优化方法上机作业--2013
试验优化设计--第一章(2013)

• 回归设计基本概念 一、定义
• 就是设计试验,求取方程。
• 回归设计主要是从正交性、旋转性和D一
优良性等某种优良性出发; • 利用正交表、H阵、单纯阵、正交多项式 以及计算技术编制试验方案; • 实施实验,直接求取各种线性和非线性 回归方程,并进行寻优预测。 •Regression Design
未经编码的试验因素Z1、Z2、Z3
• 特点: 每一因素都有具体的物理意义; 有的有量纲,有的无量纲; 可以是连续的,也可以是离散的。 • 自然空间: 由自然因素构成的空间。
• 编码因素:是经过编码得到的因素, 通常记为X1 , X2 , X3…
• 特点:
无具体的物理意义; 无量纲; 全部是离散的;
作用
• 旋转性应用于各种回归旋转设计 ,它保证 p 维因素空间同一 p 维 ˆ) 球面上各点的预测方差 相等; D( y
ˆ ) 的方向性; • 消除了 D( y
• 消除了优化的方向性;
• 进一步调优创造了条件。
4、D-优良性
• 定义:
在p 维编码空间确定的区域Z上,对于给定的回归 * 模型,若 ( N ) 相对于一切可能的方案 ( N ) ,满足 或 A( ( N )) max A( ) C( (N )) min C( ) 则称 * ( N ) 具有D— —优良性。 * ( N ) 是D最优化设计 A( ( N )) C( ( N )) ——信息矩阵 max A( ) min C( ) ——信息矩阵逆矩阵
• 编码空间:由编码因素构成的空间。
因素编码
概念
• 因素编码:将自然因素通过编码公式变成 编码因素的过程。
• 编码公式:
X j f (Z j )
高中数学必修一《优化方案》答案-第一章

1.1.1集合的含义与表示[读教材·填要点]1.元素与集合(1)元素与集合的定义:一般地,把研究对象统称为元素,把一些元素组成的总体叫做集合(简称为集).(2)集合中元素的性质:①确定性:即给定的集合,它的元素是确定的.②互异性:即给定集合的元素是互不相同的.③无序性.(3)集合相等:只要构成两个集合的元素是一样的,就称这两个集合是相等的.(4)元素与集合的关系:a是集合A的元素,记作a∈A,a不是集合A的元素,记作a∉A.2.集合的表示方法除了用自然语言表示集合外,还可以用列举法和描述法表示集合.(1)列举法:把集合中的元素一一列举出来,并用花括号“{}”括起来表示集合的方法.(2)描述法:用集合所含元素的共同特征表示集合的方法.3.常用数集及其记法1.著名数学家能否构成一个集合?提示:不能,没有一定的评定标准,故著名数学家是不确定的对象,所以不能构成集合.2.一个集合能表示成{s,k,t,k}吗?提示:不能,集合中的元素是互不相同的,任何两个相同的对象在同一个集合中,只能算作这个集合的一个元素.3.集合{-5,-8}和{(-5,-8)}是同一集合吗?提示:不是同一集合.集合{-5,-8}中元素有2个,为数.而集合{(-5,-8)}中有一个元素为坐标(-5,-8).[例1](1)某校2013年在校的所有高个子同学;(2)不超过20的非负数;(3)帅哥;(4)直角坐标系平面内第一象限的一些点;(5)3的近似值的全体.[自主解答]“高个子”没有明确的标准,因此(1)不能构成集合.(2)任给一个实数x,可以明确地判断是不是“不超过20的非负数”,即“0≤x≤20”与“x>20或x<0”,两者必居其一,且仅居其一,故“不超过20的非负数”能构成集合;(3)“帅哥”没有一个明确的标准,不能构成集合;(4)“一些点”无明确的标准,对于某个点是否在“一些点”中无法确定,因此“直角坐标平面内第一象限的一些点”不能构成集合;(6)“3的近似值”不明确精确到什么程度,因此很难判断一个数如“2”是不是它的近似值,所以(5)不能构成集合.——————————————————判断指定的对象能不能构成集合,关键在于能否找到一个明确标准,对于任何一个对象,都能确定它是不是给定集合的元素,同时还要注意集合中元素的互异性、无序性.————————————————————————————————————————1.下列能构成集合的是()A.中央电视台著名节目主持人B.2013年沈阳全运会比赛的所有项目C.2010年上海世博园中所有漂亮的展馆D.世界上的高楼答案:B[例2]已知集合A={a[自主解答]若a+2=1,则a=-1,所以A={1,0,1},与集合中元素的互异性矛盾,应舍去;若(a+1)2=1,则a=0或a=-2,当a=0时,A={2,1,3},满足题意.当a=-2时,A={0,1,1},与集合中元素的互异性矛盾,舍去;若a2+3a+3=1,则a=-1或a=-2(均舍去).综上可知,a=0.例2中1∈A改为4∈A,则结果如何?解:若a+2=4,则a=2.∴A={4,9,13}满足题意.若(a+1)2=4,则a=1或a=-3.当a=1时,A={3,4,7},满足题意.当a=-3时,A={-1,3,4,}满足题意.若a 2+3a +3=4,则a =-3±132,代入后都满足题意,故a 的值为a =1,a =2,或a =-3或a =-3±132.——————————————————1.这类问题既要用元素的确定性,又要利用互异性检验解的正确与否.初学者解题时易忽略元素的互异性,学习中要高度重视.另外,本类问题往往涉及分类讨论的数学思想.2.一个集合中,元素之间没有先后顺序,只要构成两个集合的元素是一样的,这两个集合就是同一个集合. ————————————————————————————————————————2.含有两个实数的集合A 可以表示为{a -3,2a -1},求实数a 的取值范围. 解:∵A ={a -3,2a -1},∴由集合中元素的互异性可得a -3≠2a -1. ∴a ≠-2.∴a 的取值范围为a ≠-2.[例3] (1)方程组⎩⎪⎨⎪⎧x +y =3x -y =5的解集;(2)不等式2x -3>5的解集.[自主解答] (1)集合用描述法表示为{(x ,y )|⎩⎪⎨⎪⎧ x +y =3x -y =5}.解方程组,得⎩⎪⎨⎪⎧x =4,y =-1故集合用列举法表示为{(4,-1)}.(2)由2x -3>5可得x >4,所以不等式2x -3>5的解集为{x |x >4,x ∈R }. ——————————————————1.一个集合可以用不同的方法表示,需根据题意选择适当的方法,同时注意列举法和描述法的适用范围. 2.方程(或方程组)的解的个数较少,因此方程(或方程组)的解集一般用列举法表示;不等式(或不等式组)的解集一般用描述法表示.注意,当题目中要求求出“…的解集”或写出“…的集合”时,一定要将最终结果写成集合的形式.————————————————————————————————————————3.有下面六种表示方法①{x =-1,y =2} ②⎩⎨⎧(x ,y )⎪⎪⎪ ⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x =-1,y =2.③{-1,2} ④(-1,2) ⑤{(-1,2)} ⑥{x ,y |x =-1,或y =2}.其中,能正确表示方程组⎩⎪⎨⎪⎧2x +y =0,x -y +3=0的解集的是________(把所有正确答案的序号填在空格上).解析:[错解] ∵x 3∈A ,故x 3=0或x 3=1或x 3=x , 若x 3=0,则x =0; 若x 3=1,则x =1; 若x 3=x ,则x =1或x =0. 综上所述:所求x 的值为0或1.[错因] 本题错误的原因有两个,一是没有考虑到元素的互异性,解出来的结果没有代入检验,得出了错误结果;二是解x 2=x 时漏掉了x =-1这个答案,也导致了错误的结果.[正解] ∵x 3∈A , ∴x 3是集合A 中的元素.又∵集合A 中含有3个元素,∴需分情况讨论:①若x 3=0,则x =0,此时集合A 中有两个元素0,不符合集合中元素的互异性,舍去; ②若x 3=1,则x =1,此时集合A 中有两个元素1,不符合集合中元素的互异性,舍去;③若x 3=x ,则x =0、x =-1或x =1,当x =0、x =1时不符合集合中元素的互异性,都舍去.当x =-1时,此时集合A 中有三个元素1,0,-1,符合集合中元素的互异性;综上可知,x =-1. 1.有下列各组对象: ①接近于0的数的全体; ②比较小的正整数的全体;③平面上到点O 的距离等于1的点的全体; ④正三角形的全体.其中能构成集合的个数是( ) A .2 B .3 C .4D .5解析:①不能构成集合,“接近”的概念模糊,无明确标准.②不能构成集合,“比较小”也是不明确的,多小算小没明确标准.③④均可构成集合,因为任取一个元素是否是此集合的元素有明确的标准可依.答案:A2.下面几个命题中正确命题的个数是( ) ①集合N *中最小的数是1; ②若-a ∉N *,则a ∈N *;③若a ∈N *,b ∈N *,则a +b 最小值是2; ④x 2+4=4x 的解集是{2,2}. A .0 B .1 C .2D .3解析:N *是正整数集,最小的正整数是1,故①正确;当a =0时,-a ∉N *,且a ∉N *,故②错;若a ∈N *,则a 的最小值是1,又b ∈N *,b 的最小值也是1,当a 和b 都取最小值时,a +b 取最小值2,故③正确;由集合元素的互异性知④是错误的.故①③正确.答案:C3.已知集合M ={3,m +1},且4∈M ,则实数m 等于( ) A .4 B .3 C .2D .1解析:∵4∈M ,∴4=m +1,∴m =3. 答案:B4.已知①5∈R ②13∈Q ③0={0} ④0∉N⑤π∈Q ⑥-3∈Z .正确的个数为________. 解析:①②⑥是正确的;③④⑤是错误的. 答案:35.用适当的符号填空:已知A ={x |x =3k +2,k ∈Z },B ={x |x =6m -1,m ∈Z },则有:17______A ;-5______A ;17________B .解析:令3k +2=17得,k =5∈Z . 所以17∈A .令3k +2=-5得,k =-73∉Z .所以-5∉A .令6m -1=17得,m =3∈Z , 所以17∈β. 答案:∈,∉,∈6.用适当的方法表示下列集合: (1)一年中有31天的月份的全体; (2)大于-3.5小于12.8的整数的全体; (3)梯形的全体构成的集合; (4)所有非负偶数的集合; (5)所有能被3整除的数的集合; (6)方程(x -1)(x -2)=0的解集; (7)不等式2x -1>5的解集.解:(1){1月,3月,5月,7月,8月,10月,12月}. (2){-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}. (3){x |x 是梯形}或{梯形}. (4){0,2,4,6,8,…}. (5){x |x =3n ,n ∈Z }. (6){1,2}. (7){x |2x -1>5}. 一、选择题1.下列给出的对象中,能组成集合的是( ) A .一切很大的数 B .高中数学的所有难题 C .美丽的小女孩D .方程x 2-1=0的实数根解析:选项A ,B ,C 中的对象都没有明确的判断标准,不满足集合中元素的确定性,故A ,B ,C 中的对象都不能组成集合.答案:D2.下列命题不.正确的有( )①很小的实数可以构成集合;②集合{y |y =x 2-1}与集合{(x ,y )|y =x 2-1}是同一个集合; ③1,32,64,⎪⎪⎪⎪-12,0.5这些数组成的集合有5个元素; ④集合{(x ,y )|xy ≤0,x ,y ∈R }是指第二和第四象限内的点集. A .1个 B .2个 C .3个D .4个解析:①错的原因是元素不确定;②前者是数集,而后者是点集,种类不同;③32=64,⎪⎪⎪⎪-12=0.5,有重复的元素,应该是3个元素;④该集合还包括坐标轴上的点.答案:D3.已知集合A ={1,2,3,4,5},B ={(x ,y )|x ∈A ,y ∈A ,x -y ∈A },则B 中所含元素的个数为( ) A .3 B .6 C .8D .10解析:列举得集合B ={(2,1),(3,1),(4,1),(5,1),(3,2),(4,2),(5,2),(4,3),(5,3),(5,4)},共含有10个元素.答案:D4.定义集合运算:A *B ={z |z =xy ,x ∈A ,y ∈B }.设A ={1,2},B =(0,2),则集合A *B 的所有元素之和为( ) A .0 B .2 C .3D .6解析:依题意,A *B ={0,2,4},其所有元素之和为6. 答案:D 二、填空题5.集合A ={(2,-2),(2,2)}中含有________个元素. 解析:∵(2,-2),(2,2)是两个点,∴有2个元素. 答案:26.已知集合A ={(x ,y )|y =2x +1},B ={(x ,y )|y =x +3},a ∈A 且a ∈B ,则a 为________. 解析:∵a ∈A 且a ∈B ,∴a 是方程组⎩⎪⎨⎪⎧y =2x +1y =x +3的解.解方程组,得⎩⎪⎨⎪⎧x =2y =5,∴a 为(2,5). 答案:(2,5)7.用描述法表示方程x <-x -3的解集为________. 解析:∵x <-x -3, ∴x <-32.∴解集为{x |x <-32}.答案:{x |x <-32}8.{(x ,y )|(x +2)2+|y -3|=0,x ,y ∈R }=________.解析:由(x +2)2+|y -3|=0,又(x +2)2≥0,|y -3|≥0,所以(x +2)2=0,|y -3|=0,所以x =-2,y =3,所以{(x ,y )|(x +2)2+|y -3|=0,x ,y ∈R }={(-2,3)}.答案:{(-2,3)} 三、解答题9.已知集合A 含有两个元素a -3和2a -1, (1)若-3∈A ,试求实数a 的值. (2)若a ∈A ,试求实数a 的值. 解:(1)因为-3∈A ,所以-3=a -3或-3=2a -1. 若-3=a -3,则a =0.此时集合A 含有两个元素-3,-1,符合题意. 若-3=2a -1, 则a =-1.此时集合A 含有两个元素-4,-3,符合题意, 综上所述,满足题意的实数a 的值为0或-1. (2)因为a ∈A ,所以a =a -3或a =2a -1.当a =a -3时,有0=-3,不成立.当a =2a -1时,有a =1,此时A 中有两个元素-2,1,符合题意.综上知a =1.10.已知集合A ={x |kx 2-8x +16=0}只有一个元素,试求实数k 的值,并用列举法表示集合A . 解:当k =0时,原方程变为-8x +16=0, 所以x =2,此时集合A ={2};当k ≠0时,要使一元二次方程kx 2-8x +16=0有两个相等实根,需Δ=64-64k =0,即k =1.此时方程的解为x1=x2=4,集合A={4}.1.1.2集合间的基本关系[读教材·填要点]1.子集的概念2.A B(或B A)3.(1)定义:不含任何元素的集合叫做空集.(2)用符号表示为:∅.(3)规定:空集是任何集合的子集.4.子集的有关性质(1)任何一个集合是它本身的子集,即A⊆A.