组合优化问题的数学模型及协同计算方法
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。
组合优化及算法 共36页PPT资料
Combinatorial Optimization
组合优化是运筹学的后继课程，同时也是运筹学的 一个重要独立分支，是一类重要的优化问题
• 最优化(数学规划)
– 连续优化(数学规划)： – 数学规划（线性规划、非线性规划）、非光
滑优化、全局优化、锥优化等 – 离散优化：网络优化、组合优化、整数规划等 – 不确定规划：随机规划、模糊规划等
30! / 10e+10 > 2.65e+22 (秒) 即 2.65e+22 / (365*24*60*60)
> 8.4e+13 (年)
计算复杂性的概念
多项式时间算法
构造算法的目的是能够解决问题（或至少是问题某个 子类）的所有实例而不单单是某一个实例
问题（Problem）是需要回答的一般性提问，通常含有若干个满 足一定条件的参数. 问题通过下面的描述给定：（1）描述所有
实例I,算法A总能找到一个可行解，那么这个算法
称为该问题的近似算法.
最优算法：如果进一步，如果这个可行解的目标值 总等于最优解值，则称A为最优算法.
典型组合优化问题
• 背包问题 • 装箱问题 • 平行机排序问题 • 图与网络优化问题
最小支撑树、最短路、最大流、最小费用流、最大基数匹 配问题 • 指派问题 • 旅行售货商问题 • 斯坦纳最小树问题
计算复杂性的概念
多项式时间算法
例 构造算法将n个自然数从小到大排列起来
算法
输入自然数a(1),a(2),…,a(n). for (i=1;i<n;i++)
for (j=i+1;j<=n;j++) if (a(i)>a(j)){ k=a(i);a(i)=a(j);a(j)=k; }
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。
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。
组合最优化问题及其求解优化算法
组合最优化问题最基本的特点就是变量是离散的, 由此导致其数学模型中的目标函数和约束函数在其可行域内是也是离散的。
在现实世界中，许多的实际问题本质上是离散事件的而不是连续事件，都可归结为组合最优化问题。
这类问题在理论上多数都属于NP难问题，NP类问题仍属于可计算问题，即存在算法来求解。
求解这类组合最优化问题方法分为精确算法和近似算法两类。
常用的精确算法有动态规划、分支定界和枚举等。
精确算法只能解决一些小规模问题，当求解小规模组合优化问题时可以用这类精确算法在较短的时间内得到最优解。
当求解大规模组合优化问题时，理论上可以得到问题的最优解，但由于计算量太大，所以使用精确算法并不可行。
利用精确算法求解NP-hard组合优化问题时，即使能得到最优解，但所需要的计算时间过长，在实际问题中难以直接应用。
近似算法是指在合理的计算时间内找到一个近似的最优解。
近似算法虽然求解速度较快，但并不能保证得到问题的全局最优解。
近似算法分为基于数学规划（最优化）的近似算法、启发式算法和基于智能优化的近似算法。
1) 基于数学规划（最优化）的近似算法是根据对问题建立的数学规划模型，运用如拉格朗日松弛、列生成等算法以获得问题的近似解，是以数学模型为基础，采用列生成、拉格朗日松弛和状态空间松弛等求解问题。
拉格朗日松弛（LR）算法求解问题的主要思想是分解和协调。
首先对于NP难的优化问题，其数学模型须具有可分离性。
通过使用拉格朗日乘子向量将模型中复杂的耦合约束引入目标函数，使耦合约束解除，形成松弛问题，从而分解为一些相互独立的易于求解的子问题，设计有效的算法求得所有子问题的最优解。
利用乘子的迭代更新来实现子问题解的协调。
列生成(Column generation, CG)算法是一种已经被认可的成功用于求解大规模线性规划、整数规划及混合整数规划问题的算法。
与智能优化算法相比，基于数学规划的近似算法的优点是通过建立问题的数学模型，松弛模型中难解的耦合约束或整数约束，得到的松弛问题的最优解可以为原问题提供一个下界。
组合优化模型
（线度）必须是偶数条 .
这是见利图用可数知学，模与型四分个析顶和点解相决连问的题边的都这一是是个奇关成于数图功条论范，例因
的第一篇论文
而不可能存在通过每条边一次且仅一次的画法，即一
笔画不存在 . 故七桥问题不可能有解 .
