最优化理论与方法(南京大学)-lec1-Introduction

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最优化理论与方法

最优化理论与方法

最优化理论与方法综述李超雄最优化方法是近几十年形成的,它主要运用数学方法研究各种系统的优化途径及方案,为决策者提供科学决策的依据。

最优化方法的主要研究对象是各种管理问题及其生产经营活动。

最优化方法的目的在于针对所研究的系统,求得一个合理运用人力、物力和财力的最佳方案,发挥和提高系统的效能及效益,最终达到系统的最优目标。

实践表明,随着科学技术的日益进步和生产经营的日益发展,最优化方法已成为管理科学的重要理论基础和不可缺少的方法,被人们广泛地应用到公共管理、经济管理、工程建设、国防等各个领域,发挥着越来越重要的作用。

这就是我理解的整个课程的流程。

在这整个学习的过程当中,当然也会遇到很多的问题,不论是从理论上的还是从实际将算法编写出程序来解决一些问题。

下面给出学习该课程的必要性及结合老师讲解以及在作业过程中遇到的问题来阐述自己对该课程的理解。

20世纪40年代以来,由于生产和科学研究突飞猛进地发展,特别是电子计算机日益广泛应用,使最优化问题的研究不仅成为一种迫切需要,而且有了求解的有力工具。

因此最优化理论和算法迅速发展起来,形成一个新的学科。

至今已出现线性规划、整数规划、非线性规划、几何规划、动态规划、随机规划、网络流等许多分文。

最优化理论与算法包括线性规划单纯形方法、对偶理论、灵敏度分析、运输问题、内点算法、非线性规划K-T条件、无约束最优化方法、约束最优化方法、参数线性规划、运输问题、线性规划路径跟踪法、信赖域方法、二次规划路径跟踪法、整数规划和动态规划等内容。

最优化理论所研究的问题是讨论在众多的方案中什么样的方案最优以及怎样找出最优方案。

这类问题普遍存在。

例如,工程设计中怎样选择设计参数,使得设计方案满足设计要求,又能降低成本;资源分配中,怎样分配有限资源,使得分配方案既能满足各方面的基本要求,又能获得好的经济效益;生产评价安排中,选择怎样的计划方案才能提高产值和利润;原料配比问题中,怎样确定各种成分的比例,才能提高质量,降低成本;城建规划中,怎样安排基本单位的合理布局,才能方便群众,有利于城市各行各业的发展;农田规划中,怎样安排各种农作物的合理布局,才能保持高产稳产,发挥地区优势;军事指挥中,怎样确定最佳作战方案,才能有效地消灭敌人,保存自己,有利于战争的全局;在人类活动的各个领域中,诸如此类,不胜枚举。

最优化理论与方法概述

最优化理论与方法概述
定义:最优化问题是指在一定条件下,寻找最优解的过程
分类:线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划等
特点:多目标、多约束、多变量、非线性等
应用领域:经济、金融、工程、科学计算等
最优化问题的分类
线性规划问题
整数规划问题
动态规划问题
非线性规划问题
组合优化问题
03
最优化理论的基本概念
函数的方向导数和梯度
牛顿法的基本原理

迭代过程收敛于函数的极小值点或鞍点
牛顿法适用于非线性、非凸函数的最优化问题
牛顿法是一种基于牛顿第二定律的数值优化方法
通过选择一个初始点,并迭代地沿着函数的负梯度方向进行搜索
拟牛顿法的基本原理
拟牛顿法的基本思想
拟牛顿法的迭代过程
拟牛顿法的收敛性分析
拟牛顿法的优缺点比较
05
最优化方法的收敛性和收敛速度
未来发展趋势与展望
最优化方法在深度学习中的应用
最优化方法在深度学习中的未来发展
最优化方法在深度学习中的优势与挑战
最优化方法在深度学习中的应用案例
深度学习中的优化问题
最优化方法在金融工程中的应用
投资组合优化:利用最优化方法确定最优投资组合,降低风险并提高收益
风险管理:通过最优化方法对金融风险进行识别、评估和控制,降低损失
极值点:函数在某点的函数值比其邻域内其他点的函数值都小或都大
最优值点:函数在某点的函数值比其定义域内其他点的函数值都小
最优化理论的基本概念:寻找函数的极值点和最优值点,使函数达到最小或最大值
函数的凸性和凹性
凸函数:对于函数图像上的任意两点,连接它们的线段都在函数图像的下方
凹函数:对于函数图像上的任意两点,连接它们的线段都在函数图像的上方

