(仅供参考)组合优化建模
投资组合优化的数学模型
投资组合优化的数学模型一、引言投资组合优化是金融领域的一个重要问题，其目的是通过合理地分配不同资产的权重，使得投资组合的收益最大化或风险最小化。
在实际投资中，很多投资者都会采用投资组合优化方法进行资产配置，以期达到最优化的投资效果。
本文将对投资组合优化的数学模型进行分析和探讨。
二、投资组合优化模型投资组合优化模型可以分为两类：均值-方差模型和风险价值模型。
下面将分别进行介绍。
1.均值-方差模型均值-方差模型是目前最为广泛使用的投资组合优化模型。
其核心思想是通过计算投资组合的期望收益和风险来优化资产配置。
具体来说，该模型首先计算出每种资产的预期收益率和标准差，然后在给定预期收益率的条件下，通过调整各资产的权重，使得投资组合的方差最小化。
均值-方差模型的数学表达式如下：$$\begin{aligned} \min \frac{1}{2}w^{T}\Sigma w \\ s.t.\:w^{T}r= \mu,\: w^{T}\mathbb{1}=1, \:w_i \geq 0 \end{aligned}$$其中，$w$为资产权重向量，$\Sigma$为资产之间的协方差矩阵，$r$为资产的预期收益率向量，$\mu$为投资组合的预期收益率，$\mathbb{1}$为全1向量。
该模型通过最小化风险的方式，来达到最大化收益的目的。
但是，由于均值-方差模型假设资产收益率服从正态分布，并且只考虑了资产的一阶统计量，忽略资产之间的非线性关系，因此在实际应用中有着一定的局限性。
2.风险价值模型风险价值模型是一种相对新的投资组合优化模型，与均值-方差模型相比，其考虑的是投资组合的非对称风险。
与传统的风险度量方法不同，风险价值模型采用了风险价值（Value-at-Risk，VaR）作为风险度量。
VaR是指在一定置信水平下，某资产或投资组合的最大可能损失，即在置信水平为$\alpha$的条件下，VaR表示的是在未来一段时间里资产或投资组合可能出现的最大损失。
【经典】建模-组合优化模型-排序
分析：
加工工件在机床A上有加工顺序问题，在机
排序问题
排序问题
排序问题指n 种零件经过不同设备加工时 的顺序问题。其目的是使加工周期为最短。
分类：
单台机器的排序问题
单件作业（Job-shop）排序问题： 工件的加工路线不同
多台机器的排序问题
流水作业（Flow-shop）排序问题： 所有工件的加工路线完全相同
n × 2 排序问题
即n 种零件经过2 种设备进行加工，如何 安排？
床B上也有加工顺序问题。可以证明：最优 排序方案可以只在机床A、B上加工顺 序相同的排序中寻找。即使如此，所有
可能的方案仍有n!个，这是一个不小的数， 用穷举法是不现实的。
问题：
如何用动态规划方法来研究同 顺序两台机床加工N个工件的 排序问题？
动态规划求解
最优排序方案：尽量减少在B上等待加工的 时间，使总加工时间最短。
最优化原理：作为整个过程的最优策略具有这样的 性质：无论过去的状态和决策如何，相对于前面的决 策所形成的状态而言，余下的决策序列必然构成最优 子策略。”也就是说，一个最优策略的子策略也是最 优的。
n × 1 排序问题
即n 种零件经过1 种设备进行加工，如何安排？
例一、
零件代号
j1
加工时间（t） 3
动态规划中能 处理的状态转移 方程的形式。
动态规划方法的关键在于正确地写出基本的递推 关系式和恰当的边界条件（简称基本方程）。要 做到这一点，就必须将问题的过程分成几个相互 联系的阶段，恰当的选取状态变量和决策变量及 定义最优值函数，从而把一个大问题转化成一组 同类型子问题的求解中， 均利用了它前面的子问题的最优化结果，依次进 行，最后一个子问题所得的最优解，就是整个问 题的最优解。
数学建模组合优化模型
