MATLAB 6.5辅助优化计算与设计 (2010 年度畅销榜NO.14037 )

本书是基于MATLAB 6.5的优化工具箱v2.2 （Optimization Toolbox）编写的。书中全面系统地介绍了优化方法的基础理论和优化工具箱v2.2函数的功能、语法和工程实际应用。全书侧重于优化工具箱在工程中的具体应用，通过具体的分析和详细的实例，读者不仅对MATLAB优化工具箱函数的强大功能有一个深刻了解，更能学会正确运用优化工具箱函数快速解决实际问题，从而提高分析问题和解决问题的能力。\r\n\r\n 本书具有内容全面新颖、针对性强、理论与实际紧密结合等特点，可以作为最优化方法、决策分析等学科的参考书，也可为从事优化决策领域研究的广大研究人员提供较大的帮助。飞思在线http://www.fecit.com.cn的“下载专区”中提供书中范例源代码。\r\n
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第1章 概述 1 \r\n\r\n 1.1 引言 1 \r\n\r\n 1.2 MATLAB 6.5语言简介 2 \r\n\r\n 1.2.1 MATLAB的产生背景及主要产品 2 \r\n\r\n 1.2.2 MATLAB语言的特点 4 \r\n\r\n 1.2.3 MATLAB 6.5的新特点 5 \r\n\r\n 1.3 MATLAB 6.5优化工具箱的特点 6 \r\n\r\n 1.4 MATLAB 6.5优化工具箱工程应用简介 7 \r\n\r\n 1.4.1 优化工具箱的工程应用功能 7 \r\n\r\n 1.4.2 优化工具箱的工程应用步骤 8 \r\n\r\n 1.5 优化问题的工程背景 8 \r\n\r\n 1.5.1 线性规划 8 \r\n\r\n 1.5.2 整数规划 9 \r\n\r\n 1.5.3 多目标优化决策 9 \r\n\r\n 1.5.4 动态规划 10 \r\n\r\n 第2章 优化理论基础及其优化工具箱函数选用 11 \r\n\r\n 2.1 概述 11 \r\n\r\n 2.1.1 最优化问题的基本概念 11 \r\n\r\n 2.1.2 最优化问题分类 12 \r\n\r\n 2.1.3 大规模系统优化问题 12 \r\n\r\n 2.2 线性规划及其优化工具箱函数选用 13 \r\n\r\n 2.2.1 基本理论 13 \r\n\r\n 2.2.2 优化工具箱函数选用 15 \r\n\r\n 2.2.3 工程应用举例 16 \r\n\r\n 2.3 无约束非线性规划 17 \r\n\r\n 2.3.1 基本理论 17 \r\n\r\n 2.3.2 优化工具箱函数的选用 28 \r\n\r\n 2.3.3 工程应用举例 29 \r\n\r\n 2.4 约束最优化及其优化工具箱函数选用 30 \r\n\r\n 2.4.1 基本理论 30 \r\n\r\n 2.4.2 优化工具箱函数的选用 38 \r\n\r\n 2.4.3 工程应用举例 41 \r\n\r\n 2.5 多目标规划及其优化工具箱函数选用 47 \r\n\r\n 2.5.1 基本理论 47 \r\n\r\n 2.5.2 优化工具箱函数的选用 49 \r\n\r\n 2.5.3 工程应用举例 50 \r\n\r\n 2.6 大规模优化问题 51 \r\n\r\n 2.6.1 稀疏的离散牛顿法 52 \r\n\r\n 2.6.2 矩阵Cholesky分解和拟牛顿方程求解 52 \r\n\r\n 2.7 最小二乘优化及其优化工具箱函数选用 53 \r\n\r\n 2.7.1 基本理论 53 \r\n\r\n 2.7.2 优化工具箱函数的选用 54 \r\n\r\n 2.7.3 工程应用举例 56 \r\n\r\n 2.8 其他函数的工程应用 60 \r\n\r\n 2.8.1 方程求解函数 60 \r\n\r\n 2.8.2 optimget函数 62 \r\n\r\n 2.8.3 optimset函数 63 \r\n\r\n 2.9 综合范例演示 64 \r\n\r\n 2.9.1 求解“香蕉”（Banana）函数的最小值 64 \r\n\r\n 2.9.2 不稳定系统的求解 72 \r\n\r\n 2.9.3 曲线拟合问题 74 \r\n\r\n 2.10 优化工具箱函数使用的常见问题及对策 77 \r\n\r\n 第3章 工程优化算法及其MATLAB实现（一）——标准算法 79 \r\n\r\n 3.1 引言 79 \r\n\r\n 3.2 无约束优化算法及实现 80 \r\n\r\n 3.2.1 拟牛顿（Quasi-Newton）方法 80 \r\n\r\n 3.2.2 线性搜索方法 83 \r\n\r\n 3.2.3 范例分析 84 \r\n\r\n 3.3 约束优化算法及实现 85 \r\n\r\n 3.3.1 可行方向法 86 \r\n\r\n 3.3.2 惩罚函数法 86 \r\n\r\n 3.3.3 二次规划（QP）算法及实现 87 \r\n\r\n 3.3.4 范例分析 91 \r\n\r\n 3.4 最小二乘优化算法及实现 109 \r\n\r\n 3.4.1 Gauss-Newton方法 111 \r\n\r\n 3.4.2 Levenberg-Marquardt方法 111 \r\n\r\n 