最优化思想黄金分割与优选法

黄金分割中的数学文化摘要：中世纪德国的数学家、天文学家开普勒曾经指出：“在几何学中有两件瑰宝：一是毕达哥拉斯定理，另一个是黄金分割率。

”黄金分割这个名词现在已经被越来越多的人所知。

黄金分割这个数学中的名词已经不在神秘。

它被运用在各种各样的方面。

大到建筑、美术、摄影，到处都有它的身影。

关键词：黄金分割数学美一、什么是黄金分割什么是黄金分割？或许大多数人只知道0.618这个数字。

但是，难道黄金分割就只有这些吗？黄金分割﹝Golden Section﹞是一种数学上的比例关系。

黄金分割具有严格的比例性、艺术性、和谐性，蕴藏着丰富的美学价值。

把一条线段分成两段，使其中较大的一段是原线段与较小一段的比例中项，叫做把这条线段黄金分割．如图：AC/BC=AB/AC，则图中C点就为黄金分割点取AB＝L，AC=x因为AC2=AB×BC所以x2＝（L－x）×L即x2＋xL－L2＝0解得x＝AC=在黄金分割线段的基础上，还有一种矩形叫做黄金矩形。

上图中，以AC为长，BC为宽，作出的长方形既黄金矩形。

凡是符合这种比例分割的任何物体和对象，都具有很好的使用价值和美学特征。

毕达哥拉斯曾把“0.618”这个数誉为人间最精巧的比例，哪里有0.618，那里就闪烁着美。

二、黄金分割的发现历史公元前4世纪，古希腊数学家欧多克索斯第一个系统研究了这一问题，并建立起比例理论。

公元前300年前后欧几里得撰写《几何原本》时吸收了欧多克索斯的研究成果，进一步系统论述了黄金分割，成为最早的有关黄金分割的论著。

中世纪后，黄金分割被披上神秘的外衣，意大利数家帕乔利称中末比为神圣比例，并专门为此著书立说。

德国天文学家开普勒称黄金分割为神圣分割。

黄金分割在文艺复兴前后，经过阿拉伯人传入欧洲，受到了欧洲人的欢迎，他们称之为“金法”，17世纪欧洲的一位数学家，甚至称它为“各种算法中最可宝贵的算法”。

这种算法在印度称之为“三率法”或“三数法则”，也就是我们现在常说的比例方法。

黄金分割搜索算法一.介绍黄金分割律是公元前六世纪古希腊数学家毕达哥拉斯所发现，后来古希腊美学家柏拉图将此称为黄金分割。

这其实是一个数字的比例关系，即把一条线分为两部分，此时长段与短段之比恰恰等于整条线与长段之比，其数值比为1.618 : 1或1 : 0.618，也就是说长段的平方等于全长与短段的乘积。

0.618，以严格的比例性、艺术性、和谐性，蕴藏着丰富的美学价值。

有趣的是，这个数字在自然界和人们生活中到处可见：人们的肚脐是人体总长的黄金分割点，人的膝盖是肚脐到脚跟的黄金分割点。

大多数门窗的宽长之比也是0.618…；有些植茎上，两张相邻叶柄的夹角是137°28'，这恰好是把圆周分成1:0.618……的两条半径的夹角。

据研究发现，这种角度对植物通风和采光效果最佳。

建筑师们对数学0.618…特别偏爱，无论是古埃及的金字塔，还是巴黎圣母院，或者是近世纪的法国埃菲尔铁塔，都有与0.618…有关的数据。

人们还发现，一些名画、雕塑、摄影作品的主题，大多在画面的0.618…处。

艺术家们认为弦乐器的琴马放在琴弦的0.618…处，能使琴声更加柔和甜美。

在学术界的应用数字0.618…更为数学家所关注，它的出现，不仅解决了许多数学难题(如：十等分、五等分圆周；求18度、36度角的正弦、余弦值等)，而且还使优选法成为可能。