装箱问题可以分为完全装箱问题和近似装箱问题等类型。常见的求解方法包括贪婪算法、动态规划和 分支定界法等。
调度问题
总结词
调度问题是指在一系列限制条件下，为 一系列任务或作业安排执行顺序或时间 表，以最大化某些目标函数（如利润、 生产率等）的问题。
VS
详细描述
调度问题需要考虑的因素包括任务的优先 级、交货期、资源需求和工艺要求等。常 见的求解方法包括优先级规则、遗传算法 和模拟退火算法等。
解决方案集
多目标优化问题通常需要提 供一组解决方案，而不是单 一的最优解，这要求研究者 们开发新的方法来生成和评 估这些解决方案。
数据驱动的组合优化模型研究
01
数据驱动决策
02
数据预处理
随着大数据技术的不断发展，数据驱 动的组合优化模型成为研究热点。这 些模型能够从大量数据中学习规律， 并用于指导优化问题的求解。
问题概述
生产计划与调度优化是指在满足生产需求的前提下，合理 安排生产计划和调度，以提高生产效率、降低生产成本。
实际应用
生产计划与调度优化广泛应用于制造业、化工等领域。通过数 学建模和优化算法，可以提高生产线的运行效率、降低能耗、
减少生产成本。
解决方案
生产计划与调度优化的解决方案通常包括线性规划、整数规划 等。这些方法通过建立数学模型，对生产计划和调度进行优化
并行计算
利用高性能计算资源，将问题分解为多个子问题并行求解，以提高大规模问题的求解效 率。
多目标优化问题研究
多目标决策
多目标优化问题需要考虑多 个相互冲突的目标，如何权 衡这些目标并找到最优解是
一个挑战。
偏好信息
为了解决多目标优化问题， 需要了解决策者的偏好信息 ，如何准确获取和表达这些
04章组合优化模型
04章组合优化模型组合优化模型是指在给定一组有限资源的情况下，通过选择和组合这些资源，以达到其中一种目标的问题。
这一类模型广泛应用于供应链管理、制造业生产优化和物流网络设计等领域。
本文将介绍几种常见的组合优化模型，并分析其应用。
一、背包问题背包问题是最基本的组合优化问题之一、背包问题可以描述为在给定一组物品和一个固定容量的背包的情况下，如何选择物品放入背包中，以使得背包中物品的总价值最大。
背包问题可以有多种变形，如01背包问题、完全背包问题和多重背包问题等。
例如，假设有一个容量为C的背包，和n个物品，每个物品有一个重量wi和一个价值vi。
目标是在背包容量限制下，选择一些物品放入背包中，使得背包中物品的总价值最大。
背包问题可以通过动态规划算法求解。
定义一个二维数组dp，其中dp[i][j]表示在前i个物品中选择一些放入容量为j的背包中所能达到的最大总价值。
背包问题的状态转移方程可以表示为：dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-wi] + vi)二、旅行商问题旅行商问题是一个经典的组合优化问题，也是一个NP-hard问题。
旅行商问题可以描述为在给定一组城市和每对城市之间的距离，如何找到一条最短的路径，使得每个城市只访问一次，并且最终回到起始城市。
旅行商问题可以通过深度优先、分支定界算法和遗传算法等方法求解。
尽管求解旅行商问题的确切解决方案是困难的，但通过使用近似算法和启发式算法，可以在合理的时间内得到较好的解。
三、作业调度问题作业调度问题是指在给定一组作业和一组机器的情况下，如何安排作业在机器上执行，以最大程度地减少完成所有作业的总时间。
作业调度问题可以通过贪心算法和动态规划算法求解。
贪心算法可以按照一些优先级规则对作业进行排序，并依次将作业分配给空闲的机器，直到所有作业都被分配完为止。
动态规划算法可以定义一个二维数组dp，其中dp[i][j]表示前i个作业在j个机器上执行的最小总时间。
几类投资组合优化模型及其算法
几类投资组合优化模型及其算法几类投资组合优化模型及其算法投资组合优化模型是金融领域中常用的一种数学模型，它通过对资产进行适当的配置，以期获得最大的收益或最小的风险。
