最新数学建模--最优化方法 30
数学模型最优化方法实现
数学模型最优化方法实现数学建模最优化方法是将数学建模问题转化为数学模型，并通过数学方法求解最优解的过程。
最优化方法在数学建模中起着非常重要的作用，可以帮助我们解决各种复杂的实际问题。
本文将介绍最优化方法的实现过程，并详细讨论最优化方法的几种常见算法。
最优化方法的实现过程主要分为以下几个步骤：建立数学模型、寻找最优解算法、编写程序实现、求解并分析结果。
首先，我们需要根据实际问题建立数学模型。
数学模型是问题的抽象表示，通常包括目标函数、约束条件和变量等要素。
通过合理地选择目标函数和约束条件，可以将问题转化为数学形式，便于后续的分析和求解。
其次，我们需要根据模型选择适当的最优解算法。
最优化方法有很多种，根据具体问题的特点和求解要求，我们可以选择不同的算法来求解最优解。
然后，我们需要编写程序将数学模型和求解算法实现。
编写程序是最优化方法实现的核心步骤，通过编写程序，我们可以自动化地求解最优化问题，并得到最优解。
最后，我们需要进行求解和结果分析。
通过求解模型并分析结果，可以验证模型的合理性，并根据结果调整模型或改进算法，以得到更好的最优解。
在实际应用中，根据问题的特点和求解需求，我们可以选择不同的最优化方法。
常见的最优化方法有：线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划、遗传算法等。
下面将分别介绍这几种方法的原理和实现过程。
线性规划是最常用的最优化方法之一，适用于目标函数和约束条件都是线性的情况。
线性规划的基本思想是将问题转化为求解一个线性函数在约束条件下的最大值或最小值。
线性规划的求解算法有很多，例如单纯形法、内点法和对偶法等。
这些算法都是基于线性规划的特点和数学性质，通过迭代求解来逼近最优解。
实现线性规划方法的主要步骤包括：建立数学模型、选择适当的算法、编写相应的程序、求解并分析结果。
非线性规划是另一种常见的最优化方法，适用于目标函数或约束条件中包含非线性项的情况。
非线性规划的求解相对复杂，通常需要使用迭代算法来逼近最优解。
最优化问题的建模与解法
最优化问题的建模与解法最优化问题（optimization problem）是指在一组可能的解中寻找最优解的问题。
最优化问题在实际生活中有广泛的应用，例如在工程、经济学、物流等领域中，我们经常需要通过数学模型来描述问题，并利用优化算法来求解最优解。
本文将介绍最优化问题的建模和解法，并通过几个实例来说明具体的应用。
一、最优化问题的数学建模最优化问题的数学建模包括目标函数的定义、约束条件的确定以及变量范围的设定。
1. 目标函数的定义目标函数是一个表达式，用来衡量问题的解的优劣。
例如，对于一个最大化问题，我们可以定义目标函数为：max f(x)其中，f(x)是一个关于变量x的函数，表示问题的解与x的关系。
类似地，对于最小化问题，我们可以定义目标函数为：min f(x)2. 约束条件的确定约束条件是对变量x的一组限制条件，用来定义问题的可行解集合。
约束条件可以是等式或不等式，通常表示为：g(x) ≤ 0h(x) = 0其中，g(x)和h(x)分别表示不等式约束和等式约束。
最优化问题的解必须满足所有的约束条件，即：g(x) ≤ 0, h(x) = 03. 变量范围的设定对于某些变量，可能需要限定其取值的范围。
例如，对于一个实数变量x，可能需要设定其上下界限。
变量范围的设定可以通过添加额外的不等式约束来实现。
二、最优化问题的解法最优化问题的解法包括数学方法和计算方法两种，常见的数学方法有最优性条件、拉格朗日乘子法等，而计算方法主要是通过计算机来求解。
1. 数学方法数学方法是通过数学分析来求解最优化问题。
其中，常见的数学方法包括：（1）最优性条件：例如，对于一些特殊的最优化问题，可以通过最优性条件来判断最优解的存在性和性质。
最优性条件包括可导条件、凸性条件等。
