优化设计的数学基础
优化设计的数学基础
a11 a12 a11 0, a11 a12 a21 a22 0, , a21 a22 an1 an 2
a1n a2 n ann 0
即矩阵A的各阶主子式均大于零。当矩阵A为正定时，其对应的二次型 为正定二次型。 如果实二次型 XTAX 中的矩阵A的各阶主子式负、正相间（即所 有奇数阶主子式小于零，而所有偶数阶主子式大于零），即
■ 函数的泰勒近似展开式和黑塞矩阵 ■ 无约束优化问题的极值条件 ■ 凸函数与凸规划 ■
约束优化问题的极值条件
2.1 二次型与正定矩阵
在介绍优化方法时，常常是将二次型函数作为对象。其原因除了 二次型函数在工程优化问题中有较多的应用且比较简单之外，还因为 任何一个复杂的多元函数都可采用泰勒二次展开式做局部逼近，使复 杂函数简化为二次函数。因此，需要讨论有关二次型函数的问题。
A 称为二次型矩阵，因为 aij = aji ，所以 A =AT，称为对称矩阵，
因此二次型矩阵都是对称矩阵。
2. 正定矩阵
在采用泰勒二次近似展开式讨论函数的极值时，常要分析二次型 函数是否正定或负定。二次型的正定与负定的定义简述如下： 如果对于任意的非零向量 X = [x1, x2, …，xn]T，即x1，x2，…，xn 不全为零，若有 XTAX > 0，则称此二次型 f (X)=XTAX 是正定二次 型， 其对应的矩阵A 称为正定矩阵； 若有 XTAX ≥0，则称此二次型 f (X) = XTAX 为半正定二次型，并称 其相应的矩阵A为半正定矩阵； 若有XTAX < 0，则称此二次型 f (X)=XTAX 为负定二次型，其对应 的矩阵A为负定矩阵。 矩阵A的正定与负定的判别，可用矩阵A的各阶顺序主子式的正负 来判别。矩阵A的正定条件是：
a1n a2 n ann
现代设计方法课件PPT 第2章 优化设计的数学基础
3x2 6 6(x1 1)2 6x12 12x1 3x2
将 X (点 X (1) 的值相等。
重庆大学机械工程学院
5
现代设计方法——第2章 优化设计的数学基础
分析式（2-9）中的取值对方向导数 f ( X k) ) / S 影响，可知，在设计空间
中，凡是与梯度方向成锐角的方向函数值都增加；凡是与梯度方向成钝角的方
向函数值都减小；梯度 f (X ) 的方向为函数 f(X) 过 X (k) 点的等值线（或等值面）
的外法线方向。
Δ Δ Δ
x2
变化率为零的方向
下降方向
将代数式（2-6）写成矩阵形式，则有
f
(X (k) S
)
f
(X (k) x1
)
cos1
f
(X (k) x2
)
cos2
f ( X (k) )
x1
f ( X (k) ) cos1
x2
cos
2
f ( X (k) )
令
f ( X (k) )
x1
,
f ( X (k) )
S
cos1 cos2
当 X (k) 为函数的极小点时，有 f (X ) f (X (k) ) 0 ，故必有
[ X X (k) ]T 2 f ( X (k) )[ X X (k) ] 0
根据线性代数的二次型有关知识，上式说明函数的二阶导数矩阵必 须是正定的，这就是多元函数极小值的充分条件。故，多元函数在点 X (k) 取得极小值的充分必要条件是：函数在该点的梯度为零，海赛矩阵（二 阶导数矩阵）正定，即
求展开式的二次项
九年级数学优化设计答案人教版
九年级数学优化设计答案人教版九年级数学优化设计答案人教版：
一、数学基础知识
1、掌握基本的数学概念，如数、因数、倍数、约数、分数、
根式、平方根、立方根等；
2、掌握基本的数学运算，如加减乘除、乘方、开方、求和、
求积、求余数等；
3、掌握基本的数学表达式，如等式、不等式、函数、比例、
比值、比率等；
4、掌握基本的数学思维，如分析、推理、推断、归纳、概括、抽象、推导等；
5、掌握基本的数学解题方法，如分析法、比较法、推理法、
归纳法、概括法、抽象法、推导法等。
二、数学应用
1、掌握数学在实际生活中的应用，如购物、投资、财务管理、统计分析等；
2、掌握数学在科学技术中的应用，如科学计算、工程设计、
机器人技术等；