优选法是一种求最优化问题的方法。

如在炼钢时需要加入某种化学元素来增加钢材的强度，假设已知在每吨钢中需加某化学元素的量在1000—2000克之间，为了求得最恰当的加入量，需要在1000克与2000克这个区间中进行试验。

通常是取区间的中点(即1500克)作试验。

然后将试验结果分别与1000克和2000克时的实验结果作比较，从中选取强度较高的两点作为新的区间，再取新区间的中点做试验，再比较端点，依次下去，直到取得最理想的结果。

这种实验法称为对分法。

但这种方法并不是最快的实验方法，如果将实验点取在区间的0.618处，那么实验的次数将大大减少。

美妙的黄金分割1015201-07李芬黄金分割历来被染上瑰丽诡秘的色彩，被人们称为"天然合理"的最美妙的形式比例。

黄金分割又称黄金律，是指事物各部分间一定的数学比例关系，即将整体一分为二，较大部分与较小部分之比等于整体与较大部分之比，其比值为1∶0.618或1.618∶1，即长段为全段的0.618。

0.618被公认为最具有审美意义的比例数字。

上述比例是最能引起人的美感的比例，因此被称为黄金分割。

一、黄金分割的历史公元前6世纪古希腊的毕达哥拉斯学派研究过正五边形和正十边形的作图，因此现代数学家们推断当时毕达哥拉斯学派已经触及甚至掌握了黄金分割。

公元前4世纪，古希腊数学家欧多克索斯第一个系统研究了这一问题，并建立起比例理论。

他认为所谓黄金分割，指的是把长为L的线段分为两部分，使其中一部分对于全部之比，等于另一部分对于该部分之比。

而计算黄金分割最简单的方法，是计算斐波那契数列1，1，2，3，5，8，13，21，...后二数之比2/3,3/5,5/8,8/13,13/21,...近似值的。

黄金分割在文艺复兴前后，经过阿拉伯人传入欧洲，受到了欧洲人的欢迎，他们称之为"金法"，17世纪欧洲的一位数学家，甚至称它为"各种算法中最可宝贵的算法"。

这种算法在印度称之为"三率法"或"三数法则"，也就是我们现在常说的比例方法。

公元前300年前后欧几里得撰写《几何原本》时吸收了欧多克索斯的研究成果，进一步系统论述了黄金分割，成为最早的有关黄金分割的论著。

中世纪后，黄金分割被披上神秘的外衣，意大利数家帕乔利称中末比为神圣比例，并专门为此著书立说。

德国天文学家开普勒称黄金分割为神圣分割。

其实有关"黄金分割"，我国也有记载。

虽然没有古希腊的早，但它是我国古代数学家独立创造的，后来传入了印度。

经考证。

欧洲的比例算法是源于我国而经过印度由阿拉伯传入欧洲的，而不是直接从古希腊传入的。

1、阐述黄金分割的基本思路及原理基本思路：黄金分割法适用于[a,b]区间上的任何单股函数求极小值问题,对函数除要求”单峰”外不做其他要求,甚至可以不连续.因此,这种方法的适应面非常广,黄金分割法也是建立在区间消去法原理基础上的试探方法,即在搜索区间[a,b 内适当插入两点a1,a2,并计算其函数值。

a1,a2将区间分成三段，应用函数的单峰性质，通过函数值大小的比较，删除其中一段，是搜索区间得以缩小。

然后再在保留下来的区间上作同样的处理，如此迭代下去，是搜索区间无限缩小，从而得到极小值的数值近似解。

基本原理：在单谷区间],[b a 内适当插入两点21,t t ，由此把区间],[b a 分为三段，然后再通过比较这两点函数值的大小，就可以确定是删去最左端还是最右端，或者同时删去左右两端保留中间段.如此继续下去可将单谷区间无缩小. 基本原理：所谓黄金分割就是将一线段分为两段时，要求整段长L 与较长段x 的比值正好等于较长段x 与较短段x L -的比值（如图所示），即xL xx L -= 于是有022=-+L Lx x ，解出其正根L L x 618.0215≈-=. 由此可见长段的长度应为全长的618.0倍，而短段的长度应为全长的382.0倍.因为古代的人们认为按618.0的比率来分割线段时最协调，胜似黄金，故称之为黄金分割. 2、黄金分割的算法步骤.（1）给定初始区间],[11b a ，精度要求0>ε。