(2)对于集合A,B,C,如果A⊆B,且B⊆C,那么A⊆C.[小问题·大思维]1.若A B,则A⊆B且A≠B,对吗?提示:对.∵A B,首先A⊆B,其中B中至少有一个元素不属于A,即A≠B.2.任何集合都有真子集吗?提示:不是,空集∅就没有真子集.3.{0}和∅表示同一集合吗?它们之间有什么关系?提示:{0}和∅不是同一个集合.{0}表示含有一个元素0的集合,∅是不含任何元素的集合,且∅{0}.[例1]写出集合A=[自主解答]由0个元素构成的子集:∅;由1个元素构成的子集:{1},{2},{3};由2个元素构成的子集:{1,2},{1,3},{2,3};由3个元素构成的子集:{1,2,3}.由此得集合A的所有子集为∅,{1},{2},{3},{1,2},{1,3},{2,3},{1,2,3}.在上述子集中,除去集合A本身,即{1,2,3},剩下的都是A的真子集.——————————————————1.求解有限集合的子集问题,关键有三点:(1)确定所求集合;(2)合理分类,按照子集所含元素的个数依次写出;(3)注意两个特殊的集合,即空集和集合本身.2.一般地,若集合A中有n个元素,则其子集有2n个,真子集有2n-1个,非空真子集有2n-2个. ————————————————————————————————————————1.已知集合M满足{2,3}⊆M⊆{1,2,3,4,5},求集合M及其个数.解:当M中含有两个元素时,M为{2,3};当M中含有三个元素时,M为{2,3,1},{2,3,4},{2,3,5};当M中含有四个元素时,M为{2,3,1,4},{2,3,1,5},{2,3,4,5};当M中含有五个元素时,M为{2,3,1,4,5}.所以满足条件的集合M为{2,3},{2,3,1},{2,3,4},{2,3,5},{2,3,1,4},{2,3,1,5},{2,3,4,5},{2,3,1,4,5},集合M的个数为8.[例2]下列各式正确的是(1){a}⊆{a};(2){1,2,3}={3,1,2};(3)0⊆{0};(4){1}{x|x≤5};(5){1,3}{3,4}.[自主解答]∵1<5,∴1∈{x|x≤5}.∴{1}⊆{x|x≤5}.又∵{1}≠{x|x≤5},∴{1}{x|x≤5}.∵1∈{1,3},但1∉{3,4},∴{1,3}{3,4}.“”是“真包含于”的意思[——————————————————集合间关系的判定的步骤:首先,判断一个集合A中的任意元素是否属于另一集合B,若是,则A⊆B,否则A B;,其次,判断另一个集合B中的任意元素是否属于第一个集合A,若是,则B⊆A,否则B A;,最后,下结论:若A⊆B,B⊆A,则A =B ;若A ⊆B ,B A ,则A B ;若A B ,B ⊆A ,则B A ;若上述三种情况都不成立,则A B ,B A .[注意] 有时一个集合可以看成另一个集合的元素,如{1}可以看成集合{{1},1,2,3}中的元素,也可以看成子集,因此{1}∈{{1},1,2,3}与{1}⊆{{1},1,2,3}都正确.————————————————————————————————————————2.集合M ={x |x 2+x -6=0},N ={x |2x +7>0},试判断集合M 和N 的关系. 解:M ={-3,2},N =⎩⎨⎧⎭⎬⎫x |x >-72.∵-3>-72,2>-72,∴-3∈N,2∈N .∴M ⊆N . 又0∈N ,但0∉M ,∴M N .[例3] 已知集合A ={x |-3m 的取值范围. [自主解答] ∵B ⊆A ,(1)当B =∅时,m +1≤2m -1,解得m ≥2. (2)当B ≠∅时,有⎩⎪⎨⎪⎧-3≤2m -1,m +1≤4,2m -1<m +1解得-1≤m <2, 综上得m ≥-1. ——————————————————(1)利用集合之间的关系时,首先要分析、简化每个集合.(2)此类问题通常借助数轴,利用数轴分析法,将各个集合在数轴上表示出来,以形定数,还要注意验证端点值,做到准确无误,一般含“=”用实点表示,不含“=”用虚点表示.(3)此类问题还应注意“空集”这一“陷阱”,尤其是集合中含有字母参数时,初学者会想当然认为非空集合而丢解,因此分类讨论是必须的.————————————————————————————————————————3.设集合A ={1,3,a },B ={1,a 2-a +1},且A ⊇B ,求a 的值. 解:∵A ⊇B ,而a 2-a +1∈B ,∴a 2-a +1∈A . ∴a 2-a +1=3或a 2-a +1=a . 当a 2-a +1=3时,a =2或a =-1.(1)a =2时,A ={1,3,2},B ={1,3},这时满足条件A ⊇B ; (2)a =-1时,A ={1,3,-1},B ={1,3},这时也满足条件A ⊇B .当a 2-a +1=a 时,a =1,此时A ={1,3,1},B ={1,1},根据集合中元素的互异性,故舍去a =1. ∴a 的值为2或-1.[错解] ∵M ={x |x 2-3x +2=0}={1,2},(1)当N ={1}时,有⎩⎪⎨⎪⎧ 1+1=2,1×1=a ,∴a =1.(2)当N ={2}时,有⎩⎪⎨⎪⎧ 2+2=2,2×2=a ,不成立.(3)当N ={1,2}时,有⎩⎪⎨⎪⎧1+2=2,1×2=a ,不成立.所以,a =1.[错因] 空集是一个特殊的集合,是任何集合的子集,在解决集合关系问题时极易忽略∅,错解中没有考虑集合N 为∅的情况.[正解] ∵M ={x |x 2-3x +2=0}={1,2},又N ⊆M ,∴N =∅,或N ={1},或N ={2},或N ={1,2}. (1)当N =∅时,方程x 2-2x +a =0的判别式Δ=4-4a <0,即a >1.(2)当N ={1}时,有⎩⎪⎨⎪⎧1+1=2,1×1=a ,∴a =1.(3)当N ={2}时,有⎩⎪⎨⎪⎧ 2+2=2,2×2=a ,不成立.(4)当N ={1,2}时,有⎩⎪⎨⎪⎧1+2=2,1×2=a ,不成立.综上可知实数a 的取值范围是a ≥1. 1.下列命题中,正确的有( ) ①空集是任何集合的真子集; ②若A B ,B C ,则A C ;③任何一个集合必有两个或两个以上的真子集; ④如果不属于B 的元素也不属于A ,则A ⊆B . A .①② B .②③ C .②④D .③④解析:①空集只是空集的子集而非真子集,故①错;②真子集具有传递性,故②正确;③若一个集合是空集,则没有真子集,故③错;④由韦恩(Venn)图易知④正确.答案:C2.设集合M ={x |x >-2},则下列选项正确的是( ) A .{0}⊆M B .{0}∈M C .∅∈MD .0⊆M解析:选项B 、C 中均是集合之间的关系,符号错误;选项D 中是元素与集合之间的关系,符号错误. 答案:A3.已知集合A ={x |x 是平行四边形},B ={x |x 是矩形},C ={x |x 是正方形},D ={x |x 是菱形},则( ) A .A ⊆B B .C ⊆B C .D ⊆CD .A ⊆D解析:选项A 错,应当是B ⊆A .选项B 对,正方形一定是矩形,但矩形不一定是正方形.选项C 错,正方形一定是菱形,但菱形不一定是正方形.选项D 错,应当是D ⊆A .答案:B 4.已知∅{x |x 2-x +a =0},则实数a 的取值范围是________. 解析:∵∅{x |x 2-x +a =0}.∴{x |x 2-x +a =0}≠∅. 即x 2-x +a =0有实根. ∴Δ=(-1)2-4a ≥0,得a ≤14.答案:a ≤145.若{a,0,1}={c ,1b ,-1},则a =________,b =________,c =________.解析:∵1b ≠0,∴c =0,∴a =-1,1b =1.∴a =-1,b =1.答案:-1 1 06.已知集合A ={-1,3,2m -1},集合B ={3,m 2},若B ⊆A ,求实数m 的值.解:∵B ⊆A ,∴m 2=-1,或m 2=2m -1,当m 2=-1时,显然无实数根;当m 2=2m -1时,m =1.∴实数m =1.一、选择题1.已知集合M ={x ∈Z |-3<x ≤1},则它的真子集的个数为( ) A .12 B .14 C .15D .16解析:∵M ={x ∈Z |-3<x ≤1}={-2,-1,0,1}共有4个元素,∴它的真子集共有24-1=15个. 答案:C2.定义集合A *B ={x |x ∈A ,且x ∉B },若A ={1,2,3,4,5},B ={2,4,5},则A *B 的子集个数为( ) A .1 B .2 C .3D .4解析:由题意知A *B ={1,3}, ∴A *B 的子集个数为22=4个. 答案:D3.已知集合M ={x |-5<x <3,x ∈Z },则下列集合中为集合M 子集的是( ) A .P ={-3,0,1} B .Q ={-1,0,1,2}C .R ={y |-π<y <-1,y ∈Z }D .S ={x ||x |≤3,x ∈N }解析:先用列举法表示集合,再观察元素与集合的关系.集合M ={-2,-1,0,1},集合R ={-3,-2},S ={0,1},不难发现集合P 中的元素-3∉M ,集合Q 中的元素2∉M ,集合R 中的元素-3∉M ,而S ={0,1}中的任意一个元素都在集合M 中,所以S ⊆M ,且S M .答案:D4.已知集合A ⊆{0,1,2},且集合A 中至少含有一个偶数,则这样的集合A 的个数为( ) A .6 B .5 C .4D .3解析:集合{0,1,2}的子集为:∅,{0},{1},{2},{0,1},{0,2},{1,2},{0,1,2},其中含有偶数的集合有6个.答案:A 二、填空题5.已知集合A ={x |a -1≤x ≤a +2},B ={x |3<x <5},则能使A ⊇B 成立的实数a 的取值范围是________.解析:∵A ⊇B ,∴⎩⎪⎨⎪⎧a -1≤3,a +2≥5,∴3≤a ≤4. 答案:3≤a ≤46.设a ,b ∈R ,集合{0,ba,b }={1,a +b ,a },则b -a =________.解析:由题意可知a ≠0,则a +b =0,a =-b ,所以ba =-1,则a =-1,b =1,故b -a =2.答案:27.下列关系中正确的是________.①∅∈{0}; ②∅{0}; ③{0,1}⊆{(0,1)}; ④{(a ,b )}={(b ,a )}.解析:∵∅{0},∴①错误;空集是任何非空集合的真子集,②正确,{(0,1)}是含有一个元素的点集,③错误;{(a ,b )}与{(b ,a )}是两个不等的点集,④错误,故正确的是②.答案:②8.已知集合P ={1,2},那么满足Q ⊆P 的集合的个数是________. 解析:∵P ={1,2},Q ⊆P ,∴集合Q 可以是∅或{1}或{2}或{1,2}. 答案:4 三、解答题9.由“2,a ,b ”三个元素构成的集合与由“2a,2,b 2”三个元素构成的集合是同一个集合,求a ,b 的值. 解:根据集合相等,有⎩⎪⎨⎪⎧ a =2a ,b =b 2或⎩⎪⎨⎪⎧a =b 2,b =2a ,解得⎩⎪⎨⎪⎧ a =0,b =1或⎩⎪⎨⎪⎧a =0,b =0或⎩⎨⎧a =14,b =12.再根据集合元素的互异性,得⎩⎪⎨⎪⎧a =0,b =1或⎩⎨⎧a =14,b =12.10.设集合A ={x |x 2-5x +6=0},B ={x |x 2-(2a +1)x +a 2+a =0},若B ⊆A ,求a 的值.解:法一:A ={x |x 2-5x +6=0}={2,3},由B ⊆A 得,B =∅,或B ={2},或B ={3},或B ={2,3},由于Δ=(2a +1)2-4a 2-4a =1>0,∴B ≠∅,且B 含有两个不同元素.∴B ={2,3},需2a +1=5和a 2+a =6同时成立, ∴a =2.综上所述:a =2.法二:A={x|x2-5x+6=0}={2,3},B={x|x2-(2a+1)x+a2+a=0}={x|(x-a)·(x-a-1)=0}={a,a+1},∵a≠a+1,∴当B⊆A时,只有a=2且a+1=3.∴a=2.1.1.3集合的基本运算第一课时并集与交集[读教材·填要点]1.集合的并集与交集的定义21.若A={1,2,3},B={3,4,5},那么A∪B={1,2,3,3,4,5}对吗?如何表示A∪B和A∩B?提示:A∪B={1,2,3,3,4,5}是不对的,因为不符合元素的互异性;A∪B={1,2,3,4,5},A∩B={3}.2.你认为并集概念中的“或”与我们日常生活中“或”意义一致吗?有什么区别?提示:并集中的“或”与生活中“或”是不一样的.生活用语中的“或”是“或此”“或彼”只取其一,如“老师让张明或李红去开会”,意思是张明去也可以,李红去也可以,但不包括张明和李红一起去这种情况;而并集中的“或”则是“或此”“或彼”“或彼此”.3.若集合A与集合B没有公共元素,能否说集合A与集合B没有关系?提示:当两集合A与B没有公共元素时,不能说集合A与B没有关系,而是A∩B=∅.[例1] 已知集合A ={x |(x ∪B 是( ) A .{-1,2,3} B .{-1,-2,3} C .{1,-2,3}D .{1,-2,-3}[自主解答] A ={x |(x -1)(x +2)=0}={1,-2};B ={x |(x +2)(x -3)=0}={-2,3}, ∴A ∪B ={1,-2}∪{-2,3}={-2,1,3}. [答案] C ——————————————————解决此类问题首先应看清集合中元素的范围,简化集合,若是用列举法表示的数集,可以根据交集、并集的定义直接观察或用Venn 图表示出集合运算的结果;若是用描述法表示的数集,可借助数轴分析写出结果,此时要注意当端点不在集合中时,应用“空心点”表示.————————————————————————————————————————1.已知集合A ={x |-1<x ≤3},B ={x |x ≤0,或x ≥52},求A ∩B ,A ∪B .解:∵A ={x |-1<x ≤3},B ={x |x ≤0,或x ≥52},把集合A 与B 表示在数轴上,如图. ∴A ∩B ={x |-1<x ≤3}∩{x |x ≤0或x ≥52}={x |-1<x ≤0或52≤x ≤3};A ∪B ={x |-1<x ≤3}∪{x |x ≤0或x ≥52}=R .[例2] 已知集合A =x 的值. [自主解答] ∵A ∪B ={1,3,x },A ={1,3,x },B ={1,x 2}, ∴A ∪B =A ,即B ⊆A , ∴x 2=3或x 2=x .①当x 2=3时,得x =±3.若x =3,则A ={1,3,3},B ={1,3},符合题意; 若x =-3,则A ={1,3,-3},B ={1,3},符合题意. ②当x 2=x 时,则x =0或x =1.若x =0,则A ={1,3,0},B ={1,0},符合题意; 若x =1,则A ={1,3,1},B ={1,1},不成立,舍去;综上可知,x =±3或x =0. ——————————————————(1)在利用集合的交集、并集性质解题时,常常会遇到A ∩B =A ,A ∪B =B 等这类问题,解答时常借助于交、并集的定义及上节学习的集合间的关系去分析,如A ∩B =A ⇔A ⊆B ,A ∪B =B ⇔A ⊆B 等,解答时应灵活处理.