3.4.3 范例分析 113 \r\n\r\n 3.5 多目标优化算法及实现 114 \r\n\r\n 3.5.1 多目标优化算法介绍 115 \r\n\r\n 3.5.2 目标逼近方法 115 \r\n\r\n 3.5.3 目标逼近方法的改进 116 \r\n\r\n 3.5.4 范例分析 117 \r\n\r\n 第4章 工程优化算法及其MATLAB实现（二）——大规模算法 123 \r\n\r\n 4.1 工程优化算法基本原理 125 \r\n\r\n 4.1.1 信赖域法 125 \r\n\r\n 4.1.2 预处理共轭梯度法（PCG法） 125 \r\n\r\n 4.1.3 线性约束问题 126 \r\n\r\n 4.2 非线性等式求解算法及实现 128 \r\n\r\n 4.2.1 非线性等式求解算法简介 128 \r\n\r\n 4.2.2 范例分析 128 \r\n\r\n 4.3 非线性最小二乘问题 132 \r\n\r\n 4.3.1 非线性最小二乘问题简介 132 \r\n\r\n 4.3.2 范例分析 132 \r\n\r\n 4.4 非线性最小化问题 133 \r\n\r\n 4.4.1 非线性最小化问题简介 133 \r\n\r\n 4.4.2 范例分析 134 \r\n\r\n 4.5 二次规划问题 145 \r\n\r\n 4.5.1 二次规划问题简介 145 \r\n\r\n 4.5.2 范例分析 145 \r\n\r\n 4.6 线性最小二乘问题 148 \r\n\r\n 4.6.1 线性最小二乘问题简介 148 \r\n\r\n 4.6.2 范例分析 149 \r\n\r\n 4.7 大规模线性优化问题 150 \r\n\r\n 4.7.1 大规模线性优化问题简介 150 \r\n\r\n 4.7.2 范例分析 152 \r\n\r\n 第5章 工程优化算法及其MATLAB实现（三）——遗传算法 155 \r\n\r\n 5.1 引言 155 \r\n\r\n 5.2 遗传算法简介 156 \r\n\r\n 5.2.1 遗传算法的基本步骤 156 \r\n\r\n 5.2.2 遗传算法的特点 157 \r\n\r\n 5.2.3 遗传算法在工程优化中的应用 157 \r\n\r\n 5.3 遗传算法的MATLAB实现 158 \r\n\r\n 5.4 范例分析 166 \r\n\r\n 5.4.1 一维变量优化问题 166 \r\n\r\n 5.4.2 多维变量优化问题 170 \r\n\r\n 5.5 遗传优化算法的工程应用 173 \r\n\r\n 5.5.1 遗传算法在无约束优化中的应用 173 \r\n\r\n 5.5.2 遗传算法在非线性规划中的应用 177 \r\n\r\n 5.5.3 遗传算法在可靠性优化中的应用 181 \r\n\r\n 5.5.4 遗传算法在车间布局优化中的应用 185 \r\n\r\n 5.5.5 遗传算法在参数优化中的应用 191 \r\n\r\n 5.5.6 遗传算法在动态系统最优控制中的应用 198 \r\n\r\n 第6章 优化工具箱的工程应用实例 219 \r\n\r\n 6.1 引言 219 \r\n\r\n 6.2 优化工具箱在生产计划规划中的应用 219 \r\n\r\n 6.2.1 农业生产计划的优化安排 220 \r\n\r\n 6.2.2 工厂生产的优化调度 223 \r\n\r\n 6.3 优化工具箱在配料中的应用 227 \r\n\r\n 6.4 优化工具箱在投资领域中的应用 230 \r\n\r\n 6.4.1 资金最优使用方案 230 \r\n\r\n 6.4.2 资金投资优化组合决策 233 \r\n\r\n 6.5 优化工具箱在优化设计中的应用 238 \r\n\r\n 6.6 优化工具箱在信号处理中的应用 244 \r\n\r\n 6.7 优化工具箱在生物代谢分析中的应用 247 \r\n\r\n 6.7.1 生物代谢网络优化 247 \r\n\r\n 6.7.2 确定微生物反应代谢途径 251 \r\n\r\n 6.8 优化工具箱在大规模规划中的应用 255 \r\n\r\n 6.8.1 分子构造问题 255 \r\n\r\n 6.8.2 马戏团帐篷曲面形成问题 259 \r\n\r\n 附录A MATLAB命令和函数参考 263 \r\n\r\n A.1 常用命令参考 263 \r\n\r\n A.2 常用函数参考 266 \r\n\r\n A.3 工具箱函数参考 279 \r\n\r\n 附录B MATLAB 6.5的新特性 303 \r\n\r\n B.1 Simulink 5.0的新特性 303 \r\n\r\n B.2 MathWorks Release 13新产品 303 \r\n\r\n 附录C MATLAB 6.5安装问题指南 307 \r\n\r\n C.1 MATLAB 6.5为什么安装后不能启动 307 \r\n\r\n C.2 安装时更新Java虚拟机的问题 309 \r\n\r\n C.3 PDF文档的获取 309 \r\n\r\n 附录D 遗传算法中的部分函数代码 311 \r\n\r\n 参考文献 321 \r\n
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关于本丛书

