許多學科都以優化為核心。在物理學中，系統根據物理定律達到其最低能量狀態。在商業中，企業旨在最大化股東價值。在生物學中，適者更可能存活。本書側重于從工程角度進行優化，其目標是設計一個系統來優化一組受約束的指標。該系統可以是像飛機那樣復雜的物理系統，也可以是像自行車架那樣的簡單結構。該系統甚至可能不是物理系統，例如，我們可能對設計自動車輛控制系統或檢測腫瘤活檢圖像是否癌變的計算機視覺系統感興趣。我們希望這些系統盡可能地發揮作用。根據不同的應用，相關指標可能包括效率、安全性和準確性。設計時的約束條件可能包括成本、重量和結構穩固性。

本書所討論的是算法，或者稱之為計算過程。給定有關系統設計的一些特征（要求），例如一組用來表示機翼幾何形狀的參數，算法將告訴我們如何在可能的設計范圍內找到最好的方案。根據不同的應用，相關探索可能涉及進行物理實驗（例如風洞測試），也可能涉及評估分析表達式或運行計算機模擬。我們將討論處理各種挑戰的計算方法，例如如何搜索高維空間，如何處理存在多個競爭目標的問題，以及如何兼顧指標中的不確定性。