數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)MATLAB版

本書(shū)基于MATLAB編程訓(xùn)練,對(duì)CAD建模的基本理論進(jìn)行介紹,同時(shí)結(jié)合CATIA軟件操作介紹其在工程中的應(yīng)用。第1章,介紹CAD建模技術(shù)的發(fā)展歷史;第2章,講述工件的三維幾何模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的基本方式,包括基本原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和典型存儲(chǔ)方式(STL網(wǎng)格);第3~8章,講述自由曲線曲面造型的相關(guān)理論和算法,并在每個(gè)算法后都給出了MATLAB程序;第9~11章,介紹特征建模、參數(shù)化建模的基本概念和CATIA軟件的相關(guān)功能;附錄,介紹MATLAB編程的入門知識(shí)。

本書(shū)既可以作為機(jī)械工程類專業(yè)本科高年級(jí)CAD課程的教材,也可以作為CAD、CAGD和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)者和研究者的參考書(shū)。

本書(shū)以工程實(shí)例為背景，以MATLAB語(yǔ)言為工具，較全面地介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論及應(yīng)用。本書(shū)主要內(nèi)容包括：優(yōu)化設(shè)計(jì)基本模型；優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)；一維搜索方法；無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題、有約束優(yōu)化問(wèn)題的經(jīng)典算法；啟發(fā)式優(yōu)化算法，包括蟻群優(yōu)化、粒子群優(yōu)化算法、遺傳算法、模擬退火算法、禁忌算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；MATLAB優(yōu)化工具箱函數(shù)及應(yīng)用；優(yōu)化算法工程應(yīng)用實(shí)例及MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)。書(shū)中配有完整的MATLAB程序。本書(shū)可作為高等工科院校有關(guān)專業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面課程的教材和教學(xué)參考書(shū)，也可供有關(guān)專業(yè)的師生和工程技術(shù)人員參考。

優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門古老而新興的理論，既有著很強(qiáng)的應(yīng)用背景，又有著堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。它的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)可以追溯到牛頓（Newton,1642-1727) 、萊布尼茨（W.Leibniz,1646-1716）創(chuàng)立的微積分理論。優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)籌學(xué)有著密切的聯(lián)系，前者是后者在非線性規(guī)劃方向的延伸和發(fā)展。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要研究連續(xù)函數(shù)在有約束和無(wú)約束條件下單目標(biāo)函數(shù)或多目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值問(wèn)題，而運(yùn)籌學(xué)主要研究經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和軍事活動(dòng)中能用數(shù)量來(lái)表達(dá)的有關(guān)策劃、管理方面的問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，運(yùn)籌學(xué)已滲入到多個(gè)領(lǐng)域，其本身也在不斷發(fā)展，包含了多個(gè)數(shù)學(xué)分支，如數(shù)學(xué)規(guī)劃（又包含線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、組合規(guī)劃等）、圖論、網(wǎng)絡(luò)流、決策分析、排隊(duì)論、可靠性數(shù)學(xué)理論、庫(kù)存論、對(duì)策論、搜索論、模擬等。在運(yùn)籌學(xué)方面，我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森、許國(guó)志、數(shù)學(xué)家華羅庚等作出了重要貢獻(xiàn)。1956年錢學(xué)森和許國(guó)志共同創(chuàng)建了中國(guó)第一個(gè)運(yùn)籌學(xué)研究組織。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，華羅庚持續(xù)近20年在全國(guó)范圍內(nèi)推廣優(yōu)選法和統(tǒng)籌法，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其中優(yōu)選法采用的黃金分割搜索方法也是優(yōu)化設(shè)計(jì)中一維搜索常用的一種方法。各種啟發(fā)式（heuristic）算法或智能算法，如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等不但能解決連續(xù)函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，也能解決離散函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，它們將優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)籌學(xué)緊密結(jié)合起來(lái)。

