第八章单变量函数的寻优方法
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寻优算法的目标函数导言寻优算法(Optimization Algorithm)是一种用于求解优化问题的计算方法。
它通过不断调整问题的解,使得目标函数的取值尽可能接近最优解。
目标函数(Objective Function)是寻优算法中的核心概念,它用于衡量问题的解的质量和优劣程度。
本文将会对寻优算法的目标函数进行全面而深入的探讨,包括目标函数的定义、性质、分类以及设计方法等方面。
目标函数的定义目标函数是指在优化问题中用于评价各个解的一个函数。
根据问题的具体情况,目标函数可以是一个标量函数,也可以是一个向量函数。
标量函数的取值是一个实数,用于表示解的优劣程度。
向量函数的取值是一个向量,其中每个分量表示解在不同方面的优劣程度。
在寻优算法中,目标函数通常由用户定义,根据问题的要求和限制,通过数学方法进行建模。
目标函数的定义需要满足以下几个要求:1.目标函数应能准确地衡量解的质量,能够将问题的约束条件和目标要求统一起来。
例如,在旅行商问题中,目标函数可以是旅行商的总行驶距离,通过最小化这个距离来求解最优路径。
2.目标函数应具备可计算性,能够通过解的参数计算出其对应的目标函数值。
目标函数的计算过程应该高效,并且能够容易地被寻优算法调用。
3.目标函数应具有连续性和光滑性,以便寻优算法能够通过局部搜索等技术找到全局最优解。
在某些情况下,目标函数可能具有非连续性和不可导性,这时需要使用特殊的寻优算法和技术。
目标函数的性质目标函数在寻优算法中起着至关重要的作用,它的性质决定了寻优算法的效果和可行性。
目标函数的主要性质包括:单调性如果目标函数是单调的,那么在解空间中,解的质量和目标函数值之间存在一一对应的关系。
这样的情况下,寻优算法可以通过比较目标函数值来选择更优的解。
单调性是目标函数的一种重要性质,如果目标函数不是单调的,寻优算法需要使用其他策略来进行搜索。
凸性如果目标函数是凸的,那么在解空间中,解的质量和目标函数值之间存在凸性关系。
常用的优化方法和优化函数优化方法和优化函数是在解决问题时常用的数学工具和方法。
优化是一种数学问题,目标是找到一些函数的最优解或近似最优解。
一、优化方法:1.初等方法:初等方法是最直接的一种优化方法,包括插值法、拟合法、曲线拟合法等,通过数学公式来估计函数的取值。
2.单变量优化方法:单变量优化方法是对单一变量进行优化的方法,常见的有二分法、黄金分割法和牛顿迭代法等。
这些方法适用于单调函数和凸函数的优化问题。
3.多变量优化方法:多变量优化方法是对多个变量进行优化的方法,常见的有梯度下降法、共轭梯度法和牛顿法等。
这些方法适用于非线性函数的优化问题。
4.线性规划:线性规划是一种常用的优化方法,通过线性函数和线性约束来确定最优解。
线性规划问题可以通过单纯形法或内点法求解。
5.整数规划:整数规划是一种在决策变量为整数时的优化方法,常用的算法有分支界限法、整数规划近似算法等。
6.动态规划:动态规划是一种将复杂问题分解为简单子问题的方法,通过递推关系求解最优解。
常用的动态规划算法有最短路径算法、背包问题算法等。
7.模拟退火算法:模拟退火算法是一种通过模拟物质在退火过程中的行为来进行全局的算法。
它能够在一定程度上跳出局部最优解,常见的变种有遗传算法和粒子群优化算法等。
8.遗传算法:遗传算法是一种基于自然选择和遗传机制的优化算法,通过模拟自然界的进化过程来优化问题。
它常用于求解复杂的问题,如函数逼近、组合优化等。
9.神经网络:神经网络是一种通过模拟神经元之间的连接和传输信息来建立模型的方法。
通过训练网络参数,可以实现优化目标函数。
二、常用的优化函数:1. Rosenbrock函数:Rosenbrock函数是一个经典优化函数,用于测试优化算法的性能。
其函数形式为 f(x,y) = (1-x)^2 + 100(y-x^2)^2,目标是找到函数的全局最小值。
2. Ackley函数:Ackley函数是另一个经典的优化函数,用于测试优化算法的鲁棒性。
数学建模案例之单变量最优化生猪的最佳销售时间问题1:一头猪重200磅(1磅=0.454公斤),每天增重5磅,饲养每天需花费45美分。
猪的市场价格为每磅65美分,但每天下降0.01美元,求出售猪的最佳时间。
1.问题分析与假设、符号说明涉及的变量:猪的重量w(磅),饲养时间t≥0(天),t天内饲养猪的化费Q(美元),猪的市场价格p(美元/磅),售出生猪所获得的总收益R(美元),我们最终获得的净收益C(美元)。
涉及的常量:猪的初始重量200(磅),饲养每天的花费0.45(美元),生猪每天的增加重量s(磅),当前的市场价格0.65(美元),生猪价格每天的下降比例系数r。
变量之间的联系:假设1:猪的重量从初始的200(磅)按每天s=5(磅)增加,于是有关系:w(磅)=200(磅)+s(磅/天)×t(天)假设2:当前的市场价格0.65(美元/磅),生猪价格每天的下降比例系数r=0.01,那么出售时生猪的价格为:p(美元/磅)=0.65(美元/磅)- r(美元/磅.天)×t(天)因此,我们有如下关系式:饲养生猪的总的费用为:Q(美元)=0.45(美元/天)×t(天)售出生猪时获得的总收益为:R(美元)=p(美元/磅)×w(磅)最终获得的净收益为:C(美元)=R(美元)-Q(美元)当生猪卖出时获得最大净收益的时间即为最佳出售时间,因此原问题转换成数学表述就是求P达到最大时的时间t≥0,其中P的表达式为:=-=⨯-⨯=-+-C t R t Q t p w t rt st t()()()0.45(0.65)(200)0.452.建立数学模型根据前面的分析,原问题的数学模型如下:max ()..()(0.65)(200)0.45,0C t s t C t rt st t t =-+-≥ (1.1)其中,r ,s 为模型参数,此处取值为s=5,r=0.01。
3.模型求解当s=5,r=0.01时,这是一个单变量t 的函数的最优化问题,而且()C t 是一个连续可微的函数。