Lingo的基本使用方法

LINGO黑龙江八一农垦大学文理学院数学系高德宝一.优化模型与优化软件简介二.LINGO软件的基本使用方法学习提纲三.LINGO程序流程控制和子模型一.优化模型与优化软件简介约束条件优化问题的一般形式njiDx)(l,...,j,)x(g)(m,...,i,)x(h.t.s)()x(fmax)ormin(3102101•无约束优化:只有目标函数,没有约束条件•有约束优化:目标函数和约束条件都有•普通方程组：没有(1)(3),只有(2)•不等式方程组：没有(1)(2),只有(3)优化类型•连续优化:全部决策变量取值均连续数值(实数)•离散优化:部分或全部决策变量只取离散数值连续优化•线性规划(LP)目标和约束均为线性函数•非线性规划(NLP)目标或约束中有非线性函数•二次规划(QP)目标为二次函数、约束为线性离散优化整数规划(IP)决策变量(全部或部分)为整数整数线性规划(ILP)，整数非线性规划(INLP)纯整数规划(PIP),混合整数规划(MIP)一般整数规划，0-1（整数）规划常用优化软件1.LINDO/LINGO软件2.MATLAB优化工具箱/mathematica优化程序包3.EXCEL软件的优化功能4.SAS(统计分析)软件的优化功能建模时需要注意的几个基本问题1、尽量使用实数优化，减少整数约束和整数变量2、尽量使用光滑优化，减少非光滑约束的个数如：尽量少使用绝对值、符号函数、多个变量求最大/最小值、四舍五入、取整函数等3、尽量使用线性模型，减少非线性约束和非线性变量的个数（如x/y5改为x5y）4、合理设定变量上下界，尽可能给出变量初始值5、模型中使用的参数数量级要适当(如小于103)二.LINGO软件的基本使用方法LPQPNLPIP全局优化(选)ILPIQPINLPLINGO软件的求解过程LINGO预处理程序线性优化求解程序非线性优化求解程序分枝定界管理程序1.确定常数2.识别类型1.单纯形算法2.内点算法(选)1、顺序线性规划法(SLP)2、广义既约梯度法(GRG)(选)3、多点搜索(Multistart)(选)内容提要1.LINGO入门2.在LINGO中使用集合3.运算符和函数4.LINGO的主要菜单命令5.LINGO命令窗口6.习题1.LINGO入门1.LINGO入门2.在LINGO中使用集合3.运算符和函数4.LINGO的主要菜单命令5.LINGO命令窗口6.习题LINGO的界面LINGO软件的主窗口（用户界面），所有其他窗口都在这个窗口之内。模型窗口（ModelWindow），用于输入LINGO优化模型（即LINGO程序）。状态行（最左边显示“Ready”，表示“准备就绪”）当前时间当前光标的位置max2x1+3x2St.4x1+3x2=103x1+5x2=12x1≥0x2≥0目标函数约束条件决策变量设有数学模型如下：第一步：启动Lingo屏幕显示如下：标记LINGO的外窗口是主框架窗口，主框架窗口的上面包含所有的命令菜单和命令工具栏；标记LINGOMODEL-LINGO1的子窗口是一个新的、空白的模型窗口。第二步：在模型窗口中输入模型model:max=2*x1+3*x2;4*x1+3*x210;3*x1+5*x212;endMax2x1+3x2St.4x1+3x2=103x1+5x2=12x1≥0x2≥0第三步：求解模型1)选择菜单LINGO|Solve或者按工具栏的2)LINGO开始编译模型，如有语法错误将返回一个错误的消息并指明错误出现的位置；如果通过编译,LINGO将激活Solver运算器寻求模型的最优解；3)首先出现solverstatus窗口，其作用是监控solver的进展和显示模型的维数等信息；SolverStatus窗口4)计算完成后出现SolutionReport窗口显示模型解的详细信息；SolutionReport窗口•Globaloptimalsolutionfoundatiteration:2•Objectivevalue:7.454545•VariableValueReducedCost•x11.2727270.000000•x21.6363640.000000•RowSlackorSurplusDualPrice•17.4545451.000000•20.0000000.9090909E-01•30.0000000.5454545ReducedCost：在max模型中：相应变量的reducedcost值表示当该变量每增加一个单位时目标函数减少的量。本例中此值均为0ReducedCost：ReducedCost值列出最优单纯形表中判别数所在行的变量的系数，表示当变量有微小变动时，目标函数的变化率。其中基变量的reducedcost值应为0，对于非基变量Xj，相应的reducedcost值表示当某个变量Xj增加一个单位时目标函数减少的量(max型问题)。本例中此值均为0。SLACKORSURPLUS：给出约束条件的松驰变量或剩余变量的值；小于等于约束为松驰变量(SLACK)；+大于等于约束为剩余变量(SURPLUS);-DUALPRICES：对偶价格或影子价格DUALPRICES表示当对应约束有微小变动时，目标函数的变化率，即约束条件右端的常数项每增加一个单位，目标函数相应获得的改变量。显然，如果在最优解处约束正好取等号（紧约束），该值才可能不是0；对于非紧约束对该值必为0，表示对应约束中不等式右端项的微小扰动不影响目标函数。一个简单的LINGO程序例1直接用LINGO来解如下二次规划问题：40,322100..123.02779821212122212121为整数xxxxxxtsxxxxxxMax输入窗口如下：程序语句输入的备注：LINGO总是根据“MAX=”或“MIN=”寻找目标函数，而除注释语句和TITLE语句外的其他语句都是约束条件，因此语句的顺序并不重要。