Problems)： 单机调度、并行机调度、流水车间调度 等经典问题，探讨其NP-难性质，并介绍相应的建模和求解方法。 资源受限项目调度 (RCPSP)。 背包问题 (Knapsack Problems)： 0/1 背包、有界背包、无界背包、多维背包 等变种，分析其数学模型和动态规划求解。 旅行商问题 (Traveling Salesperson Problem - TSP)： 作为组合优化的标志性问题，我们将回顾其NP-难性，并介绍其各种精确算法（如分支定界）和近似算法。 车辆路径问题 (Vehicle Routing Problems - VRP)： 探讨VRP的各种变体（如容量受限VRP、时间窗VRP），以及其在物流配送中的重要应用。 设施选址问题 (Facility Location Problems)： 从简单的p-中心问题到复杂的p-中值问题，分析其建模和求解。 图着色问题 (Graph Coloring Problems)： 介绍顶点着色、边着色等问题，以及其在资源分配和调度中的应用。 布尔可满足性问题 (Satisfiability Problems - SAT)： 探讨SAT的NP-完全性质，以及DPLL算法、WALKSAT等求解器的基本原理。 第四部分：高级主题与前沿发展 随机优化与鲁棒优化： 在不确定性环境下如何进行优化决策，介绍两种不同的处理不确定性的方法。 大规模优化： 如何处理具有海量变量和约束的问题，介绍降维技术、并行计算等方法。 优化求解器的使用与接口： 介绍主流的商业和开源优化求解器（如Gurobi, CPLEX, SCIP, GLPK），以及如何通过编程接口（如Python的PuLP, OR-Tools）来建模和调用求解器。 与机器学习的结合： 探讨组合优化在机器学习中的应用（如特征选择、模型压缩）以及机器学习技术在优化求解中的辅助作用。 求解器的内部机制简介 对高级求解器中使用的技术进行初步介绍，例如，内点法、对偶生长等，帮助读者理解求解器的“黑箱”是如何工作的。 本书特色： 数学严谨性与直观性并重： 在保证理论正确性的同时，注重通过图示、例子和类比来帮助读者理解抽象概念。 算法与模型并重： 不仅讲解理论模型，更关注实际算法的设计、分析与实现。 广泛的应用视角： 贯穿全书，展示组合优化在物流、生产、通信、金融、生物信息学等众多领域的实际应用案例。 循序渐进的结构： 从基础概念到高级主题，层层递进，适合不同层次的读者。 强调计算思维： 鼓励读者通过实践来巩固理论知识，掌握使用工具解决问题的能力。 适用读者： 本书适合计算机科学、数学、运筹学、工程学、经济学等相关专业的学生、研究人员以及在实际工作中面临复杂决策问题的工程师、数据科学家和管理者。对于希望深入理解组合优化理论，并将其应用于解决实际问题的读者而言，本书将是不可或缺的参考。 通过对本书的学习，读者将能够： 1. 深刻理解组合优化问题的本质和挑战。 2. 掌握将实际问题转化为数学模型的能力。 3. 熟悉并能够应用各种经典的精确与近似求解算法。 4. 了解组合优化在各个领域的广泛应用。 5. 为进一步研究更高级的优化技术打下坚实基础。

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作为一本面向初学者的读物，其语言风格是非常温和且鼓励性的，这成功地营造了一种低压力的学习氛围。作者很少使用过于晦涩的术语而不加以解释，即便是引入新概念，也总会先提供一个通俗易懂的类比或生活实例来铺垫。例如，在介绍生成函数时，作者将其比喻成一个“信息容器”，将无限序列的复杂信息压缩进一个有限的函数表达式中，这个比喻非常形象。不过，这种“友好”也带来了一个小小的副作用：在处理某些关键的、需要高度精确性的数学定义时，偶尔会感觉措辞略显松散，缺少了顶尖研究型教材那种不容置疑的严谨性。对于那些追求极致精确度的进阶读者来说，可能需要配合其他参考资料来查漏补缺。总体而言，这本书成功地降低了进入组合学世界的门槛，让那些原本对抽象数学感到畏惧的读者能够自信地迈出第一步。