(2)对于含有参数的问题要分类讨论,同时要检验,利用好集合中元素的互异性. ————————————————————————————————————————2.已知集合A ={4,6},B ={2,m },A ∪B ={2,4,6},则m 的值为________. 解析:∵A ={4,6},B ={2,m }, 而A ∪B ={2,4,6}, ∴m =4或m =6. 答案:4或6(1) 若A ∩B =A ∪B ,求a 的值; (2)若∅A ∩B ,A ∩C =∅,求a 的值.[巧思] (1)A ∩B =A ∪B ⇔A =B ;(2)∅A ∩B ⇔A ∩B ≠∅. [妙解] 由已知,得B ={2,3},C ={2,-4}.(1)∵A ∩B =A ∪B ,∴A =B .于是2,3是一元二次方程x 2-ax +a 2-19=0的两个根,由根与系数之间的关系知:⎩⎪⎨⎪⎧2+3=a ,2×3=a 2-19解之得a =5.(2)由A ∩B ∅⇒A ∩B ≠∅,又A ∩C =∅,得3∈A,2∉A ,-4∉A . 由3∈A 得32-3a +a 2-19=0, 解得a =5或a =-2.当a =5时,A ={x |x 2-5x +6=0}={2,3},与2∉A 矛盾; 当a =-2时,A ={x |x 2+2x -15=0}={3,-5},符合题意. ∴a =-2.1.已知集合M ={1,2,3,4},N ={-2,2},下列结论成立的是( ) A .N ⊆M B .M ∪N =M C .M ∩N =ND .M ∩N ={2}解析:因为-2∉M ,可排除A ;M ∪N ={-2,1,2,3,4},可排除B ;M ∩N ={2}.答案:D2.设A={x∈N|1≤x≤10},B={x∈R|x2+x-6=0},则如图中阴影部分表示的集合为()A.{2} B.{3}C.{-3,2} D.{-2,3}解析:注意到集合A中的元素为自然数,因此易知A={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10},而直接解集合B中的方程可知B={-3,2},因此阴影部分显然表示的是A∩B={2}.答案:A3.设集合M={x|-3≤x<7},N={x|2x+k≤0},若M∩N≠∅,则k的取值范围是()A.k≤3 B.k≥-3C.k>6 D.k≤6解析:因为N={x|2x+k≤0}={x|x≤-k2},且M∩N≠∅,所以-k2≥-3⇒k≤6.答案:D4.已知集合A={x|x是平行四边形},B={x|x是菱形},C={x|x是矩形},则A∩B∩C=________. 解析:∵A∩B={x|x是菱形}∴A∩B∩C={x|x是正方形}.答案:{x|x是正方形}5.已知集合M={0,1,2},N={x|x=2a,a∈M},则集合M∩N=________.解析:由M={0,1,2},知N={0,2,4},M∩N={0,2}.答案:{0,2}6.设集合A={a2,a+1,-3},B={a-3,2a-1,a2+1},A∩B={-3},求实数a.解:∵A∩B={-3},∴-3∈B.∵a2+1≠-3,∴①若a-3=-3,则a=0,此时A={0,1,-3},B={-3,-1,1},但由于A∩B={1,-3}与已知A∩B={-3}矛盾,∴a≠0.②若2a-1=-3,则a=-1,此时A={1,0,-3},B={-4,-3,2},A∩B={-3},综上可知a=-1.一、选择题1.已知集合A ={x |x ≥0},B ={x |-1≤x ≤2},则A ∪B =( ) A .{x |x ≥-1} B .{x |x ≤2} C .{x |0<x ≤2}D .{x |1≤x ≤2}解析:结合数轴得A ∪B ={x |x ≥-1}. 答案:A2.设集合M ={x |-3<x <2},N ={x |1≤x ≤3},则M ∩N =( ) A .{x |1≤x <2} B .{x |1≤x ≤2} C .{x |2<x ≤3}D .{x |2≤x ≤3} 解析:∵M ={x |-3<x <2}且N ={x |1≤x ≤3}, ∴M ∩N ={x |1≤x <2}. 答案:A3.设A ={x |-3≤x ≤3},B ={y |y =-x 2+t }.若A ∩B =∅,则实数t 的取值范围是( ) A .t <-3 B .t ≤-3 C .t >3D .t ≥3解析:B ={y |y ≤t },结合数轴可知t <-3. 答案:A4.已知集合A ={x |-2≤x ≤7},B ={x |m +1<x <2m -1},且B ≠∅,若A ∪B =A ,则( ) A .-3≤m ≤4 B .-3<m <4 C .2<m <4D .2<m ≤4解析:∵A ∪B =A ,∴B ⊆A .又B ≠∅, ∴⎩⎪⎨⎪⎧m +1≥-2,2m -1≤7m +1<2m -1即2<m ≤4.答案:D 二、填空题5.已知集合A ={1,2,4},B ={2,4,6},则A ∪B =________. 解析:集合A ,B 都是以列举法的形式给出,易得A ∪B ={1,2,4,6}. 答案:{1,2,4,6}6.已知集合A ={x |x ≥5},集合B ={x |x ≤m },且A ∩B ={x |5≤x ≤6},则实数m =________. 解析:用数轴表示集合A 、B 如图所示, 由于A ∩B ={x |5≤x ≤6}, 则m =6. 答案:67.已知集合A ={x |x ≤1},B ={x |x ≥a },且A ∪B =R ,则实数a 的取值范围是________. 解析:如图所示,若A ∪B =R ,则a ≤1. 答案:a ≤18.已知集合A ={(x ,y )|y =ax +3},B ={(x ,y )|y =3x +b },A ∩B ={(2,5)},则a =________,b =________. 解析:∵A ∩B ={(2,5)}. ∴5=2a +3.∴a =1. ∴5=6+b .∴b =-1. 答案:1 -1 三、解答题9.已知集合A ={x |-1≤x <3},B ={x |2x -4≥x -2}. (1)求A ∩B ;(2)若集合C ={x |2x +a >0},满足B ∪C =C ,求实数a 的取值范围. 解:(1)∵B ={x |x ≥2},A ={x |-1≤x <3}, ∴A ∩B ={x |2≤x <3}.(2)∵C ={x |x >-a2},B ∪C =C ⇔B ⊆C ,∴a >-4.10.已知集合A =⎩⎨⎧⎭⎬⎫x ⎪⎪⎪⎩⎪⎨⎪⎧ 3-x >0,3x +6>0,集合B ={m |3>2m -1},求A ∩B ,A ∪B . 解:解不等式组⎩⎪⎨⎪⎧3-x >0,3x +6>0,得-2<x <3,则A ={x |-2<x <3},解不等式3>2m -1,得m <2,则B ={m |m <2}. 用数轴表示集合A 和B ,如图所示, 则A ∩B ={x |-2<x <2},A ∪B ={x |x <3}.第二课时 补集及集合运算综合问题[读教材·填要点]1.全集(1)定义:如果一个集合含有我们所研究问题中涉及的所有元素,那么称这个集合为全集. (2)符号表示:通常记作U . 2.补集1.已知集合A、∁U A(U为全集),则A∩(∁U A)与A∪(∁U A)各有什么特点?提示:A∩(∁U A)=∅,A∪(∁U A)=U.2.设U为全集,则∁U∅、∁U U、∁U(∁U A)分别表示什么集合?提示:∁U∅=U,∁U U=∅.∁U(∁U A)=A.3.判断∁U(A∩B)=(∁U A)∩∁U B,∁U(A∪B)=(∁U A)∪(∁U B)是否正确.提示:不对.结合韦恩图可知∁U(A∩B)=(∁U A)∪(∁U B)∁U(A∪B)=(∁U A)∩(∁U B).[例1]设全集U={0,1,2,3}U m的值.[自主解答]如图,∵U={0,1,2,3},∁U A={1,2},∴A={0,3}.∴方程x2+mx=0的两根为x1=0,x2=3,∴0+3=-m.即m=-3.——————————————————(1)根据补集定义,借助Venn图,可直观地求出全集,此类问题,当集合中元素离散时,可借助V enn图;当集合中元素连续时,可借助数轴,利用数轴分析法求解.(2)解题时要注意使用补集的几个性质:∁U U=∅,∁U∅=U,A∪(∁U A)=U. ————————————————————————————————————————1.已知全集U,集合A={1,3,5,7,9},∁U A={2,4,6,8},∁U B={1,4,6,8,9},求集合B.解:借助Venn,如右图所示,得U={1,2,3,4,5,6,7,8,9},∵∁U B={1,4,6,8,9},∴B={2,3,5,7}.[例2]设U={x∈N|x(∁U A)∩(∁U B),(∁U A)∪(∁U B).[自主解答]∵U={x∈N|x<10}={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},A={1,5,7,8},B={3,4,5,6,9},∴A∩B={1,5,7,8}∩{3,4,5,6,9}={5},A ∪B ={1,5,7,8}∪{3,4,5,6,9}={1,3,4,5,6,7,8,9}. ∵∁U A ={0,2,3,4,6,9},∁U B ={0,1,2,7,8},∴(∁U A )∩(∁U B )={0,2},(∁U A )∪(∁U B )={0,1,2,3,4,6,7,8,9}. ——————————————————1.解决集合的混合运算时,一般先运算括号内的部分,如求∁U (A ∪B )时,先求出A ∪B ,再求补集.2.当集合是用列举法表示时,如数集,可以通过列举集合的元素分别得到所求的集合;当集合是用描述法表示时,如不等式形式表示的集合,则可借助数轴求解.————————————————————————————————————————2.已知U =R ,A ={x |x >0},B ={x |x ≤-1},则[A ∩(∁U B )]∪[B ∩(∁U A )]=( ) A .∅ B .{x |x ≤0}C .{x |x >-1}D .{x |x >0,或x ≤-1}解析:∵B ={x |x ≤-1},∴∁U B ={x |x >-1}. 又∵A ={x |x >0},∴A ∩(∁U B )={x |x >0}. 又∵∁U A ={x |x ≤0}. ∴B ∩(∁U A )={x |x ≤-1}.∴[A ∩(∁U B )]∪[B ∩(∁U A )]={x |x >0,或x ≤-1}. 答案:D[例3] 设全集U =R ,U a 的取值范围. [自主解答]∁U P ={x |x <-2或x >1}, ∵M ∁U P ,∴分M =∅,M ≠∅,两种情况讨论. (1)M ≠∅时,如图可得或⎩⎪⎨⎪⎧3a <2a +5,3a ≥1,∴a ≤-72,或13≤a <5.(2)M =∅时,应有3a ≥2a +5⇒a ≥5. 综上可知,a ≤-72,或a ≥13.——————————————————1.M⊆N,一般分两种情况讨论:①M=∅,②M≠∅.2.解用不等式表示的数集间的集合运算时,一般要借助于数轴求解,此法的特点是简单直观,同时要注意各个端点的画法. ————————————————————————————————————————3.已知集合A={x|-4≤x≤-2},集合B={x|x-a≥0}.(1)若A⊆B,求a的取值范围;(2)若全集U=R,且A⊆(∁U B),求a的取值范围.解:∵A={x|-4≤x≤-2},B={x|x≥a},(1)由A⊆B,结合数轴(如图所示)可知a的范围为a≤-4.(2)∵U=R,∴∁U B={x|x<a},要使A⊆∁U B,须a>-2.动但不喜爱乒乓球运动的人数为________.[巧思]先将文字语言转化为集合语言,设U为全班学生组成的集合,A、B分别表示喜爱篮球运动的学生组成的集合、喜爱乒乓球运动的学生组成的集合,再利用Venn图可直观得出答案.[妙解]设全集U={全班30名学生},A={喜爱篮球运动的学生},B={喜爱乒乓球运动的学生},画出Venn图如图所示.设既喜欢篮球运动又喜欢乒乓球运动的人数为x,则(15-x)+x+(10-x)=30-8,解得x=3,所以喜爱篮球运动但不喜爱乒乓球运动的人数为12.[答案]121.设全集为R,A={x|x<3,或x>5},B={x|-3<x<3},则()A.∁R(A∪B)=R B.A∪(∁R B)=RC.(∁R A)∪(∁R B)=R D.A∪B=R解析:∵∁R A={x|3≤x≤5},∁R B={x|x≤-3,或x≥3},逐个验证知B正确.答案:B2.(2013·临沂一模)已知全集U=Z,集合A={0,1},B={-1,0,1,2},则图中阴影部分所表示的集合为()A.{-1,2} B.{-1,0}C.{0,1} D.{1,2}解析:图中阴影部分表示的集合为(∁U A)∩B,因为A={0,1},B={-1,0,1,2},所以(∁U A)∩B={-1,2}.答案:A3.已知全集U={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},集合A={0,1,3,5,8},集合B={2,4,5,6,8},则(∁U A)∩(∁U B)=() A.{5,8} B.{7,9}C.{0,1,3} D.{2,4,6}解析:因为A∪B={0,1,2,3,4,5,6,8},所以(∁U A)∩(∁U B)=∁U(A∪B)={7,9}.答案:B4.已知全集U={2,3,a2-a-1},A={2,3},若∁U A={1},则实数a的值是________.解析:∵U={2,3,a2-a-1},A={2,3},∁U A={1},∴a2-a-1=1,即a2-a-2=0,∴a=-1或a=2.答案:-1或25.已知集合A={x|0≤x≤5},B={x|2≤x<5},则∁A B=________.解析:如图:由数轴可知:∁A B={x|0≤x<2,或x=5}.答案:{x|0≤x<2,或x=5}6.设全集U={x|0<x<10,x∈N},若A∩B={3},A∩(∁U B)={1,5,7},(∁U A)∩(∁U B)={9},求集合A,B.解:U={1,2,3,4,5,6,7,8,9},由题意画出Venn图,∴A={1,3,5,7},B={2,3,4,6,8}.一、选择题1.设U=R,A={x|x>0},B={x|x>1},则A∩(∁U B)=()A.{x|0≤x<1} B.{x|0<x≤1}C.{x|x<0} D.{x|x>1}解析:画出数轴,如图所示,∁U B={x|x≤1},则A∩(∁U B)={x|0<x≤1}.答案:B2.已知全集U=A∪B中有m个元素,(∁U A)∪(∁U B)中有n个元素.若A∩B是非空集合,则A∩B的元素个数为()A.mn B.m+nC.n-m D.m-n解析:画出Venn图,如图.∵U=A∪B中有m个元素,(∁U A)∪(∁U B)=∁U(A∩B)中有n个元素,∴A∩B中有m-n个元素.