《机械优化设计》练习题及答案
机械优化设计复习题及答案
机械优化设计复习题.单项选择题1. 一个多元函数F X 在X*附近偏导数连续，则该点位极小值点的充要条件为( )A. i F X =0B. F X = 0, H X 为正定C. H X* R0D. 'F X* ]=0, H X* 为负定2. 为克服复合形法容易产生退化的缺点，对于n 1 乞K 乞2n D. n 乞K 乞2n — 1A . K _n 1 B. K _2n C.n维问题来说，复合形的顶点数K应()3. 目标函数F ( x) =4x2+5X；，具有等式约束，其等式约束条件为h(x)=2x计3x2-6=0,则目标函数的极小值为( )A 1 B. 19.05 C. 0.25 D. 0.14. 对于目标函数 F(X)=ax+b受约束于g(X)=c+x _0的最优化设计问题，用外点罚函数法求解时，其惩罚函数表达式①(X,M(k))为()。
A. ax+b+M (k){min :0,c+x : }2, MT 为递增正数序列B. ax+b+M (k){min :0,c+x : }2, MT 为递减正数序列C. ax+b+M (k){max [c+x,0 ] }2, M(k)为递增正数序列 hnD. ax+b+M (k){max [c+x,0 ] }2, MT 为递减正数序列1.B2.C3.B4.B5.A6.B7.D8.B9.A 10C.11.B 12.C 13A 14.B 15.B 16 D 17.D 18.A19. B.20.D 21.A 22.D 23.C 24.B 25.D 26.D 27.A 28.B 29.B 30.B5. 黄金分割法中，每次缩短后的新区间长度与原区间长度的比值始终是一个常数，此常数是( )。
A.0.382 B.0.186 C.0.618 D.0.8166.F(X)在区间[X1,X3] 上为单峰函数，X2为区间中一点，X4为利用二次插值法公式求得的近似极值点。
如 X4- X2>0,且 F(X4)>F(X 2),那么为求F(X) 的极小值，X4点在下一次搜索区间内将作为( )°A.x 1B.x 3C.X 2D.X47.已知二元二次型函数F(X)= 】X T AX ，其中A=12, 则该二次型是()的。
机械优化设计试题及答案
机械优化设计试题及答案### 机械优化设计试题及答案#### 一、选择题（每题2分，共10分）1. 机械优化设计的最基本目标是什么？- A. 最小化成本- B. 最大化效率- C. 确保安全性- D. 以上都是2. 以下哪个是优化设计中常用的数学方法？- A. 线性代数- B. 微积分- C. 概率论- D. 几何学3. 在进行机械优化设计时，以下哪个因素通常不是设计变量？ - A. 材料选择- B. 尺寸参数- C. 工作温度- D. 制造工艺4. 机械优化设计中，约束条件通常包括哪些类型？- A. 应力约束- B. 位移约束- C. 速度约束- D. 所有上述5. 以下哪个软件不是用于机械优化设计的？- A. ANSYS- B. MATLAB- C. AutoCAD- D. SolidWorks#### 二、简答题（每题10分，共20分）1. 简述机械优化设计的基本步骤。
2. 解释什么是多目标优化，并举例说明其在机械设计中的应用。
#### 三、计算题（每题15分，共30分）1. 假设有一个机械臂设计问题，需要优化其长度以获得最大的工作范围。
如果机械臂的长度 \( L \) 与工作范围 \( R \) 的关系为 \( R = L \times \sin(\theta) \)，其中 \( \theta \) 是机械臂与水平面的夹角，\( 0 \leq \theta \leq 90^\circ \)，求当 \( \theta = 45^\circ \) 时，机械臂的最佳长度 \( L \)。
2. 考虑一个简单的梁结构，其长度为 \( 10 \) 米，承受均布载荷\( q = 10 \) kN/m。
若梁的弯曲刚度 \( EI \) 为 \( 1 \times10^7 \) Nm²，求梁的最大挠度 \( \delta \)。
#### 四、论述题（每题15分，共30分）1. 论述机械优化设计在现代制造业中的重要性。
机械优化设计试题及答案
计算题1．试用牛顿法求()221285f X x x =+的最优解，设()[]01010TX =。
