数学建模 最优化方法建模及实现共65页

数学模型最优化方法实现数学建模最优化方法是将数学建模问题转化为数学模型，并通过数学方法求解最优解的过程。

最优化方法在数学建模中起着非常重要的作用，可以帮助我们解决各种复杂的实际问题。

本文将介绍最优化方法的实现过程，并详细讨论最优化方法的几种常见算法。

最优化方法的实现过程主要分为以下几个步骤：建立数学模型、寻找最优解算法、编写程序实现、求解并分析结果。

首先，我们需要根据实际问题建立数学模型。

数学模型是问题的抽象表示，通常包括目标函数、约束条件和变量等要素。

通过合理地选择目标函数和约束条件，可以将问题转化为数学形式，便于后续的分析和求解。

其次，我们需要根据模型选择适当的最优解算法。

最优化方法有很多种，根据具体问题的特点和求解要求，我们可以选择不同的算法来求解最优解。

然后，我们需要编写程序将数学模型和求解算法实现。

编写程序是最优化方法实现的核心步骤，通过编写程序，我们可以自动化地求解最优化问题，并得到最优解。

最后，我们需要进行求解和结果分析。

通过求解模型并分析结果，可以验证模型的合理性，并根据结果调整模型或改进算法，以得到更好的最优解。

在实际应用中，根据问题的特点和求解需求，我们可以选择不同的最优化方法。

常见的最优化方法有：线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划、遗传算法等。

下面将分别介绍这几种方法的原理和实现过程。

线性规划是最常用的最优化方法之一，适用于目标函数和约束条件都是线性的情况。

线性规划的基本思想是将问题转化为求解一个线性函数在约束条件下的最大值或最小值。

线性规划的求解算法有很多，例如单纯形法、内点法和对偶法等。

这些算法都是基于线性规划的特点和数学性质，通过迭代求解来逼近最优解。

实现线性规划方法的主要步骤包括：建立数学模型、选择适当的算法、编写相应的程序、求解并分析结果。

非线性规划是另一种常见的最优化方法，适用于目标函数或约束条件中包含非线性项的情况。

非线性规划的求解相对复杂，通常需要使用迭代算法来逼近最优解。

最优化问题的建模与解法最优化问题（optimization problem）是指在一组可能的解中寻找最优解的问题。

最优化问题在实际生活中有广泛的应用，例如在工程、经济学、物流等领域中，我们经常需要通过数学模型来描述问题，并利用优化算法来求解最优解。

本文将介绍最优化问题的建模和解法，并通过几个实例来说明具体的应用。

一、最优化问题的数学建模最优化问题的数学建模包括目标函数的定义、约束条件的确定以及变量范围的设定。

1. 目标函数的定义目标函数是一个表达式，用来衡量问题的解的优劣。

例如，对于一个最大化问题，我们可以定义目标函数为：max f(x)其中，f(x)是一个关于变量x的函数，表示问题的解与x的关系。

类似地，对于最小化问题，我们可以定义目标函数为：min f(x)2. 约束条件的确定约束条件是对变量x的一组限制条件，用来定义问题的可行解集合。

约束条件可以是等式或不等式，通常表示为：g(x) ≤ 0h(x) = 0其中，g(x)和h(x)分别表示不等式约束和等式约束。

最优化问题的解必须满足所有的约束条件，即：g(x) ≤ 0, h(x) = 03. 变量范围的设定对于某些变量，可能需要限定其取值的范围。

例如，对于一个实数变量x，可能需要设定其上下界限。

变量范围的设定可以通过添加额外的不等式约束来实现。

二、最优化问题的解法最优化问题的解法包括数学方法和计算方法两种，常见的数学方法有最优性条件、拉格朗日乘子法等，而计算方法主要是通过计算机来求解。

1. 数学方法数学方法是通过数学分析来求解最优化问题。

其中，常见的数学方法包括：（1）最优性条件：例如，对于一些特殊的最优化问题，可以通过最优性条件来判断最优解的存在性和性质。

最优性条件包括可导条件、凸性条件等。

（2）拉格朗日乘子法：对于带有约束条件的最优化问题，可以通过拉格朗日乘子法将原问题转化为无约束最优化问题，从而求解最优解。

2. 计算方法计算方法是通过计算机来求解最优化问题。

数学建模中的最优化算法数学建模是一项综合性强、难度较大的学科，涉及到数学和实际问题的结合。

在数学建模中，最常见的问题是优化问题，即在给定的约束条件下，求出最优解。

最优化算法是解决优化问题的重要手段，包括线性规划、非线性规划、动态规划等。

这些算法在不同的问题中有不同的应用，下面我们将分别介绍。

一、线性规划线性规划是一种数学工具，它可以在一系列线性约束条件下最大化或最小化具有线性关系的目标函数。

在数学建模中，线性规划被广泛应用于资源分配问题、制造流程优化等方面。

线性规划的求解方法主要有单纯形法、对偶理论、内点法等。

其中单纯形法是最常用的方法之一，它通过迭代搜索寻找最优解。

