数学建模线性规划与非线性规划
数学建模第二讲简单的优化模型
数学建模第二讲简单的优化模型数学建模是利用数学方法对实际问题进行建模、分析和求解的过程。
在实际问题中，常常需要针对一些指标进行优化，以达到最优的效果。
本讲将介绍一些简单的优化模型。
一、线性规划模型线性规划是一种重要的数学优化方法，广泛应用于工程、经济、管理等领域。
其数学模型可以表示为：\begin{aligned}&\text{max} \quad c^Tx \\&\text{s.t.} \quad Ax \leq b, \quad x \geq 0\end{aligned}\]其中，$x$为决策变量，$c$为目标函数系数，$A$为约束条件系数矩阵，$b$为约束条件右端向量。
线性规划模型指的是目标函数和约束条件都是线性的情况。
通过线性规划模型，可以求解出使得目标函数取得最大（或最小）值时的决策变量取值。
二、非线性规划模型非线性规划模型指的是目标函数或约束条件中存在非线性部分的情况。
非线性规划模型相对于线性规划模型更为复杂，但在实际问题中更为常见。
对于非线性规划问题，通常采用数值优化方法进行求解，如梯度下降法、牛顿法等。
这些方法通过迭代的方式逐步靠近最优解。
三、整数规划模型整数规划模型是指决策变量必须为整数的规划模型。
整数规划在实际问题中应用广泛，如物流配送问题、工程调度问题等。
整数规划模型通常难以求解，因为整数规划问题是一个NP难问题。
针对整数规划问题，常用的求解方法有枚举法、分支定界法、遗传算法等。
四、动态规划模型动态规划模型是指将问题划分为子问题，并通过求解子问题最优解来求解原问题最优解的方法。
动态规划通常用于求解具有重叠子问题和最优子结构性质的问题。
动态规划模型具有递推性质，通过递归或迭代的方式求解子问题的最优解，并保存中间结果，以提高求解效率。
五、模拟退火模型模拟退火是一种用来求解组合优化问题的随机优化算法。
模拟退火算法基于固体退火过程的模拟，通过温度的控制和随机跳出来避免陷入局部最优解。
数学建模分类
数学建模分类
一、基于数学规划的建模方法
1. 线性规划模型
2. 整数规划模型
3. 二次规划模型
4. 非线性规划模型
5. 动态规划模型
6. 最优化问题建模
二、基于统计分析的建模方法
1. 线性回归模型
2. 逻辑回归模型
3. 主成分分析模型
4. 马尔可夫模型
5. 时间序列模型
6. 方差分析模型
三、基于图论的建模方法
1. 最短路径模型
2. 最小生成树模型
3. 拓扑排序模型
4. 最大流模型
5. 最小费用流模型
6. 图着色问题建模
四、基于优化方法的建模方法
1. 遗传算法模型
2. 蚁群算法模型
3. 粒子群优化模型
4. 模拟退火模型
5. 遗传规划模型
6. 蚁群优化模型
五、基于随机过程的建模方法
1. 马尔可夫链模型
2. 随机游走模型
3. 泊松过程模型
4. 随机差分方程模型
5. 随机微分方程模型
6. 随机优化问题建模
六、基于决策分析的建模方法
1. 决策树模型
2. 神经网络模型
3. 支持向量机模型
4. 贝叶斯网络模型
5. 人工智能模型
6. 多目标决策问题建模。
在数学建模中常用的方法
在数学建模中常用的方法数学建模是一种利用数学模型来描述和解决实际问题的方法。
它在科学研究、工程技术和经济管理等领域具有广泛的应用。
在数学建模中，常用的方法包括线性规划、非线性规划、动态规划、离散事件模拟、蒙特卡洛方法等。
下面将对这些方法进行详细介绍。
1.线性规划：线性规划是一种在给定的约束条件下最大化或最小化线性目标函数的方法。
它适用于有着线性关系的问题，包括生产计划、资源分配、运输问题等。
线性规划的主要方法是使用线性规划模型将问题转化为数学形式，并通过线性规划算法求解最优解。
2.非线性规划：非线性规划是一种在给定的约束条件下最大化或最小化非线性目标函数的方法。
它适用于有着非线性关系的问题，包括优化设计、模式识别、经济决策等。
非线性规划的主要方法是使用非线性规划模型将问题转化为数学形式，并通过非线性规划算法求解最优解。
3.动态规划：动态规划是一种通过将复杂问题分解为子问题，并利用最优子结构的性质求解问题的方法。
它适用于有着重叠子问题的问题，包括最短路径问题、背包问题、机器调度问题等。
动态规划的主要方法是建立递推关系，通过填表或递归的方式求解最优解。
4.离散事件模拟：离散事件模拟是一种通过模拟系统状态的变化，以评估系统性能的方法。