最优化理论与方法

最优化理论与方法

最优化理论与方法最优化理论是工程学和应用科学领域中最广泛应用的一门学科,它能够帮助人们在节省资源的同时实现最佳效果,因此在经济管理、工业制造、信息网络设计和科学研究等不同领域中都受到重视。

最优化理论的基本思想是,在满足约束条件的情况下,通过寻求最大化或最小化某种目标函数而实现最优解。

它包括两个主要部分:最优化理论和最优化方法。

最优化理论是一门具有概念性的学科,它试图从宏观上优化一个系统,而不是解决具体的数学问题。

它涉及到描述、分析和解决最优化问题的方法,包括一系列与其有关的概念和理论,比如:最优解、最优性条件、约束型最优化、无约束型最优化、可行性等等。

最优化理论的主要目的是通过分析和理解最优化问题,以及它们的解决方案,从而更好地了解和解决实际应用中的问题。

最优化方法则是为解决最优化问题提供解决方案的实用性技术。

它们包括一系列具体的算法和技术,比如数学规划、局部最优化方法、模式识别、迭代搜索、优化建模技术等等。

最优化方法的重点是通过合理的实施和调整,使最优化问题获得较优的解决方案,从而满足实际应用需求。

最优化理论和方法都是复杂的,它们不仅涉及数学理论,还涉及计算机科学、通信技术、管理学、经济学和工程学等多领域的知识。

因此,要想熟练掌握最优化理论和方法,就必须全面系统地学习和练习。

最优化理论和方法在许多可行性研究中被广泛使用,它们可以帮助我们更好地优化我们的资源,并通过有效地运用它们来提高系统的性能。

由于它们的重要作用,最优化理论和方法的研究和应用将继续受到重视和推广。

最后,最重要的是要掌握最优化理论和方法的原理和思想,并在实践中熟练掌握操作技能,从而更好地应用到实际的工程和科学研究上,进一步提高系统的效率和性能。

最优化理论与方法

最优化理论与方法

最优化理论与方法
近代科学技术发展迅猛,人类从不同的领域对事物的探索也日益深入,把握规律的重要性也日益凸显。

最优化理论与方法,就是人类探索规律的一种重要工具,也是科技发展的先锋派之一。

它被广泛应用于解决实际问题,成为众多科技领域的最佳实践方法。

最优化理论与方法,是理解和阐释许多复杂现象的有效方式。

它是一类工具,可以通过对复杂系统建模、设计实验并仿真分析,解决现实世界中的复杂问题。

它具有优势,能够让我们整合系统中的数据,分析出各种潜在的解决方案,以达到全局最优的效果。

最优化理论与方法,主要涉及优化原理、数学建模、数理算法等知识体系。

在建立数学模型时,意在求解满足一系列优化约束条件下,极小或极大化某一函数或变量,以达到系统最优化目标。

它采用各种优化算法,其中包括最小二乘法、牛顿法、拟牛顿法、多层约束算法和动态规划等,不仅可以实现数学模型的构建,而且可以对数学模型进行有效的优化计算。

当前,最优化理论与方法已在工业技术、决策与决策分析、知识工程、经济学等诸多领域中得到广泛应用,从而解决了实际中许多复杂问题。

例如,在决策分析中,它可以改善决策机制,从而使我们能够达到更完美的决策效果;在工程技术中,它可以为解决因参数设置不当而导致的质量问题提供有效方案;在机器学习领域,它可以为神经网络设计提供技术支持。

