《最优化方法》最优化方法概述

2019/12/17最优化方法1最优化方法2019/12/17最优化方法2研究内容：在有限种或无限种可行方案中挑选最优方案，构造寻求最优解的计算方法研究目的：主要解决最优计划、最优分配、最优决策、最佳设计、最佳管理等最优化问题。应用领域：科学工程、国防、交通、管理、经济、金融、计算机等。最优化方法概述2019/12/17最优化方法3最优化方法(OptimizationTechniques)隶属于运筹学.运筹学（OperationsResearch）是用数学方法研究各种系统的最优化问题，应用数学模型求得合理利用各种资源的最佳方案，为决策者提供科学决策的依据。数学规划又包括线性规划，整数规划，非线性规划，目标规划和动态规划等，是运筹学的主要内容.背景知识2019/12/17最优化方法4运筹学这一名词最早出现于1938年。当时英，美等国盟军在与德国的战争中遇到了许多错综复杂的战略和战术问题难以解决，比如防空雷达的布置问题护航舰队的编队问题为了应付上述各种复杂问题，英美等国逐批召集不同专业背景的科学家，在三军组织了各种研究小组，研究的问题都是军事性质的，这些研究小组运用系统优化的思想，应用数学技术分析军事问题，取得了非常理想的效果。2019/12/17最优化方法5二次大战以后，在军事运筹小组中工作过的一部分科学家开始转入民用部门，他们把对军事系统最优化的研究成果拓展到各种民用系统的研究上。1947年美国数学家G.B.Dantzig在研究美国空军资源配置时,提出了求解线性规划的有效方法—单纯形法。二十世纪五十年代初，应用计算机求解线性规划获得成功。至五十年代末，一些工业先进国家的大型企业已经较普遍地使用运筹学方法解决在生产经营管理中遇到的实际问题，并取得了良好的效果，至六十年代中期，运筹学开始应用于一些服务性行业和公用事业。2019/12/17最优化方法6我国运筹学的研究始于五十年代中期，当时由钱学森教授将运筹学从西方国家引入我国，以华罗庚教授为首的一大批科学家在有关企事业单位积极推广和普及运筹学方法，在建筑，纺织，交通运输，水利建设和邮电等行业都有不少应用。关于邮递员投递的最佳路线问题就是由我国年轻的数学家管梅谷于1962年首先提出的，在国际上统称为中国邮递员问题。我国运筹学的理论和应用研究在较短时间内赶上了世界水平。2019/12/17最优化方法7学习本课程所需的数学知识向量、向量的模（范数）、向量的运算、线性相关与无关、基.矩阵的运算及性质、矩阵的秩、特征值、正定性。向量函数、连续性、可微性、梯度、向量函数（多元函数）的Taylor定理2019/12/17最优化方法8课程基本内容线性规划无约束最优化方法约束最优化方法多目标最优化方法2019/12/17最优化方法9学习要求及考评掌握主要的优化模型的数学计算方法，可以应用数学软件解决最优化问题。考评：大作业（作业+小论文）2019/12/17最优化方法10参考书目主要参考书目：理论方面：(1)解可新、韩健，《最优化方法》，天津大学出版社,2004(2)何坚勇，《最优化方法》,清华大学出版社，2007计算方面：(3)曹卫华，郭正，《最优化技术方法及MATLAB的实现》，化学工业出版社，2005(4)朱德通，《最优化模型与实验》,同济大学出版社，2003其它参考书：(5)卢名高、刘庆吉编著，《最优化应用技术》，石油工业出版社,2002(6)唐焕文，秦学志,《实用最优化方法》，大连理工大学出版社，2004(7)钱颂迪，《运筹学》，清华大学出版社，1990(8)袁亚湘、孙文瑜著，《最优化理论与方法》，科学出版社，20052019/12/17最优化方法11线性规划的基本概念线性规划问题及其数学模型线性规划的图解法线性规划问题的标准型标准型线性规划的解线性规划的基本原理2019/12/17最优化方法12问题的提出：在生产管理的经营活动中，通常需要对“有限的资源”寻求“最佳”的利用或分配方式。有限资源：劳动力、原材料、设备或资金等最佳：有一个标准或目标，使利润达到最大或成本达到最小。有限资源的合理配置有两类问题如何合理的使用有限的资源，使生产经营的效益达到最大；在生产或经营的任务确定的条件下，合理的组织生产，安排经营活动，使所消耗的资源数最少。线性规划问题及其数学模型2019/12/17最优化方法13有一正方形铁皮，如何截取x使容积为最大？xa此为无约束极值问题22xxav6ax0dxdv问题的提出2019/12/17最优化方法14为了完成一项任务或达到一定的目的，怎样用最少的人力、物力去完成或者用最少的资源去完成较多的任务或达到一定的目的，这个过程就是规划。2019/12/17最优化方法15规划确定型随机型静态规划动态规划线性规划非线性规划整数规划非整数规划整数规划非整数规划规划类型2019/12/17最优化方法16例１:某制药厂生产甲、乙两种药品，生产这两种药品要消耗某种维生素。生产每吨药品所需要的维生素量，所占用的设备时间，以及该厂每周可提供的资源总量如下表所示：每吨产品的消耗每周资源总量甲乙维生素（公斤）3020160设备（台）5115已知该厂生产每吨甲、乙药品的利润分别为5万元和2万元。但根据市场需求调查的结果，甲药品每周的产量不应超过4吨。问该厂应如何安排两种药品的产量才能使每周获得的利润最大？2019/12/17最优化方法17定义:x1为生产甲种药品的计划产量数，x2为生产乙种药品的计划产量数。目标：要使总利润最大化maxz=5x1+2x2约束：每周资源总量的限制，30x1+20x2≤1605x1+x2≤15甲种药品每周产量不应超过4吨的限制x1≤4计划生产数不可能是负数，x1≥0x2≥0每吨产品的消耗每周资源总量甲乙维生素（公斤）3020160设备（台）5115单位利润(万元)5２2019/12/17最优化方法18数学模型为121212112max=5+23020160515..40,0zxxxxxxstxxx每吨产品的消耗每周资源总量甲乙维生素（公斤）3020160设备（台）5115单位利润(万元)5２这是一个如何合理的使用有限的资源，使生产经营的效益达到最大的数学规划问题。