3、掌握数学在社会经济中的应用，如市场营销、经济分析、
社会调查等；
4、掌握数学在教育管理中的应用，如教学计划、教学评估、
教学研究等。
三、数学实践
1、组织学生参加数学竞赛，提高学生的数学素养；
2、开展数学实验，培养学生的实践能力；
3、开展数学游戏，激发学生的学习兴趣；
4、开展数学模拟，培养学生的分析思维；
5、开展数学讨论，培养学生的团队合作能力。
五年级优化设计上册
五年级优化设计上册是一本针对五年级学生的数学练习册，旨在帮助学生巩固和加深对数学知识的理解，提高数学应用能力和思维能力。
以下是五年级优化设计上册的一些主要内容：
1.数的认识：包括正数、负数、小数、分数、百分数等概念及其性质和运算。
2.数的运算：包括四则运算、简便运算、解方程等，以及运用所学知识解决
简单的实际问题。
3.图形与几何：包括图形的认识、图形的测量、图形的运动等，重点是平面
图形的面积和立体图形的体积。
4.统计与概率：包括数据的收集、整理、描述和分析，以及简单概率的计算。
5.数学广角：结合生活实际，通过有趣的问题和活动，引导学生运用数学思
维解决实际问题，提高数学素养。
在练习题的设置上，五年级优化设计上册注重题目的多样性和层次性，从基础题到提高题，逐步提高学生的解题能力。
同时，还注重题目的情境化和趣味性，让学生通过实际情境和有趣的问题，加深对数学知识的理解和应用。
使用五年级优化设计上册时，建议学生先复习所学知识，再独立完成练习题。
对于难度较大的题目，可以引导学生通过小组讨论、家长辅导等方式进行解决。
教师或家长也可以根据学生的实际情况，选择性地布置题目，有针对性地提高学生的数学能力。
同时，还需要关注学生的答题思路和解题方法，及时发现和纠正学生的错误思维和方法。
机械优化设计第二五讲讲课文档
现在十九页，总共五十二页。
目标函数是非凸函数（图 a），或可行域是非凸集（图 b）：
g( p)
现在十七页，总共五十二页。
第二章 优化设计的数学基础
现在十八页，总共五十二页。
第二章 优化设计的数学基础
凸函数的基本性质：
若f(x)是定义在凸集D上的严格凸函数，则f(x)在D上的一个极小点， 也就
是全局最小点。 凸函数的线性组合仍然为凸函数。
设x(1), x(2)为凸函数 f(x)上的两个最小点，则其连线上的任意点也都是最小点。
偶数阶主子式都大于0； H是半正定矩阵的充要条件是它的所有主子式都大于等于0； H是半负定矩阵的充要条件是它的所有奇数阶主子式都小于等于0，并且它的
所有偶数阶主子式都大于等于0；
Hesse 矩阵的正定性： H(x*)正定， 是 x* 为全局极小值点的充分条件； H(x*)半正定, 是 x* 为局部极小值点的充分条件； H(x*)负定， 是 x* 为全局极大值点的充分条件； H(x*)半负定, 是 x* 为局部极大值点的充分条件。
凸性函数的判定（判别函数为凸函数的条件）
按梯度判断凸性：设f(x)是定义在凸集 D上具有连续一阶导数的函数，则f(x) 在D上为凸函数的充要条件是：对于任意的 x(1),x(2)∈D 都有
成立f ( 。x ( 2 ) ) f ( x ( 1 ) ) [ f ( x ( 1 ) ) T [ x ] ( 2 ) x ( 1 ) ]
2 0
0 2
x22
最优化_第2章 优化设计的数学基础
(0) (0) f ( x1(0) , x2 x2 ) f ( x1(0) , x2 ) f ( x) lim x2 X ( 0) x2 0 x2
分别表示沿坐标轴x1和x2方向在X (0)处的f(X)变化率。
§2.1
多元函数的导数与梯度
(0) (0) f x1(0) x1 , x2 x2 f x1(0) , x2 f lim d X ( 0 ) d 0 d (0) (0) (0) f x1 x1 , x2 f x1(0) , x2 x1 lim d 0 x1 d
n元函数极值充分条件:海塞矩阵为正定。
2 f 2 x 1 2 f x2 x1 (0) G( X ) 2 f xn x1
2 f xn x2
§2.4
凸集、凸函数与凸规划
f X f X*