初始点为()[]01010TX =，则初始点处的函数值和梯度分别为()()0120121700164200410140f X x x f X x x =+⎡⎤⎡⎤∇==⎢⎥⎢⎥+⎣⎦⎣⎦，沿梯度方向进行一维搜索，有()010000010200102001014010140X X f X αααα-⎡⎤⎡⎤⎡⎤=-∇=-=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦0α为一维搜索最佳步长，应满足极值必要条件()()[]()()()(){}()αϕααααααααm i n 14010514010200104200108min min 200020001=-⨯+-⨯-⨯+-⨯=∇-=X f X f X f()001060000596000ϕαα'=-=， 从而算出一维搜索最佳步长 0596000.05622641060000α==则第一次迭代设计点位置和函数值01010200 1.245283010140 2.1283019X αα--⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦ ()124.4528302f X =，从而完成第一次迭代。
按上面的过程依次进行下去，便可求得最优解。
2、试用黄金分割法求函数()20f ααα=+的极小点和极小值，设搜索区间[][],0.2,1a b =（迭代一次即可）解：显然此时，搜索区间[][],0.2,1a b =，首先插入两点12αα和，由式 ()1()10.61810.20.5056b b a αλ=--=--= ()2()0.20.6181.20.6944a b a αλ=+-=+⨯-=计算相应插入点的函数值()()4962.29,0626.4021==ααf f 。
因为()()12f f αα>。
所以消去区间[]1,a α，得到新的搜索区间[]1,b α， 即[][][]1,,0.5056,1b a b α==。
《机械优化设计》复习题-答案讲解
《机械优化设计》复习题解答一、填空题1、用最速下降法求f(X)=100(x 2- x 12) 2+(1- x 1) 2的最优解时，设X （0）＝[-0.5,0.5]T ，第一步迭代的搜索方向为 [-47,-50]T 。
2、机械优化设计采用数学规划法，其核心一是寻找搜索方向，二是计算最优步长。
3、当优化问题是凸规划的情况下，任何局部最优解就是全域最优解。
4、应用进退法来确定搜索区间时，最后得到的三点，即为搜索区间的始点、中间点和终点，它们的函数值形成 高－低－高 趋势。
5、包含n 个设计变量的优化问题，称为 n 维优化问题。
6、函数 C X B HX X T T ++21的梯度为HX+B 。
7、设G 为n×n 对称正定矩阵，若n 维空间中有两个非零向量d 0，d 1，满足(d 0)T Gd 1=0，则d 0、d 1之间存在共轭关系。
8、 设计变量 、 目标函数 、 约束条件 是优化设计问题数学模型的基本要素。
9、对于无约束二元函数),(21x x f ，若在),(x 20100x x 点处取得极小值，其必要条件是 错误!未找到引用源。
，充分条件是 错误!未找到引用源。
(错误!未找到引用源。
正定 。
10、 库恩-塔克 条件可以叙述为在极值点处目标函数的梯度为起作用的各约束函数梯度的非负线性组合。
11、用黄金分割法求一元函数3610)(2+-=x x x f 的极小点，初始搜索区间]10,10[],[-=b a ，经第一次区间消去后得到的新区间为 [-2.36 10] 。
12、优化设计问题的数学模型的基本要素有设计变量、 目标函数 、 约束条件。
13、牛顿法的搜索方向d k= ，其计算量大 ，且要求初始点在极小点 附近 位置。
14、将函数f(X)=x 12+x 22-x 1x 2-10x 1-4x 2+60表示成C X B HX X T T ++21的形式 错误!未找到引用源。
。
15、存在矩阵H ，向量 d 1，向量 d 2，当满足d 1T Hd 2=0，向量 d 1和向量 d 2是关于H 共轭。
完整word版机械优化设计复习题答案
《机械优化设计》复习题解答、填空题1、用最速下降法求 f(X)=1OO(x 2- X 12) 2+(1- X 1)2 的最优解时，设 X (0)=[-0.5,0.5]T ，第一 步迭代的搜索方向为 [-47,-50]T o 2、机械优化设计采用数学规划法，其核心一是 寻找搜索方向，二是计算最优步长。
3、当优化问题是凸规划的情况下，任何局部最优解就是全域最优解。