限定变量取整数值的语句为“@GIN(X1)”和“@GIN(X2)”，不可以写成“@GIN(2)”，否则LINGO将把这个模型看成没有整数变量。LINGO中函数一律需要以“@”开头，其中整型变量函数（@BIN、@GIN）和上下界限定函数（@FREE、@SUB、@SLB）。而且0/1变量函数是@BIN函数。输出结果：运行菜单命令“LINGO|Solve”最优整数解X=(35，65)最大利润=11077.5输出结果备注：通过菜单“WINDOW|StatusWindow”看到状态窗口，可看到最佳目标值“BestObj”与问题的上界“ObjBound”已经是一样的，当前解的最大利润与这两个值非常接近，是计算误差引起的。如果采用全局最优求解程序(后面介绍)，可以验证它就是全局最优解。LINGO是将它作为PINLP(纯整数非线性规划)来求解，因此找到的是局部最优解。运行状态窗口Variables（变量数量）：变量总数（Total）、非线性变量数（Nonlinear）、整数变量数（Integer）。Constraints（约束数量）：约束总数（Total）、非线性约束个数(Nonlinear)。Nonzeros（非零系数数量）：总数（Total）、非线性项系数个数(Nonlinear)。GeneratorMemoryUsed(K)(内存使用量)ElapsedRuntime(hh:mm:ss)（求解花费的时间）运行状态窗口求解器(求解程序)状态框当前模型的类型:LP，QP，ILP，IQP，PILP，PIQP，NLP，INLP，PINLP（以I开头表示IP，以PI开头表示PIP）当前解的状态:GlobalOptimum,LocalOptimum,Feasible,Infeasible“(不可行),Unbounded“(无界),Interrupted“(中断),Undetermined“(未确定)解的目标函数值当前约束不满足的总量(不是不满足的约束的个数):实数（即使该值=0，当前解也可能不可行，因为这个量中没有考虑用上下界命令形式给出的约束）目前为止的迭代次数运行状态窗口扩展的求解器(求解程序)状态框使用的特殊求解程序:B-and-B(分枝定界算法)Global(全局最优求解程序)Multistart(用多个初始点求解的程序)目前为止找到的可行解的最佳目标函数值目标函数值的界特殊求解程序当前运行步数：分枝数(对B-and-B程序)；子问题数(对Global程序)；初始点数(对Multistart程序)有效步数注：凡是可以从一个约束直接解出变量取值时，这个变量就不认为是决策变量而是固定变量，不列入统计中；只含有固定变量的约束也不列入约束统计中。运行状态窗口一个简单的LINGO程序LINGO的基本用法的几点注意事项LINGO中不区分大小写字母；变量和行名可以超过8个字符，但不能超过32个字符，且必须以字母开头。用LINGO解优化模型时已假定所有变量非负(除非用限定变量取值范围的函数@free或@sub或@slb另行说明)。变量可以放在约束条件的右端(同时数字也可放在约束条件的左端)。但为了提高LINGO求解时的效率，应尽可能采用线性表达式定义目标和约束(如果可能的话)。语句是组成LINGO模型的基本单位,每个语句都以分号结尾，编写程序时应注意模型的可读性。例如：一行只写一个语句，按照语句之间的嵌套关系对语句安排适当的缩进，增强层次感。以感叹号开始的是说明语句(说明语句也需要以分号结束)。LINGO的文件类型.LG4：LINGO格式的模型文件，保存了模型窗口中所能够看到的所有文本和其他对象及其格式信息；.LNG：文本格式的模型文件，不保存模型中的格式信息（如字体、颜色、嵌入对象等）；.LDT：LINGO数据文件；.LTF：LINGO命令脚本文件；.LGR：LINGO报告文件；.LTX：LINDO格式的模型文件；.MPS：表示MPS（数学规划系统）格式的模型文件。除“LG4”文件外，另外几种格式的文件都是普通的文本文件，可以用任何文本编辑器打开和编辑。2.在LINGO中使用集合1.LINGO入门2.在LINGO中使用集合3.运算符和函数4.LINGO的主要菜单命令5.LINGO命令窗口6.习题集合的基本用法和LINGO模型的基本要素理解LINGO建模语言最重要的是理解集合（Set）及其属性（Attribute）的概念。例2SAILCO公司需要决定下四个季度的帆船生产量。下四个季度的帆船需求量分别是40条，60条，75条，25条，这些需求必须按时满足。每个季度正常的生产能力是40条帆船，每条船的生产费用为400美元。如果加班生产，每条船的生产费用为450美元。每个季度末，每条船的库存费用为20美元。假定生产提前期为0，初始库存为10条船。如何安排生产可使总费用最小？用DEM,RP,OP,INV分别表示需求量、正常生产的产量、加班生产的产量、库存量，则DEM,RP,OP,INV对每个季度都应该有一个对应的值，也就说他们都应该是一个由4个元素组成的数组，其中DEM是已知的，而RP,OP,INV是未知数。问题的模型(可以看出是LP模型)目标函数是所有费用的和4,3,2,1)}(20)(450)(400{MINIIINVIOPIRP约束条件主要有两个：1）能力限制：4,3,2,1,40)(RPII2）产品数量的平衡方程：4,3,2,1),()()()1()(IIDEMIOPIRPIINVIINV10)0(INV加上变量的非负约束注：LINGO中没有数组，只能对每个季度分别定义变量，如正常产量就要有RP1，RP2，RP3，RP44个变量等。写起来就比较麻烦，尤其是更多(如1000个季度)的时候。记四个季度组成的集合QUARTERS={1，2，3，4}，它们就是上面数组的下标集合，而数组DEM,RP,OP,INV对集合QUARTERS中的每个元素1，2，3，4分别对应于一个值。LINGO正是充分利用了这种数组及其下标的关系，引入了“集合”及其“属性