未来,随着科技的发展高速发展,最优化理论与方法将在解决实
际问题中发挥越来越大的作用,它将会帮助我们更好地理解世界,给我们更便捷地解决实际问题,从而为人类提供更大的实际利益和价值。

综上所述,最优化理论与方法,不仅是实现科学技术进步最有效方法之一,更是解决实际问题的重要工具,它将在解决实际问题中发挥越来越大的作用。

最优化理论与方法第一章资料

最优化理论与方法第一章资料
数学模型:
minf (x) s.t.g(x)0,
xD.
目标函数 约束函数 有限点,决 集策变量
7
1.1 组合优化问题
组合优化问题的三参数表示:
(D,F, f ) D:决策变量定义域
Fx| xD,g(x)0,可行域 ,有限点集
f :目标函数 xF:可行解(点)
x :最优解,如x果 F, f (x)minf (x)| xF.
其中
(1.4) 总 路 长 (1.5) 只 从 城 市 i出 来 一 次 (1.6) 只 走 入 城 市 j一 次
, n , (1.7) 在 任 意 城 市 子 集 中 不 形 成 回 路
(1.8) 决 策 变 量
dij:城 市 i与 城 市 j之 间 的 距 离 , s :集 合 s中 元 素 的 个 数 ,
从算法中选取一种对于所研究的问 题来说是 基本操作 的原操作,以该 基本操作 在算法中重复执行的次数 作为算法运行时间的衡量准则。
1.3 计算复杂性的概念
算法计算量的度量之例——TSP枚举法
计算量的统计: 城市数n 第一城市为始终点,计算一条路径( 1,i2, ,in,1) 长度的基本运算 为两两城市间距离的n个数求和,共有(n1)!条路径,
(3)更新被除数和除数:m←n,n←r,转(1)。
解二.
开始
输入m、n
r=m%n
r=0?


m←n,n←r
输出n
解三.
Euclid(int m, int n) { int r; while(n!=0)
{ r=m%n; m=n; n=r; }
printf(“%d”, m) }
1.3 计算复杂性的概念
1.有穷性 对于任意一组合法输入值,在 执行有穷步骤之后一定能结束,即: 算法中的每个步骤都能在有限时间内完成;