11
第一章 组合优化模型
一、数学模型的特点 1、高度的抽象性
数学方法不仅要抛开事物的次要属性，突出事物 的本质属性，而且要舍弃事物的物质和能量方面的具 体内容，只考虑其数量关系和空间形式，同时还要把 这些数量关系和空间形式作进一步的抽象，加以形式 化和符号化，以便能够进行逻辑推理和数值运算 .
特别适合于揭示事物的量的规定性，成为定量研 究的有力工具 .
13
第一章 组合优化模型
3、应用的普适性 数学方法的高度抽象和精确，使之比任何一种科
学方法的应用范围都更为广泛 . 只存在尚未运用数学方法的领域而不存在不能运
变化在时间上的持
状态表和现形过态程是相对的 .
续和空间上的延伸
3
第一章 组合优化模型
从认识论上看，模型是作为认识与实践活动的中介 . 模型既是认识的表达，又是实践活动的先导 .
模型参与认识世界和改造世界的不断的循环往复 过程，既是认识不断深化的体现，又是实践活动不断 拓展的体现 .
概念化 认识（信息） 用信息载体表达
第一章 模 型
§1 关于模型 §2 数学模型 §3 组合优化模型
1
第一章 组合优化模型
§1 关于模型
一、模型的概念
模由型于（研m究o目de的l ）的是不所同研，究对的于系同统一、个过对程象、系事统物，或 概可念以的建一立种完表全达不形同式的模. 型，分别反映该系统的不同 侧面模；型出不于是相同研的究研对究象目本的身，，对而于是同对一研个究对对象象系的一种 抽统，象也，可它能反建映立现不实同中的对模象型系，统反的映主不要同特的征研，究但角它又高 于度现、实考，察因因而素具和有价同值类取问向题. 的共性 .
组合优化问题及算法
启发式算法
近似算法定义
记问题A的任何一个实例I的最优解和启发式 算法H解的目标值分别为zopt(I)和zH(I),若对某 个正数0，有
|zH(I)-zopt(I)| |zopt(I)|，IA 则称H是A的近似算法。
-13-
启发式算法
背包问题的贪婪算法
1）将物品以ci/ai（单位体积的价值）由大到小的顺 序排列，不妨把排列记为{1,2,…,n},k:=1;
n
s.t. xij 1, i 1,, n
j1
n
xij 1, j 1,, n
i1
xij | S | 1, 2 | S | n 2,
i, jS
xij {0,1}, i, j 1,, n, i j.
S {1,2,, n}
-4-
一些例子
3. 有 约 束 的 机 器 调 度 问 题 ( capacitated machine scheduling)
min f ( x) s.t. g( x) 0
xD
其中D表示有限个点组成的集合。
-2-
一些例子
1. 0-1分别为
ai(i=1,2,…,n),价值分别为ci (i=1,2,…,n)的物品，如 何以最大的价值装包？
n
max ci xi
i 1
n
s.t. ai xi b
-27-
冷却进度表的参数设置
3.Markov链的长度Lk的选取 2）由接受和拒绝的比率来控制Lk
实现的第一种方法是：给定一个充分大的 长度上限U和一个接受次数指标R,当接受次数等 于R时，此温度不再迭代而使温度下降。
实现的第二种方法是：给定一个接受比率 指标R,长度上限U和下限L,当迭代次数超过L时 ，若接受次数与迭代次数的比率不小于R时，此 温度不再迭代而使温度下降，否则，一直迭代 到上限步数U。
投资组合优化的数学模型与算法
投资组合优化的数学模型与算法第一章：概述投资组合优化是指在投资市场中，选择一系列资产组合，在满足规定约束条件的前提下，最大化投资回报或最小化风险的过程。
这个问题可以被看作一个数学优化问题，需要通过数学建模和算法求解来获得最优解。
本文将介绍投资组合优化的数学模型和算法，涵盖了传统的均值方差模型和更先进的风险预测模型。
第二章：均值方差模型均值方差模型是投资组合优化中最经典的模型。
该模型假设所有资产的收益率服从正态分布，且各资产之间的收益率无相关性。
在这个模型中，资产权重的计算公式如下：minimize: w'Σwsubject to: w'μ=r , w≥0, ∑wi=1其中，w是资产权重的向量，μ是资产收益率的向量，Σ是资产收益率协方差矩阵，r是投资者的预期回报率。
