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最优化方法教案()
第一章 最优化问题与数学预备知识
最优化分支:线性规划,整数规划,几何规划,非线性规划,动态规划。又称规划论。
应用最优化方法解决问题时一般有以下几个特点:
1. 实用性强
2. 采用定量分析的科学手段
3. 计算量大,必须借助于计算机
4. 理论涉及面广
应用领域:工业,农业,交通运输,能源开发,经济计划,企业
管理,军事作战……。
§1.1 最优化问题实例
最优化问题:追求最优目标的数学问题。
经典最优化理论:
无约束极值问题:
(或)
其中,是定义在n维空间上的可微函数。
解法(求极值点):求驻点,即满足
并验证这些驻点是否极值点。
约束极值问题:
s.t.
解法:采用Lagrange乘子法,即将问题转化为求Lagrange函数
的无约束极值问题。
近代最优化理论的实例:
例1 (生产计划问题) 设某工厂有3种资源B1,B2,B3,数量各为b1,b2,b3,要生产10种产品A1,…,A10 。每生产一个单位的Aj需要消耗Bi的量为aij,根据合同规定,产品Aj的量不少于dj,再设Aj的单价为cj 。问如何安排生产计划,才能既完成合同,又使总收入最多?(线性规划问题)
数学模型:设Aj的计划产量为,z为总收入。
目标函数:
约束条件:
线性规划问题通常采用单纯形法来求解。
例2 (工厂设址问题) 要在m个不同地点计划修建m个规模不完全相同的工厂,他们的生产能力分别是(为简便起见,假设生产同一种产品),第i个工厂的建设费用。又有n个零售商店销售这种产品,对这种产品的需求量分别为,从第i个工厂运送一个单位产品到第j个零售商店的运费为cij。试决定应修建哪个工厂,使得既满足零售商店的需求,又使建设工厂和运输的总费用最小。(混合整数规划问题)
数学模型: 设第i个工厂运往第j个零售商店的产品数量为xij(i=1,…,m;j=1,…,n),且
目标函数:
约束条件:
整数规划问题通常可用分枝定界法或割平面法来求解。
例3 (投资计划问题) 假设某一个生产部门在一段时间内可用于投资的总金额为亿元,可供选择的项目总共有n个,分别记为1,2,…n。并且已知对第j个项目的投资总数为亿元,而收益额总数为亿元。问如何使用资金亿元,才能使单位投资获得的收益最大。(非线性规划问题)
数学模型:设
目标函数:
约束条件:
非线性规划问题的求解方法很多,是本课的重点。
动态规划是解决“多阶段决策过程”的最优化问题的一种方法,基于“Bellman最优性原理”,例如:资源分配问题,生产与存储问题。
例4 (多参数曲线拟合问题)已知热敏电阻依赖于温度的函数关系为
(*)
其中,是待定的参数,通过实验测得和的15组数据列表如下,如何确定参数?
i 1 2 3 4 5 6 7 8 50 55 60 65 70 75 80 85 34.78 28.61 23.65 19.63 16.37 13.72 11.54 9.744 i 9 10 11 12 13 14 15 90 95 100 105 110 115 120 8.261 7.03 6.005 5.147 4.427 3.82 3.307
建立数学模型:测量点与曲线对应的点产生“偏差”,即
得如下无约束最优化问题:
通常采用最小二乘法。
§1.2 最优化问题的数学模型
最优化问题的数学模型
1. 定义1:设向量.
若,则记或;
若,则记或。
2.一般模型: , (1)
s.t.
其中,;,,是关于变量的实值连续函数,一般可假定它们具有二阶连续偏导数。
3.向量模型: , (1)
s.t.
其中,称为目标函数;
,称为约束函数;
满足约束条件(2),(3)的点称为容许解或容许点(或可行解);
容许解的全体称为容许域(或可行域),记为R;
满足(1)的容许点称为最优点或最优解(或极小(大)点),记为;称为最优值;
不带约束的问题称为无约束问题,带约束的问题称为约束问题;
若目标函数,约束函数,都是线性函数,则称为线性规划;若其中存在非线性函数,则称为非线性规划;
若变量只取整数,称为整数规划;
若变量只取0,1,称为0—1规划。
注:因,,则最优化问题一般可
写成
最优化问题的分类
§1.3 二维问题的图解法
例1.
解:1. 由全部约束条件作图,求出可行域R:凸多边形OABC
2. 作出一条目标函数的等值线:设,作该直线即为一条目标函数的等值线,并确定在可行域内,这条等值线向哪个方向平移可使值增大。
3. 平移目标函数等值线,做图求解最优点,再算出最优值。顶
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