4、应用进退法来确定搜索区间时，最后得到的三点，即为搜索区间的始点、中间点和 终点，它们的函数值形成 高一低一高 ____________ 趋势。
16、 函数 -X T HX B T X C 的梯度为Bo2 - 7、 设G 为nXi 对称正定矩阵，若n 维空间中有两个非零向量d 0，d 1，满足(d o )T Gd 1=O , 则d o 、d 1之间存在共轭关系。
9、对于无约束二元函数 f(X 1,X 2)，若在X o (X 1O ,X 2O )点处取得极小值，其必要条件是玳匕畑码J = 0 ____________，充分条件是」^ 乞詁 =0正定 。
10、 K-T _______________ 条件可以叙述为在极值点处目标函数的梯度为起作用的各 约束函数梯度的非负线性组合。
11、用黄金分割法求一元函数f(x) x 2 1Ox 36的极小点，初始搜索区间[a,b] [ 1O,1O]，经第一次区间消去后得到的新区间为 [-2.36 1O] o 12、 优化设计问题的数学模型的基本要素有 设计变量、目标函数 、 约束条件。
13、 牛顿法的搜索方向d k =—H klk ，其计算量大，且要求初始点在极小点 附近位 置。
14、将函数 f(X)=x I 2+X 22-X I X 2-10X I -4X 2+60 表示成 1x T HX B T X C 的形式15、 存在矩阵H ，向量d 1，向量d 2，当满足d 1T Hd 2=O ，向量d 1和向量d 2是关于H 共 轭。
机械优化设计试题及答案
计算题1．试用牛顿法求()221285f X x x =+的最优解，设()[]01010TX =。
初始点为()[]01010TX =，则初始点处的函数值和梯度分别为()()0120121700164200410140f X x x f X x x =+⎡⎤⎡⎤∇==⎢⎥⎢⎥+⎣⎦⎣⎦，沿梯度方向进行一维搜索，有()010000010200102001014010140X X f X αααα-⎡⎤⎡⎤⎡⎤=-∇=-=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦0α为一维搜索最佳步长，应满足极值必要条件()()[]()()()(){}()αϕααααααααm i n 14010514010200104200108min min 200020001=-⨯+-⨯-⨯+-⨯=∇-=X f X f X f()001060000596000ϕαα'=-=， 从而算出一维搜索最佳步长 0596000.05622641060000α==则第一次迭代设计点位置和函数值01010200 1.245283010140 2.1283019X αα--⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦ ()124.4528302f X =，从而完成第一次迭代。
按上面的过程依次进行下去，便可求得最优解。
2、试用黄金分割法求函数()20f ααα=+的极小点和极小值，设搜索区间[][],0.2,1a b =（迭代一次即可）解：显然此时，搜索区间[][],0.2,1a b =，首先插入两点12αα和，由式 ()1()10.61810.20.5056b b a αλ=--=--= ()2()0.20.6181.20.6944a b a αλ=+-=+⨯-=计算相应插入点的函数值()()4962.29,0626.4021==ααf f 。
因为()()12f f αα>。
所以消去区间[]1,a α，得到新的搜索区间[]1,b α， 即[][][]1,,0.5056,1b a b α==。
机械优化设计复习题及答案
机械优化设计复习题一.单项选择题1．一个多元函数()F X在X* 附近偏导数连续，则该点位极小值点的充要条件为（）A．()*0F X∇= B. ()*0F X∇=,()*H X为正定C．()*0H X= D. ()*0F X∇=,()*H X为负定2.为克服复合形法容易产生退化的缺点，对于n维问题来说，复合形的顶点数K应（）A．1K n≤+ B. 2K n≥ C. 12n K n+≤≤ D. 21n K n≤≤-3．目标函数F（x）=4x21+5x22，具有等式约束，其等式约束条件为h(x)=2x1+3x2-6=0,则目标函数的极小值为（）A．1 B． 19.05 C．0.25 D．0.14.对于目标函数F(X)=ax+b受约束于g(X)=c+x≤0的最优化设计问题，用外点罚函数法求解时，其惩罚函数表达式Φ(X,M(k))为( )。