针对这个问题，可以使用基于拉格朗日乘数法的二次规划算法进行求解。
另外，可以使用更加高效的理论，如广义矩阵不等式和半定规划等方法，来求解该问题。
这些方法可以显著提高算法的效率。
第三章：风险预测模型均值方差模型并不考虑资产收益率的非正态性和相关性。
在现实世界中，资产的收益率可能呈现出长尾分布或偏态分布，且资产之间的收益率可能存在相关性。
因此，一些研究者提出了基于如GARCH模型或Copula函数等风险预测模型的投资组合优化方法。
这些模型的公式比较复杂，不再列出。
在实际应用中，通常需要使用极大似然法或贝叶斯方法等来对参数进行估计。
然后，可以使用理论或数值方法来求解最优投资组合。
第四章：多目标优化模型投资组合优化往往需要同时考虑回报和风险这两个目标。
除此之外，不同的投资者还可能有其他的目标，如资金流动性、大宗交易风险等等。
这就涉及到了多目标优化问题。
常见的多目标优化方法包括权重法、约束法和优先级法等等。
这些方法往往需要根据不同的目标制定不同的优化目标函数和约束条件。
一些最优化算法，如NSGA-Ⅱ和Pareto-SC等，可以有效地求解这类问题。
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组合优化问题的数学模型及协同计算方法
组合优化问题是指在给定的一些限制条件下,求解一个最优的组合方案的问题，它是现代数学理论中的重要分支。
在工程、管理、金融、交通等领域，组合优化问题得到了广泛的应用，如生产调
度问题、航空路径规划问题、网络资源最优分配问题等。
在组合优化问题中，模型建立是非常重要的环节。
通常采用0-
1整数规划方法建立模型，该方法的基本思想是：将决策变量限制在{0,1}之内，其中0表示不选取某个组件，1表示选取某个组件。
以集合选取问题为例，假设有$n$个元素($n$个集合)，现在需要从中选取若干个集合，使得被选中的集合覆盖所有$n$个元素。
设
$x_i$为第$i$个集合是否被选中，其中$x_i\in\{0,1\}$，$y_j$为元
素$j$是否被覆盖，其中$y_j\in\{0,1\}$。
那么，该组合优化问题的
0-1整数规划模型可表示为：
$$
\begin{aligned}
\text{max} \quad & \sum_{i=1}^n x_i \\
\text{s.t.} \quad & y_j\leq\sum_{i:j\in S_i}x_i,\ \ j=1,2,...,m \\
& x_i\in\{0,1\},\ i=1,2,...,n \\
& y_j\in\{0,1\},\ j=1,2,...,m
\end{aligned}
$$
其中，$S_i$表示第$i$个集合覆盖的元素集合，$m$表示元素
的总数。
在求解组合优化问题时，协同计算方法是实现高效求解的重要
手段之一。
协同计算是指利用多个计算资源，按照一定的规则进
行协作，实现计算任务的高效完成。
以并行计算为例，采用并行
计算的主要原因是组合优化问题通常是NP难问题，无法通过传统的串行算法获得高效解决。
并行计算能够利用多个计算单元（如
多CPU、GPU或分布式计算系统）进行并行运算，提高计算效率。
在并行计算中，一般采用分治法的思想进行任务划分和子问题
求解。
具体来说，将原始问题分成若干个子问题，每个计算单元
分别处理一个子问题，最后将各个子问题的结果合并得到整个问
题的最优解。
以遗传算法为例，该算法是一种基于生物进化的优
化算法，具有并行求解的天然优势。
通过将种群中的个体并行评估、选择、交叉和变异，在迭代计算过程中快速收敛到最优解。
除了并行计算，还可以采用分支定界、启发式搜索等算法加速组合优化问题的求解。
分支定界法是一种基于搜索的算法，通过逐步缩小搜索空间，将原始问题分解为若干更小的子问题，最终得到问题的最优解。
启发式搜索是一种优化算法，在搜索过程中利用启发函数对搜索方向进行指导，从而提高搜索效率。
总之，组合优化问题的数学模型及协同计算方法是求解该类问题的核心。
在实际应用中，需要综合考虑问题规模、求解效率和求解质量等方面的因素，选择最佳求解方法。