最优化模型

第六章 最优化数学模型§1 最优化问题1．1 最优化问题概念 1．2 最优化问题分类1．3 最优化问题数学模型 §2 经典最优化方法 2．1 无约束条件极值 2．2 等式约束条件极值 2．3 不等式约束条件极值 §3 线性规划 3．1 线性规划 3．2 整数规划§4 最优化问题数值算法 4．1 直接搜索法 4．2 梯度法 4．3 罚函数法§5 多目标优化问题 5．1 多目标优化问题 5．2 单目标化解法 5．3 多重优化解法 5．4 目标关联函数解法 5．5 投资收益风险问题第六章 最优化问题数学模型 §1 最优化问题1．1 最优化问题概念 （1）最优化问题在工业、农业、交通运输、商业、国防、建筑、通信、政府机关等各部门各领域的实际工作中，我们经常会遇到求函数的极值或最大值最小值问题，这一类问题我们称之为最优化问题。

而求解最优化问题的数学方法被称为最优化方法。

它主要解决最优生产计划、最优分配、最佳设计、最优决策、最优管理等求函数最大值最小值问题。

最优化问题的目的有两个：①求出满足一定条件下，函数的极值或最大值最小值；②求出取得极值时变量的取值。

最优化问题所涉及的内容种类繁多，有的十分复杂，但是它们都有共同的关键因素：变量，约束条件和目标函数。

（2）变量变量是指最优化问题中所涉及的与约束条件和目标函数有关的待确定的量。

一般来说，它们都有一些限制条件（约束条件），与目标函数紧密关联。

设问题中涉及的变量为n x x x ,,,21 ；我们常常也用),,,(21n x x x X 表示。

（3）约束条件在最优化问题中，求目标函数的极值时，变量必须满足的限制称为约束条件。

例如，许多实际问题变量要求必须非负，这是一种限制；在研究电路优化设计问题时，变量必须服从电路基本定律，这也是一种限制等等。

在研究问题时，这些限制我们必须用数学表达式准确地描述它们。

数学建模最优化模型随着科学与技术的不断发展，数学建模已经成为解决复杂实际问题的一种重要方法。

在众多的数学建模方法中，最优化模型是一种常用的方法。

最优化模型的目标是找到最佳解决方案，使得一些目标函数取得最大或最小值。

最优化模型的基本思想是将实际问题抽象为一个数学模型，该模型包含了决策变量、约束条件和目标函数。

决策变量是需要优化的变量，约束条件是对决策变量的限制条件，目标函数是优化的目标。

最优化模型的求解方法可以分为线性规划、非线性规划和整数规划等。

线性规划是最优化模型中最基本的一种方法，其数学模型可以表示为：max/min c^T xs.t.Ax<=bx>=0其中，c是目标函数的系数向量，x是决策变量向量，A是约束条件的系数矩阵，b是约束条件的右边向量。

线性规划的目标是找到最优的决策变量向量x，使得目标函数的值最大或最小。

非线性规划是最优化模型中更为复杂的一种方法，其数学模型可以表示为：max/min f(x)s.t.g_i(x)<=0,i=1,2,...,mh_i(x)=0,i=1,2,...,p其中，f(x)是目标函数，g_i(x)是不等式约束条件，h_i(x)是等式约束条件。

