最新数学建模--最优化方法 31
数学建模的最优化方法
充要条件 : 若f (x*) 0,2 f (x*)正定,则x*是极小点
唯一极小 (全局极小)
f 0.298
f 0
f (x1 x2) 2x12 2x1x2 x22 3x1 x2
多局部极小
f 0.298
求解方法:搜索算法(数值迭代)
在迭代的每一步,确定一个搜索方向和一个步长,使沿此方向和 此步长走一步到达下一点时,函数f(X)的值下降.
3．拟牛顿法
为克服牛顿法的缺点，同时保持较快收敛速度的优点，利用第 k 步 和第 k+1 步得到的X k ，X k1 ，f ( X k ) ，f ( X k1 ) ，构造一个正定
矩阵 G k1 近似代替 2 f ( X k ) ,或用H k1 近似代替( 2 f ( X k )) 1 ，将
牛顿方向改为：
产销量的最佳安排 某厂生产一种产品有
甲、乙两个牌号，讨论在产销平衡的情况下如何 确定各自的产量，使总利润最大. 所谓产销平衡 指工厂的产量等于市场上的销量.
总利润为： z(x1,x2)=(p1-q1)x1+(p2-q2)x2
符号说明
z(x1,x2)表示总利润；
p1，q1，x1 分别表示甲的价格、成本、销量； p2，q2，x2 分别表示乙的价格、成本、销量； aij，bi，λi,ci（i，j =1，2）是待定系数.
0.9997 0.9998 1E-8
最优点 (1 1) 初始点 (-1 1)
1．最速下降法（共轭梯度法）算法步骤：
无 约
⑴ 给定初始点 X 0 E n ，允许误差 0 ,令 k=0；
束
⑵ 计算f X k ；
优
⑶ 检验是否满足收敛性的判别准则：
化
f X k ，
数学模型最优化方法实现
数学模型最优化方法实现数学建模最优化方法是将数学建模问题转化为数学模型，并通过数学方法求解最优解的过程。
最优化方法在数学建模中起着非常重要的作用，可以帮助我们解决各种复杂的实际问题。
本文将介绍最优化方法的实现过程，并详细讨论最优化方法的几种常见算法。
最优化方法的实现过程主要分为以下几个步骤：建立数学模型、寻找最优解算法、编写程序实现、求解并分析结果。
首先，我们需要根据实际问题建立数学模型。
数学模型是问题的抽象表示，通常包括目标函数、约束条件和变量等要素。
通过合理地选择目标函数和约束条件，可以将问题转化为数学形式，便于后续的分析和求解。
其次，我们需要根据模型选择适当的最优解算法。
最优化方法有很多种，根据具体问题的特点和求解要求，我们可以选择不同的算法来求解最优解。
然后，我们需要编写程序将数学模型和求解算法实现。
编写程序是最优化方法实现的核心步骤，通过编写程序，我们可以自动化地求解最优化问题，并得到最优解。
最后，我们需要进行求解和结果分析。
通过求解模型并分析结果，可以验证模型的合理性，并根据结果调整模型或改进算法，以得到更好的最优解。
在实际应用中，根据问题的特点和求解需求，我们可以选择不同的最优化方法。
常见的最优化方法有：线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划、遗传算法等。
下面将分别介绍这几种方法的原理和实现过程。
线性规划是最常用的最优化方法之一，适用于目标函数和约束条件都是线性的情况。
线性规划的基本思想是将问题转化为求解一个线性函数在约束条件下的最大值或最小值。
线性规划的求解算法有很多，例如单纯形法、内点法和对偶法等。
这些算法都是基于线性规划的特点和数学性质，通过迭代求解来逼近最优解。
实现线性规划方法的主要步骤包括：建立数学模型、选择适当的算法、编写相应的程序、求解并分析结果。
非线性规划是另一种常见的最优化方法，适用于目标函数或约束条件中包含非线性项的情况。
非线性规划的求解相对复杂，通常需要使用迭代算法来逼近最优解。
数学建模的主要建模方法
数学建模的主要建模方法数学建模是指运用数学方法和技巧对复杂的实际问题进行抽象、建模、分析和求解的过程。
它是解决实际问题的一个重要工具，在科学研究、工程技术和决策管理等领域都有广泛的应用。
数学建模的主要建模方法包括数理统计法、最优化方法、方程模型法、概率论方法、图论方法等。
下面将分别介绍这些主要建模方法。
1.数理统计法：数理统计法是基于现有的数据进行概率分布的估计和参数的推断，以及对未知数据的预测。
它适用于对大量数据进行分析和归纳，提取有用的信息。
数理统计法可以通过描述统计和推断统计两种方式实现。
描述统计主要是对数据进行可视化和总结，如通过绘制直方图、散点图等图形来展示数据的分布特征；推断统计则采用统计模型对数据进行拟合，进行参数估计和假设检验等。
2.最优化方法：最优化方法是研究如何在给定的约束条件下找到一个最优解或近似最优解的方法。