答案:D3.已知集合A={x|x<a},B={x|x<2},且A∪(∁R B)=R,则a满足()A.a≥2 B.a>2C.a<2 D.a≤2解析:∁R B={x|x≥2},则由A∪(∁R B)=R得a≥2.答案:A4.设S为全集,则下列几种说法中,错误的个数是()①若A∩B=∅,则(∁S A)∪(∁S B)=S;②若A∪B=S,则(∁S A)∩(∁S B)=∅;③若A∪B=∅,则A=B.A.0 B.1C.2 D.3解析:①如图,(∁S A)∪(∁S B)=S,正确.②若A∪B=S,则(∁S A)∩(∁S B)=∁S(A∪B)=∅,故成立.③若A∪B=∅,则A=B=∅.答案:A二、填空题5.已知集合A={1,3,5,7,9},B={0,3,6,9,12},则A∩B=________,A∩(∁N B)=________.解析:因为集合A与集合B都有元素3和9,所以A∩B={3,9},结合Venn图(如图所示),易得A∩(∁N B)={1,5,7}.答案:{3,9}{1,5,7}6.设集合A={x|x+m≥0},B={x|-2<x<4},全集U=R,且(∁U A)∩B=∅,则实数m的取值范围是________.解析:∵A={x|x≥-m},∴∁U A={x|x<-m}.又∵(∁U A)∩B=∅,-m≤-2.∴m≥2.答案:m≥27.设全集U={a,b,c,d},集合A={a,b},B={b,c,d},则(∁U A)∪(∁U B)=________.解析:依题意得知,∁U A={c,d},∁U B={a},(∁U A)∪(∁U B)={a,c,d}.答案:{a,c,d}8.已知全集U(U≠∅)和集合A、B、D,且A=∁U B,B=∁U D,则A与D的关系是________.解析:A=∁U B=∁U(∁U D)=D.答案:A=D三、解答题9.已知全集U={x|-1≤x≤4},A={x|-1≤x≤1},B={x|0<x≤3},求∁U A,(∁U B)∩A.解:∵U={x|-1≤x≤4},A={x|-1≤x≤1},B={x|0<x≤3},结合数轴(如图).可知∁U A={x|1<x≤4},∁U B={x|3<x≤4,或-1≤x≤0}.结合数轴(如图).可知(∁U B)∩A={x|-1≤x≤0}.10.2011年8月世界大学生运动会在深圳举行,大运村的50名志愿者中,会讲英语的有36人,会讲日语的有20人,既会讲英语又会讲日语的有14人,问既不会讲英语又不会讲日语的有多少人?解:设全集U={50名志愿者},A={会讲英语的志愿者},B={会讲日语的志愿者},A∩B={既会讲英语又会讲日语的志愿者},画出Venn图,如图,则由Venn图知,既不会讲英语又不会讲日语的志愿者有50-22-14-6=8(人).1.2.1函数的概念[读教材·填要点]1.函数的概念(1)函数的定义:设A,B是非空的数集,如果按照某种确定的对应关系f,使对于集合A中的任意一个数x,在集合B中都有唯一确定的数f(x)和它对应,那么就称f:A→B为从集合A到集合B的一个函数,记作y=f(x),x∈A.(2)函数的定义域与值域:函数y=f(x)中,x叫自变量,x的取值范围叫做函数的定义域,与x的值相对应的y值叫做函数值,函数值的集合{f(x)|x∈A}叫做函数的值域.显然,值域是集合B的子集.2.区间概念(a,b为实数,且a<b)3.1.从函数的定义看,它的定义域和值域能否为空集?提示:因为定义中的A、B是非空数集,所以函数的定义域和值域都不能为空集.2.所有的数集都能用区间表示吗?提示:区间是数集的另一种表示方法,但并不是所有数集都能用区间表示,如{1,2,3,4}就不能用区间表示.3.如何用区间表示下列数集?(1){x|x≥1};(2){x|2<x≤3};(3){x|x>1且x≠2}.提示:(1)[1,+∞)(2)(2,3](3)(1,2)∪(2,+∞)[例1]设M={x|0≤x≤2}M到集合N的函数关系的有()A.0个B.1个C.2个D.3个[自主解答][答案] B——————————————————判断所给对应是否是函数,首先观察两个集合A、B是否是非空数集,其次验证对应关系下,集合A中数x 的任意性,集合B中数y的唯一性. ————————————————————————————————————————1.图中(1)(2)(3)(4)四个图象各表示两个变量x,y的对应关系,其中表示y是x的函数关系的有________.解析:由函数定义可知,任意作一条直线x=a,则与函数的图象至多有一个交点,对于本题而言,当-1≤a≤1时,直线x=a与函数的图象仅有一个交点,当a>1或a<-1时,直线x=a与函数的图象没有交点.从而表示y 是x的函数关系的有(2)(3).答案:(2)(3)[例2](1)f (x )=3x +2;(2)f (x )=3-x1-x -1.[自主解答] (1)使根式3x +2有意义的实数x 的集合是⎩⎨⎧⎭⎬⎫x ⎪⎪x ≥-23,从而函数f (x )=3x +2的定义域是⎩⎨⎧⎭⎬⎫x ⎪⎪x ≥-23.(2)要使3-x1-x -1有意义,只要⎩⎨⎧x -1≥0,3-x ≥0,x ≠2.因此函数f (x )=3-x1-x -1的定义域为{x |1≤x ≤3且x ≠2}. ——————————————————求函数定义域的方法及注意事项:(1)要明确使各函数表达式有意义的条件是什么,函数有意义的准则一般有:①分式的分母不为0;②偶次根式的被开方数非负;③y =x 0要求x ≠0.(2)当一个函数由两个或两个以上代数式的和、差、积、商的形式构成时,定义域是使得各式子都有意义的公共部分的集合.(3)定义域是一个集合,要用集合或区间表示,若用区间表示数集,不能用“或”连接,而应该用并集符号“∪”连接.————————————————————————————————————————2.求下列函数的定义域: (1)y =(x +1)0|x |-x ;(2)y =2x +3-12-x +1x. 解:(1)由⎩⎪⎨⎪⎧ x +1≠0,|x |-x ≠0得⎩⎪⎨⎪⎧x ≠-1,|x |≠x ,∴x <0且x ≠-1,∴原函数的定义域为{x |x <0且x ≠-1}.(2)要使函数有意义,需⎩⎨⎧2x +3≥0,2-x >0,x ≠0.解得-32≤x <2且x ≠0,所以函数y =2x +3-12-x+1x 的定义域为⎣⎡⎭⎫-32,0∪(0,2).[例3] (1)f (x )=(x )2,g (x )=x 2; (2)f (x )=x 2-2x -1,g (t )=t 2-2t -1.[自主解答] (1)由于函数f (x )=(x )2的定义域为{x |x ≥0},而g (x )=x 2的定义域为{x |x ∈R },它们的定义域不同,所以它们不表示同一函数.(2)两个函数的定义域和对应关系都相同,所以它们表示同一函数. ——————————————————判断两个函数f (x )和g (x )是否是相等函数的步骤是:①先求函数f (x )和g (x )的定义域,如果定义域不同,那么它们不相等,如果定义域相同,再执行下一步;②化简函数的解析式,如果化简后的函数解析式相同,那么它们相等,否则它们不相等.————————————————————————————————————————3.下列各组函数中,f (x )与g (x )表示同一函数的是( ) A .f (x )=x -1与g (x )=x 2-2x +1 B .f (x )=x 与g (x )=x 2xC .f (x )=x 与g (x )=3x 3 D .f (x )=x 2-4x -2与g (x )=x +2解析:A 选项中,f (x )与g (x )的对应关系不同,它们不表示同一函数;B ,D 选项中,f (x )与g (x )的定义域不同,它们不表示同一函数.答案:C求函数y =(x -2)(x +1)(x -2)(x +3)的定义域.[错解] 要使函数y =(x -2)(x +1)(x -2)(x +3)=x +1x +3有意义,则x ≠-3.故所求函数的定义域为{x |x ≠-3}.[错因] 约分扩大了自变量的取值范围.由于同时约去了函数中分子、分母的公因式“x -2”,使原函数变形为y =x +1x +3,从而改变了原函数的自变量x 的取值范围,也就是说,函数y =(x -2)(x +1)(x -2)(x +3)与函数y =x +1x +3不相等. [正解] 要使函数有意义,必须使(x -2)(x +3)≠0, 即x -2≠0且x +3≠0, 解得x ≠2且x ≠-3,。
最优化方法实验报告(2)

最优化方法实验报告Numerical Linear Algebra And ItsApplications学生所在学院:理学院学生所在班级:计算数学10-1学生姓名:甘纯指导教师:单锐教务处2013年5月实验三实验名称:无约束最优化方法的MATLAB实现实验时间: 2013年05月10日星期三实验成绩:一、实验目的:通过本次实验的学习,进一步熟悉掌握使用MATLAB软件,并能利用该软件进行无约束最优化方法的计算。
二、实验背景:(一)最速下降法1、算法原理最速下降法的搜索方向是目标函数的负梯度方向,最速下降法从目标函数的负梯度方向一直前进,直到到达目标函数的最低点。
2、算法步骤用最速下降法求无约束问题n R()min的算法步骤如下:xxf,a )给定初始点)0(x ,精度0>ε,并令k=0;b )计算搜索方向)()()(k k x f v -∇=,其中)()(k x f ∇表示函数)(x f 在点)(k x 处的梯度;c )若ε≤)(k v ,则停止计算;否则,从)(k x 出发,沿)(k v 进行一维搜索,即求k λ,使得)(min )()()(0)()(k k k k v x f v x f λλλ+=+≥; d )令1,)()()1(+=+=+k k v x x k k k k λ,转b )。
(二)牛顿法1、算法原理牛顿法是基于多元函数的泰勒展开而来的,它将)()]([-)(1)(2k k x f x f ∇∇-作为搜索方向,因此它的迭代公式可直接写出来:)()]([)(1)(2)()(k k k k x f x f x x ∇∇-=-2、算法步骤用牛顿法求无约束问题n R x x f ∈),(min 的算法步骤如下:a )给定初始点)0(x ,精度0>ε,并令k=0;b )若ε≤∇)()(k x f ,停止,极小点为)(k x ,否则转c );c )计算)()]([,)]([)(1)(2)(1)(2k k k k x f x f p x f ∇∇-=∇--令;d )令1,)()()1(+=+=+k k p x x k k k ,转b )。
机械优化设计上机报告

机械优化设计上机实践报告班级:机械(茅以升)101姓名 :学号 : 1004010510成绩 :指导教师 : 迎辉日期 : 2013.11.201 《一维搜索方法》上机实践报告1、写出所选择的一维搜索算法的基本过程、原理(可附流程图说明)。
(一)进退法 1. 算法原理进退法是用来确定搜索区间(包含极小值点的区间)的算法,其理论依据是:()f x 为单谷函数(只有一个极值点),且[,]a b 为其极小值点的一个搜索区间,对于任意12,[,]x x a b ∈,如果()()12f x f x <,则2[,]a x 为极小值的搜索区间,如果()()12f x f x >,则1[,]x b 为极小值的搜索区间。
因此,在给定初始点0x ,及初始搜索步长h 的情况下,首先以初始步长向前搜索一步,计算()0f x h +。
(1) 如果()()00f x f x h <+则可知搜索区间为0[,]x x h +%,其中x %待求,为确定x %,后退一步计算0()f x h λ-,λ为缩小系数,且01λ<<,直接找到合适的*λ,使得()*00()f x h f x λ->,从而确定搜索区间*00[,]x h x h λ-+。
(2) 如果()()00f x f x h >+则可知搜索区间为0[,]x x %,其中x %待求,为确定x %,前进一步计算0()f x h λ+,λ为放大系数,且1λ>,知道找到合适的*λ,使得()*00()f x h f x h λ+<+,从而确定搜索区间*00[,]x x h λ+。
2. 算法步骤用进退法求一维无约束问题min (),f x x R ∈的搜索区间(包含极小值点的区间)的基本算法步骤如下:(1) 给定初始点(0)x ,初始步长0h ,令0h h =,(1)(0)x x =,0k =; (2) 令(4)(1)x x h =+,置1k k =+;(3) 若()()(4)(1)f x f x <,则转步骤(4),否则转步骤(5);(4) 令(2)(1)(1)(4),x x x x ==,()()(2)(1)f x f x =,()()(1)(4)f x f x =,令2h h =,转步骤(2); (5) 若1k =,则转步骤(6)否则转步骤(7);(6) 令h h =-,(2)(4)x x =,()()(2)(4)f x f x =,转步骤(2);(7) 令(3)(2)(2)(1)(1)(4),,x x x x x x ===,停止计算,极小值点包含于区间(1)(3)(3)(1)[,][,]x x x x 或(二)黄金分割法1、黄金分割法基本思路:黄金分割法适用于[a ,b]区间上的任何单股函数求极小值问题,对函数除要求“单谷”外不做其他要求,甚至可以不连续。
最优化方法实验报告(1)

最优化方法实验报告(1)最优化方法实验报告Numerical Linear Algebra And Its Applications学生所在学院:理学院学生所在班级:计算数学10-1学生姓名:甘纯指导教师:单锐教务处2013年5月实验一实验名称:熟悉matlab基本功能实验时间: 2013年05月10日星期三实验成绩:一、实验目的:在本次实验中,通过亲临使用MATLAB,对该软件做一全面了解并掌握重点内容。
二、实验内容:1. 全面了解MATLAB系统2. 实验常用工具的具体操作和功能实验二实验名称:一维搜索方法的MATLAB实现实验时间: 2013年05月10日星期三实验成绩:一、实验目的:通过上机利用Matlab数学软件进行一维搜索,并学会对具体问题进行分析。
并且熟悉Matlab软件的实用方法,并且做到学习与使用并存,增加学习的实际动手性,不再让学习局限于书本和纸上,而是利用计算机学习来增加我们的学习兴趣。
二、实验背景:(一)0.618法(黄金分割法),它是一种基于区间收缩的极小点搜索算法,当用进退法确定搜索区间后,我们只知道极小点包含于搜索区间内,但是具体哪个点,无法得知。
1、算法原理黄金分割法的思想很直接,既然极小点包含于搜索区间内,那么可以不断的缩小搜索区间,就可以使搜索区间的端点逼近到极小点。
2、算法步骤用黄金分割法求无约束问题min (),f x x R ∈的基本步骤如下:(1)选定初始区间11[,]a b 及精度0ε>,计算试探点:11110.382*()a b a λ=+-11110.618*()a b a μ=+-。
(2)若k k b a ε-<,则停止计算。
否则当()()k k f f λμ>时转步骤(3)。
当()()k k f f λμ≤转步骤(4)。