在满足一组约束条件的限制下，寻求决策变量x1，x2的决策值，使目标函数达到最大值。2019/12/17最优化方法19例２：某化工厂根据一项合同要求为用户生产一种用甲、乙两种原料混合配制而成的特种产品。已知甲、乙两种原料都含有A、B、C三种化学成分，两种原料分别所含三种化学成分的百分比含量，以及按合同规定的产品中三种化学成分的最低含量如下表所示：已知甲、乙两种原料的成本分别是每公斤3元和2元，厂方希望总成本达到最小，问如何配置该产品？原料化学成分含量（%）产品中化学成分的最低含量（%）甲乙A1234B232C3155化学成分2019/12/17最优化方法20定义x1，x2分别为每公斤产品中甲，乙两种原料的数量，目标：使总成本最小化minz=3x1+2x2约束：配料平衡条件，x1+x2=1产品中A、B、C三种化学成分的最低含量12x1+3x2≥42x1+3x2≥23x1+15x2≥5非负性条件x1≥0,x2≥0原料化学成分含量（%）产品中化学成分的最低含量（%）甲乙A1234B232C3155单位成本（元）３２化学成分2019/12/17最优化方法21数学模型：原料化学成分含量（%）产品中化学成分的最低含量（%）甲乙A1234B232C3155单位成本（元）３２化学成分121212121212min3211234..23231500,0zxxxxxxstxxxxxx这是一个原料配制问题，是在生产任务确定的条件下，合理的组织生产，使所消耗的资源数最少的数学规划问题。满足一组约束条件的同时，寻求变量x1和x2的值使目标函数取得最小值。2019/12/17最优化方法22例３:某铁器加工厂要制作100套钢架，每套要用长为2.9米，2.1米和1.5米的圆钢各一根。已知原料长为7.4米，问应如何下料，可使材料最省？分析：在长度确定的原料上截取三种不同规格的圆钢，可以归纳出8种不同的下料方案：圆钢（米）ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅦ2．9120101002．1002211301．531203104料头（米）00.10.20.30.80.91.１1.4问题归纳为如何混合使用这8种不同的下料方案，来制造100套钢架，且要使剩余的余料总长为最短。2019/12/17最优化方法23设表示用第j种下料方案下料的原料根数，j=1,2…,8,目标：使余料总长度最小化minz=0x1+0.1x2+0.2x3+0.3x4+0.8x5+0.9x6+1.1x7+1.4x8约束：三种规格圆钢根数x1+2x2+x4+x6=1002x3+2x4+x5+x6+3x7=1003x1+x2+2x3+3x5+x6+4x8=100非负取整条件xj≥0(j=1,2…8)且取整数圆钢（米）ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅦ2．9120101002．1002211301．531203104余料（米）00.10.20.30.80.91.１1.4jx2019/12/17最优化方法24数学模型s.t.这是一个下料问题，是在生产任务确定的条件下，合理的组织生产，使所消耗的资源数最少的数学规划问题。满足一组约束条件的同时，寻求变量x1至x8的值,使目标函数取得最小值。2345678124634567123568min0.10.20.30.80.91.11.42100223100323410001,2jzxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxj，8,圆钢（米）ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅦ2．9120101002．1002211301．531203104料头（米）00.10.20.30.80.91.11.4且为整数2019/12/17最优化方法25问题中总有未知的变量，需要我们去解决。要求：有目标函数及约束条件，一般有非负条件存在，由此组成规划数学模型。如果在规划问题的数学模型中，变量是连续的（数值取实数）其目标函数是有关线性函数（一次方），约束条件是有关变量的线性等式或不等式，这样，规划问题的数学模型是线性的。反之，就是非线性的规划问题。2019/12/17最优化方法26与规划问题有关的数学模型总有两部分组成：约束条件：反映了有限资源对生产经营活动的种种约束，或者生产经营必须完成的任务；目标函数：反映生产经营者在有限资源条件下希望达到的生产或经营的目标。2019/12/17最优化方法272.线性规划的一般数学模型线性规划模型的特征：•（1）用一组决策变量x1，x2，…,xn表示某一方案，且在一般情况下，变量的取值是非负的。•（2）有一个目标函数，这个目标函数可表示为这组变量的线性函数。•（3）存在若干个约束条件，约束条件用决策变量的线性等式或线性不等式来表达。•（4）要求目标函数实现最大化（max）或最小化（min）。满足上述4个特征的规划问题称为线性规划问题。121212112max=5+23020160515..40,0zxxxxxxstxxx2019/12/17最优化方法28•通常称为决策变量，为价值系数，为消耗系数,为资源限制系数。线性规划的模型的一般形式:•目标函数•满足约束条件nnxcxcxcz2211min(max)0,,,),(),(),(..2122112222212111212111nmnmnmmnnnnxxxbxaxaxabxaxaxabxaxaxatsnxxx,,,21nccc,,,21mnaaa,,,1211mbbb,,,212019/12/17最优化方法29线性规划问题的求解方法图解法单纯形法两个变量、直角坐标三个变量、立体坐标适用