非线性规划的求解过程通常需要使用迭代的方法，如牛顿法、拟牛顿法等。

整数规划是最优化模型中另一种重要的方法，其数学模型在线性规划的基础上增加了决策变量的整数限制。

max/min c^T xs.t.Ax<=bx>=0x是整数整数规划的求解通常更为困难，需要使用特殊的算法，如分支定界法、割平面法等。

最优化模型在实际问题中有着广泛的应用，如资源调度、生产计划、路线选择、金融投资等。

通过建立数学模型并求解，可以得到最优的决策方案，提高效益和效率。

总结起来，最优化模型是数学建模的重要方法之一、通过建立数学模型，将实际问题转化为数学问题，再通过求解方法找到最佳解决方案。

最优化模型包括线性规划、非线性规划和整数规划等方法，应用广泛且效果显著。

数学建模讲义主讲人:穆学文西安电子科技大学数学系Email:xdmuxuewen@ 最优化模型---最优化方法的概念参考书目1. 陈宝林。

最优化理论与算法。

清华大学出版社.2. 谢金星，薛毅。

优化建模与lindo/lingo优化软件. 清华大学出版社. 背景知识基本概念及其应用最优化问题举例最优化方法的概念优化问题的数学模型及其分类 最优解与极值点常用的数学软件§1背景知识•运筹学理论的一部分•最早起源于中国古代¾公元前6世纪孙武所著的《孙子兵法》¾孙膑“斗马术”，田忌与齐王赛马，博弈论¾运筹帷幄之中，决胜千里之外”。

这千古名句也可以说是对张良运筹思想的赞颂和褒奖。

•国外起源与发展¾1896年，V.Pareto首次从数学角度提出多目标优化问题，引进了Pareto最优的概念。

¾1935-38年，英国为了正确地运用新研制的雷达系统来对付德国飞机的空袭，在皇家空军中组织了一批科学家，进行新战术试验和战术效率评价的研究，并取得了满意的效果。

他们把自己从事的这种工作命名为“Operational Research”(背景知识（续）Operational Research(运筹学，或直译为作战研究)。

¾1939年，苏联的Л.В.Канторович总结了他对生产组织的研究，写了《生产组织与计划中的数学方法》一书，是线性规划应用于工业生产问题的经典著作¾1947年,G.B.Dantzig提出了单纯形方法后，线性规划便迅速形成为一个独立的分支。

并逐级发展起来。

¾英国运筹学会1948年成立（1948-53年是运筹学俱乐部，1953年11月起改名为学会）。

¾二次大战胜利后，美英各国不但在军事部门继续保留了运筹学的研究核心，而且在研究人员、组织的配备及研究范围和水平上，都得到了进一步的扩大和发展，同时筹学方法也向政府和业等部门扩展背景知识（续）运筹学方法也向政府和工业等部门扩展。

最优化模型的建立与求解在现代社会中，各种资源的有限性和复杂性给企业和组织带来了难以解决的问题。

通过数学对各个问题进行建模，并对问题进行求解，是现代数学所解决的核心问题之一。

最优化模型的建立与求解，是一种有效的方法，可以帮助企业和组织更好地规划和管理资源。

一、最优化模型的概念与分类最优化模型是指根据给定的约束条件，通过建立数学模型，求解出最优的决策方案的过程。

按照求解的方式，最优化模型可以分为解析求解和数值求解。

解析求解是利用数学公式进行精确求解，其求解过程较为简单，但适用范围受限，只适用于一些简单的问题。

数值求解是通过计算机进行迭代计算得到方程的近似解或最优解的方法，较为适用于复杂的、高维度的问题，但是需要注意求解误差。

在实际的应用中，最常见的最优化模型有线性规划、整数规划、非线性规划、动态规划、图论等。

其中，线性规划是一种最基本的最优化模型。

其建模过程简单，使用广泛，并且可以通过现有的算法求解。

整数规划是指限制决策变量为整数的线性规划问题，其求解过程相对于线性规划较为复杂，但可以处理更加真实的实际问题。

非线性规划是指决策变量在一定条件下满足非线性约束的最优化模型。

动态规划和图论是一种最优化模型，在解决多阶段决策和网络设计等问题中起着重要的作用。

二、最优化模型的建立方法最优化模型的建立是将实际问题转化为数学公式的过程。

建立方法一般分为以下三步。

1. 确定决策变量和约束条件在建立最优化模型时，需要先明确问题的量化指标，即问题包含哪些参量，以及这些参量之间的关系。

在确定决策变量时，需要考虑决策变量的意义、类型、数量以及相互之间的约束关系。

在确定约束条件时，需考虑问题本身的实际情况，遵循可行性原则，不违反现实约束条件。

2. 确定目标函数目标函数是最优化模型中最重要的部分，它描述了最终优化的具体内容和目标。

在确定目标函数时，应优先考虑问题的核心目标，为保证目标函数的正确性，可能需要对其进行重新构造、转化和调整，以使其符合实际情况。

最优化问题数学模型在我们的日常生活和各种实际应用中，最优化问题无处不在。

从生产线上的资源分配，到物流运输中的路径规划，从金融投资中的资产配置，到工程设计中的参数选择，都需要找到最优的解决方案，以实现效率最高、成本最低、效益最大等目标。