但是对于规模较大的问题，单纯形法的效率会降低，因此近年来对于线性规划的求解，研究者们也开始关注内点法这种算法。

内点法通过可行路径寻找最优解，因此在理论和实际的问题中都有广泛的应用。

二、非线性规划非线性规划主要是解决一些非线性问题，这种问题在实际问题中很常见。

与线性规划不同的是，非线性规划的目标函数往往是非线性的。

非线性规划的求解方法主要有牛顿法、梯度法、共轭梯度法等。

其中，牛顿法是一种迭代法，通过利用函数的一、二阶导数进行求解。

梯度法则是利用函数的一阶导数进行搜索最优解。

共轭梯度法是一种联合使用前两种方法的算法，比前两种算法更加高效。

三、动态规划动态规划是一个将一个问题分解为相互重叠的子问题的技巧，并将子问题的解决方法组合成原问题的解决方法。

动态规划的优势在于能够处理具有重叠子问题和最优子结构等性质的问题。

在数学建模中，动态规划通常被用来处理具有最优子结构的优化问题。

动态规划的求解方法主要有记忆化搜索、状态转移方程等。

其中，记忆化搜索是一种保存结果以便后续使用的技术。

状态转移方程则是一种寻找题目的最优子结构的方法，它通过减小问题规模寻找最优解。

总之，数学建模中的最优化算法是解决现实问题的有效手段。

通过学习和掌握这些算法，我们可以更加深入地理解和解决实际问题。

第五节数学建模——最优化在实际应用中，常常会遇到最大值和最小值的问题．如用料最省、容量最大、花钱最少、效率最高、利润最大等．此类问题在数学上往往可归纳为求某一函数（通常称为目标函数）的最大值或最小值问题．分布图示★ 最大值最小值的求法★例1 ★例2 ★例3 ★例4 ★例5 ★例6★例7★ 对抛射体运动建模 ★例8 ★例9★ 在经济学中的应用★例10★例11★例12★例13★例14★例15★例16★ 内容小结★课堂练习★ 习题3-5返回内容要点一、求函数的最大值与最小值在实际应用中，常常会遇到求最大值和最小值的问题.如用料最省、容量最大、花钱最少、效率最高、利润最大等.此类问题在数学上往往可归结为求某一函数（通常称为目标函数）的最大值或最小值问题.求函数在],[b a 上的最大（小）值的步骤如下：（1）计算函数)(x f 在一切可能极值点的函数值，并将它们与),(a f )(b f 相比较，这些值中最大的就是最大值，最小的就是最小值；（2）对于闭区间],[b a 上的连续函数)(x f ，如果在这个区间内只有一个可能的极值点，并且函数在该点确有极值，则这点就是函数在所给区间上的最大值（或最小值）点.二、对抛射体运动建模 三、光的折射原理四、在经济学中的应用例题选讲例1(E01)求14123223+-+=x x x y 的在]4,3[-上的最大值与最小值.解),1)(2(6)(-+='x x x f 解方程,0)(='x f 得.1,221=-=x x 计算;23)3(=-f ;34)2(=-f ;7)1(=f ;142)4(=f 比较得最大值,142)4(=f 最小值.7)1(=f例2求函数x x y -=2sin 在⎥⎦⎤⎢⎣⎡-2,2ππ上的最大值及最小值.解函数x x y -=2sin 在⎥⎦⎤⎢⎣⎡-2,2ππ上连续,,12cos 2)(-='='x y x f令,0='y 得.6π±=x,22ππ=⎪⎭⎫ ⎝⎛-f ,22ππ-=⎪⎭⎫ ⎝⎛f ,6236ππ-=⎪⎭⎫ ⎝⎛f .6236ππ+-=⎪⎭⎫⎝⎛-f故y 在⎥⎦⎤⎢⎣⎡-2,2ππ上最大值为,2π最小值为.2π-例3(E02)设工厂A 到铁路线的垂直距离为20km,垂足为B .铁路线上距离B 为100km 处有一原料供应站C ,如图3-5-4.现在要在铁路BC 中间某处D 修建一个原料中转车站,再由车站D 向工厂修一条公路.如果已知每km 的铁路运费与公路运费之比为3:5,那么,D 应选在何处,才能使原料供应站C 运货到工厂A 所需运费最省?解x BD =(km),x CD -=100(km),.2022x AD +=铁路每公里运费,3k 公路每公里,5k 记那里目标函数(总运费)y 的函数关系式:CD k AD k y ⋅+⋅=35即).1000()100(340052≤≤-++⋅=x x k x k y 问题归结为：x 取何值时目标函数y 最小.求导得,340052⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+='x xk y 令0='y 得15=x (km). 因为.26100)100(,380)15(,400)0(k y k y k y ===从而当15=BD (km)时，总运费最省.例4(E03)某房地产公司有50套公寓要出租,当租金定为每月180元时,公寓会全部租出去.当租金每月增加10元时,就有一套公寓租不出去,而租出去的房子每月需花费20元的整修维护费.试问房租定为多少可获得最大收入?