A. ax+b+M(k){min［0,c+x］}2，M(k)为递增正数序列B. ax+b+M(k){min［0,c+x］}2，M(k)为递减正数序列C. ax+b+M(k){max［c+x,0］}2，M(k)为递增正数序列hnD. ax+b+M (k){max ［c+x,0］}2，M (k)为递减正数序列1.B2.C3.B4.B5.A6.B7.D8.B9.A 10C.11.B 12.C 13A 14.B 15.B 16 D 17.D 18.A0.186 C6.F(X)在区间［x 1,x 3］上为单峰函数，x 2为区间中一点，x 4为利用二次插值法公式求得的近似极值点。
如x 4-x 2>0,且F(x 4)>F(x 2)，那么为求F(X)的极小值，x 4点在下一次搜索区间内将作为( )。
A.x 1 B.x 3 C.x 2D.x 47.已知二元二次型函数F(X)=AX X 21T ，其中A=⎥⎦⎤⎢⎣⎡4221，则该二次型是( )的。
A.正定 B.负定 C.不定 D.半正定 8.内点罚函数法的罚因子为（ ）。
《机械优化设计》习题及答案1word版本
机械优化设计习题及参考答案1-1.简述优化设计问题数学模型的表达形式。
答：优化问题的数学模型是实际优化设计问题的数学抽象。
在明确设计变量、约束条件、目标函数之后，优化设计问题就可以表示成一般数学形式。
求设计变量向量[]12Tn x x x x =L 使 ()min f x → 且满足约束条件()0(1,2,)k h x k l ==L ()0(1,2,)j g x j m ≤=L2-1.何谓函数的梯度？梯度对优化设计有何意义？答：二元函数f(x 1,x 2)在x 0点处的方向导数的表达式可以改写成下面的形式：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂∂∂=∂∂+∂∂=∂∂2cos 1cos 212cos 21cos 1θθθθxo x f x f xo x f xo x f xo d fρ令xo Tx f x f x f x fx f ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂∂∂=∂∂∂∂=∇21]21[)0(， 则称它为函数f （x 1，x 2）在x 0点处的梯度。
（1）梯度方向是函数值变化最快方向，梯度模是函数变化率的最大值。
（2）梯度与切线方向d 垂直，从而推得梯度方向为等值面的法线方向。
梯度)0(x f ∇方向为函数变化率最大方向，也就是最速上升方向。
负梯度-)0(x f ∇方向为函数变化率最小方向，即最速下降方向。
2-2.求二元函数f （x 1，x 2）=2x 12+x 22-2x 1+x 2在T x ]0,0[0=处函数变化率最大的方向和数值。
解：由于函数变化率最大的方向就是梯度的方向，这里用单位向量p表示，函数变化率最大和数值时梯度的模)0(x f ∇。
求f （x1，x2）在x0点处的梯度方向和数值，计算如下：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂=∇120122214210x x x x f x f x f 2221)0(⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=∇x f x f x f =5⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=∇∇=5152512)0()0(x f x f p ϖ2-3.试求目标函数()2221212143,x x x x x x f +-=在点X 0=[1,0]T 处的最速下降方向，并求沿着该方向移动一个单位长度后新点的目标函数值。
机械优化设计试题及标准答案
计算题1．试用牛顿法求()221285f X x x =+的最优解，设()[]01010TX =。