（2）拉格朗日乘子法：对于带有约束条件的最优化问题，可以通过拉格朗日乘子法将原问题转化为无约束最优化问题，从而求解最优解。
2. 计算方法计算方法是通过计算机来求解最优化问题。
最优化方法
最优化方法1. 简介最优化方法是一种通过调整变量值以最小化或最大化某个目标函数来优化系统性能的数学方法。
最优化方法广泛应用于各个领域，包括经济学、工程学、计算机科学等。
本文将介绍最优化方法的基本概念、常用算法以及其在实际问题中的应用。
2. 最优化问题最优化问题可以分为无约束最优化和约束最优化问题。
无约束最优化问题是在没有任何限制条件的情况下，寻找使目标函数值最小或最大的变量值。
约束最优化问题则在一定的约束条件下寻找最优解。
在最优化问题中，目标函数通常是一个多元函数，而变量则是目标函数的输入参数。
最优化的目标可以是最小化或最大化目标函数的值。
常见的优化问题包括线性规划、非线性规划、整数规划等。
3. 常用最优化算法3.1 梯度下降法梯度下降法是最常用的最优化算法之一。
它通过计算目标函数相对于变量的梯度（即偏导数），以负梯度方向更新变量值，逐步接近最优解。
梯度下降法的优点是简单易实现，但可能收敛速度较慢，且容易陷入局部最优解。
3.2 牛顿法牛顿法是一种基于目标函数的二阶导数（即海森矩阵）信息进行更新的最优化算法。
相较于梯度下降法，牛顿法的收敛速度更快，并且对于某些非凸优化问题更具优势。
然而，牛顿法的计算复杂度较高，且可能遇到数值不稳定的问题。
3.3 共轭梯度法共轭梯度法是一种用于解决线性方程组的最优化算法。
它利用共轭方向上的信息以减少最优化问题的迭代次数。
共轭梯度法适用于大规模线性方程组的求解，并且在非线性优化问题中也得到了广泛应用。
3.4 遗传算法遗传算法是一种通过模拟生物进化过程寻找最优解的优化算法。
它通过交叉、变异等操作生成新的解，并通过适应度评估筛选出优秀的解。
遗传算法适用于搜索空间较大、复杂度较高的优化问题。
4. 最优化方法的应用最优化方法在各个领域都有广泛的应用。
在经济学领域，最优化方法可以用于优化生产资源的配置、最小化成本或最大化利润等问题。
它可以帮助决策者制定最优的决策方案，提高效益。
数学建模计算方法优化
数学建模计算方法优化数学建模是一种重要的数学方法，它通过建立数学模型来描述和解决实际问题。
数学建模的核心是求解数学模型，而计算方法是实现数学建模的基础工具。
为了提高数学建模的效率和精确性，优化计算方法变得尤为关键。
本文将从数学建模的概念和计算方法的优化角度，探讨数学建模计算方法的优化策略。
首先，我们需要明确数学建模的概念。
数学建模是将实际问题转化为数学问题，并通过构建数学模型来描述和求解。
在实际问题中，常常会涉及到多个变量、多个约束条件和多个目标函数。
因此，数学建模的计算量会较大，需要借助计算方法来解决。
常见的数学建模方法包括最优化、离散优化、动态规划等。
在数学建模的计算过程中，计算方法的优化可以提高计算的效率和精确性。
计算方法的优化包括提高计算速度和减少计算误差两个方面。
在提高计算速度方面，我们可以采用以下策略。
第一，选择合适的算法。
不同的问题适合采用不同的算法求解，因此选择合适的算法可以充分发挥算法的优势。
例如，在求解大规模线性系统时，可以使用迭代法来替代直接法，从而减少计算量和计算时间。
第二，优化算法参数。
算法的效果往往受到参数设置的影响，通过调整算法参数可以提高算法的性能。
例如，对于遗传算法来说，通过调整交叉概率和变异概率可以改善算法的搜索能力。
第三，利用并行计算。
利用并行计算可以将计算任务分解成多个子任务，分别进行计算，然后将结果合并。
这样可以充分利用计算资源，提高计算速度。
例如，可以使用MPI或OpenMP等并行计算框架来实现并行计算。
在减少计算误差方面，我们可以采用以下策略。
第一，提高数值稳定性。
在计算过程中，随着计算的进行，误差会逐渐积累，导致计算结果的不准确。
为了减少误差的积累，我们可以采用提高数值稳定性的方法。
例如，在求解高次多项式方程时，可以使用数值稳定性更好的求解方法，如龙格-库塔法等。
