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1-1.简述优化设计问题数学模型的表达形式。
x ?
x ?T 使
n
求设计变量向量 x ? ?x x
1 2
f (x) ? min 且满足约束条件
h (x) ? 0
k
g (x) ? 0
(k ? 1,2, l)
( j ? 1,2, m)
j
利 用 可 行 域 概 念 , 可 将 数 学 模 型 的 表 达 进 一 步 简 练 。 设 同 时 满 足
g (x) ? 0 ( j ? 1,2,
m)
m) 和
h (x) ? 0 (k ? 1,2,
k
l) 的设计点集合为R,即R 为优化问题的可行域,则优化问题的数学模型可简练地写成
求 x 使 min
x?R
f (x) 符号“? ”表示“从属于”。
在实际优化问题中, 对目标函数一般有两种要求形式: 目标函数极小化
f (x) ? min 或目标函数极大化
f (x) ? max 。由于求 f (x) 的极大化与求? f (x) 的极小化等价,所以今后优化问题的数学表达一律采用目标函数极小化形式。
1-2.简述优化设计问题的基本解法。(不要抄书,要归纳)
答:求解优化问题可以用解析解法,也可以用数值的近似解法。
解析解法就是把所研究的对象用数学方程(数学模型)描述出来,然后再用数学解析方法(如微分、变分方法等)求出有 化解。
但是,在很多情况下,优化设计的数学描述比较复杂,因而不便于甚至不可能用解析方法求解;另外,有时对象本身的机 理无法用数学方程描述,而只能通过大量试验数据用插值或拟合方法构造一个近似函数式,再来求其优化解,并通过试验来验证;或直接以数学原理为指导,从任取一点出发通过少量试验(探索性的计算),并根据试验计算结果的比较,逐步改进而求得优化解。这种方法是属于近似的、迭代性质的数值解法。
数值解法不仅可用于求复杂函数的优化解,也可以用于处理没有数学解析表达式的优化问题。因此,它是实际问题中常用 的方法,很受重视。其中具体方法较多,并且目前还在发展。但是,应当指出,对于复杂问题,由于不能把所有参数都完全考 虑并表达出来,只能是一个近似的最后的数学描述。由于它本来就是一种近似,那么,采用近似性质的数值方法对它们进行解 算,也就谈不到对问题的精确性有什么影响了。
不管是解析解法,还是数值解法,都分别具有针对无约束条件和有约束条件的具体方法。
可以按照对函数倒数计算的要求,把数值方法分为需要计算函数的二阶导数、一阶导数和零阶导数(即只要计算函数值 而不需计算其导数)的方法。
2-1.何谓函数的梯度?梯度对优化设计有何意义?
?f??d?f?x1?f?x2答 : 二 元 函 数 f(x1,x2) 在 x0 点 处 的 方 向 导 数 的 表 达 式 可 以 改 写
?f?
?d
?f
?x1
?f
?x2
? cos?1 ? cos? 2 ? ? ?f ?f ? ?cos?1?
xo xo
xo ???x1 ?x2 ?? xo ?cos? 2?
? ?
?f
令?f (x0) ? [ ?x1 ] ? ? ?f ?f ? T 并称它为函数f(x1,x2)在x0 点处的梯度。
?f
?x2
? ?cos?1?
?? ?x1 ?x2 ?? xo
?f?
?f?
?d
?假设 d
?
? ?cos?
? 为D 方向上的单位向量,则有
2?
? ?f (x0) d
xo
即函数f(x1,x2)在x0 点处沿某一方向d 的
方向导数
等于函数在该点处的梯度?f (x0) 与d 方向单位向量的内积。
?f
?f?
?d
梯度方向是函数值变化最快的方向,而梯度的模就是函数变化率的最大值。
梯度与切线方向 d 垂直,从而推得梯度方向为等值面的法线方向。梯度?f (x0) 方向为函数变化率最大方向,也就是最
速上升方向。负梯度- ?f (x0) 方向为函数变化率最小方向,即最速下降方向。
2-2.求二元函数
f (x , x ) ? 2x2 ? x2 ? 2x ? x 在 x
? [0,0]T
处函数变化率最大的方向和数值。
1 2 1 2
1 2 0
解;由于函数变化率最大的方向就是梯度的方向,这里用单位向量 p 表示,函数变化率最大和数值时梯度的模?f (x0)。求f(x1,x2)在x0 点处的梯度方向和数值,计算如下:
? ?f ?
?f ?x0?? ? ?x1 ? ? ?4x1 ? 2? ? ?? 2?
? ?f ?
?2x2 ? 1? x0
? 1 ?
? ? ?
??x2 ?
? ? ?
?f (x0) ?
? ?f ? 2 ? ? ?f ? 2 = 5
? ?x1? ? ?x2 ?
?
?f (x0)
? ? ?
??? 2? ? 2 ?
?
? 1 ? ? ?
p ? ? ? ? ?
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