在实际应用中，根据不同的投资目标和约束条件，可以使用不同类型的投资组合优化模型及相应的算法。
一、均值-方差模型及算法均值-方差模型是最经典的投资组合优化模型之一，它基于资产的期望收益和风险(方差或标准差)之间的权衡。
常用的算法有：马科维茨(Markowitz)模型和现代投资组合理论。
马科维茨模型利用资产的历史数据估计收益率和协方差矩阵，通过最小化风险（方差）的方式来寻找最优化的投资组合。
算法流程为：（1）计算资产的期望收益和协方差矩阵；（2）设定目标函数和约束条件，如最大化收益、最小化风险、达到特定风险水平等；（3）通过数学规划方法，如二次规划或线性规划求解最优的权重分配。
现代投资组合理论进一步发展了马科维茨模型，引入了资本市场线和风险资本边界等概念。
它将投资组合的有效边界与资本市场线相结合，可以通过调整风险与收益的平衡点，实现不同风险偏好下的最优组合。
算法流程与马科维茨模型类似，但增加了一些额外的计算步骤。
二、风险平价模型及算法风险平价模型是近年来研究的热点之一，它基于资产之间的风险关系，通过将各资产的风险贡献平均化，来实现风险平衡。
常用的算法有：风险平价模型及最小方差模型。
风险平价模型的核心思想是将整个投资组合中，每个资产的风险贡献度（总风险对该资产的贡献程度）设置为相等，从而实现整体投资组合风险的均衡。
算法流程为：（1）计算各资产的风险贡献度；（2）设定目标函数和约束条件，如最小化风险、满足收益要求等；（3）通过优化算法，如线性规划、非线性规划等，求解最优的权重分配。
最小方差模型在风险平价模型的基础上，进一步最小化整个投资组合的方差。
算法流程与风险平价模型类似，但在目标函数的设定上多了一项方差的计算。
三、条件-Value at Risk模型及算法条件-Value at Risk模型是一种集成了条件-Value at Risk方法的投资组合优化模型，它引入了一定的风险约束条件，如最大损失限制，来保护投资者不承受过大的风险。
组合优化问题中的模型建立与求解方法研究
组合优化问题中的模型建立与求解方法研究随着人工智能技术的不断发展，组合优化问题的建模和求解方法逐渐成为了研究热点。
组合优化问题是指在一定约束条件下，从有限的可选项中选择出最优的组合方案，如工程规划、物流配送、投资组合等问题。
本文将探讨建立组合优化模型及其求解方法的研究进展。
一、组合优化模型建立1. 线性模型线性规划模型是组合优化中最基本的模型之一，通过构造一系列线性约束条件和目标函数，求解出满足约束条件的最大（小）值。
例如，在投资组合问题中，可以将每一项投资的收益和风险以及各项的投资比例表示成线性函数，求解出使预期收益率最大，规避风险风险最小的投资组合。
2. 非线性模型非线性模型相对于线性模型更为复杂，但在实际问题中更为常见。
例如，在旅行商问题中，需要寻找一条路径，使得经过的所有城市只访问一次，并且总路径最短。
这个问题无法用线性模型表示，需要采用非线性优化算法进行求解。
3. 混合整数规划模型在实际问题中，很多变量只能取整数值，而且该问题本身又是一个优化问题，因此需要采用混合整数规划（MIP）模型进行求解。
例如，在运输问题中，货物只能在整数数量上进行运输，此时需要构建MIP模型进行求解。
二、组合优化求解方法研究1. 线性规划法线性规划法是最基本的数学规划方法之一。
该方法通过求解线性规划模型的最优解，来得到组合优化问题的最优解。
线性规划法求解过程中，需要对线性规划模型进行求解，通过单纯形法等算法对模型进行求解，得到最优解。
然而，该方法在遇到非线性模型或超大规模问题时，效率会急剧下降。
2. 分支定界法分支定界法是解决混合整数规划问题的一种有效方法。
这种方法将原问题分解为一系列子问题，并将子问题的可行空间一步步缩小，最终得到最优解。
