Реферат Курсовая Конспект
Курс лекций Основные понятия и определения - раздел Образование, Министерство Образования Российской Федерации Федеральное Агенство П...
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Г.С. БОРОВСКИЙ
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
Курс лекций
Москва 2009 г.
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
Основные понятия и определения.
Общая постановка прикладной задачи.
Все факторы, входящие в описание модели можно разделить на две группы: внешние факторы (условия проведения операции), на которые мы не можем влиять а1,а2,а3,…;
Зависимые факторы (элементы решений), которые мы можем выбирать х1,х2,х3,…
Величина критерия эффективности выражается некоторой функцией, называемой целевой функцией. Она зависит от факторов обеих групп и записывается в виде:
z = f ( x1 x2 … a1 a2 …)
Оптимизационная задача формулируется в общем виде.
Найти переменные х1,х2,…хn, удовлетворяющие системе неравенств (уравнений) φj (x1 x2…xn) ≤ bj, где j =1, 2, …m, и обращают в max или min целевую функцию:
z = f (x1, x2,…a1, a2,…) → max (min).
Классификация оптимизационных методов и моделей.
По характеру взаимосвязи между переменными: линейные и нелинейные.
По характеру изменения переменных: непрерывные и дискретные.
По учету факторов времени: статические и динамические.
По наличию информации о переменных: задачи полной определенности (детерминированные) и задачи в условиях неполной определенности.
По числу критериев: простые однокритериальные задачи и многокритериальные задачи.
Если критерий эффективности и система ограничений линейны, такая задача является задачей линейного программирования.
Если критерий эффективности и система ограничений являются целыми числами, то эта задача называется задачей целочисленного линейного программирования, а если система ограничений и целевая функция заданы нелинейными функциями, то имеем задачу нелинейного программирования.
Если целевая функция и ограничения зависят от параметров, то задача называется параметрическим программированием.
Если целевая функции и система ограничений носят случайный характер, то получим задачу стохастического программирования.
Если точный оптимум найти алгоритмическим путем невозможно, то прибегают к методам эвристического программирования.
Основные этапы построения оптимизационных моделей.
Основные этапы построения оптимизационных моделей можно представить в виде схемы:
Последовательность моделирования представляет собой итерационную процедуру, которая предусматривает проведение коррекции после каждого этапа и возможность вернуться к любому из предшествующих, а затем продолжить анализ.
Линейное программирование.
Пример постановки задачи линейного программирования.
В качестве примера рассмотрим задачу об использовании ресурсов.
Пример.
Для изготовления 2-х видов продукции Р1 и Р2 используют 4 вида ресурсов S1, S2, S3,S4. Запасы ресурсов, затрачиваемых на изготовление единицы продукции, приведены в таблице:
X1, X2– число единиц продукции.
Прибыль, получаемая от единицы продукции Р1 и Р2 соответственно равны С1=2 и С2=3.
Так как потребление ресурсов S1, S2, S3,S4 не должно превышать их запасов, то связь между потреблением ресурсов и их запасами выразится системой неравенств:
х1 + 3х2 ≤ 18
2х1 + х2 ≤ 16 (2.1) – система ограничений.
х2 ≤ 5
3х1 ≤ 21
По смыслу задачи переменные
x1≥0, x2≥0 (2.2)
Суммарная прибыль составит
F = 2x1 + 3x2→max (2.3)
Итак, экономико-математическая модель задачи найти план выпуска продукции, Х (х1,х2) удовлетворяющий системе ограничений (2.1) и условию (2.2), при которых функция (2.3) принимает максимальное значение.
Задачу легко обобщить на случай n видов продукции с использованием m видов ресурса.
Методика составления экономико-математических моделей.
Примеры прикладных ЗЛП.
Пример 2.1
Для производства двух видов изделий А и В предприятие использует 3 вида сырья. Запасы ресурсов, число единиц ресурсов, затрачиваемые на изготовление единицы продукции, а также прибыль, получаемая от единицы продукции, приведены в таблице:
Вид сырья | Нормы расхода сырья на ед. изделия. | Общее кол-во сырья | |
А | В | ||
Прибыль с | |||
одного изде- | |||
лия |
Представим данные задачи в виде таблицы.
Выполнить самостоятельно.
ЗАДАНИЕ №1.
В соответствии с заданием (табл. 1) решить задачу оптимизации графически. В задаче построить многоугольник допустимых решений. На многоугольнике определить точку выхода, определить координаты этой точки и значение целевой функции в точке выхода.