解设房租为每月x 元，租出去的房子有⎪⎭⎫⎝⎛--1018050x 套，每月总收入为,1068)20(1018050)20()(⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎭⎫ ⎝⎛---=x x x x x R,570101)20(1068)(x x x x R -=⎪⎭⎫⎝⎛--+⎪⎭⎫ ⎝⎛-='解,0)(='x R 得350=x (唯一驻点).故每月每套租金为350元时收入最高.最大收入为10890)350(=R (元). 求函数的最大值最小值例5求内接于椭圆12222=+by a x 而面积最大的矩形的各边之长.解设),(y x M 为椭圆上第一象限内任意一点，则 以点M 为一顶点的内接矩形的面积为,0,422)(22a x x a x aby x x S ≤≤-=⋅= 且.0)()0(==a S S22222222244)(x a x a a b x a x xx a a b x S --=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--+-=' 由,0)(='x S 求得驻点20a x =为唯一的极值可疑点.依题意,)(x S 存在最大值,故20a x =是)(x S 的最大值,最大值ab a a aa b S 222422max=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=对应的y 值为,2b 即当矩形的边长分别为,2a b 2时面积最大.例6由直线8,0==x y 及抛物线2x y =围成一个曲边三角形,在曲边2x y =上求一点,使曲线在该点处的切线与直线0=y 及8=x 所围成三角形面积最大.解根据几何分析,所求三角形面积为),80)(16(2182102000≤≤-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=x x x x S由,0)1616643(41020=⨯+-='x x S解得,3160=x 160=x (舍去). ,08316<-=⎪⎭⎫⎝⎛n S274096316=⎪⎭⎫ ⎝⎛∴S 为极大值.故274096316=⎪⎭⎫ ⎝⎛S 三角形为所有中面积的最大者.例7求数列⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧--=n n e n n a 122}{2的最大项(已知3723>e ). 解令,1),122()(22+∞≤≤--=-x x x e x f x则)86(21)(22---='-x x e x f x由,0)(='x f 得唯一驻点.173+=x当)173,1(+∈x 时,;0)(>'x f 当),173(+∞+∈x 时,;0)(<'x f 所以当时,173+=x 时,函数)(x f 取得极大值, 因为,81737<+<又,23)7(7e f =,36)8(4ef =,136373623)8()7(>>=e f f 因此当7=n 时,得数列的最大项,7a .23)7(77ef a ==例8(E04)在地面上以400m/s 的初速度和3π的抛射角发射一个抛射体.求发射10秒后抛射体的位置.解由400=v m/s ，3πα=，10=t ，则()2000103cos 40010=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=πx()2974108.921103sin 400102≈⨯⨯-⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=πy即发射10秒后抛射体离开发射点的水平距离为2000米，在空中的高度为2974米.虽然由参数方程确定的运动轨迹能够解决理想抛射体的大部分问题.但是有时我们还需要知道关于它的飞行时间、射程（即从发射点到水平地面的碰撞点的距离）和最大高度.由抛射体在时刻0≥t 的竖直位置解出t .021sin =⎪⎭⎫ ⎝⎛-gt v t α⇒0=t ，g v t αsin 2=． 因为抛射体在时刻0=t 发射，故gv t αsin 2=必然是抛射体碰到地面的时刻.此时抛射体的水平距离，即射程为()()αααα2sin cos 2sin 2sin 2gv tv t x gv t gv t ====. 当12sin =α时即4πα=时射程最大.抛射体在它的竖直速度为零时，即()0sin =-='gt v x y α从而gv t αsin =，故最大高度 ()()()g v g v g g v v x y gv t 2sin sin 21sin sin 22sin ααααα=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==. 