该方法特别适用于规模较小、分支量少的混合整数规划问题。
3. 遗传算法遗传算法是一种启发式优化算法，具有较好的全局搜索能力和适应性。
该算法模拟遗传和自然选择机制，通过不断选择优秀的个体和产生新的个体，最终寻找到问题的最优解。
【经典】建模-组合优化模型-组合优化
造访的节点 3. 寻找距离节点y最近的节点z作为下一个
造访的节点 4. 重复以上步骤，直到所有节点均已造访 5. 连接最后一个节点与起点，即形成一个
TSP的可行解
14
最近邻点法
5 2
4
3
5
1
7
8
3
7
12345
4
1 －4 7 3 8
1
旅行推销员问题
Traveling Salesman Problem
2
哈密尔顿循环(Hamiltonian Cycle)
环游世界问题:
有个人想环游世界，他选出全世界的二十个著名城世,然后在地 图上开始他的作业。他打算规画出一条路线,使他可以依序地玩遍这 二十个城市。但问题是并不是任两个城市皆有飞机直航,而他又不愿 重复去同一个城市两次。这个问题转化为图论上便是所谓的哈密尔 顿循环(Hamilton Cycle)，于1857年爱尔兰数学家哈密尔顿(Sir William Hamilton)首次提出。 哈密尔顿循环(Hamilton Cycle)不一定存在
路线构建(route construction)
• 邻点法、节省法、插入法、扫瞄法….
路线改善(route improvement) 局部搜索算法 （local search）
• k-Opt交换法、Or-Opt交换法……
综合型(composite)
• 合并执行路线构建及路线改善
13
最近邻点法(Nearest-neighbor Heuristic)
18
2-opt交换法
5 2
4
4
3
5
1
组合优化问题的模型设计与算法求解
组合优化问题的模型设计与算法求解组合优化问题是在有限集合的所有子集中寻找最优解的问题，这些问题包括诸如最大割、最小哈密顿路径、匹配问题和指派问题等。
这些问题对于解决实际问题具有重要意义，因此组合优化问题的模型设计和算法求解是非常关键的研究方向。
组合优化问题的建模组合优化问题需要建立数学模型，才能进行算法设计与求解。
通常情况下，组合优化问题的模型可通过建立某些集合之间的关系来描述。
例如，针对最小割问题，我们可以通过建立割的概念，把问题转化为寻找两个点集之间的最小割。
一般情况下，组合优化问题需要遵守以下三个基本规则：1. 组合问题必须基于离散数据结构，如图形、网络、排列、集合等。
2. 贪心、动态规划、分支界限等算法可用来解决一些特殊的组合优化问题。
3. 对于一些难以求解的问题，需要寻找最优解的近似算法，其误差范围可在算法设计过程中控制。
组合优化问题的算法求解通常情况下，组合优化问题的建模过程经常是模棱两可的。
这时，我们需要寻找相应的算法，对建模的问题进行求解。
目前，大多数组合优化问题没有通用的求解方法，因此需要针对特定问题进行算法设计。
1. 枚举法枚举法是组合优化问题求解的最基本方法之一。
枚举法主要是通过遍历所有可能的解来寻找最优解。
但是，因为组合数目的爆炸性增长，枚举法不适用于解决具有大规模数据的问题。
通常情况下，枚举法只能够解决较小规模的问题。
2. 分支界限法分支界限法是通过逐步将解空间分解为较小的子空间，从而避免枚举整个解空间。
通过提前剪枝和减少搜索空间的方法，我们可以有效地减少计算量。
但是，对于某些问题而言，分支界限法同样存在着计算复杂度爆炸的问题。
因此，分支界限法同样只适用于中等规模的问题。
3. 近似算法对于一些实际的组合优化问题，我们常常需要求解最优解，但是这些问题的求解非常复杂。
针对这些问题，我们可以采用近似算法，其求解速度要快于精确算法，但是其结果并不保证是最优解。
例如，常用于解决图形分裂问题的 Kernighan-Lin 算法，就是一种近似算法。