令)(382.01111a b a -+=λ，)(618.01111a b a -+=μ，并计算)(1λf 与)(1μf 。

令1:=k 。

（2）若ε<-k k a b ，停止，且2kk a b x +=。

否则，当)()(k k f f μλ>时，转3；当)()(k k f f μλ≤时，转4。

（3）令k k k k k k b b a μλλ===+++111,,，)(618.01111++++-+=k k k k a b a μ，计算)(1+k f μ，令1:+=k k ，转2。

最优化⽅法三分法+黄⾦分割法+⽜顿法最优化_三等分法+黄⾦分割法+⽜顿法⼀、实验⽬的1. 掌握⼀维优化⽅法的集中算法；2. 编写三分法算法3. 编写黄⾦分割法算法4. 编写⽜顿法算法⼆、系统设计三分法1.编程思路：三分法⽤于求解单峰函数的最值。

对于单峰函数，在区间内⽤两个mid将区间分成三份，这样的查找算法称为三分查找,也就是三分法。

在区间[a,b]内部取n=2个内等分点，区间被分为n+1=3等分，区间长度缩短率=1 3 .各分点的坐标为x k=a+b−an+1⋅k (k=1,2) ，然后计算出x1,x2,⋯;y1,y2,⋯;找出y min=min{y k,k=1,2} ，新区间(a,b)⇐(x m−1,x m+1) .coding中，建⽴left,mid1,mid2,right四个变量⽤于计算，⽤新的结果赋值给旧区间即可。

2.算法描述function [left]=gridpoint(left,right,f)epsilon=1e-5; %给定误差范围while((left+epsilon)<right) %检查left,right区间精度margin=(right-left)/3; %将区间三等分,每⼩段长度=marginm1=left+margin; %left-m1-m2-right，三等分需要两个点m2=m1+margin; %m2=left+margin+marginif(f(m1)<=f(m2))right=m2; %离极值点越近，函数值越⼩(也有可能越⼤，视函数⽽定)。

else %当f(m1)>f(m2),m2离极值点更近。

缩⼩区间范围，逼近极值点left=m1; %所以令left=m1.endend %这是matlab的.m⽂件，不⽤写return.黄⾦分割法1.编程思路三分法进化版，区间长度缩短率≈0.618.在区间[a,b]上取两个内试探点，p i,q i要求满⾜下⾯两个条件：1.[a i,q i]与[p i,b i]的长度相同，即b i−p i=q i−a i;2.区间长度的缩短率相同，即b i+1−a i+1=t(b i−a i)]2.算法描述⾃⼰编写的：function [s,func_s,E]=my_golds(func,left,right,delta)tic%输⼊: func:⽬标函数，left,right:初始区间两个端点% delta：⾃变量的容许误差%输出: s,func_s:近似极⼩点和函数极⼩值% E=[ds,dfunc] ds,dfunc分别为s和dfunc的误差限%0.618法的改进形式：每次缩⼩区间时，同时⽐较两内点和两端点处的函数值。

黄金分割优选法排列3和数黄金分割法，就是在一个固定单位中，运用特定的比例将它划分出来，这些特定的比例一般常用的是0.191、0.382、0.5、0.618、0.809。

排列3玩法中，我们也可以把和数号码看成一个固定单位，根据统计分析，知道出现在黄金点附近的号码较多，我们可以运用这种方法来选择号码。

比如，从静态角度分析排列3这种玩法，位于0.191、0.382、0.5、0.618、0.809这五个黄金点位置的号码则应该是：4、8、11、13和17，但是彩票号码产生并非处于一种静态当中，而是始终处于运动状态中，我们前面的静态计算是将这个起点定在0，终点定在27上产生的，所以这些数字在实战中并不会有太大的实战价值，要在实战中运用黄金分割法，就必须找到一个变化的起点，根据对各种玩法的综合分析研究，我们可以将上一期开奖号码中最后一个下落的号码，判断为本期的起点，也就是将33/6+1的蓝球和排列3和数视为新的起点。