廣義來(lái)說(shuō)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的方法是搜索的方法，傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要采用線搜索方法，而啟發(fā)式優(yōu)化方法采用多方位的隨機(jī)搜索方法。對(duì)非線性函數(shù)來(lái)說(shuō)，在極值點(diǎn)附近可以用二次函數(shù)來(lái)逼近，若存在極小值，則極值點(diǎn)附近的函數(shù)值均大于極值點(diǎn)處的函數(shù)值。求連續(xù)函數(shù)極值的問(wèn)題，一部分人可能會(huì)想到用求導(dǎo)數(shù)的方法來(lái)解決，另一部分人可能不采用求導(dǎo)數(shù)的方法，而直接用比較的方法來(lái)確定搜索區(qū)間和極小值。與求導(dǎo)數(shù)的方法相比，直接搜索法是優(yōu)化設(shè)計(jì)中更基礎(chǔ)的方法。從優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型來(lái)分，優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題可分為有約束的優(yōu)化問(wèn)題和無(wú)約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題；而從求解方法來(lái)分，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可分為基于導(dǎo)數(shù)的方法和直接搜索方法。隨機(jī)方向法、復(fù)合型法、鮑威爾法、可行方向法均屬于直接搜索法，值得注意的是遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等啟發(fā)式算法均含有隨機(jī)方向法的基本內(nèi)涵。

優(yōu)化設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于航空、汽車、化工、電力、建筑、機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域，由于優(yōu)化問(wèn)題的多樣性，相應(yīng)出現(xiàn)了多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，每一種方法都有其自身的特點(diǎn)和適用范圍，在實(shí)際應(yīng)用中，特別對(duì)于大型優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，不應(yīng)以一次計(jì)算結(jié)果或一種方法得出的結(jié)果作為最終的最優(yōu)結(jié)果。

優(yōu)化設(shè)計(jì)是以工程設(shè)計(jì)問(wèn)題為背景，將最優(yōu)化原理與計(jì)算技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。不論是從學(xué)習(xí)的角度還是從應(yīng)用的角度，實(shí)踐都是非常重要的，實(shí)踐既是學(xué)習(xí)的終點(diǎn)又是學(xué)習(xí)的起點(diǎn)。本書(shū)特別強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的結(jié)合。實(shí)踐包括多個(gè)方面，最基本的是通過(guò)簡(jiǎn)單的例子用手工演算來(lái)驗(yàn)證算法，然后是通過(guò)編程利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證優(yōu)化算法，最后是針對(duì)工程設(shè)計(jì)問(wèn)題建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，選擇合適的優(yōu)化算法解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。MATLAB不但是實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言，同時(shí)也是解決多種工程和數(shù)學(xué)問(wèn)題的仿真軟件。本書(shū)以MATLAB語(yǔ)言作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和實(shí)踐環(huán)境，針對(duì)每一種算法編寫(xiě)了學(xué)習(xí)程序，方便讀者學(xué)習(xí)。這些程序主要為驗(yàn)證優(yōu)化算法而設(shè)計(jì)，讀者可以以此為基礎(chǔ)編寫(xiě)自己的程序。MATLAB本身包含有命令格式和GUI格式的優(yōu)化工具箱，并隨著版本的升級(jí)不斷加入新的優(yōu)化算法。本書(shū)第11章簡(jiǎn)要介紹了MATLAB優(yōu)化工具箱命令格式的各種優(yōu)化函數(shù)，優(yōu)化工具箱函數(shù)為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了極大的方便，但從學(xué)習(xí)的角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能自己編程以便深刻領(lǐng)會(huì)和掌握所學(xué)的優(yōu)化算法。

本書(shū)修訂版保持了原書(shū)的內(nèi)容，對(duì)部分內(nèi)容作了修訂，完善了各章習(xí)題。本書(shū)配有電子教案，需要者可與清華大學(xué)出版社聯(lián)系。

本書(shū)由張永恒主編并統(tǒng)稿，蔡慧林、褚衍東審閱，何瑋、馬斌、朱凌云（蘭州交通大學(xué)）、嚴(yán)軍（西北師范大學(xué)）參加編寫(xiě)。第1章、第12.1~12.3節(jié)由張永恒編寫(xiě)；第9章和第12.10節(jié)由何瑋編寫(xiě)；第5、6、7章由馬斌編寫(xiě)；第2、4、8章由朱凌云編寫(xiě)；第3、10、11章和第12.4~12.9節(jié)由嚴(yán)軍編寫(xiě)；習(xí)題由張永恒、馬斌、朱凌云編寫(xiě)。在編寫(xiě)過(guò)程中，張鵬、劉金平、程明、周志勇、寧珍、劉軍強(qiáng)、唐強(qiáng)完成了部分程序的調(diào)試工作，在此表示感謝。在編寫(xiě)過(guò)程中參考了網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)作者的資料在此一并表示感謝。