ТАБЛИЦА №1
0,1,2 | 3,4,5,6 | 7,8,9 | |
f(x)=3x1-2x2; 2x1+x2≤2; x1+2x2≤2; x1,x2≥0; | f(x)=4x1+8x2; x1+x2≤3; x1+2x2≤2; x1,x2≥0; | f(x)=-4x1+8x2; 3x1+5x2≤15; x1-x3≤1; x1,x2≥0; | |
f(x)=3x1-2x2; -x1+2x2≤2; 2x1-x2≤2; x1,x2≥0; | f(x)=-x1+6x2; 4x1+3x2≤12; -x1+x2≤1; x1,x2≥0; | f(x)=-x1+6x2; x1+x2≤3; -2x1+x2≤2; x1,x2≥0; | |
f(x)=x1+6x2; 3x1+4x2≤12; -x1+x2≤2; x1,x2≥0; | f(x)=2x1+6x2; 3x1+4x2≤12; x1+2x2≤2; x1,x2≥0; | f(x)=8x1+12x2; 2x1+x2≤4; 2x1+5x2≤10; x1,x2≥0; | |
f(x)=8x1+12x2; -3x1+2x2≤0; 4x1+3x2≤12; x1,x2≥0; | f(x)=3x1-2x2; 2x1+x2≤2; 2x1+3x2≤6; x1,x2≥0; | f(x)=6x1+4x2; x1+2x2≤2; -2x1+x2≤0; x1,x2≥0; | |
f(x)=6x1+4x2; 3x1+2x2≤6; 3x1+x2≤3; x1,x2≥0; | f(x)=8x1+6x2; -x1+x2≤1; 3x1+2x2≤6; x1,x2≥0; | f(x)=8x1+6x2; -x1+x2≤2; 3x1+4x2≤12; x1,x2≥0; |
2.5 Элементы линейной алгебры.
Любые m переменных системы уравнений с n переменными, где m < n называются основными (или базисными), если определитель матрицы коэффициентов при них отличен от нуля. Тогда остальные n – m переменных называются неосновными (или свободными). Основными могут быть разные группы из n переменных. Максимальное число групп основных переменных равно числу сочетаний (где m-число уравнений, а n-число переменных). Решение системы Х(х1, х2…хn) называется допустимым, если оно содержит лишь неотрицательные компоненты, в противном случае решение называется недопустимым. Базисным решением системы m уравнений с n неизвестными называется решение в котором все (n – m) переменных равны 0. Допустимое базисное решение иначе называется опорным планом.
Пример 2.4.
Решить систему уравнений
х1 – х2 – 2х3 + х4 = 0
2 х1 + х2 + 2х3 – х4 = 2
Общее число групп основных переменных: - X1X2, X1X3, X1X4, X2X3, X2X4, X3X4.
Выясним, могут ли быть основными переменные X1X2 , т.к. определитель матрицы из коэффициентов
׀ 1 -1 ׀ = 1•1 – 2•(-1) ≠ 0 ,
׀ 2 1 ׀
то X1X2 – основные переменные
Аналогично основным можно отнести X1X3; X1X4 (у них определители ≠ 0)
Группы X2X3, X2X4, X3X4 не могут быть основными, т.к. их определители = 0
Таким образом система уравнений имеет 3 базисных решения:
1) Для основных переменных X1X2 и не основных X3X4
(X3= X4 = 0)
Х1-Х2=0 X1 = ⅔
2Х1+Х2=2 X2 = ⅔
Таким образом, базисное решение: X = (⅔, ⅔, 0, 0) – допустимое решение;
2) Для основных переменных X1X3 и неосновных X2 = X4 = 0
X1 = ⅔ X3 = ⅓
Базисное решение: X2 = (⅔, 0, ⅓, 0). Оно тоже допустимое.
3) Для основных переменных X1 X4 и неосновных X2 = X3 = 0
Базисное решение X3 (⅔, 0, 0, -⅔) – недопустимое.
2.6 Симплекс-метод (СМ) решения ЗЛП
Геометрический смысл симплексного метода состоит в последовательном переходе от одной вершины к соседней, в которых целевая функция принимает лучшие значении до оптимального значения.
В настоящее время СМ используется для компьютерных расчетов, однако не сложные методы можно решать и вручную.
