数学建模智能算法【精品文档】(完整版)

数学建模中常用的十种算法在数学建模中，有许多种算法可以用来解决不同类型的问题。

下面列举了数学建模中常用的十种算法。

1.线性规划算法：线性规划是一种优化问题，目标是找到一组线性约束条件下使目标函数最大或最小的变量的值。

常用的线性规划算法包括单纯形法、内点法和对偶法等。

2.非线性规划算法：非线性规划是一种目标函数或约束条件中存在非线性项的优化问题。

常见的非线性规划算法有牛顿法、拟牛顿法和遗传算法等。

3.整数规划算法：整数规划是一种线性规划的扩展，约束条件中的变量必须为整数。

常用的整数规划算法包括分支定界法、割平面法和混合整数线性规划法等。

4.动态规划算法：动态规划是一种通过将问题分解为更小的子问题来解决的算法。

它适用于一类有重叠子问题和最优子结构性质的问题，例如背包问题和最短路径问题。

5.聚类算法：聚类是一种将数据集划分为不同群组的算法。

常见的聚类算法有K均值算法、层次聚类法和DBSCAN算法等。

6.回归分析算法：回归分析是一种通过拟合一个数学模型来预测变量之间关系的算法。

常见的回归分析算法有线性回归、多项式回归和岭回归等。

7.插值算法：插值是一种通过已知数据点推断未知数据点的数值的算法。

常用的插值算法包括线性插值、拉格朗日插值和样条插值等。

8.数值优化算法：数值优化是一种通过改变自变量的取值来最小化或最大化一个目标函数的算法。

常见的数值优化算法有梯度下降法、共轭梯度法和模拟退火算法等。

9.随机模拟算法：随机模拟是一种使用概率分布来模拟和模拟潜在结果的算法。

常见的随机模拟算法包括蒙特卡洛方法和离散事件仿真等。

10.图论算法：图论是一种研究图和网络结构的数学理论。

常见的图论算法有最短路径算法、最小生成树算法和最大流量算法等。

以上是数学建模中常用的十种算法。

这些算法的选择取决于问题的特性和求解的要求，使用合适的算法可以更有效地解决数学建模问题。

数学建模计算方法蒙特卡罗算法(该算法又称随机性模拟算法，是通过计算机仿真来解决问题的算法，同时可以通过模拟可以来检验自己模型的正确性，是比赛时必用的方法)数据拟合、参数估计、插值等数据处理算法(比赛中通常会碰到大量的数据必须要处理，而处理数据的关键就在于这些算法，通常使用Matlab 作为工具)线性规划、整数规划、多元规划、二次规划等规划类问题(建模比赛大多数问题属于最优化问题，很多时候这些问题可以用数学规划算法来描述，通常使用Lindo、Lingo 软件实现) 图论算法(这类算法可以分为很多种，包括最短路、网络流、二分图等算法，涉及到图论的问题可以用这些方法解决，必须要认真准备)动态规划、回溯搜索、分治算法、分支定界等计算机算法(这些算法是算法〔制定〕中比较常用的方法，很多场合可以用到比赛中)4建模计算法三层次结构：最高层：这一层次中只有一个元素，一般它是分析问题的预定目标或理想结果，因此也称为目标层。

中间层：这一层次中包涵了为实现目标所涉及的中间环节，它可以由假设干个层次组成，包括所必须合计的准则、子准则，因此也称为准则层。

最底层：这一层次包括了为实现目标可供选择的各种措施、决策方案等，因此也称为措施层或方案层。

递阶层次结构中的层次数与问题的复杂程度及必须要分析的详尽程度有关，一般地层次数不受限制。

每一层次中各元素所支配的元素一般不要超过 9 个。

这是因为支配的元素过多会给两两比较推断带来困难。

层次分析法的应用：在应用层次分析法研究问题时，碰到的主要困难有两个：(i)如何依据实际状况抽象出较为贴切的层次结构;(ii)如何将某些定性的量作比较接近实际定量化处理。

层次分析法对人们的思维过程进行了加工整理，提出了一套系统分析问题的方法，为科学管理和决策提供了较有说服力的依据。

但层次分析法也有其局限性，主要表现在：(i)它在很大程度上依赖于人们的经验，主观因素的影响很大，它至多只能排除思维过程中的严重非一致性，却无法排除决策者个人可能存在的严重片面性。