函数f(X)在X*附近的一切X均满足不等式
2.二阶导数（ Hessian矩阵)判断
Hessian矩阵G(X)在R上处处半正定。
(0) 1 (0) 2
X (0)
x2
§2.2
多元函数的泰勒展开
二元函数泰勒展开矩阵形式:
f x1 , x2 f X
(0)
f ( X
(0) T
1 ) X X TG ( X (0) )X 2
2 f x 2 1 其中: G ( X (0) ) 2 f x2 x1
2 2
2 5 5 5 1 5 1 5 5
f
X
(1)
26 3x 4 x1 x2 x |X ( 0 ) 5 2 5
2 1
优化设计基础PPT讲稿
其中，x1 x1 x10，x2 x2 x20
二元函数泰勒展开式的矩阵形式：
f
x
f
x0
f x1
f x2
x0
x1
x2
1 2
x1
2 f
x2
x12 2 f
x2x1
f
x0
f
T
1T
x0 x x G
x0
x …
2
2 f
x1x2 2 f x22
x0
例：设目标函数f (x)
f (x1, x2 ) 4
x12 x2 , 求点x0
[1
1]T 处沿
d1和d2两个方向的方向导数。
向量d1的方向为：1
2
，
4
向量d2的方向为：1
3
，2
6
第二章 优化设计的数学基础
第一节 多元函数的方向导数和梯度
f
梯度：二元函数f
(x1, x2 )在点x0处的梯度是f
优化设计基础课件
第二章 优化设计的数学基础
第一节 多元函数的方向导数和梯度
一个多元函数可用偏导数的概念来研究函数沿各坐标方向 的变化率。
二元函数的偏导数：
一个二元函数f (x1, x2 )在点x0 (x10 , x20 )处的偏导数是
f lim f x10 x1, x20 f x10 , x20
(x0 )
x1
f
x2
x0
f
x1
T
f
,
x2
x0
方向导数与梯度的关系： f f (x0 )T d f (x0 ) cos(f , d) d x0
二元函数f
(
x1,
x2
四年级上册数学优化设计
四年级上册数学优化设计一、设计背景数学是一门重要的学科，它涵盖了许多基础概念，如加减乘除、分数、小数、几何、代数等等。
四年级上册数学内容主要涉及加减法运算、几何图形和分数等知识。
对于学生来说，这些内容可能有些抽象和难以理解，需要老师通过巧妙的设计和优化，使学生更容易理解和掌握这些知识。
二、设计目标1.提高学生对加减法运算的理解和运用能力。
2.帮助学生对几何图形有更深入的理解和认识。
3.让学生能够掌握分数的基本概念和运算方法。
三、设计内容1.加减法运算为了提高学生对加减法运算的理解和运用能力，可以设计一些趣味性的练习和游戏。
比如，可以设计一个“加减法接力赛”游戏，让学生分成若干小组，每个小组派出一名代表完成一道加减法题目，正确答题后才可以传递接力棒给下一名学生，最终完成所有题目的小组获胜。
这样的设计既可以锻炼学生的计算能力，又可以增加学生的参与度和乐趣。
2.几何图形对于几何图形的理解，可以设计一些实际案例，让学生通过观察和思考来认识不同的几何图形。
比如，设计一个“找几何图形”活动，让学生在校园或家庭中找到不同形状的物体，并记录下来。
然后，让学生用这些物体拼凑出不同的几何图形，并对它们进行分类和比较，让学生在实践中更加深入地理解几何图形的特征和属性。
3.分数针对分数的学习，可以设计一些生活化的案例，让学生通过实际情境来认识分数。
比如，设计一个“分数商店”项目，让学生扮演商店老板，通过出售商品来让顾客得到一定数量的分数。
学生需要计算商品的价格和顾客购买的数量，然后通过分数计算来实现交易。
这样的设计既可以激发学生的兴趣，又可以帮助他们更好地理解分数的概念和运用方法。
四、设计方法1.利用游戏和活动来增加学生的参与度和乐趣，提高学习效果。
2.通过实际案例和情境来激发学生的兴趣和动手能力，加深对知识的理解和掌握。
3.结合课堂教学和课外活动，形成多种形式的教学设计，提高学生的学习兴趣和学习效果。
五、设计评价通过以上的设计和方法，能够有效提高学生对数学知识的理解和掌握，培养学生的数学思维和解决问题的能力，达到教学目标。