如：183期排列3中，如果开出的和数为11，那么，以上五个黄金点的对应号码则相应调整为02、10、18、20、22。

1、黄金分割法在实战中的运用原则：在实际选号中运用黄金分割法，必须遵循几条重要原则。

A、每期开奖都会在黄金点附近出现号码，但并不是每个黄金点附近都会出现号码，也不可能所有的号码都出现在当期的黄金点上；B、黄金点对应的号码，只是黄金点的位置，并不等于就是所出的号码，这些位置本身就包括相邻的号码；C、如果我们把每期开奖号码按大小顺序固定为的序号，则每个序号出现的不同数字，自身还可以用黄金分割法来判断，这个局部黄金分割法提示的号码比整体黄金分割点更重要。

2、黄金分割法与各种走势图的配合运用：黄金分割法提供的号码，应该在不同的走势图上进行比较。

A、凡是黄金分割法提供的，在各种走势图上都无明显走势的号码不要轻易放弃，它很可能就是彩民在走势图上发现不了的号码；B、不要把黄金分割法提供的与各种走势图完全相应的号码全部视为必出的号码。

黄金分割法有一个在经济生活、科学研究中都很有用的数——0.618，由它决定了一种最优化方法。

使用它，人们节约了大量的时间、财力和物力，当人们探讨它的来历时才发现它竟是一种纯数学思考的产物！纯数学思考的产物怎么会那么符合实际？这就是这个数中所包含的一个美丽的谜语。

欧多克斯的“中外比”欧多克斯是公元前4世纪的希腊数学家，他曾研究过大量的比例问题，并创造了比例论。

在研究比例的过程中，有一次提出这样一个问题：能否将一条线段分为不相等的两部分，使较长部分为原线段和较短部分的比例中项？他通过研究发现，可以将一已知线段分为两段，使之满足长线段与短线段之比等于全线段与长线段之比，即长线段为全线段与短线段的比例中项。

若设已知线段为ab，点c将ab分割成ac、bc，ac ＞bc，且ac2=ab·cb，那么分点c的具体作法是：连结ad，以d为圆心、以bd为半径画弧，交ad于e，以a为圆心，以ae为半径画弧交ab于c，则c点就是所求分点。

于是，欧多克斯将这种比专称为“中外比”。

在数学史上，是欧多克斯首先提出的中外比，不过希腊人发现中外比要更早一些。

神秘的毕达哥拉斯学派曾以五角星形为其标志，五角星形的作图中就包含着中外比。

雅典的巴特农神殿是古希腊的一大杰作，这座建造于公元前5世纪的神殿的宽与高之比就恰恰符合中外比。

中外比后来被世人通称为“黄金分割”，虽然最先系统研究黄金分割的是欧多克斯，但是，它究竟起源于何时、何故呢？黄金分割的起源人们认为，黄金分割作图与正五边形、正十边形和五角星形的作图有关——特别是由五角星形作图的需要引起的。

五角星形是一种很耐人寻味的图案，世界许多国家国旗上的“星”都画成五角形。

现今有将近40个国家（如中国、美国、朝鲜、土耳其、古巴等等）的国旗上有五角星。

为什么是五角而不是其他数目的角？也许是古代留下来的习惯。

五角星形的起源甚早，现在发现最早的五角星形图案是在幼发拉底河下游马鲁克地方（现属伊拉克）发现的一块公元前3200年左右制成的泥板上。

黄金分割法有一个在经济生活、科学研究中都很有用的数——0.618，由它决定了一种最优化方法。

使用它，人们节约了大量的时间、财力和物力，当人们探讨它的来历时才发现它竟是一种纯数学思考的产物！纯数学思考的产物怎么会那么符合实际?这就是这个数中所包含的一个美丽的谜语。