第二，增加数值精度。
计算机内部使用有限位数来表示实数，会导致舍入误差。
为了尽量减少舍入误差，我们可以提高计算的数值精度。
数学建模～最优化模型(课件)
投资组合优化
在风险和收益之间寻求平衡，通 过优化投资组合实现最大收益。
03
非线性规划模型
非线性规划问题的定义
目标函数
一个或多个非线性函数，表示 要最小化或最大化的目标。
约束条件
决策变量的取值受到某些限制 ，通常以等式或不等式形式给 出。
决策变量
问题中需要求解的未知数，通 常表示为x1, x2, ..., xn。
这是一种常用的求解整数规划问题的算法，通过不断将问题分解为更 小的子问题，并确定问题的下界和上界，逐步逼近最优解。
割平面法
该方法通过添加割平面来限制搜索区域，从而逼近最优解。
迭代改进法
该方法通过不断迭代和改进当前解，逐步逼近最优解。
遗传算法
这是一种基于生物进化原理的优化算法，通过模拟自然选择和遗传机 制来寻找最优解。
定义域
决策变量的取值范围，通常是 一个闭区间或开区间。
非线性规划问题的求解方法
梯度法
利用目标函数的梯度信息，通过迭代方法寻 找最优解。
共轭梯度法
结合梯度法和牛顿法的思想，通过迭代方法 寻找最优解。
牛顿法
利用目标函数的二阶导数信息，通过迭代方 法寻找最优解。
信赖域方法
在每次迭代中，通过限制搜索步长来保证求 解的稳定性。
02
线性规划模型
线性规划问题的定义
01
02
03
线性规划问题
在给定一组线性约束条件 下，求一组线性函数的最 大值或最小值的问题。
约束条件
包括资源限制、物理条件 等，通常以等式或不等式 形式给出。
目标函数
需要最大化或最小化的线 性函数，通常表示为决策 变量的线性组合。
线性规划问题的求解方法
数学建模最优化模型
数学建模最优化模型随着科学与技术的不断发展，数学建模已经成为解决复杂实际问题的一种重要方法。
在众多的数学建模方法中，最优化模型是一种常用的方法。
最优化模型的目标是找到最佳解决方案，使得一些目标函数取得最大或最小值。
最优化模型的基本思想是将实际问题抽象为一个数学模型，该模型包含了决策变量、约束条件和目标函数。
决策变量是需要优化的变量，约束条件是对决策变量的限制条件，目标函数是优化的目标。
最优化模型的求解方法可以分为线性规划、非线性规划和整数规划等。
线性规划是最优化模型中最基本的一种方法，其数学模型可以表示为：max/min c^T xs.t.Ax<=bx>=0其中，c是目标函数的系数向量，x是决策变量向量，A是约束条件的系数矩阵，b是约束条件的右边向量。
线性规划的目标是找到最优的决策变量向量x，使得目标函数的值最大或最小。
非线性规划是最优化模型中更为复杂的一种方法，其数学模型可以表示为：max/min f(x)s.t.g_i(x)<=0,i=1,2,...,mh_i(x)=0,i=1,2,...,p其中，f(x)是目标函数，g_i(x)是不等式约束条件，h_i(x)是等式约束条件。
非线性规划的求解过程通常需要使用迭代的方法，如牛顿法、拟牛顿法等。
整数规划是最优化模型中另一种重要的方法，其数学模型在线性规划的基础上增加了决策变量的整数限制。
max/min c^T xs.t.Ax<=bx>=0x是整数整数规划的求解通常更为困难，需要使用特殊的算法，如分支定界法、割平面法等。
最优化模型在实际问题中有着广泛的应用，如资源调度、生产计划、路线选择、金融投资等。
通过建立数学模型并求解，可以得到最优的决策方案，提高效益和效率。
总结起来，最优化模型是数学建模的重要方法之一、通过建立数学模型，将实际问题转化为数学问题，再通过求解方法找到最佳解决方案。
最优化模型包括线性规划、非线性规划和整数规划等方法，应用广泛且效果显著。
数学建模最优化模型
➢
许多生产计划与管理分配问题都可以归纳为 最优化问题,最优化模型是数学建模中应用 最广泛的模型之一,其内容包括线性规划、 非线性规划、整数线性规划、动态规划、 多目标规划、决策规划等.