而数学模型就是帮助我们解决这些最优化问题的有力工具。

那么，什么是最优化问题数学模型呢？简单来说，它是将实际问题转化为数学语言和表达式的一种方式，通过建立数学关系式，来描述问题中的各种约束条件和目标函数，然后运用数学方法和算法求解，找到最优的决策变量取值。

举个简单的例子，假设一家工厂要生产两种产品 A 和 B，生产 A 产品每件需要消耗 2 个单位的原材料和 3 个小时的工时，生产 B 产品每件需要消耗 3 个单位的原材料和 2 个小时的工时。

工厂共有 100 个单位的原材料和 80 个小时的工时可用，每件 A 产品的利润是 5 元，每件 B 产品的利润是 4 元。

那么，如何安排生产才能使工厂的总利润最大呢？为了建立这个问题的数学模型，我们首先定义决策变量：设生产 A 产品的数量为 x 件，生产 B 产品的数量为 y 件。

然后，我们确定目标函数，即要最大化的总利润：Z ＝ 5x ＋ 4y 。

接下来，考虑约束条件。

原材料的限制可以表示为：2x ＋3y ≤ 100 ；工时的限制可以表示为：3x ＋2y ≤ 80 ；还有非负约束：x ≥ 0 ，y ≥ 0 。

这样，我们就建立了一个简单的最优化问题数学模型。

通过求解这个模型，就可以得到最优的生产方案，即 x 和 y 的取值，使得总利润Z 最大。

最优化问题数学模型的类型多种多样，常见的有线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划等。

线性规划是最简单也是应用最广泛的一种模型。

它的目标函数和约束条件都是线性的，就像我们上面的例子。

线性规划问题可以通过单纯形法等有效的算法在较短的时间内求解。

非线性规划则是目标函数或约束条件中至少有一个是非线性的。

最优化建模算法与理论最优化建模算法与理论最优化建模是以一种有效的方式来求解优化问题的过程。

它是一种用于处理优化问题的综合算法，其中包括搜索算法、随机算法、组合算法等。

最优化建模的主要目标是通过有效的算法和理论，寻找最优解来解决优化问题。

本文将从以下几个方面讨论最优化建模中的算法和理论：一、基本最优化模型基本最优化模型是一种描述变量之间关系的模型，它一般用于求解优化问题。

基本最优化模型一般由目标函数、约束条件、决策变量等组成。

目标函数是描述求解问题的目标，约束条件是指处理问题的要求，决策变量是用于描述最优化问题的变量。

基本最优化模型一般可以用数学模型来表示，如线性模型、非线性模型等。

二、最优化搜索算法最优化搜索算法是用于最优化问题的一类算法，它可以在有限的时间内搜索出最优解，因此被用来求解最优化问题。

最优化搜索算法主要包括贪心算法、模拟退火算法、遗传算法等。

贪心算法是一种局部最优搜索算法，它通过从一个状态进行评估，不断的求解局部最优解，最终求得全局最优解。

模拟退火算法是一种基于概率的搜索算法，它通过增加概率来接受新的状态，从而最终接受最优解。

遗传算法是一种进化算法，它通过迭代的过程，不断的进化出更优的解。

三、最优化理论最优化理论是指用于求解最优化问题的一系列理论，它可以帮助我们更好地理解和分析最优化问题。

最优化理论主要包括多目标优化理论、随机优化理论、优化系统理论等。

多目标优化理论是指在求解多目标优化问题时，按照一定的准则，构造出最优解的理论。

