优化设计基础及实践

: 4006679118竭诚为您服务版权所有侵权必究前言优化设计是一种现代设计方法，也是一项工程领域中极为重要的实用技术，它针对实际的工程设计问题，应用*优化理论建立起数学模型，并借助计算机进行求解，以便高效和快捷地寻找出*优的设计方案和完成设计目标。但是,优化设计的理论知识有时比较抽象和复杂,这会使得一些初学者望而却步、难以入门。本书的目标是以简单易懂的方式介绍优化设计的基本原理，并通过丰富的配套演示程序帮助读者深入理解和实践所学的知识。在内容上，本书选择了*基本的优化设计方法，并对其中的概念逐一给出清晰的定义和解释。同时，通过几何方法对相关的优化设计理论进行直观表述，在例题中也大量使用图形描述优化方法的过程。为了弱化对工程专业背景知识的要求，本书选择比较简单的设计实例进行建模和优化计算，这样可以使读者将学习的重心放在优化设计本身。同时针对本书中所介绍的每种优化方法都编制了相应的程序，且这些程序都经过了实际运算验证，源代码可参见附录和二维码。在本书编写过程中力求突出以下几个特点：（1） 语言通俗易懂，过程讲解详细，使初学者能够轻松理解相关内容。（2） 图文并茂，结合几何方法直观地阐明相关原理和概念。（3） 内容翔实。本书对各种优化算法的重要程序语句都进行了说明，关键语句均附有注释，可帮助读者理解程序的运行过程，也方便读者对这些程序进行二次开发使用。（4） 配套资源丰富。本书提供了电子版的配套课件、全部源程序代码，以及习题的参考答案（部分含计算过程），这些资源能够帮助教师和学生更好地进行教学和学习。相关资源可扫描二维码获得。本书适合机械工程、土木工程、工程力学及工程管理等专业的学生选用，同时也适合相关专业的教师和工程技术人员使用。建议理论教学部分安排34～54学时，并额外安排8学时的上机实践。本书由龚相超、胡百鸣任主编，吉德三、黄健任副主编。第1章和第2章及附录Ⅰ由龚相超编写，第3章及附录Ⅲ（部分）由黄健编写，第4章和第7章及附录Ⅱ由吉德三编写，第5章和第6章及附录Ⅲ（部分）由胡百鸣编写。本书在华中师范大学周丽丽老师的建议下开始编写，其对教材规划提出了很好的构想,且提供了许多有价值的参考意见。本书由武汉科技大学教材建设基金资助出版，在此向所有对本书提供支持与帮助的人员和单位表示由衷的敬意和感谢。在本书编写过程中，我们参考并引用了一些经典的优化设计文献，在此向原作者表示感谢。需要说明的是：经过多方考证，我们仍未能查明其中几个参考文献的准确出处，因而无法注明其详细的引用信息，请原作者与我们联系，以便及时更正。由于本类数字化教材建设尚在探索中，且作者水平有限，书中难免存在疏漏和错误，敬请读者批评指正。编者2023年6月于武汉科技大学

本书是一本面向初学者的优化设计教材，全面介绍了优化设计的基本理论、方法以及实际应用。本书采用通俗易懂的语言，辅以大量直观的图形，通过丰富的实例和配套演示程序，引导读者快速掌握优化设计的核心技能。本书内容共分7章，分别对优化设计的基本概念、多维函数的一维优化问题、无约束优化设计方法、约束优化设计的直接法、约束优化设计的间接法、多目标优化方法和部分约束优化实例加以介绍，同时在附录中收录了相关的数学知识、VB程序命令的用法和教材中部分源程序。这些内容构建起优化设计的基本知识体系框架。书中还详细讲解了传统的常用优化算法，通过配套软件，读者可以直接在计算机上运行并调试优化算法，深入理解优化过程的各个细节。本书既可作为机械工程、土木工程、工程力学及工程管理等专业学生的入门教材，也可作为工程师和科研人员的实用参考书，且附录程序可供二次开发使用。