随着计算机性能的不断提高, 人们发现工程上的许多问题可以通过计算机强大的计算功能来辅助完成. 如此一来, MATLAB软件强大的数值运算核心开始被关注. 经过近20年的发展, MATLAB的核心被进一步完善和强化, 同时许多工程领域的专业人员也开始用MATLAB构造本领域的专门辅助工具, 这些工具后来便发展为MATLAB的各种工具箱. 特别值得一提的是, MATLAB是一种开放式的软件, 任何人经过一定的程序都可以将自己开发的优秀的应用程序集加入到MATLAB工具的行列. 这样, 许多领域前沿的研究者和科学家都可以将自己的成果集成到MATLAB之中, 被全人类继承和利用. 因此, 我们现在看到的MATLAB才会如此强大.

MATLAB强大的功能在于它的开放式的可扩展环境及诸多的面向不同应用领域的工具箱（Toolbox）, 它包括：信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）. 图像处理工具箱（Image Processing Toolbox）. 通信工具箱（Communications Toolbox）. 小波分析工具箱（Wavelet Toolbox）. 系统辨识工具箱（System Identification Toolbox）. 优化工具箱（Optimization Toolbox）. 控制系统工具箱（Control System Toolbox）. 鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox）. 非线性控制工具箱（Nonlinear Control Toolbox）等, 而且工具箱还在不断地扩展之中.

然而, 目前国内图书市场上有关MATLAB方面的书籍要么侧重于MATLAB语言编程介绍, 要么侧重于各种工具箱函数的解说, 而对怎样应用工具箱函数来解决实际问题鲜有涉及, 致使大多数读者面临熟悉MATLAB工具箱函数, 但不会用来解决实际问题的尴尬局面. 针对这种现状, 电子工业出版社计算机研发部推出了“MATLAB应用技术”丛书, 希望能为读者在MATLAB软件工具箱和工程实际问题之间架起一座桥梁, 帮助读者提高使用MATLAB工具箱分析问题. 解决问题的能力.

