整数规划和混合整数规划

数学建模作为一种解决实际问题的方法，旨在从实际问题中抽象出数学模型，并运用数学方法来对模型进行分析和求解。

在数学建模过程中，整数规划与混合整数规划是两种常用的数学工具，适用于解决许多实际问题。

整数规划是指在约束条件下，目标函数为整数变量的线性规划问题。

而混合整数规划是在整数规划的基础上，允许部分变量为实数，部分变量为整数。

这两种规划方法可以广泛应用于许多领域，如物流、生产规划、资源分配等。

整数规划的一个经典问题是背包问题。

假设有一个容量为C的背包，有n个物品，每个物品有自己的重量w和价值v。

目标是在不超过背包容量的情况下，选择装入背包的物品，使得背包中的物品总价值最大化。

这个问题可以用整数规划的方式进行建模和求解，将每个物品视为一个二进制变量，表示是否选择该物品，目标函数为物品价值的总和，约束条件为背包容量不能超过C。

通过对目标函数和约束条件的线性化处理，可以得到整数规划模型，并利用整数规划算法进行求解，得到最优解。

混合整数规划在实际问题中更为常见。

一个典型的实际问题是运输网络设计问题。

假设有一组供应地和一组需求地，需要建立供需之间的运输网络，以满足需求地对各种商品的需求，同时要考虑供给地的产能限制和运输成本。

这个问题可以用混合整数规划的方法进行建模和求解。

将供需地视为节点，建立连通性矩阵表示供需之间的运输路径，将路径的运输量作为决策变量，目标函数可以是运输成本的最小化，约束条件可以包括供给地产能限制和需求地需求量的满足。

通过对目标函数和约束条件的线性化处理，可以得到混合整数规划模型，并利用相应的求解算法进行求解，得到最优的运输网络设计方案。

整数规划与混合整数规划在数学建模中起着重要的作用。

它们既具备一般整数规划问题的优点，可以提高问题的精度和可行性，又具备一般线性规划问题的优点，可以通过线性规划算法来求解。

同时，整数规划与混合整数规划也存在一些挑战，如求解时间长、难以处理大规模问题等。

对于这些问题，研究者们一直在不断提出新的算法和优化方法，以提高整数规划与混合整数规划的求解效率。

第5讲整数规划、非线性规划、多目标规划一、整数规划1、概念数学规划中的变量（部分或全部）限制为整数时，称为整数规划。

若在线性规划模型中，变量限制为整数，则称为整数线性规划。

整数规划的分类:如不加特殊说明，一般指整数线性规划。

对于整数线性规划模型大致可分为两类：1）变量全限制为整数时，称纯（完全）整数规划。

2）变量部分限制为整数的，称混合整数规划。

2、整数规划特点(i)原线性规划有最优解，当自变量限制为整数后，其整数规划解出现下述情况：①原线性规划最优解全是整数，则整数规划最优解与线性规划最优解一致。

②整数规划无可行解。

例1原线性规划为21min x x z +=s.t.⎩⎨⎧≥≥=+0,05422121x x x x 其最优实数解为：01=x ，452=x ，45min =z ③有可行解（当然就存在最优解），但最优值变差。

例2原线性规划为21min x x Z +=s.t.⎩⎨⎧≥≥=+0,06422121x x x x 其最优实数解为：01=x ，232=x ，23min =z 若限制整数得：11=x ，12=x ，2min =z 。