(3)置11111110.382*()k kk k k k k k k k a b b a b a λλμμ+++++++=??=??=??=+-?转步骤(5)(4)置11111110.382*()k k k k k k k k k k a a b a b a μμλλ+++++++=??=??=??=+-?转步骤(5)(5)令1k k =+,转步骤(2)。
大连理工大学优化方法上机作业

大连理工大学优化方法上机作业-标准化文件发布号:(9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII优化方法上机大作业学院:电子信息与电气工程学部姓名:学号:指导老师:上机大作业(一)%目标函数function f=fun(x)f=100*(x(2)-x(1)^2)^2+(1-x(1))^2;end%目标函数梯度function gf=gfun(x)gf=[-400*x(1)*(x(2)-x(1)^2)-2*(1-x(1));200*(x(2)-x(1)^2)]; End%目标函数Hess矩阵function He=Hess(x)He=[1200*x(1)^2-400*x(2)+2,-400*x(1);-400*x(1), 200;];end%线搜索步长function mk=armijo(xk,dk)beta=0.5; sigma=0.2;m=0; maxm=20;while (m<=maxm)if(fun(xk+beta^m*dk)<=fun(xk)+sigma*beta^m*gfun(xk)'*dk) mk=m; break;endm=m+1;endalpha=beta^mknewxk=xk+alpha*dkfk=fun(xk)newfk=fun(newxk)%最速下降法function [k,x,val]=grad(fun,gfun,x0,epsilon)%功能:梯度法求解无约束优化问题:minf(x)%输入:fun,gfun分别是目标函数及其梯度,x0是初始点,% epsilon为容许误差%输出:k是迭代次数,x,val分别是近似最优点和最优值maxk=5000; %最大迭代次数beta=0.5; sigma=0.4;k=0;while(k<maxk)gk=feval(gfun,x0); %计算梯度dk=-gk; %计算搜索方向if(norm(gk)<epsilon), break;end%检验终止准则m=0;mk=0;while(m<20) %用Armijo搜索步长if(feval(fun,x0+beta^m*dk)<=feval(fun,x0)+sigma*beta^m*gk'*dk) mk=m;break;endm=m+1;endx0=x0+beta^mk*dk;k=k+1;endx=x0;val=feval(fun,x0);>> x0=[0;0];>> [k,x,val]=grad('fun','gfun',x0,1e-4)迭代次数:k =1033x =0.99990.9998val =1.2390e-008%牛顿法x0=[0;0];ep=1e-4;maxk=10;k=0;while(k<maxk)gk=gfun(x0);if(norm(gk)<ep)x=x0miny=fun(x)k0=kbreak;elseH=inv(Hess(x0));x0=x0-H*gk;k=k+1;endendx =1.00001.0000miny =4.9304e-030迭代次数k0 =2%BFGS方法function [k,x,val]=bfgs(fun,gfun,x0,varargin) %功能:梯度法求解无约束优化问题:minf(x)%输入:fun,gfun分别是目标函数及其梯度,x0是初始点,% epsilon为容许误差%输出:k是迭代次数,x,val分别是近似最优点和最优值N=1000;epsilon=1e-4;beta=0.55;sigma=0.4;n=length(x0);Bk=eye(n);k=0;while(k<N)gk=feval(gfun,x0,varargin{:});if(norm(gk)<epsilon), break;enddk=-Bk\gk;m=0;mk=0;while(m<20)newf=feval(fun,x0+beta^m*dk,varargin{:});oldf=feval(fun,x0,varargin{:});if(newf<=oldf+sigma*beta^m*gk'*dk)mk=m;break;endm=m+1;endx=x0+beta^mk*dk;sk=x-x0;yk=feval(gfun,x,varargin{:})-gk;if(yk'*sk>0)Bk=Bk-(Bk*sk*sk'*Bk)/(sk'*Bk*sk)+(yk*yk')/(yk'*sk);endk=k+1;x0=x;endval=feval(fun,x0,varargin{:});>> x0=[0;0];>> [k,x,val]=bfgs('fun','gfun',x0)k =20x =1.00001.0000val =2.2005e-011%共轭梯度法function [k,x,val]=frcg(fun,gfun,x0,epsilon,N)if nargin<5,N=1000;endif nargin<4, epsilon=1e-4;endbeta=0.6;sigma=0.4;n=length(x0);k=0;while(k<N)gk=feval(gfun,x0);itern=k-(n+1)*floor(k/(n+1));itern=itern+1;if(itern==1)dk=-gk;elsebetak=(gk'*gk)/(g0'*g0);dk=-gk+betak*d0; gd=gk'*dk;if(gd>=0),dk=-gk;endendif(norm(gk)<epsilon),break;endm=0;mk=0;while(m<20)if(feval(fun,x0+beta^m*dk)<=feval(fun,x0)+sigma*beta^m*gk'*dk) mk=m;break;endm=m+1;endx=x0+beta^m*dk;g0=gk; d0=dk;x0=x;k=k+1;endval=feval(fun,x);>> x0=[0;0];[k,x,val]=frcg('fun','gfun',x0,1e-4,1000)k =122x =1.00011.0002val =7.2372e-009上机大作业(二)%目标函数function f_x=fun(x)f_x=4*x(1)-x(2)^2-12;%等式约束条件function he=hf(x)he=25-x(1)^2-x(2)^2;end%不等式约束条件function gi_x=gi(x,i)switch icase 1gi_x=10*x(1)-x(1)^2+10*x(2)-x(2)^2-34;case 2gi_x=x(1);case 3gi_x=x(2);otherwiseend%求目标函数的梯度function L_grad=grad(x,lambda,cigma)d_f=[4;2*x(2)];d_g(:,1)=[-2*x(1);-2*x(2)];d_g(:,2)=[10-2*x(1);10-2*x(2)];d_g(:,3)=[1;0];d_g(:,4)=[0;1];L_grad=d_f+(lambda(1)+cigma*hf(x))*d_g(:,1);for i=1:3if lambda(i+1)+cigma*gi(x,i)<0L_grad=L_grad+(lambda(i+1)+cigma*gi(x,i))*d_g(:,i+1);continueendend%增广拉格朗日函数function LA=lag(x,lambda,cee)LA=fun(x)+lambda(1)*hf(x)+0.5*cee*hf(x)^2;for i=1:3LA=LA+1/(2*cee)*(min(0,lambda(i+1)+cee*gi(x,i))^2-lambda(i+1)^2); endfunction xk=BFGS(x0,eps,lambda,cigma)gk=grad(x0,lambda,cigma);res_B=norm(gk);k_B=0;a_=1e-4;rho=0.5;c=1e-4;length_x=length(x0);I=eye(length_x);Hk=I;while res_B>eps&&k_B<=10000dk=-Hk*gk;m=0;while m<=5000if lag(x0+a_*rho^m*dk,lambda,cigma)-lag(x0,lambda,cigma)<=c*a_*rho^m*gk'*dkmk=m;break;endm=m+1;endak=a_*rho^mk;xk=x0+ak*dk;delta=xk-x0;y=grad(xk,lambda,cigma)-gk;Hk=(I-(delta*y')/(delta'*y))*Hk*(I-(y*delta')/(delta'*y))+(delta*delta')/(delta'*y);k_B=k_B+1;x0=xk;gk=y+gk;res_B=norm(gk);end%增广拉格朗日法function val_min=ALM(x0,eps)lambda=zeros(4,1);cigma=5;alpha=10;k=1;res=[abs(hf(x0)),0,0,0];for i=1:3res(1,i+1)=norm(min(gi(x0,i),-lambda(i+1)/cigma)); endres=max(res);while res>eps&&k<1000xk=BFGS(x0,eps,lambda,cigma);lambda(1)=lambda(1)+cigma*hf(xk);for i=1:3lambda(i+1)=lambda(i+1)+min(0,lambda(i+1)+gi(x0,1)); endk=k+1;cigma=alpha*cigma;x0=xk;res=[norm(hf(x0)),0,0,0];for i=1:3res(1,i+1)=norm(min(gi(x0,i),-lambda(i+1)/cigma)); endres=max(res);endval_min=fun(xk);fprintf('k=%d\n',k);fprintf('fmin=%.4f\n',val_min);fprintf('x=[%.4f;%.4f]\n',xk(1),xk(2));>> x0=[0;0];>> val_min=ALM(x0,1e-4)k=10fmin=-31.4003x=[1.0984;4.8779]val_min =-31.4003上机大作业(三)A=[1 1;-1 0;0 -1];n=2;b=[1;0;0];G=[0.5 0;0 2];c=[2 4];cvx_solver sdpt3cvx_beginvariable x(n)minimize (x'*G*x-c*x)subject toA*x<=bcvx_enddisp(x)Status: SolvedOptimal value (cvx_optval): -2.40.40000.6000A=[2 1 1;1 2 3;2 2 1;-1 0 0;0 -1 0;0 0 -1]; n=3;b=[2;5;6;0;0;0];C=[-3 -1 -3];cvx_solver sdpt3cvx_beginvariable x(n)minimize (C*x)subject toA*x<=bcvx_enddisp(x)Status: SolvedOptimal value (cvx_optval): -5.40.20000.00001.600011。
优化方法课程大作业

优化方法课程上机大作业学部:电子信息与电气工程学部专业:生物医学工程班级:电信硕1303学号:21309210姓名:史益新大连理工大学Dalian University of Technology解:(1)MATLAB代码如下:clc;clear all;close all;[x,y]=meshgrid(-2:0.1:2,-1:0.1:3);z=(y-x.^2).^2+(1-x).^2;mesh(x,y,z)hold on;xk=[0 1]';epsilon=1e-5;plot(xk(1),xk(2),'ro');text(xk(1),xk(2),'start point');hold on;[ x,val,k ]=Newton('fun','gfun','Hess',xk,epsilon)plot(x(1),x(2),'ro');text(x(1),x(2),'end point');function [ x,val,k ] = Newton( fun,gfun,Hess,xk,epsilon ) k=0;while(1)gk=feval(gfun,xk);hk=feval(Hess,xk);sk=-inv(hk)*gk;if(norm(gk)<epsilon)break;endxk=xk+sk;k=k+1;endx=xk;val=feval(fun,x);endfunction f = fun(x)f=(x(2)-x(1)^2)^2+(1-x(1))^2;endfunction g=gfun(x)g=[-4*x(1)*(x(2)-x(1)^2)+2*(1-x(1)),2*(x(2)-x(1)^2)]'; endfunction He = Hess( x )n=length(x);He=zeros(n,n);He=[12*x(1)^2-4*x(2)+2,-4*x(1);-4*x(1), 2 ];end(2)代码运行结果如下:解:(1)MATLAB代码如下:clc;clear all;close all;x0=[0 0 0 0]';epsilon=1e-5;[ x,val,k ]=Frcg('fun','gfun',x0,epsilon)function [ x,val,k ] = Frcg( fun,gfun,x0,epsilon )rho=0.6;sigma=0.5;k=0;n=length(x0);while(1)g=feval(gfun,x0);itern=k-(n+1)*floor(k/(n+1));itern=itern+1;if(itern==1)d=-g;elsebeta=(g'*g)/(g0'*g0);d=-g+beta*d0;gd=g'*d;if(gd>=0.0)d=-g;endendif(norm(g)<epsilon)break;endm=0;mk=0;while(m<20)if(feval(fun,x0+rho^m*d)<feval(fun,x0)+sigma*rho^m*g'*d) mk=m;break;endm=m+1;endx0=x0+rho^mk*d;val=feval(fun,x0);g0=g;d0=d;k=k+1;endx=x0;val=feval(fun,x);function f = fun( x )f=x(1)^2-2*x(1)*x(2)+2*x(2)^2+x(3)^2+x(4)^2-x(2)*x(3)+2*x(1)+3*x(2)-x(3); endfunction g = gfun( x )g=[2*x(1)-2*x(2)+2,-2*x(1)+4*x(2)-x(3)+3,2*x(3)-x(2)-1,2*x(4)]';end(2)代码运行结果如下:解:(1)MATLAB代码如下:clc;clear all;close all;[x,y]=meshgrid(-2:0.1:2,-1:0.1:3);z=5*(y-x.