最优化理论与方法

最优化理论与方法

最优化理论与方法最优化是一门跨学科的数学领域,它有助于解决许多与决策有关的问题,它有着广泛的应用,主要用于满足个人和组织的目标。

最优化理论包括最优化模型,最优算法和最优化方法。

最优化模型是一种数学模型,它可以表示一种决策问题。

这些模型通常包含相关变量、目标函数、约束条件和其他等价约束条件。

最优化模型有助于求解某些有效决策,可以用来实现各种目标,例如最小化成本、最大化收益、最小化时间等。

最优化算法是一种算法,可以用来解决最优化问题。

常见的最优化算法包括梯度下降法、迭代尺度法、贪心法、遗传算法和模拟退火算法等。

这些算法通常被用于寻找最佳解决方案,并可以用来优化模型的性能。

最优化方法是最优化中的一种综合应用技术,它主要包括数值法、不确定规划、多目标规划和程序优化等。

该方法旨在优化系统性能,实现最优化目标,并解决复杂的决策问题。

数值法是一种常见的最优化方法,它通过试验得出最优值,以满足目标函数和约束条件。

不确定规划是通过探索不确定性情况下的最优决策,以实现最优目标。

多目标规划通过同时考虑多个优化目标的权衡,实现最优化。

程序优化是根据某种程序的特点,通过改进程序结构和增加有效的计算,实现系统性能的提高。

最优化理论与方法也有助于解决其他复杂的数学问题,例如多元函数求根、函数近似、非线性规划等。

这些理论和方法可以用于确定近似最优解,求解非线性方程组,求解最优化问题和实现系统性能优化等。

总之,最优化理论与方法是一门重要的跨学科学科,对解决决策问题、复杂的数学问题和实现系统优化都有重要的作用。

通过最优化理论与方法,可以优化决策过程,满足个人和组织的目标,从而提高绩效和效率。

最优化理论与方法

最优化理论与方法

最优化理论与方法最优化(Optimization)是经济学、工程学和数学的重要研究课题,也是一门系统性研究和分析决策问题的学科。

它将现实世界中的一般问题转化为一个函数最大化或最小化的数学模型,然后寻找解决问题的最优解。

最优化理论是最优化领域的主要理论基础,它是研究最优的解的学习、分析和解决方案的基础。

最优化理论的主要内容包括最优化模型、解的性质、计算方法等。

最优化理论可以用来分析和解决线性规划、非线性规划等广泛的最优化问题。

最优化方法是将一般最优化问题转换为数学形式,并对其进行求解的方法。

基于给定的最优化模型,最优化方法可以求得最优解,解决决策问题,或者有效地构建更多的结论。

最优化方法的主要内容包括简单随机搜索、梯度方法、随机模拟退火法、免疫优化算法、遗传算法等。

在实际的应用中,最优化理论和方法有着重要的实际意义。

如果没有最优化理论和方法,就不可能在现实世界中做出合理的、有效的决策。

最优化理论和方法是现代信息技术应用的基础,在现代社会中已经成为一门独立的学科,广泛应用于工业制造、决策管理、金融投资领域中,为各类技术问题的求解提供了重要的支持和帮助。

一般来说,最优化理论和方法的基本步骤包括:(1)定义最优化问题的目标函数;(2)给出相应的约束条件;(3)构建最优化模型;(4)使用最优化方法求解模型,获得最优解;(5)评估最优解;(6)根据评估结果检验解的可靠性;(7)根据最优解给出解决方案,满足实际需求。