它适用于有着离散事件发生和连续状态变化的问题，包括排队论、制造过程优化、金融风险评估等。
离散事件模拟的主要方法是建立事件驱动的模拟模型，并通过统计分析得到系统性能的估计。
5.蒙特卡洛方法：蒙特卡洛方法是一种基于概率统计的模拟方法，通过生成随机样本来估计问题的解。
它适用于有着随机性质的问题，包括随机优化、风险分析、可靠性评估等。
蒙特卡洛方法的主要思想是基于大数定律，通过大量的随机模拟次数来逼近问题的解。
除了上述方法外，在数学建模中还可以使用图论、拟合分析、概率论和统计方法等。
图论可用于描述网络结构和路径问题；拟合分析可用于对实际数据进行曲线或曲面拟合；概率论和统计方法可用于建立概率模型和对数据进行统计分析。
数学建模各种分析方法
数学建模各种分析方法数学建模是指将实际问题转化为数学问题，然后利用数学方法求解的过程。
在数学建模中，有各种各样的分析方法可以辅助研究人员进行问题分析和求解。
下面将介绍一些常用的数学建模分析方法。
1.计算方法：计算方法是数学建模中最基础也是最常用的方法之一、它可以包括求解方程组、数值积分、数值微分、插值与拟合、数值优化等。
通过这些计算方法，可以将实际问题转化为数学模型，然后利用计算机进行数值计算和模拟实验。
2.统计分析方法：统计分析在数学建模中也起着非常重要的作用。
它可以用来分析数据、建立概率模型、进行参数估计和假设检验等。
统计分析可以帮助研究人员从大量数据中提取有用的信息，深入分析问题的特征和规律，为问题解决提供参考。
3.线性规划模型：线性规划是一种优化模型，常用于解决资源分配、生产计划、物流运输等问题。
线性规划模型的目标是最大化或最小化一些线性函数，同时满足一系列线性等式或不等式约束。
通过线性规划模型，可以确定最优决策和最优解。
4.非线性规划模型：非线性规划是一种更一般的优化模型，用于解决非线性约束条件下的最优化问题。
非线性规划模型常用于经济管理、工程设计、生物医学等领域。
非线性规划模型的求解较复杂，需要借助数值计算和优化算法。
5.动态规划模型：动态规划是一种用来解决决策问题的数学方法，其特点是将问题分解为多个阶段，并利用最优子结构的性质进行递推求解。
动态规划模型常用于决策路径规划、资源调度、序列比对等问题。
它优化了逐步贪心法的局部最优解，能够得到全局最优解。
6.图论模型：图论是一种数学工具，用于研究图或网络结构及其属性。
图论模型在数学建模中可以用来分析网络拓扑、路径优化、最短路径、最小生成树等问题。
图论模型的特点是简洁明了，适用于复杂问题的分析和求解。
7.随机过程模型：随机过程是一种描述随机变量随时间变化的数学模型，常用于建立概率模型和分析具有随机性的系统。
随机过程模型常用于金融风险评估、天气预测、信号处理、优化设计等问题。
线性规划与非线性规划
一、线性规划
模型 设在甲车床上加工工件1、2、3的数量分别为 在乙车床上加工工件1、2、3的数量分别为
问题二：某厂每日8小时的产量不低于1800件.为了进行质量控制，计划聘请两种不同水平的检验员.一级检验员的标准为：速度25件/小时，正确率98%，计时工资4元/小时；二级检验员的标准为：速度15件/小时，正确率95%，计时工资3元/小时.检验员每错检一次，工厂要损失2元.为使总检验费用最省，该工厂应聘一级、二级检验员各几名？
01
模型 设需要一级、二级检验员的人数分别为 人， 应付检验员工资为 因检验员错检而造成的损失为
02
注；当前MATLAB只支持第一种形式。
或矩阵形式 其中 是决策变量， 是约束矩阵， ，
二、非线性规划
1、二次规划 标准形式： MATLAB调用格式： (1) x=quadprog(H,C,A1,b1); (2)x=quadprog(H,C,A1,b1,A2,b2,v1,v2); (3)[x,fval,exitflag,output]= quadprog(H,C,A1,b1, A2,b2 ,v1,v2,x0,options);
见MATLAB程序（xianxingguihua4）
例4：问题二的解答 改写为
结果： 即只需聘用9个一级检验员。 注：本问题应还有一个约束条件：x1、x2取整数，故它属于一个整数线性规划问题，这里当成一个线性规划求解，求得最优解刚好是整数x1=9，x2=0，故它就是该整数规划的最优解.若用线性规划解法求得的最优解不是整数，将其取整后不一定是相应整数规划的最优解，这样的整数规划应用专门的方法求解.