^2).^2+(x-1).^2;mesh(x,y,z)hold on;x0=[2 0]';epsilon=1e-5;plot(x0(1),x0(2),'ro');text(x0(1),x0(2),'start point');hold on;[ x1,val1,k1 ]=grad('fun','gfun',x0,epsilon)plot(x1(1),x1(2),'ro');text(x1(1),x1(2),'end point1');hold on;[ x2,val2,k2 ]=znNewton('fun','gfun','Hess',x0,epsilon) plot(x2(1),x2(2),'bo');text(x2(1),x2(2),'end point2');hold on;[ x3,val3,k3 ]=BFGS('fun','gfun',x0,epsilon)plot(x3(1),x3(2),'go');text(x3(1),x3(2),'end point3');hold on;function [ x,val,k ] = grad( fun,gfun,x0,epsilon )rho=0.5;sigma=0.4;k=0;while(1)g=feval(gfun,x0);d=-g;if(norm(d)<epsilon)break;endm=0;mk=0;while(m<20)if(feval(fun,x0+rho^m*d)<feval(fun,x0)+sigma*rho^m*g'*d) mk=m;break;endm=m+1;endx0=x0+rho^mk*d;k=k+1;endx=x0;val=feval(fun,x0);endfunction [ x,val,k ] = znNewton( fun,gfun,Hess,x0,epsilon )rho=0.5;sigma=0.4;k=0;while(1)gk=feval(gfun,x0);hk=feval(Hess,x0);dk=-inv(hk)*gk;if(norm(gk)<epsilon)break;endm=0;mk=0;while(m<20)if(feval(fun,x0+rho^m*dk)<feval(fun,x0)+sigma*rho^m*gk'*dk) mk=m;break;endm=m+1;endx0=x0+rho^mk*dk;k=k+1;endx=x0;val=feval(fun,x0);endfunction [ x,val,k ] = BFGS( fun,gfun,x0,epsilon )rho=0.5;sigma=0.4;k=0;n=length(x0);bk=eye(n);while(1)gk=feval(gfun,x0);if(norm(gk)<epsilon)break;enddk=-inv(bk)*gk;m=0;mk=0;while(m<20)newf=feval(fun,x0+rho^m*dk);oldf=feval(fun,x0);if(newf<oldf+sigma*rho^m*gk'*dk)mk=m;break;endm=m+1;endx=x0+rho^mk*dk;sk=x-x0;yk=feval(gfun,x)-gk;if(yk'*sk>0)bk=bk-(bk*sk*sk'*bk)/(sk'*bk*sk)+(yk*yk')/(yk'*sk);endk=k+1;x0=x;endval=feval(fun,x0);endfunction f = fun(x)f=5*(x(2)-x(1)^2)^2+(x(1)-1)^2;endfunction g=gfun(x)g=[-20*x(1)*(x(2)-x(1)^2)+2*(x(1)-1),10*(x(2)-x(1)^2)]'; endfunction He = Hess( x )n=length(x);He=zeros(n,n);He=[60*x(1)^2-20*x(2)+2,-20*x(1);-20*x(1), 10 ];end(2)代码运行结果如下:解:(1)MATLAB程序如下:clc;close all;clear all;x0=[1,0]';epsilon=1e-5;[ x,mu,lambda,output ] = multphr( 'f1','h1','g1','df1','dh1','dg1',x0,epsilon )function [ x,mu,lambda,output ] = multphr( fun,hf,gf,dfun,dhf,dgf,x0,epsilon )%MULTPHR Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heresigma=2.0;eta=2.0;theta=0.8;k=0;ink=0;x=x0;he=feval(hf,x);gi=feval(gf,x);n=length(x);l=length(he);m=length(gi);%initial of multi-vectormu=0.1*ones(l,1);lambda=0.1*ones(m,1);btak=10;btaold=10;while(btak>epsilon)[x,ival,ik]=BFGS('mpsi','dmpsi',x0,epsilon,fun,hf,gf,dfun,dhf,dgf,mu,lambda,sigma);ink=ink+ik;he=feval(hf,x);gi=feval(gf,x);btak=0;for(i=1:l)btak=btak+he(i)^2;endfor(i=1:m)temp=min(gi(i),lambda(i)/sigma);btak=btak+temp^2;endbtak=sqrt(btak);if(btak>epsilon)if(k>=2 & btak>theta*btaold)sigma=eta*sigma;endfor(i=1:l)mu(i)=mu(i)-sigma*he(i);endfor(i=1:m)lambda(i)=max(0,lambda(i)-sigma*gi(i));endendk=k+1;btaold=btak;x0=x;endf=feval(fun,x);output.fval=f;output.iter=k;output.inner_iter=ink;output.bta=btak;endfunction [ x,val,k ] = BFGS( fun,gfun,x0,varargin )rho=0.5;epsilon=1e-5;sigma=0.4;k=0;n=length(x0);bk=eye(n);while(1)gk=feval(gfun,x0,varargin{:});if(norm(gk)<epsilon)break;enddk=-inv(bk)*gk;m=0;mk=0;while(m<20)newf=feval(fun,x0+rho^m*dk,varargin{:});oldf=feval(fun,x0,varargin{:});if(newf<oldf+sigma*rho^m*gk'*dk)mk=m;break;endm=m+1;endx=x0+rho^mk*dk;sk=x-x0;yk=feval(gfun,x,varargin{:})-gk;if(yk'*sk>0)bk=bk-(bk*sk*sk'*bk)/(sk'*bk*sk)+(yk*yk')/(yk'*sk);endk=k+1;x0=x;endval=feval(fun,x0,varargin{:});endfunction psi = mpsi( x,epsilon,fun,hf,gf,dfun,dhf,dgf,mu,lambda,sigma ) %MPSI Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heref=feval(fun,x);he=feval(hf,x);gi=feval(gf,x);l=length(he);m=length(gi);psi=f;s1=0;for(i=1:l)psi=psi-he(i)*mu(i);s1=s1+he(i)^2;endpsi=psi+0.5*sigma*s1;s2=0;for(i=1:m)s3=max(0,lambda(i)-sigma*gi(i));s2=s2+s3^2-lambda(i)^2;endpsi=psi+s2/(2*sigma);endfunction dpsi = dmpsi( x,epsilon,fun,hf,gf,dfun,dhf,dgf,mu,lambda,sigma ) %DMPSI Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heredpsi=feval(dfun,x);he=feval(hf,x);gi=feval(gf,x);dhe=feval(dhf,x);dgi=feval(dgf,x);l=length(he);m=length(gi);for(i=1:l)dpsi=dpsi+(sigma*he(i)-mu(i))*dhe(:,i);endfor(i=1:m)dpsi=dpsi+(sigma*gi(i)-lambda(i))*dgi(:,i);endendfunction f = f1( x )f=4*x(1)-x(2)^2-12;endfunction gi = g1( x )gi=10*x(1)-x(1)^2+10*x(2)-x(2)^2-34;%unequation constrainendfunction he = h1( x )he=25-x(1)^2-x(2)^2;%equation constrainendfunction g = df1( x )g=[4,-2*x(2)]';endfunction dgi = dg1( x )dgi=[-2*x(1)+10,-2*x(2)+10]';endfunction dhe = dh1( x )dhe=[-2*x(1),-2*x(2)]';end(2)代码运行结果如下:解:(1)MATLAB代码如下:clc;close all;clear all;H=[2 0;0 2];c=[-2 -5]';Ae=[];be=[];Ai=[1 -2;-1 -2;-1 2;1 0;0 1];bi=[-2 -6 -2 0 0]';x0=[0 0]';epsilon=1e-9;[ x,lamk,exitflag,output ] = qpact( H,c,Ae,be,Ai,bi,x0,epsilon )function [ x,lamk,exitflag,output ] = qpact( H,c,Ae,be,Ai,bi,x0,epsilon ) %QPACT Summary of this function goes here% Detailed explanation goes hereerr=1e-6;k=0;x=x0;n=length(x);kmax=1e3;ne=length(be);ni=length(bi);lamk=zeros(ne+ni,1);index=ones(ni,1);for(i=1:ni)if(Ai(i,:)*x>bi(i)+epsilon)index(i)=0;endendwhile(k<=kmax)Aee=[];if(ne>0)Aee=Ae;endfor(j=1:ni)if(index(j)>0)Aee=[Aee;Ai(j,:)];endendgk=H*x+c;[m1,n1]=size(Aee);[dk,lamk]=qsubp(H,gk,Aee,zeros(m1,1));if(norm(dk)<=err)y=0;if(length(lamk)>ne)[y,jk]=min(lamk(ne+1:length(lamk)));endif(y>=0)exitflag=0;elseexitflag=1;for(i=1:ni)if(index(i)&(ne+sum(index(1:i)))==jk)index(i)=0;break;endendendk=k+1;elseexitflag=1;alpha=1;tm=1;for(i=1:ni)if((index(i)==0)&(Ai(i,:)*dk<0))tm1=(bi(i)-Ai(i,:)*x)/(Ai(i,:)*dk);if(tm1<tm)tm=tm1;ti=i;endendendalpha=min(alpha,tm);x=x+alpha*dk;if(tm<1)index(ti)=1;endendif(exitflag==0)break;end %updata the setk=k+1;endoutput.fval=0.5*x'*H*x+c'*x;output.iter=k;endfunction [ x,lambda ] = qsubp( H,c,Ae,be )%QSUBP Summary of this function goes here % Detailed explanation goes hereginvH=pinv(H);[m,n]=size(Ae);if(m>0)rb=Ae*ginvH*c+be;lambda=pinv(Ae*ginvH*Ae')*rb;x=ginvH*(Ae'*lambda-c);elsex=-ginvH*c;lambda=0;endend(2)代码运行结果如下:解:(1)MATLAB代码如下:clc;close all;clear all;x0=[0.5 0.2]';mu0=[ ]';lam0=[0 0 0 0]';epsilon=1e-6;[ x,mu,lam,val,k ] = sqpm( x0,mu0,lam0,epsilon)function [ x,mu,lam,val,k ] = sqpm( x0,mu0,lam0,epsilon ) %SQPM Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heren=length(x0);l=length(mu0);m=length(lam0);rho=0.5;eta=0.1;B0=eye(n);x=x0;mu=mu0;lam=lam0;Bk=B0;sigma=0.8;[hk,gk]=cons(x);dfk=df1(x);[Ae,Ai]=dcons(x);Ak=[Ae;Ai];k=0;while(1)[dk,mu,lam]=qpsubp(dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk,epsilon);mp1=norm(hk,1)+norm(max(-gk,0),1);if (norm(dk,1)<epsilon) & (mp1<1e-5)break;enddeta=0.05;tau=max(norm(mu,inf),norm(lam,inf));if(sigma*(tau+deta)<1)sigma=sigma;elsesigma=1.0/(tau+2*deta);endim=0;while(im<=20)if(phi1(x+rho^im*dk,sigma)-phi1(x,sigma)<eta*rho^im*dphi1(x,sigma,dk)) mk=im;break;endim=im+1;if(im==20)mk=10;endendalpha=rho^mk;x1=x+alpha*dk;[hk,gk]=cons(x1);dfk=df1(x1);[Ae,Ai]=dcons(x1);Ak=[Ae;Ai];lamu=pinv(Ak)'*dfk;if(l>0 & m>0)mu=lamu(1:l);lam=lamu(l+1:l+m);endif(l==0)mu=[];lam=lamu;endif(m==0)mu=lamu;lam=[];endsk=alpha*dk;yk=dlax(x1,mu,lam)-dlax(x,mu,lam);if(sk'*yk>0.2*sk'*Bk*sk)theta=1;elsetheta=0.8*sk'*Bk*sk/(sk'*Bk*sk-sk'*yk);endzk=theta*yk+(1-theta)*Bk*sk;Bk=Bk+zk*zk'/(sk'*zk)-(Bk*sk)*(Bk*sk)'/(sk'*Bk*sk);x=x1;k=k+1;endval=f1(x);endfunction [ d,mu,lam,val,k ] = qpsubp( dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk,epsilon ) %QPSUBP Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heren=length(dfk);l=length(hk);m=length(gk);gamma=0.05;rho=0.5;sigma=0.2;ep0=0.05;mu0=0.05*zeros(l,1);lam0=0.05*zeros(m,1);d0=ones(n,1);u0=[ep0;zeros(n+l+m,1)];z0=[ep0;d0;mu0;lam0,];k=0;z=z0;ep=ep0;d=d0;mu=mu0;lam=lam0;while(1)dh=dah(ep,d,mu,lam,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk);if(norm(dh)<epsilon)break;endA=JacobiH(ep,d,mu,lam,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk);b=beta(ep,d,mu,lam,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk,gamma)*u0-dh;dz=pinv(A)*b;if(l>0 & m>0)de=dz(1);dd=dz(2:n+1);du=dz(n+2:n+l+1);dl=dz(n+l+2:n+l+m+1);endif(l==0)de=dz(1);dd=dz(2:n+1);dl=dz(n+2:n+m+1);endif(m==0)de=dz(1);dd=dz(2:n+1);du=dz(n+2:n+l+1);endi=0;while(i<=20)if(l>0 & m>0)dh1=dah(ep+rho^i*de,d+rho^i*dd,mu+rho^i*du,lam+rho^i*dl,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk);endif(l==0)dh1=dah(ep+rho^i*de,d+rho^i*dd,mu,lam+rho^i*dl,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk);endif(m==0)dh1=dah(ep+rho^i*de,d+rho^i*dd,mu+rho^i*du,lam,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk);endif(norm(dh1)<=(1-sigma*(1-gamma*ep0)*rho^i)*norm(dh))mk=i;break;endi=i+1;if(i==20)mk=10;endendalpha=rho^mk;if(l>0 & m>0)ep=ep+alpha*de;d=d+alpha*dd;mu=mu+alpha*du;lam=lam+alpha*dl;endif(l==0)ep=ep+alpha*de;d=d+alpha*dd;lam=lam+alpha*dl;endif(m==0)ep=ep+alpha*de;d=d+alpha*dd;mu=mu+alpha*du;endk=k+1;endendfunction dh = dah( ep,d,mu,lam,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk )%DAH Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heren=length(dfk);l=length(hk);m=length(gk);dh=zeros(n+l+m+1,1);dh(1)=ep;if(l>0 & m>0)dh(2:n+1)=Bk*d-Ae'*mu-Ai'*lam+dfk;dh(n+2:n+l+1)=hk+Ae*d;for(i=1:m)dh(n+l+1+i)=phi(ep,lam(i),gk(i)+Ai(i,:)*d);endendif(l==0)dh(2:n+1)=Bk*d-Ai'*lam+dfk;for(i=1:m)dh(n+1+i)=phi(ep,lam(i),gk(i)+Ai(i,:)*d);endendif(m==0)dh(2:n+1)=Bk*d-Ae'*mu+dfk;dh(n+2:n+l+1)=hk+Ae*d;enddh=dh(:);endfunction bet = beta( ep,d,mu,lam,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk,gamma )%BETA Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heredh=dah(ep,d,mu,lam,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk);bet=gamma*norm(dh)*min(1,norm(dh));endfunction [ h,g ] = cons( x )%CONS Summary of this function goes here% Detailed explanation goes hereh=[ ];g=[-x(1)^2+6*x(1)-4*x(2)+11,x(1)*x(2)-3*x(2)-exp(x(1)-1)+1,x(1),x(2)]'; endfunction [ dh,dg ] = dcons( x )%DCONS Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heredh=[ ];dg=[-2*x(1)+6,-4;x(2)-exp(x(1)-1),x(1)-1;1,0;0,1];endfunction [ dd1,dd2,v1 ] = ddv( ep,d,lam,Ai,gk)%DDV Summary of this function goes here% Detailed explanation goes herem=length(gk);dd1=zeros(m,m);dd2=zeros(m,m);v1=zeros(m,1);for(i=1:m)fm=sqrt(lam(i)^2+(gk(i)+Ai(i,:)*d)^2+2*ep^2);dd1(i,i)=1-lam(i)/fm;dd2(i,i)=1-(gk(i)+Ai(i,:)*d)/fm;v1(i)=-2*ep/fm;endendfunction df = df1( x )%DF1 Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heredf=[2*x(1)-16,2*x(2)-10]';endfunction dl = dlax( x,mu,lam )%DLAX Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heredf=df1(x);[Ae,Ai]=dcons(x);[m1,m2]=size(Ai);[l1,l2]=size(Ae);if(l1==0)dl=df-Ai'*lam;endif(m1==0)dl=df-Ae'*mu;endif(l1>0 & m1>0)dl=df-Ae'*mu-Ai'*lam;endendfunction f = f1( x )%F1 Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heref=x(1)^2+x(2)^2-16*x(1)-10*x(2);endfunction p = phi( ep,a,b )%PHI Summary of this function goes here% Detailed explanation goes herep=a+b-sqrt(a^2+b^2+2*ep^2);endfunction p = phi1( x,sigma )%PHI1 Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heref=f1(x);[h,g]=cons(x);gn=max(-g,0);l0=length(h);m0=length(g);if(l0==0)p=f+1.0/sigma*norm(gn,1);endif(m0==0)p=f+1.0/sigma*norm(h,1);endif(l0>0 & m0>0)p=f+1.0/sigma*(norm(h,1)+norm(gn,1)); endendfunction dp = dphi1( x,sigma,d )%DPHI1 Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heredf=df1(x);[h,g]=cons(x);gn=max(-g,0);l0=length(h);m0=length(g);if(l0==0)dp=df'*d-1.0/sigma*norm(gn,1);endif(m0==0)dp=df'*d-1.0/sigma*norm(h,1);endif(l0>0 & m0>0)dp=df'*d-1.0/sigma*(norm(h,1)+norm(gn,1)); endendfunction A = JacobiH( ep,d,mu,lam,dfk,Bk,Ae,hk,Ai,gk )%JACOBIH Summary of this function goes here% Detailed explanation goes heren=length(dfk);l=length(hk);m=length(gk);A=zeros(n+l+m+1,n+l+m+1);[dd1,dd2,v1]=ddv(ep,d,lam,Ai,gk);if(l>0 & m>0)A=[1, zeros(1,n), zeros(1,l), zeros(1,m);zeros(n,1), Bk, -Ae', -Ai';zeros(l,1), Ae, zeros(l,l), zeros(l,m);v1, dd2*Ai, zeros(m,l), dd1]; endif(l==0)A=[1, zeros(1,n), zeros(1,m);zeros(n,1), Bk, -Ai';v1, dd2*Ai, dd1];endif(m==0)A=[1, zeros(1,n), zeros(1,l);zeros(n,1), Bk, -Ae';zeros(l,1), Ae, zeros(l,l)];endend(2)代码运行结果如下:解:(1)MATLAB代码如下:clc;close all;clear all;f=[1 1 1 1 1 1 1 1];A=[1 0 0 0.5;0 1 0.2 0.3;0 0.1 1 0.2];Aeq=[A,-A];beq=[-1 0.2 1]';lb=zeros(8,1);x=linprog(f,[],[],Aeq,beq,lb);x=[x(1)-x(5) x(2)-x(6) x(3)-x(7) x(4)-x(8)]' (2)代码运行结果如下:。
汽车及发动机优化设计(2013实例部分)

5)质量要轻。
1)各个设计要求在传统的设计中 如何实现? 2)设计要求与功用的关系如何?
30/322
四、结构参数
圆柱形螺旋压缩弹簧的参数主要包括:钢丝直径d、弹簧外径
D2、弹簧中径D、工作圈数n、死圈数n2、弹簧的最大变形量λ和旋 绕比c。其中:n2 一般取决于气门弹簧在发动机上的安装情况,它 是预先确定的,即为常数;λ取决于弹簧的工作载荷、弹簧的布置 及配气机构的设计,在设计弹簧之前可以根据发动机的要求选定一
4) 后轮的加速度小于许用值
在现在的优化中是否还是 前、后轮上的相关约束条 件? 20/322
九、优化设计过程 车轮的动挠度小于许用值
f xq f
各种不同类型的汽车其动 挠度的许用值不同?
21/322
九、优化设计过程
优化模型
①设计变量
k x1 X x1 c x2
8/322
二、主要功用
1、传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩; 2、缓和路面传给车架(或车身)的冲击载荷,衰减由此引起的车载系统的振动, 保证汽车的行驶平顺性; 3、保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性; 4、保证汽车的操纵稳定性,使汽车获得高速行驶能力。
汽车在不平路面上行驶,由于悬架的弹性作用,使汽车产生垂直振动。为了 迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振,减小车轮的振幅,悬架应装有减振 器,并使之具有合理的阻尼。利用减振器的阻尼作用。使汽车的振动振幅连续减 小,直至振动停止。
运动过程中的外界条 件。 能否定量的说明这些 边界条件?