当前,最优化理论的研究水平越来越高,并且广泛应用于工业制造、决策管理、金融投资等领域,为各类技术问题的求解和解决提供了重要的支持和帮助。

其中,组合优化、离散优化、决策树、支持向量机等新兴技术在最优化理论和方法中发挥着重要作用。

随着计算机技术的发展,算法求解和模型优化技术也有了新的进展,为最优化理论和方法的发展提供了更多的可能性。

总之,最优化理论和方法是现代信息技术应用的基础,是实现最优决策的基石,也是现代社会中重要的、有效的解决问题的方法和工具。

最优化理论和方法-第一章 引言

最优化理论和方法-第一章 引言

第 2 章 线性规划: 基本理论与方法
数学规划基础
LHY-SMSS-BUAA
注2. 数据拟合、参数估计、回归分析等许多问题中 均涉及此类优化问题.有专用的算法求解.(5.4节)
或者
(见习题7.19)
第 2 章 线性规划: 基本理论与方法
数学规划基础
LHY-SMSS-BUAA
变分法的例子
例3 图像处理的偏微分方程法 L.I. Rudin. Nonlinear total variation based noise removal algorithm, Physica D: Nonlinear Phenomena, 1992,60(1-4):259-268
优化研究之数学规划和科学计算角度
• 数学规划层面
➢ 重点研究“优化问题和算法的基本性质”. ➢ 核心问题:解的存在性及描述、算法的收敛性和收敛速
度等.
• 科学计算层面
➢ 受数学性质和(为了有效和实用目的)实现的强烈影响. ➢ 研究问题:数值稳定性、算法步骤的病态性、计算复杂
度等.
第 2 章 线性规划: 基本理论与方法
数学规划基础
LHY-SMSS-BUAA
优化研究之运筹和工程角度
• 运筹层面
➢ 主要关注优化问题的表述并研发求解策略,通常使 用已经研究好的算法或者成熟软件.
➢ 这个层次碰到的许多问题含有线性约束和离散变量.
• 工程层面
➢ 将优化策略应用到具有挑战性的(通常定义的很差 的)实际问题中.
➢ 这个层次的优化知识混杂了可应用方法的有效性和 可靠性,主要研究内容:解的分析,求解方法失败 的诊断及恢复.
第 2 章 线性规划: 基本理论与方法
数学规划基础
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☆ Mathematical Programming (Optimization Problem)
• Linear Programming(线性规划) • Nonlinear Programming(非线性规划)
– Unconstrained Problems(无约束最优化方法) – Constrained Problems(约束最优化方法) ☆ Variational Inequality (VI)(变分不等式)
• Monotone VI • Non-monotone VI
5
Optimization Problem
(Mathematical) Optimization Problem
minimize f x subject to gi x bi , i 1,L ,m
g x x1,L , xn : optimization variables (优化变量)
2
Optimization Process
real world problem
analysis
validation, sensitivity analysis
algorithm, model, solution technique
numerical methods
verification 验证
computer implementation
the roads, the travel times between intersections can be considered as
constant, but if the traffic is heavy the travel times can increase
体运行时间) for handling a (long) sequence of tasks(处理一个任务序
列), by appropriately assigning a fraction of each type of task to each
worker.
Worker
Information
Policy
Suppose that a manufacturer of kitchen cabinets is trying to maximize the weekly revenue of a factory. Various orders have come in that the company could accept. They include bookcases(书橱) with open shelves, cabinets with doors, cabinets with drawers, and custom-designed(定制的) cabinets. The following Table indicates the quantities of materials and labor required to assemble the four types of cabinets, as well as the revenue earned. Suppose that 5000 units of wood and 1500 units of labor are available.
Chapter 1
Introduction & Preliminaries
Optimization
• Optimization models attempt to express, in mathematical terms(数 学术语), the goal of solving a problem in the “best” way
g f : n : objective function (目标函数) g gi : n , i 1,L , m : constraint functions (约束函数)
optimal solution(最优解) x* has smallest value(最小值) of f among all vectors(矢量) that satisfy the constraints(满足约束条件).
• Optimization models have been used for centuries, as their purpose is so appealing, and in recent times, they have come to be essential
• The concept of optimization is well rooted as a principle underlying the analysis of many complex decision or allocation problems
Data fitting(数据拟合) • variables: model parameters • constraints: prior information, parameter limits • objective: measure of misfit or prediction error
• A particular optimization formulation should be regarded only as an approximation
• Learn to identify and capture the important issues of a problem
4
Types of Problems
3
Optimization
• One approaches a complex decision problem involving
– selection of values for a number of interrelated variables(关联变量) – focus attention on a single objective(单目标) designed to quantify
office handles three types of work: requests for information, new policies,
and claims. There are five workers. Based on a study of office operations,
the average work times (in minutes) for the workers are known (see the Table). The company would like to minimize the overall elapsed time(整
Cabinet
Wood
Labor
Revenue
Bookshelf
10
2
100
With
With Drawers
25
8
200
Custom
20
12
400
8
Linear Programming
Example 2
Consider the assignment of jobs to workers. Suppose that an insurance
Example 1
Suppose that four buildings are to be connected by electrical wires. The positions of the buildings are illustrated in the Figure(如图所示). The first two buildings are circular: one at (1,4)T with radius(半径) 2, the second at (9,5)T with radius 1. The third building is square with sides of length 2 centered at (3,-2)T. The fourth building is rectangular with height 4 and width 2 centered at (7,0)T. The electrical wires will be joined at some central point (x0 , y0)T, and will connect to building i at position (xi , yi)T. The objective(目标) is to minimize the amount of wire used.
performance and measure the quality of the decision(衡量决策品质) – the objective is maximized or minimized subject to the constraints that
may limit the selection of decision variable values(决策变量值)
– running a business to maximize profit, minimize loss, maximize efficiency, or minimize risk
– designing a bridge to minimize weight or maximize strength – selecting a flight plan for an aircraft to minimize time or fuel use
Claim
1
10
28
31
2
15
22
42
3
13
18
35
4
19
25
29
5
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