1992.9-1996.6 华中科技大学力学系获工程力学学士学位。2000.9-2003.6 兰州理工大学能源与动力工程学院（流体动力与控制学院）获机械电子工程硕士学位。1996.7-至今 武汉科技大学理学院力学系任教至今。2013.7-至今 武汉科技大学理学院矿业工程专业攻读博士学位。

第1章优化设计概论(1)
1.1优化设计示例(1)
1.2优化设计数学模型及概念(5)
1.3目标函数的等值线(9)
1.4迭代方法及迭代终止准则(14)
第2章多维函数的一维优化方法(17)
2.1一维优化方法概述(17)
2.2单峰区间定义及搜索算法(22)
2.3黄金分割法(35)
2.4二次插值法(43)
2.5追赶步长法(51)
本章小结(59)
习题(60)
第3章无约束优化设计方法(61)
3.1无约束优化方法概述(61)
3.2梯度法(61)
3.3共轭梯度法(66)
3.4坐标轮换法(75)
3.5随机方向法(82)
3.6鲍威尔法(89)
3.7单纯形法(105)
本章小结(116)
习题(116)
第4章约束优化设计——直接法(118)
4.1约束优化方法概述(118)
4.2约束坐标轮换法(119)
4.3约束随机方向法(126)
4.4复合形法(129)
本章小结(141)
习题(141)
第5章约束优化设计——间接法(143)
5.1惩罚函数法概述(143)
5.2外点惩罚函数法(146)
5.3内点惩罚函数法(163)
5.4混合惩罚函数法(180)
本章小结(188)
习题(189)
第6章多目标优化方法(190)
6.1多目标最优化概述(190)
6.2多目标最优解的基本概念(191)
6.3多目标优化设计方法(192)
本章小结(195)
习题(196)
第7章约束优化应用实例(198)
7.1简单压杆优化实例(198)
7.2机床主轴优化实例(203)
7.3箱型盖板优化实例(206)
习题(212)
附录Ⅰ数学基础(213)
Ⅰ.1矩阵(213)
Ⅰ.2向量(216)
Ⅰ.3多元函数的方向导数与梯度(219)
Ⅰ.4凸集、凸函数与凸规划(222)
Ⅰ.5二次型函数简介(224)
附录Visual Basic基础(227)
Ⅱ.1VB语法基础(227)
Ⅱ.2基本语句(231)
Ⅱ.3程序控制结构(231)
Ⅱ.4数组(234)
Ⅱ.5过程(235)
Ⅱ.6VB常用控件(237)
附录优化程序示例(239)
Ⅲ.1消除冗余区间进退法(239)
Ⅲ.2梯度法追赶步长法(241)
Ⅲ.3基本鲍威尔法(243)
参考文献(246)

本书是一本面向初学者的优化设计教材，全面介绍了优化设计的基本理论、方法以及实际应用。本书采用通俗易懂的语言，辅以大量直观的图形，通过丰富的实例和配套演示程序，引导读者快速掌握优化设计的核心技能。本书内容共分7章，分别对优化设计的基本概念、多维函数的一维优化问题、无约束优化设计方法、约束优化设计的直接法、约束优化设计的间接法、多目标优化方法和部分约束优化实例加以介绍，同时在附录中收录了相关的数学知识、VB程序命令的用法和教材中部分源程序。这些内容构建起优化设计的基本知识体系框架。书中还详细讲解了传统的常用优化算法，通过配套软件，读者可以直接在计算机上运行并调试优化算法，深入理解优化过程的各个细节。本书既可作为机械工程、土木工程、工程力学及工程管理等专业学生的入门教材，也可作为工程师和科研人员的实用参考书，且附录程序可供二次开发使用。

1992.9-1996.6 华中科技大学力学系获工程力学学士学位。2000.9-2003.6 兰州理工大学能源与动力工程学院（流体动力与控制学院）获机械电子工程硕士学位。1996.7-至今 武汉科技大学理学院力学系任教至今。2013.7-至今 武汉科技大学理学院矿业工程专业攻读博士学位。