它可以用来寻找最大值、最小值、使一些目标函数最优等问题。
最优化方法包括线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划等方法。
这些方法可以通过建立数学模型来描述问题，并通过优化算法进行求解。
3.方程模型法：方程模型法是通过建立数学方程或函数来描述问题，并利用方程求解的方法进行求解。
这种方法适用于可以用一些基本的方程来描述的问题。
方程模型法可以采用微分方程、代数方程、差分方程等不同类型的方程进行建模。
通过求解这些方程，可以得到问题的解析解或数值解。
4.概率论方法：概率论方法是通过概率模型来描述和分析不确定性问题。
它可以用来处理随机变量、随机过程和随机事件等问题。
概率论方法主要包括概率分布、随机变量、概率计算、条件概率和贝叶斯推理等内容。
利用概率论的方法，可以对问题进行建模和分析，从而得到相应的结论和决策。
5.图论方法：图论方法是研究图结构的数学理论和应用方法。
它通过把问题抽象成图，利用图的性质和算法来分析和求解问题。
图论方法主要包括图的遍历、最短路径、最小生成树、网络流等内容。
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。
数学建模计算方法优化
数学建模计算方法优化数学建模是一种重要的数学方法，它通过建立数学模型来描述和解决实际问题。
数学建模的核心是求解数学模型，而计算方法是实现数学建模的基础工具。
为了提高数学建模的效率和精确性，优化计算方法变得尤为关键。
本文将从数学建模的概念和计算方法的优化角度，探讨数学建模计算方法的优化策略。
首先，我们需要明确数学建模的概念。
数学建模是将实际问题转化为数学问题，并通过构建数学模型来描述和求解。
在实际问题中，常常会涉及到多个变量、多个约束条件和多个目标函数。
因此，数学建模的计算量会较大，需要借助计算方法来解决。
常见的数学建模方法包括最优化、离散优化、动态规划等。
在数学建模的计算过程中，计算方法的优化可以提高计算的效率和精确性。
计算方法的优化包括提高计算速度和减少计算误差两个方面。
在提高计算速度方面，我们可以采用以下策略。
第一，选择合适的算法。
不同的问题适合采用不同的算法求解，因此选择合适的算法可以充分发挥算法的优势。
例如，在求解大规模线性系统时，可以使用迭代法来替代直接法，从而减少计算量和计算时间。
第二，优化算法参数。
算法的效果往往受到参数设置的影响，通过调整算法参数可以提高算法的性能。
例如，对于遗传算法来说，通过调整交叉概率和变异概率可以改善算法的搜索能力。
第三，利用并行计算。
利用并行计算可以将计算任务分解成多个子任务，分别进行计算，然后将结果合并。
这样可以充分利用计算资源，提高计算速度。
例如，可以使用MPI或OpenMP等并行计算框架来实现并行计算。
在减少计算误差方面，我们可以采用以下策略。
第一，提高数值稳定性。
在计算过程中，随着计算的进行，误差会逐渐积累，导致计算结果的不准确。
为了减少误差的积累，我们可以采用提高数值稳定性的方法。
例如，在求解高次多项式方程时，可以使用数值稳定性更好的求解方法，如龙格-库塔法等。
第二，增加数值精度。
计算机内部使用有限位数来表示实数，会导致舍入误差。
为了尽量减少舍入误差，我们可以提高计算的数值精度。
数学建模～最优化模型(课件)
投资组合优化
在风险和收益之间寻求平衡，通 过优化投资组合实现最大收益。
03
非线性规划模型
非线性规划问题的定义
目标函数
一个或多个非线性函数，表示 要最小化或最大化的目标。
约束条件
决策变量的取值受到某些限制 ，通常以等式或不等式形式给 出。
决策变量
问题中需要求解的未知数，通 常表示为x1, x2, ..., xn。
这是一种常用的求解整数规划问题的算法，通过不断将问题分解为更 小的子问题，并确定问题的下界和上界，逐步逼近最优解。
割平面法
该方法通过添加割平面来限制搜索区域，从而逼近最优解。
迭代改进法
该方法通过不断迭代和改进当前解，逐步逼近最优解。
遗传算法
这是一种基于生物进化原理的优化算法，通过模拟自然选择和遗传机 制来寻找最优解。
定义域
决策变量的取值范围，通常是 一个闭区间或开区间。
非线性规划问题的求解方法
梯度法
利用目标函数的梯度信息，通过迭代方法寻 找最优解。
共轭梯度法
结合梯度法和牛顿法的思想，通过迭代方法 寻找最优解。
牛顿法
利用目标函数的二阶导数信息，通过迭代方 法寻找最优解。
信赖域方法
在每次迭代中，通过限制搜索步长来保证求 解的稳定性。
02
线性规划模型
线性规划问题的定义
01
02
03
线性规划问题
在给定一组线性约束条件 下，求一组线性函数的最 大值或最小值的问题。