数学建模十大经典算法数学建模是将现实问题抽象化成数学问题，并通过数学模型和算法进行解决的过程。

在数学建模中，常用的算法能够帮助我们分析和求解复杂的实际问题。

以下是数学建模中的十大经典算法：1.线性规划算法线性规划是一种用于求解线性约束下的最优解的方法。

经典的线性规划算法包括单纯形法、内点法和对偶理论等。

这些算法能够在线性约束下找到目标函数的最大（小）值。

2.整数规划算法整数规划是在线性规划的基础上引入了整数变量的问题。

经典的整数规划算法包括分枝定界法、割平面法和混合整数线性规划法。

这些算法能够在整数约束下找到目标函数的最优解。

3.动态规划算法动态规划是一种将一个问题分解为更小子问题进行求解的方法。

经典的动态规划算法包括背包问题、最短路径问题和最长公共子序列问题等。

这些算法通过定义递推关系，将问题的解构造出来。

4.图论算法图论是研究图和图相关问题的数学分支。

经典的图论算法包括最小生成树算法、最短路径算法和最大流算法等。

这些算法能够解决网络优化、路径规划和流量分配等问题。

5.聚类算法聚类是将相似的数据点划分为不相交的群体的过程。

经典的聚类算法包括K均值算法、层次聚类算法和密度聚类算法等。

这些算法能够发现数据的内在结构和模式。

6.时间序列分析算法时间序列分析是对时间序列数据进行建模和预测的方法。

经典的时间序列分析算法包括平稳性检验、自回归移动平均模型和指数平滑法等。

这些算法能够分析数据中的趋势、周期和季节性。

7.傅里叶变换算法傅里叶变换是将一个函数分解成一系列基础波形的过程。

经典的傅里叶变换算法包括快速傅里叶变换和离散傅里叶变换等。

这些算法能够在频域上对信号进行分析和处理。

8.最优化算法最优化是研究如何找到一个使目标函数取得最大（小）值的方法。

经典的最优化算法包括梯度下降法、共轭梯度法和遗传算法等。

这些算法能够找到问题的最优解。

9.插值和拟合算法插值和拟合是通过已知数据点来推断未知数据点的方法。

经典的插值算法包括拉格朗日插值和牛顿插值等。

数学建模四大模型总结(word版可编辑修改)编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（数学建模四大模型总结(word 版可编辑修改)）的内容能够给您的工作和学习带来便利。

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四类基本模型1优化模型1.1 数学规划模型线性规划、整数线性规划、非线性规划、多目标规划、动态规划。

1.2 微分方程组模型阻滞增长模型、SARS传播模型.1.3 图论与网络优化问题最短路径问题、网络最大流问题、最小费用最大流问题、最小生成树问题(MST)、旅行商问题（TSP）、图的着色问题。

1.4 概率模型决策模型、随机存储模型、随机人口模型、报童问题、Markov链模型。

1.5 组合优化经典问题●多维背包问题(MKP）背包问题：n个物品,对物品i，体积为w，背包容量为W。

如何将尽可能多的物i品装入背包。

多维背包问题:n个物品，对物品i，价值为p,体积为i w，背包容量为W。

如何i选取物品装入背包,是背包中物品的总价值最大。

多维背包问题在实际中的应用有：资源分配、货物装载和存储分配等问题。

该问题属于NP难问题。

●二维指派问题(QAP）工作指派问题:n个工作可以由n个工人分别完成。

工人i完成工作j的时间为d.ij如何安排使总工作时间最小。

二维指派问题（常以机器布局问题为例）：n台机器要布置在n个地方，机器i与k 之间的物流量为f，位置j与l之间的距离为jl d，如何布置使费用最小.ik二维指派问题在实际中的应用有：校园建筑物的布局、医院科室的安排、成组技术中加工中心的组成问题等。

●旅行商问题(TSP)旅行商问题：有n个城市，城市i与j之间的距离为d,找一条经过n个城市的巡ij回(每个城市经过且只经过一次,最后回到出发点)，使得总路程最小。

数学建模之智能计算（2）一、蚁群算法蚁群优化算法(ant colony optimization, ACO)，又称蚂蚁算法，是一种用来在图中寻找优化路径的机率型算法.它由意大利学者Marco Dorigo于上世纪九十年大初期最早提出的一种源于大自然的新的仿生类算法，其灵感来源于上述所描述的蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为.蚁群算法主要是借鉴蚂蚁群体之间的信息传递方法达到寻优的目的，最初有称之为蚁群优化方法，在计算机模拟仿真中由于采用了人工“蚂蚁”的概念，因此，也称蚂蚁系统（Ant System.AS）。

主要讨论内容蚁群算法基本原理蚁群算法模型的建立蚁群算法研究进展基于蚁群算法的TSP求解一个实例蚁群算法的收敛性讨论一、基本原理1、从真实蚂蚁到人工蚂蚁蚁群算法是一种受自然界生物的行为启发而产生的“自然”算法。

它是从对蚁群行为的研究中产生的。

其基本原理如下图：图1 蚁群觅食路线上图表示蚂蚁觅食的线路，A为蚁穴,B为食源，从A到B有两条线路可走，A C B--是长路径，A D B--是短路径。

蚂蚁走过一条路线以后，在地面上会留下信息素气味，后来蚂蚁就是根据留在地面上这种气味的强度选择移动的方向。

图a表示起始情况，假定蚁穴中有4只蚂蚁，分别用1,2,3,4表示，Ｂ为食源。

开始时蚁穴中蚂蚁1,2向食源移动，由于路线A C B--和A D B--上均没有蚂蚁通过，在这两条路线上都没有信息素气味，因此蚂蚁1,2选择这两条线路的机会均等。