2、状态窗口(LINDO Solver Status)
当前状态：已达最优解 迭代次数：18次 约束不满足的“量”(不是“约束个数”)：0 当前的目标值：94 最好的整数解：94 整数规划的界：93.5 分枝数：1 所用时间：0.00秒（太快了，还不到0.005秒） 刷新本界面的间隔:1(秒)
数学建模中的非线性规划问题
数学建模中的非线性规划问题在数学建模领域中，非线性规划问题是一类重要且常见的问题，它在实际应用中具有广泛的意义和价值。
非线性规划问题的研究和解决，对于优化问题的求解和实际应用具有重要的指导作用。
非线性规划问题可以简单地理解为在约束条件下寻找一个或多个使目标函数最优化的变量取值。
与线性规划问题不同，非线性规划问题在目标函数和约束条件中可能存在非线性项，因此其求解难度较大。
不同于线性规划问题的凸性、单调性等属性，非线性规划问题涉及到更多的数学工具和分析方法。
在实际应用中，非线性规划问题的出现非常普遍。
例如，在生产中，企业需要在有限的资源条件下使利润最大化，这就需要解决一个非线性规划问题。
除此之外，非线性规划问题还广泛应用于交通、能源、金融等领域。
不仅如此，非线性规划问题还可以用于统计数据拟合、函数逼近等问题的求解。
因此，研究和解决非线性规划问题具有非常重要的实际意义。
在解决非线性规划问题时，常用的方法主要包括精确解法和近似解法。
精确解法主要包括拉格朗日乘子法、KKT条件等，通过求解一系列方程和方程组来确定最优解。
这类方法通常适用于问题结构相对简单、目标函数和约束条件有良好性质的情况。
然而，对于问题结构复杂、目标函数和约束条件非常复杂的情况，精确解法往往效率较低，难以求解。
因此，在实际应用中，近似解法更为常见。
近似解法主要包括梯度下降法、牛顿法、拟牛顿法、遗传算法等。
这些方法通常基于局部优化思想，通过不断迭代和优化，逐步靠近最优解。
这类方法适用于一般性的非线性规划问题，具有较强的鲁棒性和适应性。
但是，这些方法也有其局限性，如收敛速度慢、易陷入局部最优等。
除了上述方法外，还有一些新的研究方法和算法被提出，如混合整数非线性规划、次梯度法、粒子群优化等。
这些方法在某些特定问题中表现出较好的运用效果，并有望在未来的研究中得到更广泛的应用。
总之，非线性规划问题在数学建模中占据重要地位，对于优化问题的求解和实际应用具有重要的指导作用。
数学建模常用方法
数学建模常用方法数学建模是利用数学工具和方法来研究实际问题，并找到解决问题的最佳方法。
常用的数学建模方法包括线性规划、非线性规划、动态规划、整数规划、图论、最优化理论等。
1. 线性规划（Linear Programming, LP）: 线性规划是一种在一定约束条件下寻找一组线性目标函数的最佳解的方法。
常见的线性规划问题包括生产调度问题、资源分配问题等。
2. 非线性规划（Nonlinear Programming, NLP）: 非线性规划是指当目标函数或约束条件存在非线性关系时的最优化问题。
非线性规划方法包括梯度方法、牛顿法、拟牛顿法等。
3. 动态规划（Dynamic Programming, DP）: 动态规划方法是一种通过将复杂的问题分解成多个子问题来求解最优解的方法。
动态规划广泛应用于计划调度、资源配置、路径优化等领域。
4. 整数规划（Integer Programming, IP）: 整数规划是一种在线性规划的基础上，将变量限制为整数的最优化方法。
整数规划常用于离散变量的问题，如设备配置、路径优化等。
5. 图论（Graph Theory）: 图论方法研究图结构和图运算的数学理论，常用于解决网络优化、路径规划等问题。