约束条件
包括资源限制、物理条件 等，通常以等式或不等式 形式给出。
目标函数
需要最大化或最小化的线 性函数，通常表示为决策 变量的线性组合。
线性规划问题的求解方法
最优化问题数学模型
• 进入该区域的飞机在到达区域边缘时，与区域内 飞机的距离应在60km以上；
根据当年竞赛题目给出的数据，可以验证 新进入的飞机与区域内的飞机的距离超过 60公里。
• 最多需考虑六架飞机；
cij xij 表示该队员的成 目标函数：当队员i入选泳姿j时， 绩，否则 cij xij 0 。于是接力队的成绩可表示为
f cij xij .
j 1 i 1
4
5
约束条件：根据接力队要求， xij 满足约束条件
a. 每人最多只能入选4种泳姿之一，即
x
j 1
4
ij
1.
b. 每种泳姿必须有1人而且只能有一人入选，即
分析，对实际问题进行合理的假设、简化，首先考虑用
线性规划模型，若线性近似误差较大时，则考虑用非线 性规划.
例题讲解
例1 1995年全国数学建模A题：飞行管理问题 在约1万米的高空的某边长为160km的正方 形区域内，经常有若干架飞机作水平飞行，区 域内每架飞机的位置和速度向量均由计算机记 录其数据，以便进行飞行管理。当一架欲进入 该区域的飞机到达区域边缘时，计算机记录其 数据后，要立即计算并判断是否会发生碰撞。 若会发生碰撞，则应计算如何调整各架飞机 （包括新进入的飞机）飞行的方向角，以避免 碰撞，且使飞机的调整的幅度尽量小，
目标：求函数极值或最值，求取得极值时变量的取值。
x
1.线性规划
问题：某工厂在计划期内要安排生产I、II两种产品，已 知生产单位产品所需的设备台时及A、B两种原材料的消 耗，如下表所示
I 设备 1 II 2 8台时
数学建模的最优化方法
x1
4
x2
16 12
x1, x2 0
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？
x =1.0000 1.0000 fval =1.9151e-010 exitflag = 1
output= iterations: 108 funcCount: 202
algorthm: 'Nelder-Mead simplex direct search '
有约束最优化
最优化方法分类
（一）线性最优化：目标函数和约束条件都是线 性的则称为线性最优化。
⑤对结果进行分析，讨论诸如：结果的合理性、正确性， 算法的收敛性，模型的适用性和通用性，算法效率与 误差等。
线性规划
某豆腐店用黄豆制作两种不同口感的豆腐出售。 制作口感较鲜嫩的豆腐每千克需要0.3千克一级 黄豆及0.5千克二级黄豆，售价10元；制作口感 较厚实的豆腐每千克需要0.4千克一级黄豆及0.2 千克二级黄豆，售价5元。现小店购入9千克一级 黄豆和8千克二级黄豆。
计算机技术的出现，使得数学家研究出了许 多最优化方法和算法用以解决以前难以解决的问 题。
几个概念
• 最优化是从所有可能方案中选择最合理的一种 以达到最优目标的学科。
• 最优方案是达到最优目标的方案。 • 最优化方法是搜寻最优方案的方法。 • 最优化理论就是最优化方法的理论。
经典极值问题
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定理3.4.4 对正定二次函数 由上面三式所确定共扼方向并采用精确一维 搜索得到的共扼梯度法,在m(≤n)次迭代后可 函数的极小点,并且对所有i(1≤i≤m)有
其中
301
FR算法
为了能将上述方法用于其它函 数,我们必须消去系数中的G. (1)Flecher-Reeves公式
3.02e-9
0.001843
30 (1+1.31e-7,1+2.69e-7)T
2.21e-14 2.89e-6
40 (1+0.51e-9,1+1.03e-9)T
2.79e-19 5.40e-9
50 (1+2.10e-12,1+4.26e-12)T 4.74e-24 2.16e-11
54 (1-1.14e-13,1-2.51e-13)T 6.14e-26 9.63e-12
f(xk) 1
||g(xk) || 2
1 (0.161264,0)T
0.771110 5.201215
2 (0.292861,0.050603)T
0.623703 7.535261
10 (1.006492,1.015405)T
6.07e-4
1.057204
20 (1.000035,1.000074)T
55 (1-1.42e-13,1-2.86e-13)T 2.06e-26 5.55e-13
从最后两组数据可以看出,虽然函数值下降,但 是迭代点离最优点的距离却有所增加.