根据以上分析，不难求得例８中的抛射体的飞行时间、射程和最大高度： 飞行时间70.703sin 8.94002sin 2≈⨯==παg v t （秒） 射程1413932sin 8.94002sin 22max≈==παg v x （米） 最大高度()()61228.923sin 4002sin 22max≈⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛==παgv x y （米）例9(E05)在1992年巴塞罗那夏季奥运会开幕式上的奥运火炬是由射箭铜牌获得者安东尼奥·雷波罗用一枝燃烧的箭点燃的,奥运火炬位于高约21米的火炬台顶端的圆盘中,假定雷波罗在地面以上2米距火炬台顶端圆盘约70米处的位置射出火箭,若火箭恰好在达到其最大飞行高度1秒后落入火炬圆盘中,试确定火箭的发射角α和初速度0v .(假定火箭射出后在空中的运动过程中受到的阻力为零,且，2/10s m g =， 5.469.2022arctan ≈≈ 5.46sin 0.725) 解建立如图所示坐标系,设火箭被射向空中的初速度为0v 米/秒,即）（ααsin ,cos 000v v v =,则火箭在空中运动t 秒后的位移方程为()()()()t y t x t s ,==），（2005sin 2cos t t v t v -+αα.火箭在其速度的竖直分量为零时达到最高点,故有()()010sin 5sin 2020=-='-+=t v t t v dt t dy αααsin 100v t =⇒,于是可得出当火箭达到最高点1秒后的时刻其水平位移和竖直位移分别为22000110sin 2170cos 2.31sin 10cos )(0-==+=+=ααααv vv t x v t ）（21320sin )(220110sin 0=-=+=ααv t y v t解得：22sin 0≈αv ,9.20cos 0≈αv ,从而9.2022tan =α⇒ 5.46≈α 又5.4622sin 0≈≈αα，v ⇒3.300≈v (米/秒)所以,火箭的发射角α和初速度0v 分别约为5.46和3.30米/秒. 例10(E06)设每月产量为x 吨时,总成本函数为4900841)(2++=x x x C (元)， 求最低平均成本和相应产量的边际成本.解又.09800)140(3>=''xC 故140=x 是)(x C 的极小值点，也是最低平均成本为7814049008)140(41)140(=++⨯=C (元).边际成本函数为.821)(+='x x C故当产量为140吨时，边际成本为78)140(='C (元).例11(E07)某人利用原材料每天要制作5个贮藏橱.假设外来木材的运送成本为6000元，而贮存每个单位材料的成本为8元.为使他在两次运送期间的制作周期内平均每天的成本最小，每次他应该订多少原材料以及多长时间订一次货？解设每x 天订一次货，那么在运送周期内必须订x 5单位材料.而平均贮存量大约为运送数量的一半，即25x.因此每个周期的成本=运送成本+贮存成本=8256000⋅⋅+x x平均成本()x xx x C 206000+==每个周期的成本，0>x由()2060002+-='x x C 解方程()0='x C ，得驻点 32.173101≈=x ，32.173102-≈-=x （舍去）.因()312000xx C =''，则()01>''x C ，所以在32.173101≈=x 天处取得最小值. 贮藏橱制作者应该安排每隔17天运送外来木材85175=⨯单位材料.例12（E08）某计算器零售商店每年销售360台计算器.库存一台计算器一年的费用是8元.为再订购，需付10元的固定成本，以及每台计算器另加8元.为最小化存贷成本，商店每年应订购计算器几次？每次批量是多少？解设x 表示批量.存货成本表示为=)(x C (年度持产成本)+(年度再订购成本).我们分别讨论年度持产成本和年度再订购成本.现有平均存货量是2/x ,并且每台库存花费10元.因而.428)()(x x=⋅=⋅=平均台数每台年度成本年度持产成本 已知x 表示批量.又假定每年再订购n 次.于是⇒=360nx ./360x n =因而 年度再订购成本=(每次订购成本)∙(再订购次数).28803600360)810(+=+=x x x因此.288036004)(++=xx x C 令,036004)(2=-='xx C 解得驻点.30±=x又.0100000)(3>=''x x C 因为在区间[1,360]内只有一个驻点,即,30=x 所以在30=x 处有最小值.因此,为了最小化存货成本,商店应每年订货1230360=（次）. 例13（E09）再讨论例12,除了把存货成本8元改为9元,采用例3给出的所有数据.为使存货成本最小化,商店应按多大的批量再订购计算器且每年应订购几次?