随机优化理论是指在求解随机优化问题时，按照一定的准则，构造出最优解的理论。

优化系统理论是指在求解优化系统问题时，按照一定的准则，构造出最优解的理论。

四、应用最优化建模算法和理论已被广泛应用于各个领域。

在工程中，最优化建模算法和理论可用于解决结构优化、供应链管理等问题。

在管理学中，最优化建模算法和理论可用于解决生产调度、经营决策等问题。

在经济学中，最优化建模算法和理论可用于解决价格机制、资源分配等问题。

最优化模型与算法
最优化模型和算法是求解优化问题的基本工具，随着人工智能和机器
学习的发展，最优化模型和算法从物理、工程和管理等多个领域被广泛应用。

最优化模型通常是一种特殊的抽象模型，它可以用来把实际问题以数
学模型的形式表示出来，并依据一定的目标函数对这个模型的参数进行优化。

而最优化算法是根据最优化模型寻找最优解的一种算法。

从计算上来讲，最优化模型可分为精确求解和近似求解。

精确求解是
指找到原问题的最优解，它通常采用解析法，比如利用简单x法、线法等
简单算法求解；而近似求解是指通过迭代的过程找到最优解的近似值，它
通常需要采用启发式算法，比如梯度下降法、牛顿法等更复杂的算法求解。

优化过程中，选择合适的算法非常重要。

线性规划若是精确求解，可
以采用简单x法，比如简单的罗伯特－普林斯顿极值法；若是近似求解，
常用的有梯度优化算法、模拟退火算法等。

数学建模最优化模型例题好，咱们今天来聊聊数学建模和最优化模型这块儿。

数学建模，这名字听起来就挺高大上的，实际上，咱们日常生活中处处都是它的身影。

想象一下，早上起床，看到窗外阳光明媚，心里琢磨着今天去不去公园，顺便锻炼锻炼。

于是，你心里开始盘算，公园离家有多远，走路要多久，还是骑个单车比较快？这就是在用数学建模，算一算，看看哪个更划算。

再说说最优化模型，这就像是在挑选午饭一样。

你有一大堆选择，米饭、面条、快餐还是外卖，真是眼花缭乱。

你心里想，要是不吃太油腻的，又想吃得饱，还得好吃。

于是开始分析：今天外卖不如自己做，自己做的话，买啥材料比较好，怎么搭配更营养呢？这时候，你的脑子就像一个小计算机，开始进行各种选择。

想想，如果能把所有的选择变成一个数学问题，肯定能算出最优解，嘿，生活简直就像在解题一样，乐趣多多。

再说说商场里打折的那种，真是让人心痒痒的。

假如你打算买新鞋，满心期待。

可是一进商场，各种颜色、各种款式扑面而来，心里顿时就犯了选择困难症。

想要买的那双鞋打折了，可是另外一双颜色也不错，怎么办呢？这时候，最优化模型就可以帮你了。

想一想，你最看重什么，舒适、样式还是价格？用数学的眼光来审视，看看哪双鞋的性价比最高，没准儿就能找到那个最适合自己的了。

有些小伙伴可能会问了，数学建模到底有什么用呢？你知道吗，很多企业在决策的时候都离不开这些模型。

就拿快递公司来说，他们每天都要处理成千上万的包裹，怎么能保证包裹及时送到呢？他们需要用到最优化模型来安排路线，减少运输成本。

想象一下，如果没有这些模型，快递员可能跑了一大圈，最后才发现原来只需要直走就到了。

那可真是得不偿失，没准儿包裹还会晚到，这可就麻烦了。

数学建模的魅力就在于它能把复杂的问题简单化。

我们生活中遇到的各种难题，最终都可以转化为一个个数学问题。

你说这是不是挺神奇的？比如你要规划一次旅行，想去多少个地方，怎么安排最合适，住哪儿能便宜又舒服，这些全都可以用建模来解决。