308
对于PRP算法,计算过程类似. 计算15步收敛, x*≈(1,1)T 对于此例,PRP方法比FR方法收敛快. 计算结果见下表.
13 (1-0.69e-11,1-1.35e-11)T
14 (1-2.43e-13,1-5.50e-13)T
15 (1-0.93e-14,1-1.82e-14)T
f(xk) 1 0.771110 0.623704 0.019834 1.63e-17 1.90e-18 1.99e-19 6.31e-23 4.60e-27 1.07e-28
共扼梯度法算例
例3.4.1 用FR共扼梯度法求解(x0=(0,0)T)
解
注:此处不需求G.
由g0=(-2,0)T≠0,故取p0=(2,0)T,从x0出发,沿p0作一 维搜索,
即求min f (x0+a p0)=6a 2-4a 的极小点, 得a0 =1/3 ,于是x1=x0+a 0 p0=(2/3,0)T,g1=(0,-2/3)T, 由FR公式得b0=g1Tg1/g0Tg0=1/9 故p1=-g1+b0p0=(2/9,2/3)T.
309
PRP方法计算结果
k
xk
0 (0,0)T
1 (0.161264,0)T
2 (0.292861,0.050603)T
3 (1.139761,1.300789)T
10 (1+6.95e-10,1+9.93e-10)T
11 (1+1.36e-9,2.69e-9)T
12 (1+2.13e-10,1+4.66e-10)T
304
从x1出发,沿p1作一维搜索,求 的极小点
解得a1=3/2,于是
此时 故 此算例中,f(x)为二元的正定二次函数,因此 FR算法迭代两次得到最优点
305
共扼梯度法算例
例3.3.2 用FR方法与PRP方法求解
设初始点为x0=(0,0)T. 解: 由g0=(-2,0)T≠0,故取p0=(2,0)T,从x0出发,沿p0作一 维搜索,即求
||g(xk) || 2 5.201215 7.535350 0.617648 1.79e-7 1.27e-8 1.71e-8 1.85e-10 2.79e-12 2.15e-13
310
由FR公式得b0=g1Tg1/g0Tg0=6.763160 故p1=-g1+b0 p0=(13.526254,5.201215)T.
进一步可以以下的迭代,所得的结果(终止准则 为||gk||<10-12 ,55步收敛)见下表. 最终得到x*≈(1,1)T.
307
FR方法计算结果
k
xk
0 (0,0Leabharlann Tmin f (x0+a p0)=1600a 4+4a2-4a+1的极小点, 得a0 =0.080632,(精确一维搜索方法求得,e =10-5,) 于是x1=x0+a 0 p0=(0.161264,0)T,
g1=(0.000065,-5.201215)T.
306
共扼梯度法算例
p0=(2,0)T,x1=(0.161264,0)T,g1=(0.000065,-5.201215)T,
所以
302
FR算法中:
PRP算法
(2)Polak-Ribiere-Polyak公式 由于gkTgk-1=0,所以有
对于二次函数,这两个函数是等价的,但对于 一般的函数,根据这两个公式的出的算法的 计算效果有差异.
注:对于这两个算法,可以证明pkTgk= -gkTgk<0, 因而都是下降算法.
303