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这本书的排版和图示质量堪称一流，这对于理解涉及空间关系和结构依赖的数学内容至关重要。书中的图例和流程图设计得非常精美且信息量大，很少出现图文不符或者图示过于潦草的情况。特别是在讲解图的连通性、平面图嵌入以及网络流模型时，清晰的图形表示直接节省了我反复阅读文字描述的时间。例如，书中对于最大流最小割定理的阐述，配上了多组不同类型的网络图示，清晰地展示了如何通过“切割”来发现瓶颈，这种视觉辅助学习的效果显著。然而，我注意到书中对递归关系的求解部分，似乎有些依赖于已知的特定形式的递推关系，对于更一般的线性齐次递推，缺乏系统性的矩阵方法介绍。这使得我在面对一个全新的、结构不太明显的递推问题时，仍然感到束手无策，需要依赖其他资源来补充矩阵代数在求解序列问题中的威力。但瑕不掩瑜，其出色的视觉呈现极大地提升了整体阅读体验。

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我最近读了一本关于离散数学的著作，它深入浅出地探讨了许多基础概念。这本书的结构非常清晰，从集合论的引入开始，逐步过渡到图论和组合结构。作者在讲解证明技巧时非常细致，特别是对于归纳法和鸽巢原理的应用，提供了大量的实例，让原本抽象的理论变得触手可及。比如，书中对树结构和连通性的讨论，不仅限于理论定义，还结合了实际的网络拓扑问题进行分析，这使得读者在学习过程中能不断感受到数学工具的实用价值。书中对不同证明方法的比较也非常有启发性，比如如何选择更简洁或更直观的论证路径，这对于培养严谨的数学思维大有裨益。同时，作者对一些经典算法的描述，比如欧拉路径和哈密顿回路的判定，虽然没有深入到复杂的计算复杂度分析，但足以让初学者建立起对算法设计的初步认知框架。阅读完这一部分，我对离散数学的理解得到了极大的巩固，尤其是那些构建在逻辑推理之上的美妙结构，令人心驰神往。

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这本书的后半部分转向了更偏向应用和建模的部分，这对我个人而言是收获最大的板块。它聚焦于如何将现实世界的问题抽象为数学模型，特别是那些涉及到资源分配和路径规划的场景。我特别欣赏作者处理“约束”的方式，书中通过引入线性规划的基本概念，展示了如何将一组限制条件转化为一个可求解的数学形式。虽然它没有深入讲解单纯形法等求解技术，但对模型建立的剖析极其到位。例如，在讲述调度问题时，作者清晰地阐明了如何定义目标函数和变量，这对于我理解如何用数学语言精确描述实际业务需求至关重要。书中还涉及了一些经典的覆盖问题和匹配问题，这些例子直观地展示了组合结构在优化决策中的核心地位。通过这些案例，我开始领悟到，数学不仅仅是计算，更是一种提炼和简化复杂现实的强大思维工具。这种从实际问题出发，回归数学本质的叙事方式，极大地激发了我对该领域探索的兴趣。

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我必须指出，这本书在代数结构和抽象代数方面的覆盖相对薄弱，这似乎是它有意为之，以聚焦于更偏向“计数”和“结构”的部分。在讲解群论和环论时，篇幅明显少于图论和组合计数。虽然对于一个以基础和应用为主的教材来说可以理解，但对于希望建立更深厚数学基础的读者来说，可能会感到意犹未尽。书中对置换群的讨论仅停留在基础的计数应用层面，缺乏对对称性及其代数性质的深入挖掘。这使得我对如何将代数工具融入到后续更复杂的组合证明中，仍然感到一丝模糊。不过，在组合恒等式的推导方面，作者展现了高超的技巧。那些巧妙的恒等式证明，如范德蒙恒等式或与生成函数相关的推导，简直是一场视觉和智力的盛宴。作者对二项式定理的扩展应用讲解得尤为精彩，每一步的转换都逻辑严密，让人在赞叹其简洁美的同时，也能清晰地追踪到每一步的数学依据。

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