欧多克斯的“中外比”欧多克斯是公元前4世纪的希腊数学家，他曾研究过大量的比例问题,并创造了比例论。

在研究比例的过程中，有一次提出这样一个问题：能否将一条线段分为不相等的两部分，使较长部分为原线段和较短部分的比例中项？他通过研究发现,可以将一已知线段分为两段，使之满足长线段与短线段之比等于全线段与长线段之比,即长线段为全线段与短线段的比例中项.若设已知线段为ab，点c将ab分割成ac、bc,ac＞bc，且ac2=ab·cb，那么分点c的具体作法是：连结ad，以d为圆心、以bd为半径画弧，交ad于e,以a为圆心，以ae为半径画弧交ab于c，则c点就是所求分点。

于是,欧多克斯将这种比专称为“中外比"。

在数学史上，是欧多克斯首先提出的中外比，不过希腊人发现中外比要更早一些。

神秘的毕达哥拉斯学派曾以五角星形为其标志,五角星形的作图中就包含着中外比.雅典的巴特农神殿是古希腊的一大杰作，这座建造于公元前5世纪的神殿的宽与高之比就恰恰符合中外比。

中外比后来被世人通称为“黄金分割"，虽然最先系统研究黄金分割的是欧多克斯，但是，它究竟起源于何时、何故呢？黄金分割的起源人们认为,黄金分割作图与正五边形、正十边形和五角星形的作图有关—-特别是由五角星形作图的需要引起的。

五角星形是一种很耐人寻味的图案，世界许多国家国旗上的“星”都画成五角形。

现今有将近40个国家(如中国、美国、朝鲜、土耳其、古巴等等）的国旗上有五角星。

为什么是五角而不是其他数目的角?也许是古代留下来的习惯。

五角星形的起源甚早,现在发现最早的五角星形图案是在幼发拉底河下游马鲁克地方（现属伊拉克）发现的一块公元前3200年左右制成的泥板上。

优选法与二分法、黄金分割间的联系优选法概述优选法,是以数学原理为指导，用最可能少的试验次数，尽快找到生产和科学实验中最优方案的一种科学试验的方法。

例如：在现代体育实践的科学实验中，怎样选取最合适的配方、配比；寻找最好的操作和工艺条件；找出产品的最合理的设计参数，使产品的质量最好，产量最多，或在一定条件下使成本最低，消耗原料最少，生产周期最短等。

把这种最合适、最好、最合理的方案，一般总称为最优；把选取最合适的配方、配比，寻找最好的操作和工艺条件，给出产品最合理的设计参数，叫做优选。

也就是根据问题的性质在一定条件下选取最优方案。

最简单的最优化问题是极值问题，这样问题用微分学的知识即可解决。

实际工作中的优选问题，即最优化问题，大体上有两类：一类是求函数的极值；另一类是求泛函的极值。

如果目标函数有明显的表达式，一般可用微分法、变分法、极大值原理或动态规划等分析方法求解（间接选优）；如果目标函数的表达式过于复杂或根本没有明显的表达式，则可用数值方法或试验最优化等直接方法求解（直接选优）。

优选法是尽可能少做试验，尽快地找到生产和科研的最优方案的方法,优选法的应用在我国从70年代初开始，首先由我们数学家华罗庚等推广并大量应用,优选法也叫最优化方法。

二分法一般地，对于函数f(x),如果存在实数c,当x=c时f(c)=0,那么把x=c叫做函数f(x)的零点。

解方程即要求f(x)的所有零点。

先找到a、b，使f(a)，f(b)异号，说明在区间(a,b)内一定有零点，然后求f[(a+b)/2], 现在假设f(a)<0,f(b)>0,a<b ①如果f[(a+b)/2]=0，该点就是零点，如果f[(a+b)/2]<0,则在区间（(a+b)/2，b)内有零点，(a+b)/2=>a，从①开始继续使用中点函数值判断。

如果f[(a+b)/2]>0，则在区间(a,(a+b)/2)内有零点，(a+b)/2=>b，从①开始继续使用中点函数值判断。