Для реализации СМ необходимо знать 3 основных элемента:
1. способ определения первоначального допустимого базисного решения;
2. правило перехода к лучшему решению;
3. проверка признака оптимальности решении, который состоит в следующем :
- если в выражении целевой функции отсутствуют положительные коэффициенты при неосновных переменных, то решение максимально;
- если отсутствуют отрицательные коэффициенты, то решение минимально.
Для нахождения первоначального базисного решения разобьем переменные на две группы – основные и не основные. При выборе основных переменных на первом шаге не обязательно составлять определитель из их коэффициентов и проверять, равен ли он 0.
Достаточно ввести дополнительные неотрицательные переменные с учетом правила определения знака дополнительных переменных:
Знак «+», если неравенство вида ≤;
Знак «-», если неравенство вида ≥.
Алгоритм вычислительной реализации этих трех элементов рассмотрим на следующем примере.
Пример 2.5.
Решить задачу симплексным методом:
z=18 y1+16y2+5y3+21y4 →min
при ограничениях:
y1+2y2+3y4≥2
3y1+y2+y3≥3
y1, y2, y3, y4≥0
Шаг 1:
Введем дополнительные переменные y5, y6 со знаком «-», т. к. «≥» получим систему уравнений в канонической форме:
y1+2y2+3y4-y5=2
3y1+y2+y3-y6=3
Если на первом шаге в качестве основных переменных взять дополнительные переменные y5, y6, тогда:
y1=y2=y3=y4=0, => y5=-2; y6=-3.
У1=(0,0,0,0,-2,-3) – недопустимое базисное решение.
Шаг 2:
В данном случае в качестве основных удобно взять переменные y3, y4 в соответствии с правилом выбора основных переменных, сформулированным выше.
0 3 ≠0
1 0
y3, y4 - основные переменные.
y1=y2=y6=y5=0 неосновные переменные;
Выразим основные переменные через неосновные:
y3=3-3y1-y2+y6
y4=2/3-y1/3-2/3y2+y5/3
y3=3, y4=2/3;
Базисное решение У2=(0,0,3,2/3,0,0) – допустимое решение.
Выражаем линейную функцию через неосновные переменные:
z=18y1+16y2+5(3-3y1+y6-y2)+21(2/3-y1/3-2/3y2+y5/3)= 29-4y1-3y2+7y5+5y6
Критерии оптимальности не выполняются, т.к. имеются отрицательные коэффициенты при y1 и y2, поэтому Z1 =29 – не является минимальным.
Так как функцию Z можно уменьшить за счет перевода в основные любой из переменных у1 и у2, имеющих в выражении для Z отрицательные коэффициенты. Так как у имеет больший по абсолютному значению коэффициент, то начнем с этой переменной.
Шаг 3:
y1, y4 - основные переменные.
y2, y3, y5, y6=0 – неосновные переменные;
После преобразований:
y1=1-1 y2 - 1 у3+1 у6;
3 3 3
y4=1 -5 у2+1 у3+1 у5-1у6;
3 9 9 3 9
z=25-5 y2+1 у3+1 у5-1 у6;
3 9 3 9
y3=(1;0;0;1/3;0;0) – допустимое базисное решение.
Z(y3)=25 – не является min, так как имеется отрицательный коэффициент при y2, поэтому переменную y2 переводим в основную .
Шаг 4:
y1,y3 – основные переменные.
y3, y4, y5, y6=0 – неосновные переменные.
у1=4 -2 у3+5 у4-1 у5+2 у6
5 3 3 5 5
y2=3+1 у3-9 у4+3 у5-1 у6
5 5 5 5 5
y3= (4/5;3/5;0;0;0;0) – допустимое базисное решение
z=24+y3+3y4+6y5+4y6→min
Решение оптимальное, так как в выражении нет отрицательных коэффициентов при неосновных переменных.
Z(y4)=24=min
Таблица №1.
←разрешающая строка
↑
разрешающий столбец
3.Проверяем выполнение критерия функции на max – первый опорный план не оптимальный, так как в F коэффициенты при x1 и x2 < 0
4.Выбираем наибольший по модулю отрицательный коэффициент F, который определяет разрешающий столбец.(второй столбец)
5.Делим свободные члены на коэффициенты разрешающего столбца, определяем оценочные отношения. И выбираем строку в качестве разрешающей, где это отношение минимальное min {6,16,5,∞}=5. На пересечении разрешающего столбца и разрешающей строки находиться разрешающий элемент a23 = 1.