令蚁1选择A C B--线路，蚁2选择A D B--线路，假定蚂蚁移动的速度相同，当蚁2到达食源B时，蚁1还在途中，如图b。

蚁2到达食源以后就返回，这时从B返回也有两条线路选择，哪一条线路上信息素的气味重就选择哪一条。

因为蚁1还在途中，没有到达终点，这时在B C A--线路上靠近B端处，蚁1还没有留下信息素气味，所以蚁2返回蚁穴的线路只有一个选择，就是由原路返回。

当蚁2返回A时，蚁3开始出发，蚁3的线路选择必定是A D B--上气味浓度比--，因为这时A D B--上重(A D BA C B--上已有蚂蚁两次通过) ，如图c所示。

Part 3——群智能算法群智能算法，也称为启发式算法，起于上个世纪80年代初。

启发式算法近年来在实际应用方面得到了较大的发展，尤其是在大数据下，人们在不断探索研究以获得更有效的应用场景。

这些算法包括：遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、模拟退火算法、人工鱼群算法、人工蜂群算法、微分进化算法和免疫算法等，这些算法在理论上也较为完善。

该部分主要介绍几种常用的群智能算法。

第一章遗传算法遗传算法（Genetic Algorithm，GA），是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，它是由美国Michigan大学的J.Holland 教授于1975年首先提出的。

遗传算法作为一种新的全局优化搜索算法，以其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理及应用范围广等显著特点，奠定了它作为21世纪关键智能计算之一的地位。

遗传算法的基本思想正是基于模仿生物界遗传学的遗传过程．它把问题的参数用基因代表，把问题的解用染色体代表（在计算机里用二进制码表示），从而得到一个由具有不同染色体的个体组成的群体．这个群体在问题特定的环境里生存竞争，适者有最好的机会生存和产生后代．后代随机化地继承了父代的最好特征，并也在生存环境的控制支配下继续这一过程．群体的染色体都将逐渐适应环境，不断进化，最后收敛到一族最适应环境的类似个体，即得到问题最优的解．值得注意的一点是，现在的遗传算法是受生物进化论学说的启发提出的，这种学说对我们用计算机解决复杂问题很有用，而它本身是否完全正确并不重要（目前生物界对此学说尚有争议）．1.1遗传算法中的生物遗传学概念由于遗传算法是由进化论和遗传学机理而产生的直接搜索优化方法；故而在这个算法中要用到各种进化和遗传学的概念．首先给出遗传学概念、遗传算法概念和相应的数学概念三者之间的对应关系．这些概念如下：表1-1. 遗传算法相关概念序号遗传学概念遗传算法概念数学概念1 个体要处理的基本对象、结构也就是可行解2 群体个体的集合被选定的一组可行解3 染色体个体的表现形式可行解的编码4 基因染色体中的元素编码中的元素5 基因位某一基因在染色体中的位置元素在编码中的位置6 适应值个体对于环境的适应程度，或在环境压力下的生存能力可行解所对应的适应函数值7 种群被选定的一组染色体或个体根据入选概率定出的一组可行解8 选择从群体中选择优胜的个体，淘汰劣质个体的操作保留或复制适应值大的可行解，去掉小的可行解9 交叉一组染色体上对应基因段的交换根据交叉原则产生的一组新解10 交叉概率染色体对应基因段交换的概率（可能性大小）闭区间[0,1]上的一个值，一般为0.65~0.9011 变异染色体水平上基因变化编码的某些元素被改变12 变异概率染色体上基因变化的概率（可能性大小）开区间(0,1)内的一个值, 一般为0.001~0.0113进化、适者生存个体进行优胜劣汰的进化，一代又一代地优化目标函数取到最大值，最优的可行解1.2 遗传算法的步骤遗传算法计算优化的操作过程就如同生物学上生物遗传进化的过程，主要有三个基本操作（或称为算子）：选择（Selection）、交叉（Crossover）、变异（Mutation）．遗传算法基本步骤主要是：先把问题的解表示成“染色体”，在算法中也就是以二进制编码的串，在执行遗传算法之前，给出一群“染色体”，也就是假设的可行解．然后，把这些假设的可行解置于问题的“环境”中，并按适者生存的原则，从中选择出较适应环境的“染色体”进行复制，再通过交叉、变异过程产生更适应环境的新一代“染色体”群．经过这样的一代一代地进化，最后就会收敛到最适应环境的一个“染色体”上，它就是问题的最优解．下面给出遗传算法的具体步骤，流程图参见图1-1：第一步：选择编码策略，把参数集合（可行解集合）转换染色体结构空间；第二步：定义适应函数，便于计算适应值；第三步：确定遗传策略，包括选择群体大小，选择、交叉、变异方法以及确定交叉概率、变异概率等遗传参数；第四步：随机产生初始化群体；第五步：计算群体中的个体或染色体解码后的适应值；第六步：按照遗传策略，运用选择、交叉和变异算子作用于群体，形成下一代群体；第七步：判断群体性能是否满足某一指标、或者是否已完成预定的迭代次数，不满足则返回第五步、或者修改遗传策略再返回第六步。