常见的图论方法包括最短路径算法、最小生成树算法等。
6. 最优化理论（Optimization Theory）: 最优化理论是研究寻找最优解的数学方法和理论，包括凸优化、非凸优化、多目标优化等。
最优化理论在优化问题建模中起到了重要的作用。
7. 离散数学方法（Discrete Mathematics）: 离散数学方法包括组合数学、图论、概率论等，常用于解决离散变量或离散状态的问题。
离散数学方法在计算机科学、工程管理等领域应用广泛。
8. 概率统计方法（Probability and Statistics）: 概率统计方法通过对已有数据进行分析和建模，提供了一种推断和预测的数学方法。
概率统计方法在决策分析、风险评估等领域起到了重要的作用。
数学建模问题类型
数学建模问题类型数学建模是将现实问题抽象为数学模型，并通过数学方法来解决问题的一种方法。
数学建模问题可以分为以下几类：1.优化问题：优化问题是指在一定的约束条件下，找到一个或一组目标函数的最优解。
常见的优化问题有线性规划、整数规划、非线性规划等。
例如，为了降低成本，物流公司需要确定最佳的配送路线；为了提高效益，企业需要确定最佳的生产计划等。
2.线性问题：线性问题是指目标函数和约束条件都是线性的数学模型。
线性问题可以用线性代数的方法求解，例如线性规划、线性回归等。
例如，确定各个变量之间的线性关系，进行趋势预测和预测，优化线性系统等。
3.非线性问题：非线性问题是指目标函数和约束条件为非线性的数学模型。
非线性问题具有复杂性和多样性，常见的有非线性规划、非线性回归等。
例如，以金融领域为例，股票价格预测和选择最佳投资组合等问题都涉及到非线性函数的建模和解决。
4.离散问题：离散问题是指问题中的变量是离散的，而不是连续的。
离散问题的建模常常使用图论、组合数学等方法。
例如旅行推销员问题、资源分配问题等都是离散问题。
5.动态问题：动态问题是指问题中的变量随时间的变化而变化，需要建立动态模型来描述其演化过程。
动态问题通常使用微分方程、差分方程等方法建模。
例如天气预测问题，经济增长预测问题等。
6.随机问题：随机问题是指问题中存在不确定性因素，需要使用概率和统计的方法进行建模和分析。
随机问题解决的方法包括蒙特卡洛模拟、马尔可夫链等。
例如，对于风险评估、投资选择、信用评级等问题，常常需要考虑不确定因素。
7.多目标问题：多目标问题是指问题中存在多个相互矛盾的目标函数，需要找到一个权衡各目标之间的最优解。
多目标问题的解决方法包括帕累托最优解法、权衡法等。
例如，在城市规划中，需要考虑交通、环境、人口等多个因素的影响。
总之，数学建模问题类型多种多样，涵盖了数学的各个分支领域，也与实际应用息息相关。
在实际应用中，常常需要对多种问题类型进行综合分析和解决。
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实验7：线性规划与非线性规划
班级：2015级电科班，学号：222015333210187，姓名：吴京宣，第1组
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一、实验目的：
1. 了解线性规划的基本内容。
2. 直观了解非线性规划的基本内容。
3. 掌握用数学软件求解优化问题。
二、实验内容
1. 两个引例.
2. 用数学软件包MATLAB求解线性规划与非线性规划问题.
3. 用数学软件包LINDO、LINGO求解线性规划问题.
4. 建模案例：投资的收益与风险.