初始点为()[]01010TX =，则初始点处的函数值和梯度分别为()()0120121700164200410140f X x x f X x x =+⎡⎤⎡⎤∇==⎢⎥⎢⎥+⎣⎦⎣⎦，沿梯度方向进行一维搜索，有()010000010200102001014010140X X f X αααα-⎡⎤⎡⎤⎡⎤=-∇=-=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦0α为一维搜索最佳步长，应满足极值必要条件()()[]()()()(){}()αϕααααααααmin 14010514010200104200108min min 200020001=-⨯+-⨯-⨯+-⨯=∇-=X f X f X f()001060000596000ϕαα'=-=， 从而算出一维搜索最佳步长 0596000.05622641060000α==则第一次迭代设计点位置和函数值01010200 1.245283010140 2.1283019X αα--⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦ ()124.4528302f X =，从而完成第一次迭代。
按上面的过程依次进行下去，便可求得最优解。
2、试用黄金分割法求函数()20f ααα=+的极小点和极小值，设搜索区间[][],0.2,1a b =（迭代一次即可）解：显然此时，搜索区间[][],0.2,1a b =，首先插入两点12αα和，由式 ()1()10.61810.20.5056b b a αλ=--=--= ()2()0.20.61810.20.6944a b a αλ=+-=+⨯-=计算相应插入点的函数值()()4962.29,0626.4021==ααf f 。
因为()()12f f αα>。
所以消去区间[]1,a α，得到新的搜索区间[]1,b α， 即[][][]1,,0.5056,1b a b α==。
《机械优化设计》试卷及答案复习过程
《机械优化设计》复习题及答案一、填空题1、用最速下降法求f(X)=100(x 2- x 12) 2+(1- x 1) 2的最优解时，设X （0）＝[-0.5,0.5]T ，第一步迭代的搜索方向为[-47;-50] 。
2、机械优化设计采用数学规划法,其核心一是建立搜索方向 二是计算最佳步长因子 。
3、当优化问题是__凸规划______的情况下，任何局部最优解就是全域最优解。
4、应用进退法来确定搜索区间时，最后得到的三点，即为搜索区间的始点、中间点和终点，它们的函数值形成 高-低-高 趋势。
5、包含n 个设计变量的优化问题，称为 n 维优化问题。
6、函数 C X B HX X T T ++21的梯度为 HX+B 。
7、设G 为n×n 对称正定矩阵，若n 维空间中有两个非零向量d 0，d 1，满足(d 0)T Gd 1=0，则d 0、d 1之间存在_共轭_____关系。
8、 设计变量 、 约束条件 、 目标函数 是优化设计问题数学模型的基本要素。
9、对于无约束二元函数),(21x x f ，若在),(x 20100x x 点处取得极小值，其必要条件是 梯度为零 ，充分条件是 海塞矩阵正定 。
10、 库恩-塔克 条件可以叙述为在极值点处目标函数的梯度为起作用的各约束函数梯度的非负线性组合。
11、用黄金分割法求一元函数3610)(2+-=x x x f 的极小点，初始搜索区间]10,10[],[-=b a ，经第一次区间消去后得到的新区间为 [-2.36,2.36] 。
12、优化设计问题的数学模型的基本要素有设计变量 、约束条件 目标函数 、13、牛顿法的搜索方向d k = ，其计算量 大 ，且要求初始点在极小点 逼近 位置。
14、将函数f(X)=x 12+x 22-x 1x 2-10x 1-4x 2+60表示成C X B HX X T T ++21的形式 。
15、存在矩阵H ，向量 d 1，向量 d 2，当满足 (d1)TGd2=0 ，向量 d 1和向量 d 2是关于H 共轭。
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《机械优化设计》练习题及答案
1 .
单选题
1. K-T
条件是多元函数取得约束极值的（）条件。
A.
充分
B.
必要
C.
充分必要
D.
不确定
正确答案：
B
2.
（）是从可行域的外部构造一个点序列去逼近原约束问题的最 优
解。
A.
外点法
B.
内点法
C.
混合法
D.
抛物线法
正确答案：A
3 .
在最速下降法中，相邻两个迭代点上的函数梯度相互（）。
A.
平行
B.
垂直
C.
相交
D.
相异
正确答案：
B
4 .
动态问题分为约束问题和（）两种。
A.
一维问题
B. n
维性问题
C.
无约束问题
D.
约束问题
正确答案：
C
5.
非线性问题分为一维问题和（）两种。
A.