（ii ）整数规划最优解不能按照实数最优解简单取整而获得。

3、0-1整数规划0−1型整数规划是整数规划中的特殊情形，它的变量j x 仅取值0或1。

这时j x 称为0−1变量，或称二进制变量。

j x 仅取值0或1这个条件可由下述约束条件：10≤≤j x ，且为整数所代替，是和一般整数规划的约束条件形式一致的。

在实际问题中，如果引入0−1变量，就可以把有各种情况需要分别讨论的线性规划问题统一在一个问题中讨论了。

引入10-变量的实际问题：（1）投资场所的选定——相互排斥的计划例3某公司拟在市东、西、南三区建立门市部。

拟议中有7个位置（点）)7,,2,1( =i A i 可供选择。

规定在东区：由321,,A A A 三个点中至多选两个；在西区：由54,A A 两个点中至少选一个；在南区：由76,A A 两个点中至少选一个。

1引言线性规划是用来寻求变量处于线性关系时的有效方法，在项目选择、投资组合优化、季节收益预测等问题中有多种应用。

整数规划与线性规划非常相似，但它要求所有或部分变量是整数。

某些情况下，整数规划更可取，如二元变量的管理决策。

部分决策变量为整数的模型，称为混合整数规划。

本文将会研究整数线性规划在投资组合优化中的应用。

模型A ，即整数线性规划（ILP ）模型可以看作NP 完全问题中的0-1背包问题，通过模型A 找出可选入投资组合的股票。

另一个模型是混合整数线性规划（MILP ），这里使用的是有限资产平均绝对偏差（LAMAD ）模型的演变来确定投资所选股票的确切数量，分配最合适的权重，以达到风险最小化、回报最大化的效果。

本文采用3种算法求解：分支剪界算法、动态规划算法和贪心算法。

分支剪界算法用CPLEX 12.6实现，动态规划算法和贪心算法在Eclipse 标准4.4平台上，用Java 语言实现，所采用的股票信息和数据由NASDAQ 和yahoo finance 网站获取。

2算法介绍以下介绍的算法都可以归属于启发法的范畴。

启发法是指不以找到问题的最佳或最确切的解决方案为目标的技术，而是找到一个足够可信的解决方案的方法。

直觉判断、刻板印象和常识都属于这个“范畴”。

它非常适用于在计算或搜索过于详尽和不实际的情况下，通过心理捷径来加快得到满意解决方案的过程，以减轻作出决策的认知负担。

它有常见的几种策略：第一种是将问题的目标状态进行切分，然后通过实现子目标逐渐实现总的目的；第二种是从最终目标状态逆向去寻找达到这个状态的途径；第三种是逐步收缩初始状态和目标状态的距离的方法。

元启发式是指导搜索过程的策略或上层方法论，元启发式的目标是有效地探索搜索空间，以找到最接近的最优解。

启发式依赖于问题，用于确定特定问题的“足够好”的解决方案，而元启发式就像一种设计模式，可以应用于更广泛的问题。

启发式方法特别适用于混合整数规划，因为混合整数规划太大而无法求解最优，而线性规划较为松弛，可以在合理的时间内求解。

数模常⽤算法系列--整数线性规划（分枝定界法）、整数⾮线性规划（蒙特卡洛法）整数线性规划求解----分枝定界法什么是整数规划?线性规划中的变量（部分或全部）限制为整数时，称为整数规划。

若在线性规划模型中,变量限制为整数，则称为整数线性规划。

⽬前所流⾏的求解整数规划的⽅法，往往只适⽤于整数线性规划。

⽬前还没有⼀种⽅法能有效地求解⼀切整数规划。

整数规划的分类- 变量全限制为整数时，称(完全)整数规划- 变量部分限制为整数时，称混合整数规划什么是分枝定界法原理如下：设有最⼤化的整数规划问题A,与它相应的线性规划为问题B,从解问题B开始,若其最优解不符合A的整数条件,那么B的最优⽬标函数必是A的最优⽬标函数z^*的上界\overline{z}；⽽A的任意可⾏解的⽬标函数值将是z^*的⼀个下界\underline z ,分枝定界法就是将B的可⾏域分成⼦区域的⽅法。

逐步减⼩\overline z和增⼤\underline z最终求到z^*本质就是个分治回溯,逼近最⼤值的算法。

Matlab算法如下：（强烈警告，（不会验证）由于⽐较懒，并未对算法正确性验证，思路上验证了⼀下没问题就码上来了，如果有错，请⼀定联系~~）% c,A,Aeq,Beq,LB,UB,是linprog函数的相关参数，知道了它们就可以求出对应的线性规划最优解，% now是⽬前已经知道的整数解的最⼤值function y = control(c,A,Aeq,Beq,LB,UB,now)ret = 0;[x,fval] = linprog(c,A,Aeq,Beq,LB,UB); % x是最优解的解向量，fval是对应的函数值if fval < nowy = fval;return;end % 如果得到的当前最优解fval⼩于已知的now,那说明最优整数解不在这个区间，则剪枝返回。