本丛书主要面向于工程应用及实际问题的解决. 通过大量的示例和具体应用实例来讲解一些复杂理论的应用, 使读者不必详细了解这些复杂的理论而能够达到使用MATLAB提供的方法在工程实际中使用和实现那些复杂的理论. 本丛书试图通过简单快速的方法使读者能够通过运用MATLAB来解决工程上的实际问题, 避免去深究一些复杂的具体理论, 通过对大量的实例分析和说明让读者掌握如何去使用MATLAB这门辅助工程设计工具, 以及在具体问题中怎样来使用MATLAB进行分析和辅助设计.

丛书侧重于MATLAB在工程领域的具体应用, 涉及了科学计算. 数字信号处理. 小波分析. 神经网络. 图像处理. MATLAB与VC接口等领域, 涵盖面之广, 可谓空前.

本丛书的编写宗旨是：充分. 详尽地介绍当今MATLAB最新版本（即6.5版）的各种通用性功能. 各章节在介绍MATLAB各种指令综合运用的同时都尽量加插了不少的例子, 较好地弥补了MATLAB用户指南和在线帮助的不足.

书中对于MATLAB基本编程语言及一些矩阵运算的知识基本不予介绍, 读者在使用本书前应当有最基本的MATLAB矩阵运算和简单编程语句的知识, 以及一些相关专业的基本知识.

关于本书

本书主要涉及MATLAB 6.5优化工具箱v2.2在工程中的实际应用. 自20世纪40年代以来, 由于生产和科学研究突飞猛进地发展, 最优化理论和方法日益受到人们的重视, 已经渗透到生产. 管理. 商业. 军事. 决策等各个领域. 全书内容由浅入深, 从工程应用背景出发, 从基础知识. 初步应用. 高级应用三个角度对优化工具箱的工程应用进行了深入的说明.

（1）基础知识：主要是让读者对优化方法的基本理论和MATLAB 6.5优化工具箱有一个全面的理性认识, 旨在为正确使用优化工具箱解决实际工程应用问题打下扎实的基础, 做好相应的准备工作.

（2）初步应用：向读者展示MATLAB 6.5优化工具箱的非凡魅力——强大的工程优化计算功能, 教会读者灵活运用优化工具箱中的函数解决实际的工程应用问题, 发挥抛砖引玉的作用.

（3）高级应用：立足于实际的工程应用问题, 向读者全面展示了应用MATLAB 6.5优化工具箱实现优化计算的全过程, 即问题的分析?建立数学模型?确定优化算法?运用优化工具箱?完成优化计算, 尽可能多地向读者介绍MATLAB 6.5优化工具箱在各个领域的优化处理问题中的应用, 帮助读者做到学以致用.

全书特点可以概括为：

（1）内容新颖：本书所介绍的是最新版本MATLAB 6.5所带的优化工具箱v2.2, 同时又与以前较老的MATLAB 6.x和MATLAB 5.x版本相兼容.

（2）内容全面：本书从理论与实际结合的角度出发, 既简要介绍了常用的各种优化理论. 优化算法和优化工具箱函数, 又着重说明了这些函数在工程实际优化问题中的应用.

（3）针对性强：本书是针对使用MATLAB 6.5优化工具箱函数解决工程实际优化问题而编写的, 全书始终以应用为主线.

本书可以作为最优化方法. 决策分析等学科的参考书, 它还对从事优化决策领域研究的广大研究人员有一定的借鉴作用. 另外, 分析一下历届全国大学生数学建模竞赛（MCM）题目, 我们可以发现, 很多问题的求解都可以转化为最优化模型, 因此, 本书还对于对数学建模竞赛感兴趣的同学有重要的参考价值.

本书由飞思科技产品研发中心策划并组织编写, 葛哲学. 陈仲生. 谢光军. 黄琦. 张智永负责第1. 3. 4. 6章, 王新峰. 何静. 朱文献负责第2章和第5章, 葛哲学. 陈仲生负责全书的统稿和审校工作. 由于时间仓促, 加之编者本身水平有限, 书中错误之处在所难免, 敬请各位专家和广大读者批评指正, 编者不胜感激！

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