5. 非线性规划的基本理论
6. 钢管订购及运输优化模型．
三、实验步骤
对以下问题,编写M文件:
1.某厂生产甲乙两种口味的饮料,每百箱甲饮料需用原料6千克,工人10名,可获利10万元;每百箱乙饮料需用原料5千克,工人20名,可获利9万元.今工厂共有原料60千克,工人150名,又由于其他条件所限甲饮料产量不超过800箱.问如何安排生产计划,即两种饮料各生产多少使获利最大.进一步讨论:
1)若投资0.8万元可增加原料1千克,问应否作这项投资.
2)若每100箱甲饮料获利可增加1万元,问应否改变生产计划.
2.某厂向用户提供发动机，合同规定，第一、二、三季度末分别交货40台、60
台、80台．每季度的生产费用为（单位:元）, 其中x 是该季度生产的台数．若交货后有剩余，可用于下季度交货，但需支付存储费，每台每季度c元．已知工厂每季度最大生产能力为100台，第一季度开始时无存货，设a=50、b=0.2、c=4，问:工厂应如何安排生产计划，才能既满足合同又使总费用最低．讨论a、b、c变化对计划的影响，并作出合理的解释．
三、实验结果
1.设需要生产x 百箱甲饮料,y 百箱乙饮料,设最大利润为z,则对于原始问题，
目标函数:max z 10x9y, 则有约束条件6x 5y <=60 ;10 x
20y<=150 ;x<=8；x, y >=0；对于问题一，其目标函数改为max z 10x9y－0.8,约束函数为6x 5y <=61 ;10 x 20y<=150 ;x<=8；x, y >=0。
对于问题二，
目标函数改为max z 11x9y,约束函数为6x 5y <=60 ;10 x
20y<=150 ;x<=8；x, y >=0。
同时保证生产的饮料是整箱的.同时
原问题
由结果可知生产甲饮料 643 箱,乙饮料 428 箱,这样利润最大为 102.857 万元。
问题一
可见实现方案一，生产甲672箱，乙414箱，可获利最高为104.428万，大于
102.857 万元，因此可以采用。
问题二
可见实现方案一，生产甲800箱，乙240箱，可获利最高为109.6万，大于102.857 万元，因此可以采用。
2.三个季度发动机的总的生产量为180台，每个季度的生产量和库存机器的数量之和要大于等于本季度的交货数量，每个月的生产数量要符合工厂的生产能力。
可得目标函数如下
minf(x)=50(x1+x2+x3)+0.2(x12+x22+x32)+4(x1-40)+4(x1+x2-100)
有约束条件如下
x1+x2>=100;X1+x2+x3=180;40<=x1<=100;0<=x2<=100;0<=x3<=100;
结果如下：
该厂第一季度、第二季度、第三季度的生产量分别是50台、60台和70台时，才能既满足合同又使总费用最低，费用最低为11280元。
若a变化，对计划没有影响，因为a 的变化，对于各离度的费用增长率造成相同的影响，并不会给各季度之间的生产带来差异，只会使生产的总体费用增加。
若b变大，第一季生产量要增加，第二季度保持不变，第三季度生产量减少，b变小，第一季度生产量要减少，第二季度不变，第三季度生产量增加。
这是因为b变大，每个季度的费用增长率都会增大，生产数量多的季度的费用增长率增长的会比其它季度更快，因此加减少生产量大的季度的生产量，以减缓费用的快速增加。
而b变小的时候,情况正好相反。
若c变小，第一季度的生产量增加，第二季度不变，第三季度的生产量减少。
c变大，第一季度生产量减少,第二季度不变,第三季度生产量增加。
这是因为c变小,存储费用会变小，相对于生产费用的快速增长，最好的方法就是在生产费用低的时候多生产，把多余的机器进行储存，储存的费用会小于费用的增长额度，这样做可以节省生产费用，而c变大，情况正好相反。
四.实验总结
1.本次实验旨在利用Matlab的操作界面和基本的数据处理指令，解决几个较为简单的线性规划与非线性规划问题问题；
2.本次实验对比线性与非线性规划，其中线性规划是所有约束条件和目标函数都是线性的，即未知数的次数均为一次，非线性规划是约束条件或目标函数中含有非线性的规划问题。
因此需要在做题的过程中判断归类。
学会使用linprog语句求解线性规划问题最优解。
利用fmincon语句求解非线性规划最优解问题。
在做最优解求解时，要注意“f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0,options”表示的意义以及对应的数据和范围。