for i = 1 : length(x)if rem(x(i),1) ~= 0 % rem(x,1)如果返回值不为0,则表⽰是⼩数。

多目标优化模型是一种复杂的问题类型，它涉及到多个相互冲突的目标，需要找到一个在所有目标上达到均衡的解决方案。

解决多目标优化模型通常需要使用特定的算法和技术，以避免传统单目标优化算法的局部最优解问题。

以下是几种常见的解决方案：1. 混合整数规划：混合整数规划是一种常用的多目标优化方法，它通过将问题转化为整数规划问题，使用整数变量来捕捉冲突和不确定性。

这种方法通常使用高级优化算法，如粒子群优化或遗传算法，来找到全局最优解。

2. 妥协函数法：妥协函数法是一种简单而有效的方法，它通过定义一组妥协函数来平衡不同目标之间的关系。

这种方法通常使用简单的数学函数来描述不同目标之间的妥协关系，并使用优化算法来找到最优解。

3. 遗传算法和进化计算：遗传算法和进化计算是多目标优化中的一种常用方法，它们通过模拟自然选择和遗传的过程来搜索解决方案空间。

这种方法通常通过迭代地生成和评估解决方案，并在每一步中保留最佳解决方案，来找到全局最优解。

4. 精英策略和双重优化：精英策略是一种特殊的方法，它保留了一部分最佳解决方案，并使用它们来引导搜索过程。

双重优化方法则同时优化两个或多个目标，并使用一种特定的权重函数来平衡不同目标之间的关系。

5. 模拟退火和粒子群优化：模拟退火和粒子群优化是多目标优化中的高级方法，它们使用概率搜索技术来找到全局最优解。

这些方法通常具有强大的搜索能力和适应性，能够处理大规模和复杂的多目标优化问题。

需要注意的是，每种解决方案都有其优点和局限性，具体选择哪种方法取决于问题的性质和约束条件。

在实践中，可能需要结合使用多种方法，以获得更好的结果。

同时，随着人工智能技术的发展，新的方法和算法也在不断涌现，为多目标优化问题的解决提供了更多的可能性。

机组组合问题的优化方法综述一、本文概述随着能源行业的快速发展，电力系统的稳定性和经济性越来越受到关注。

机组组合问题，即在满足电力系统负荷需求的优化发电机组的运行组合，以提高电力系统的整体运行效率和经济性，成为当前研究的热点。

本文旨在综述机组组合问题的优化方法，对现有的各类优化算法进行全面分析和比较，为相关领域的研究者和实践者提供有益的参考。

本文将简要介绍机组组合问题的基本概念和数学模型，为后续的优化方法分析奠定基础。

将重点介绍并分析传统优化方法，如线性规划、动态规划、整数规划等，以及现代启发式优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法等。

这些算法在机组组合问题中的应用将被详细阐述，包括其优点、缺点以及适用范围。

本文将总结机组组合问题优化方法的发展趋势，并对未来的研究方向进行展望。

通过本文的综述，读者可以全面了解机组组合问题的优化方法，为进一步提高电力系统的稳定性和经济性提供理论支持和实践指导。

二、机组组合问题的数学模型机组组合问题（Unit Commitment Problem, UCP）是电力系统运行中的一个核心问题，其目标是在满足系统负荷需求、系统安全约束以及机组运行约束的前提下，通过优化决策各机组的启停状态以及出力分配，来实现某种运行成本的最小化。

为了有效地解决UCP，首先需要建立其相应的数学模型。

机组组合问题的数学模型通常由目标函数和约束条件两部分组成。

目标函数通常与系统的运行成本相关，例如总燃料成本、排放成本或综合成本等。

约束条件则涵盖了电力系统的各种物理和运行限制，如功率平衡约束、机组出力上下限约束、爬坡率约束、旋转备用约束等。

在数学形式上，机组组合问题可以表示为一个混合整数线性规划（Mixed Integer Linear Programming, MILP）问题。

其中，整数变量用于表示机组的启停状态（0表示停机，1表示运行），而连续变量则用于表示机组的出力。

由于机组组合问题是一个NP难问题，其求解复杂度随着机组数量和系统规模的增加而迅速增长，因此在实际应用中，通常需要采用启发式算法、智能优化算法或近似求解方法来求得满意解。