解把这个例子与例6作比较,求其存货成本,它变成.3240360029360)910(29)(++=++⋅=xx x x x x C 然后求),(x C '令它等于0来求解:x0360029)(2=-='xx C .2.28800≈=⇒x 因为每次再订购28.2台没有意义,考虑与28.2最接近的两个整数,它们是28和29.现在有57.3494)28(≈C 元和64.3494)29(≈C 元.由此可得,最小化存货成本的批量是28,尽管相差0.07元并不重要.(注意:这一步骤不是对所有类型的函数都能行得通,但是对于这里正在讨论的函数是可行的.)应再订购的次数是,1328/360≈所以仍然涉及某个近似值.例14（E10）某服装有限公司确定，为卖出x 套服装,其单价应为x p 5.0150-=.同时还确定，生产x 套服装的总成本可表示成225.04000)(x x C +=.(1)求总收入).(x R (2)求总利润).(x L(3)为使利润最大化,公司必须生产并销售多少套服装? (4)最大利润是多少?(5)为实现这一最大利润,其服装的单价应定为多少?解（1）总收入p x x R ⋅=⋅=单价服装套数)()(.5.0150)5.0150(2x x x x -=-= （2）总利润.400015075.0)25.04000()5.0150()()()(222-+-=+--=-=x x x x x x C x R x L（3）为求)(x L 的最大值,先求.1505.1)(+-='x x L 解方程0)(='x L ，得.100=x注意到05.1)(<-=''x P ,因为只有一个驻点,所以)100(L 是最大值.（4）最大利润是3500400010015010075.0)100(2=-⨯+⨯-=L （元）由此公司必须生产并销售100套服装来实现3500元的最大利润.（5）实现最大利润所需单价是1001005.0150=⨯-=p （元）.例15（E11）某大学正试图为足球票定价.如果每张票价为6元，则平均每场比赛有70000名观众.每提高1元，就要从平均人数中失去10000名观众.每名观众在让价上平均花费1.5元.为使收入最大化，每张票应定价多少？按该票定价，将有多少名观众观看比赛？解设每张票应提价的金额x (如果x 是负值,则票价下跌).首先把总收入R 表示成x 的函数.)(5.1)()()()()(人数票价人数让价收益票价收益+⋅=+=x R)1000070000(5.1)6)(1000070000(x x x -++-= 5250005000100002+--=x x .为求使)(x R 最大的,x 先求:)(x R '.500020000)(--='x x R解方程0)(='x R ，得25.0-=x 元.注意到020000)(<-=''x R ，因为这是唯一的驻点,所以)25.0(-R 是最大值.因此,为使收入最大化,足球票定价为75.525.06=-元.也就是说，下调后的票价将吸引更多的观众去看球赛，其人数是72500)25.0(1000070000=-⨯-这将带来最大的收入.例16（E12）录像带商店设计出一个关于其录像带租金的需求函数，并把它表示为P Q 20120-=其中Q 是当每盒租金是P 元时每天出租录像带的数量.求解下列各题： （1） 求当2=P 元和4=P 元时的弹性，并说明其经济意义. （2） 求()1=P η时P 的值，并说明其经济意义. （3） 求总收益最大时的价格P . 解（1）首先求出需求弹性()PP P P Q Q P P --=--⋅='⋅=62012020η当2=P 元，有()212622-=--=η. ()1212<=η，表明出租数量改变量的百分比与价格改变量的百分比的比率小于1.价格的小幅度增加所引起出租数量百分比的减少小于价格改变量的百分比. 当4=P 元，有()24644-=--=η. ()122>=η，表明出租数量改变量的百分比与价格改变量的百分比的比率大于1.价格的小幅度增加所引起出租数量百分比的减少大于价格改变量的百分比. （2）令()1=P η，即316=⇒=--P PP因此，当每盒租金是3元时，出租数量改变量的百分比与价格改变量的百分比的比率是1.（3）总收益是()220120P P PQ P R -==()P P R 40120-='，()40-=''P R令()0='P R ，解得3=P .又()040<-=''P R ，所以3=P 为()2P R 的极大值点，也是最大值点.即当每盒租金是3元时，总收益最大.在上例中得到，使()1=P η的P 值与使总收益最大的P 值是相同的.这一事实总是成立的.课堂练习1.下列命题正确吗?若0x 为)(x f 的极小值点,则必存在0x 的某领域,在此领域内,)(x f 在0x 的左侧下降,而在0x 的右侧上升.2.若)(a f 是)(x f 在[a ,b ]上的最大值或最小值,且)(a f '存在,是否一定有0)(='a f ?。