14/322
七、失效形式或存在的不足
1)质心的加速度造成的舒适性问题; 2)动挠度过大造成的元件的寿命等问题; 3)车轮的加速度造成的操纵稳定性问题等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
第一题(牛顿法和不精确一维搜索)牛顿法:syms x1 x2;f=(x2-(x1)*(x1))^2+(1-x1)^2;v=[x1,x2];df=jacobian(f,v);df=df.';G=jacobian(df,v);epson=1e-12;x0=[0,1]';g1=subs(df,{x1,x2},{x0(1,1),x0(2,1)});G1=subs(G,{x1,x2},{x 0(1,1),x0(2,1)});k=0;mul_count=0;sum_count=0;mul_count=mul_count+12;sum_count=sum_count+6;while(norm(g1)>epson)p=-G1\g1;x0=x0+p;g1=subs(df,{x1,x2},{x0(1,1),x0(2,1)});G1=subs(G,{x1,x2},{x0(1,1),x0(2,1)});k=k+1;mul_count=mul_count+16;sum_count=sum_count+11;end;kx0mul_countsum_count运行结果:k =9x0 =11mul_count =156sum_count =105不精确一维搜索:fun1.m文件function f=fun1(x)f=(x(1)-1)^2+(x(2)-x(1)^2)^2;gfun1.m文件function gf = gfun1(x)gf=[2*x(1)*(x(1)^2-x(2))+2*(x(1)-1),2*(x(2)-x(1)^2)]';wolfepowell.m文件function [k,m,opt,x]=wolfepowell(xk,sk)max=1000;c1=0.1; c2=0.6;a=0;b=inf;dk=0.2;m=0;while(m<=max)if (fun1(xk)-fun1(xk+sk*dk)<-c1*dk*gfun1(xk)'*sk)b=dk;dk=(dk+a)/2;elseif(fun1(xk)-fun1(xk+sk*dk)>=-c1*dk*gfun1(xk)'*sk)&&(gfun1(xk+sk*dk)'*sk<c2*gf un1(xk)'*sk);a=dk;if 2*dk<(dk+b)/2dk=2*dk;elsedk=(dk+b)/2;endelsemk=m;break;endm=m+1;endm=mk;k=dk;x=xk+sk*dk;opt=fun1(x);运行结果:>>xk=[0,1]';sk=[1,-1]';[k,m,opt,x]= wolfepowell(xk,sk)k =0.8000m =2opt =1.0080x =0.80000.2000第二题(共轭梯度法)frcg.m文件function [x,val,k]=frcg(fun,gfun,x0)maxk=5000;rho=0.6;sigma=0.4;k=0; epsilon=1e-4;n=length(x0);while(k<maxk)g=feval(gfun,x0);itern=k-(n+1)*floor(k/(n+1));itern=itern+1;if(itern==1)d=-g;elsebeta=(g'*g)/(g0'*g0);d=-g+beta*d0; gd=g'*d;if(gd>=0.0)d=-g;endendif(norm(g)<epsilon), break; endm=0; mk=0;while(m<20)if(feval(fun,x0+rho^m*d)<feval(fun,x0)+sigma*rho^m*g'*d)mk=m; break;endm=m+1;endx0=x0+rho^mk*d;val=feval(fun,x0);g0=g; d0=d;k=k+1;endx=x0;val=feval(fun,x);fun.m文件function f=fun(x)f=x(1)^2-2*x(1)*x(2)+2*x(2)^2+x(3)^2+x(4)^2-x(2)*x(3)+2*x(1)+3*x(2)-x(3); gfun.m文件function gf=gfun(x)gf=[2*x(1)-2*x(2)+2, -2*x(1)+4*x(2)+3,2*x(3)-x(2)-1,2*x(4)]';运行结果:>>x0=[0 0 0 0]';[x,val,k]=frcg('fun','gfun',x0)x =-3.4064-2.6515-0.7032val =-7.8338k =5000第三题(BFGS法、最速下降法和牛顿法)fun3.m文件function f=fun3(x)f=(x(1)-1)^2+5*(x(2)-x(1)^2)^2;gfun3.m文件function gf = gfun3(x)gf=[20*x(1)*(x(1)^2-x(2))+2*(x(1)-1),10*(x(2)-x(1)^2)]'; Hessen.m文件function Hess=Hessen(x)Hess=[60*x(1)^2-20*x(2)+2,(-20)*x(1);(-20)*x(1),10];Steepest.m文件function [m,opt,x] = Steepest(xk)m=0;Eps=1.0e-4;max=1000;while(m<max)g=gfun3(xk);sk=-g;dk=wolfepowell(xk,sk);x=xk+dk*sk;g0=gfun3(x);if(norm(g0)<=Eps)break;elsexk=x;endm=m+1;endmk=m;x=xk;opt=fun3(xk);newton.m文件function [x,opt,mk] = newton(xk)m=0;Eps=1e-4;max=100;H=[1,0;0,1];while(m<max)g=gfun3(xk);M=Hess(xk);H=inv(M);sk=-H*g;dk=wolfepowell(xk,sk);x=xk+dk*sk;g0=gfun3(x);if(norm(g0)<=Eps)break;elsexk=x;endm=m+1;endmk=m;x=xk;opt=fun3(xk);bfgs.m文件function [x,opt,mk] = bfgs(xk)m=0;Eps=1e-4;max=100;H=[1,0;0,1];while(m<max)g=gfun3(xk);sk=-H*g;dk=wolfepowell(xk,sk);x=xk+dk*sk;g0=gfun3(x);if(norm(g0)<=Eps)break;elseH=H+((1+((g0-g)'*H*(g0-g))/((x-xk)'*(g0-g)))*(x-xk)*(x-xk)'-H*(g0-g)*(x-xk)'-(x-x k)*(g0-g)'*H)/((x-xk)'*(g0-g));xk=x;endm=m+1;endmk=m;x=xk;opt=fun3(xk);wolfepowell.m文件function [k,m,opt,x]=wolfepowell(xk,sk)max=1000;c1=0.1; c2=0.6;a=0;b=inf;dk=0.2;m=0;while(m<=max)if (fun3(xk)-fun3(xk+sk*dk)<-c1*dk*gfun3(xk)'*sk)b=dk;dk=(dk+a)/2;elseif(fun3(xk)-fun3(xk+sk*dk)>=-c1*dk*gfun3(xk)'*sk)&&(gfun3(xk+sk*dk)'*sk<c2*gf un3(xk)'*sk);a=dk;if 2*dk<(dk+b)/2dk=2*dk;elsedk=(dk+b)/2;endelsemk=m;break;endm=m+1;endm=mk;k=dk;x=xk+sk*dk;opt=fun3(x);输入参数:牛顿法运行结果:>> xk=[2,0]';[x,opt,mk] = newton(xk)x =1.00001.0000opt =3.2601e-10mk =12最速下降法运行结果:>>xk=[2,0]';[x,opt,mk] = Steepest(xk)x =0.99990.9998opt =8.2108e-09mk =354BFGS法运行结果:>>xk=[2,0]';[x,opt,mk] = bfgs(xk)x =0.99990.9999opt =4.7725e-09mk =16(0.9999, 0.9998) 最速下降法(迭代次数354)即得数值最优点为x= (1.0000, 1.0000) 牛顿法(迭代次数12)(0.9999, 0.9999) BFGS公式(迭代次数16)最优解近似为0第四题(乘子法)multphr.m文件function [x,mu,lambda,output]=multphr(fun,hf,gf,dfun,dhf,dgf,x0)maxk=500;sigma=2.0;eta=2.0; theta=0.8;k=0; ink=0;epsilon=1e-5;x=x0; he=feval(hf,x); gi=feval(gf,x);n=length(x); l=length(he); m=length(gi);mu=0.1*ones(l,1); lambda=0.1*ones(m,1);btak=10; btaold=10;while(btak>epsilon && k<maxk)[x,~,ik]=bfgs('mpsi','dmpsi',x0,fun,hf,gf,dfun,dhf,dgf,mu,lambda,sigma);ink=ink+ik;he=feval(hf,x); gi=feval(gf,x);btak=0.0;for (i=1:l), btak=btak+he(i)^2; endfor (i=1:m);temp=min(gi(i),lambda(i)/sigma);btak=btak+temp^2;endbtak=sqrt(btak);if(btak>epsilon)if(k>=2&&btak> theta*btaold)sigma=eta*sigma;endfor (i=1:l), mu(i)=mu(i)-sigma*he(i); endfor (i=1:m)lambda(i)=max(0.0,lambda(i)-sigma*gi(i));endendk=k+1;btaold=btak;x0=x;endf=feval(fun,x);output.fval=f;output.iter=k;output.inner_iter=ink;output.bta=btak;mpsi.m文件function psi=mpsi(x,fun,hf,gf,dfun,dhf,dgf,mu,lambda,sigma) f=feval(fun,x); he=feval(hf,x); gi=feval(gf,x);l=length(he); m=length(gi);psi=f; s1=0.0;for(i=1:l)psi=psi-he(i)*mu(i);s1=s1+he(i)^2;endpsi=psi+0.5*sigma*s1;s2=0.0;for(i=1:m)s3=max(0.0, lambda(i) - sigma*gi(i));s2=s2+s3^2-lambda(i)^2;endpsi=psi+s2/(2.0*sigma);h1.m文件function he=h1(x)he=-x(1)^2-x(2)^2+25.0;f1.m文件function f=f1(x)f=4*x(1)-x(2)^2-12;g1.m文件function gi=g1(x)gi=10*x(1)-x(1)^2+10*x(2)-x(2)^2-34;h1.m文件function dhe = dh1(x)dhe = [-1*x(1), -1*x(2)]';dg1.m文件function dgi = dg1(x)dgi = [10-2*x(1), 10-2*x(2)]';df1.m文件function g=df1(x)g = [4, -2.0*x(2)]';bfgs.m文件function [x,val,k]=bfgs(fun,gfun,x0,varargin)maxk=500;rho=0.55; sigma1=0.4; epsilon1=1e-5;k=0; n=length(x0);Bk=eye(n);while(k<maxk)gk=feval(gfun,x0,varargin{:});if(norm(gk)<epsilon1), break; enddk=-Bk\gk;m=0; mk=0;while(m<20)newf=feval(fun,x0+rho^m*dk,varargin{:});oldf=feval(fun,x0,varargin{:});if(newf<oldf+sigma1*rho^m*gk'*dk)mk=m; break;endm=m+1;endx=x0+rho^mk*dk;sk=x-x0; yk=feval(gfun,x,varargin{:})-gk;if(yk'*sk>0)Bk=Bk-(Bk*sk*sk'*Bk)/(sk'*Bk*sk)+(yk*yk')/(yk'*sk);endk=k+1; x0=x;endval=feval(fun,x0,varargin{:});dmpsi.m文件function dpsi=dmpsi(x,fun,hf,gf,dfun,dhf,dgf,mu,lambda,sigma) dpsi=feval(dfun,x);he=feval(hf,x); gi=feval(gf,x);dhe=feval(dhf,x); dgi=feval(dgf,x);l=length(he); m=length(gi);for(i=1:l)dpsi=dpsi+(sigma*he(i)-mu(i))*dhe(:,i);endfor(i=1:m)dpsi=dpsi+(sigma*gi(i)-lambda(i))*dgi(:,i);end运行结果:>>x0=[1,1]';[x,mu,lambda,output]=multphr('f1','h1','g1','df1','dh1','dg1',x0) x =1.00134.8987mu =2.0312lambda =0.7545output =fval: -31.9923iter: 5inner_iter: 58bta: 4.3187e-07第五题(有效集法)qpact.m文件function [x,lamk,exitflag,output]=qpact(H,c,Ae,be,Ai,bi,x0) epsilon=1.0e-9; err=1.0e-6;k=0; x=x0; n=length(x); kmax=1.0e3;ne=length(be); ni=length(bi); lamk=zeros(ne+ni,1);index=ones(ni,1);for (i=1:ni)if(Ai(i,:)*x>bi(i)+epsilon), index(i)=0; endendwhile (k<=kmax)Aee=[ ];if(ne>0), Aee=Ae; endfor(j=1:ni)if(index(j)>0), Aee=[Aee; Ai(j,:)]; endendgk=H*x+c;[m1,n1] = size(Aee);[dk,lamk]=qsubp(H,gk,Aee,zeros(m1,1));if(norm(dk)<=err)y=0.0;if(length(lamk)>ne)[y,jk]=min(lamk(ne+1:length(lamk))); endif(y>=0)exitflag=0;elseexitflag=1;for(i=1:ni)if(index(i) & (ne+sum(index(1:i)))==jk)index(i)=0; break;endendendk=k+1;elseexitflag=1;alpha=1.0; tm=1.0;for(i=1:ni)if((index(i)==0)&(Ai(i,:)*dk<0))tm1=(bi(i)-Ai(i,:)*x)/(Ai(i,:)*dk); if(tm1<tm)tm=tm1; ti=i;endendendalpha=min(alpha,tm);x = x+alpha*dk;if(tm<1), index(ti)=1; endendif(exitflag==0), break; endk=k+1;endoutput.fval=0.5*x'*H*x+c'*x;output.iter=k;qsubp.m文件function [x,lambda]=qsubp(H,c,Ae,be)ginvH=pinv(H);[m,n]=size(Ae);if (m>0)rb = Ae*ginvH*c + be;lambda = pinv(Ae*ginvH*Ae')*rb;x = ginvH*(Ae'*lambda-c);elsex = -ginvH*c;lambda = zeros(m,1);endcallqpact.m文件function callqpactH=[2 0; 0 2];c=[-2 -5]';Ae=[ ]; be=[ ];Ai=[1 -2; -1 -2; -1 2;1 0;0 1];bi=[-2 -6 -2 0 0]';x0=[0 0]';[x, lambda, exitflag,output]=qpact(H,c,Ae,be,Ai,bi,x0)运行结果:>>callqpactx =1.40001.7000lambda =0.8000exitflag =output =fval: -6.4500iter: 7第七题fun文件function f=fun(x)f=abs(x(1))+abs(x(2))+abs(x(3))+abs(x(4));主程序x0=[1;1;1;1];A=[]; b=[];Aeq=[1 0 0 0.5;0 1 0.2 0.3;0 0.1 1 0.2];beq=[-1;0.2;1]; VLB=[]; VUB=[];[x,fval]=fmincon('fun',x0,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB)运行结果x =-1.0000-0.00001.00000.0000 fval =2.0000。