一般在实际生活中，我们总是利用最优化方
法解决两方面的问题：成本最小化和利润
最大化
2021/10/10
t1
vxha,所以b(t2)12h1t12vhx2a
，而火灾的损失费 w1c1b(t2)与救火费用w 2 之和为：
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w1 2c1h1t2(vc1hx 2a)c3xvc2x xah
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• 所以森林救火费用最小问题的数学模型为：
m.w in 1 2c1h1 t2(v c1h x 2a)c3xvc2 x xah
设失火时刻t 0，开始救火的时刻为 ，
火被t1 扑灭的时刻为 。 时t刻2 森t 林烧毁的面
积为 ， 为b (t烧) 毁c 1 单位面积森林的损失费，
则火灾造成的损失费为
。
w1c1*b(t2)
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•
易见
db dt
表示单位时间内烧毁的森林面积
当t
0,t2时，
db dt
0 ；设当
t
t1
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把影响化为表达式
即模型的建立，即文字数字化。
改进结果，找最优解
不断根据事实，改进模型，
从而实现真正意义上的优化。
常用模型：线性规划、非线性规划、整数规划、动态规 划、多目标规划等。
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10
谢 谢！！！
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上述问题是一个无约束的非线性规划问题，
数学建模的最优化方法
最优点 (1 1) 初始点 (-1 1)
1．最速下降法（共轭梯度法）算法步骤：
无 约
⑴ 给定初始点 X 0 E n ，允许误差 0 ,令 k=0；
束
⑵ 计算f X k ；
优
⑶ 检验是否满足收敛性的判别准则：
化
f X k ，
问 题
若满足，则停止迭代，得点X * X k ，否则进行⑷； 的
k
f (f
k (f k )T k )T X k
f k (X k )T G k G k X k (f k )T (X k )T f k
H k1 H k X k (X k )T H k f k (f k )T H k (f k )T X k (f k )T H k f k
计算时可置H 1 I （单位阵），对于给出的X 1 利
建模时需要注意的几个基本问题
1.尽量使用实数优化,减少整数约束和整数变量 2.尽量使用光滑优化,减少非光滑约束的个数
如:尽量少使用绝对值函数、符号函数、多个变量求最大(最 小)值、四舍五入、取整函数等
3.尽量使用线性模型,减少非线性约束和非线性 变量的个数
如: x/y<5应改为x<5y
4.合理设定变量上下界,尽可能给定变量初始值 5.模型中使用的参数数量级要适当
•混合整数规划: 99B 钻井布局 •最短路，二次规划： 00B 管道订购 •组合优化最短路： 97B 截断切割，
04A 奥运会临时超市(MS)网点设计 •旅行商问题: 98B 灾情巡视 •优化： 02A 车灯光源优化设计
02B 彩票中的数学
最优化理论是运筹学的基本内容
运筹学OR： Operational Research 管理科学MS: Management Science 决策科学DS: Decision Science
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共扼梯度法(共扼方向的形成)
假设已经沿k个共扼方向p0, p1,···, pk-1逐次进 行一维搜索得xk. 若gk=g(xk)=0,则xk已是极小点,否则构造下一 个方向pk.令pk为-gk以及p0,p1,···,pk的线性组合.
用pjTG(j=0,1,···,k-1)左乘上 式 因此
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共扼方向法(用于二次函数)
证明要点:只要证明gTk+1pi=0.
精确一维搜索
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共扼梯度法(共扼方向的形成)
我们首先讨论针对下面二次函数的共扼梯度法
给定初始点x0,初始下降方向取为p0= -g0 从x0出发,沿方向p0进行一维搜索得x1.
设p1是-g1与p0的线性组合p1= -g1+b0p0,
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共扼方向法(用于二次函数)
定理 3.4.3 设G是n阶正定阵,向量组p1,p2,···,pk 关于G共扼,对正定二次函数f(x)=xTGx/2+bTx+c 由任意初始点x1开始,依次进行k次一维搜
索,xi+1=xi+aipi(i=1,2,···,k)
则(i)gTk+1pi=0 (i=1,2,···,k). (ii)xk+1是二次函数在k维超平面Hk上的极小点. 推论 当k =n时,xn+1为二次函数在Rn上的极小点.
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共扼梯度法(共扼方向的形成)
由于
有
再根据二次函数的性质,有 因此
由于xk是由点x0及向量p0,p1,···,pk-1得到的k 维超平面上的极小点,因此 g由kTppj的j=0构(j=造0,方1,·式··,k-1).
因此gkTgj=0(j=0,1,···,k-1).
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共扼梯度法(共扼方向的形成)
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基本概念
二次终止性 如果一个算法经过有限次迭代就得到正定二次 函数的极小点,称该算法具有二次终止性. 共扼方向法 是一种迭代方法,每次所取方向与前面的方向关 于G共扼,然后进行精确一维搜索确定步长及下 一步的迭代点.
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共扼方向的性质
定理3.4.1设G为n阶正定矩阵,非零向量组 p1,p2,···,pk关于G共扼,则此向量组线性无关.
因此 根据
gkTgj=0(j=0,1,···,k-1) 得
所以
300
证明:设存在常数a1,a2,···,ak使得 a1p1+a2p2+···+akpk=0, 以piTG左乘上式,显然有ai piTGpi=0. 又,G是正定矩阵,pi≠0,因此ai=0(i=1,2,···,k)
于是p1,p2,···,pk线性无关.
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共扼方向的性质
推论1设G为n阶正定矩阵,非零向量组 p1,p2,···,pn 关于G共扼,则此向量组构成 Rn的一组基. 推论2设G为n阶正定矩阵,非零向量组 p1,p2,···,pn 关于G共扼,若向量v与p1,p2,···,pn 关于G共扼， 则v=0.
共扼方向法(用于二次函数)
注:在前面讨论思路时,根据方向的共轭性(正 交性)得到xk+1是目标函数在k维超平面上的极 小点(后面的定理3.4.3给出严格证明). 根据上一页的推导,根据极小点可以推出共轭 性(正交性),即若一种迭代方法每次求出的是 二次函数在k维超平面上的极小点,则对应的 方向是共扼的.