静态问题
B. n
维性问题
C.
无约束问题
D.
约束问题
正确答案：
B
6 .
一个可行设计必须满足某些设计限制条件，这些限制条件称作
()o
A.
可行条件
B.
固定条件
C.
约束条件
D.
边界条件
正确答案：
C
7 .
下列说法不正确的一项是(？？)。
A.
变量轮换法的方法是依次沿相应的坐标轴方向进行的一维优
化，收敛速度较慢
8 .
二维正定二次函数的等值线是同心的椭圆族，目椭圆中心就是
以该函数为目标函数的极小点
C.
用梯度法寻求目标函数的最小值时，就是沿目标函数方向上的 一
维搜索寻优法
D.
利用复合形法进行优化设计时构造初始复合形的全部顶点都 必须
在可行城内选取。
正确答案：
C
9 .
下列优化设计的算法中，不属于无约束优化设计算法的一项是
(Illl }
A.
牛顿法
8 .
鲍威尔法
C.
罚函数法
D.
变尺度法
正确答案：
C
9 .
()通常是指在解决设计问题时，使其结果达到某种意义上的 无可
争议的完善化。
A.
正交化
B.
规范化
C.
最优化
D.
正定化
正确答案：
C
10 .有n
个设计变量为坐标所组成的实空间称为（）。
A.
设计空间
B.
行向量
C.
列向量
D.
集
正确答案：
A
2.
多选题
11 .机械优化设计的数学模型的三要素是（？？ ） o
A.
设计变量
B.
目标函数
C.
约束函数
D.
定义公式
正确答案
：
ABC
12 .
下列哪几项属于梯度法的特点？
（）
A.
理论明确，程序简单，对初始点要求不严格
B.
对一般函数而言，梯度法的收敛速度并不快
C.
在远离极小点时逼近速度较快，而在接近极小点时逼近速度较 慢
D.
梯度法的收敛速度与目标函数的性质密切相关
正确答案：
ABCD
13 .
惩罚函数法有（）三种方法。
A.
迭代法
B.
内点法
C.
外点法
D.
混合法
正确答案：
BCD
14 .
最优化问题分为（）两种。
A.
静态问题
B.
动态问题
C.
线性问题
D.
非线性问题
正确答案：
AB
15 .
机械优化的目的是（）。
A.
最好的使用性能
B.
最佳的经济效益
C.
最佳的社会效益
D.
最快的生产速度
正确答案：
ABC
3.
判断题
16 .方向倒数是二元函数在点xθ处沿某一方向S
的方向导数。（
）
A.
错误
B.
正确
正确答案：
B
17 .
函数在某点的梯度不为零，则必与过该点的等值面垂直。（
）
A.
错误
B.
正确
正确答案：
B
18 .约束优化设计的最优点不在可行域D
中。（）
A.
错误
B.
正确
正确答案：A
19 .对于目标函数和约束函数都是凸函数的情况，符合K-T
条 件的
点一定是全局最优点。（）
A.
错误
B.
正确
正确答案：
B
20 .
对于具有相等目标函数值的设计点构成的平面曲线或曲面称 为
等值线或等值面。（）
A.
错误
B.
正确
正确答案：
B
21 .
由于各约束函数所表达的意义不同，使得各约束函数值在量 级上
相差很大。约束函数的尺度变换常称规格化，为改善数学模 型性态常
用的一种方法。（）
A.
错误
B.
正确
正确答案：B
22 .气温在人体正常体温的黄金分割点上23。C
左右时，恰是人的
身心最适度的温度。（）
A.
错误
B.
正确
正确答案：
B
23 .
梯度方向是函数具有最大变化率的方向。（
）
A.
错误
B.
正确
正确答案：
B
24 .
任意相邻两点的搜索方向是正交的，它的迭代路径为绕道逼 近
极小点。当迭代点接近极小点时，步长变得很小，越走越慢。（）
A.
错误
B.
正确
正确答案：B
25 .
梯度方向是函数值变化最慢的方向，而梯度的模就是函数变
化率的最大值。（）
A.
错误
B.
正确
正确答案：
A