Для построения таблицы №2 в качестве основной переменной мы выбираем х2, так как она образует разрешающей столбец таблице 1.
Переход к новому плану осуществляется пересчетом симплексной таблице (СТ) методом Жордана Гаусса.
Таблица №2.
← разрешающая строка
↑
разрешающий столбец
Построение 2ой таблицы:
1)Заменим переменные в базисе с х5 на х2.
2)Делим элементы разрешающей строки х5 (табл.1) на разрешающий элемент, результаты занесем в строку х2, но в таблицу №2.
3)В остальных клетках разрешающегося столбца (табл.1) записываем 0.
4)Остальные клетки заполняем по правилу прямоугольника:
|
НЭ- новый элемент.
СТЭ- старый элемент.
РЭ- разрешающий элемент.
А,В- эл-ты старого плана, образующие прямоугольник со старым эл-том и разрешающим элементом.
СТЭ А
В РЭ
b1=18-(3х5)/1=3
а11=1-(3х0)/1=1
b2=16-(1х5)/1=11 и т.д.
Критерии оптимальности опять не выполнен, так как F имеет коэффициент -2<0
- наибольший отрицательный по модулю коэффициент |-2| определяет разрешающий столбец x1
- min (3;11/2;∞;7)=3. Следовательно, 1ая строка разрешающая а11 - разрешающий элемент.
Таблица №3
← разрешающая строка
↑
разрешающий столбец
В таблице 3 критерий оптимальности вновь не выполнен. Разрешающий столбец x5, разрешающая строка x4, разрешающий элемент 5.
1)х1 вместо х3.
2)В строке х1 делим все на 1.
Таблица №4
Базис | Свободный член | Переменные | Оценочные отношения | |||||
х1 | х2 | х3 | х4 | х5 | х6 | |||
х1 | -1/5 | 3/5 | ||||||
Х5 | -2/5 | 1/5 | ||||||
х2 | 2/5 | -1/5 | ||||||
х6 | 3/5 | -9/5 | ||||||
F | 4/5 | 3/5 |
Новая СТ№4 – критерий оптимальности выполнен – оптимальное базисное решение X(6,4,0,0,1,3)
F=24 =max
Вспоминая экономический смысл всех переменных, логично сделать следующие выводы.
Прибыль принимает максимальное значение Fmax=24 при реализации 6 единиц продукции P1 (x1=6) и 4 единиц продукции P2(x4=4). Дополнительные переменные x3, x4, x5, x6 показывают остатки ресурсов каждого вида. При оптимальном плане производства x3=x4=0, то есть остатки ресурсов S3 и S4 равны 0, а остатки ресурсов S5 и S6 равны соответственно 1 и 3 единицам.
Целочисленное программирование.
Нелинейное программирование.
Во многих экономических моделях исследования зависимости между постоянными и переменными факторами не всегда оказываются линейными. В этом случае возникает задача нелинейного программирования. В нелинейном программировании существует несколько методов определения экстремумов. Основным из них является:
- классические методы оптимизации
Классические методы оптимизации.
Различают локальные, глобальные и условные экстремумы.
а) Локальный экстремум.
Необходимые условия экстремума: если в точке х* функция z=f(x) имеет экстремум, то частные производные в этой точке равны 0.
fxi(x*)=0, i = 1,2..n ( количество переменных).
Точка х* , в которой все частные производные функции z=f(x) равны 0, называется стационарной точкой.
Достаточные условия экстремума:
Для функции 2-х переменных z=f(x1,x2) cсуществуют 4 частные производные II порядка, из них две смешанные производные равны.
f′′х12(x1,x2);
f′′х1х2(x1,x2);
f′′х2х1(x1,x2);
f′′х22(x1,x2);
Найдем значения частных производных II порядка в стационарной точке х0(х10,х20)
а11=f′′х12(х0)
а12=f′′х1х2(х0)
а21=f′′х2х1(х0)
а22= f′′х22(х0)
Составим определитель, составленный из аij
∆= а11 а12 =а11а22-а21а12
а21 а22
Тогда достаточные условия экстремума функции 2х переменных имеют вид:
а)Если ∆>0 и а11<0 (а22<0), то функция в точке х0 имеет max.
Если ∆>0 и а11>0 (а22>0), то функция в точке х0 имеет min.
б)Если ∆<0, то экстремума нет.
в)Если ∆=0, то вопрос об экстремуме остается открытым.
Пример: Исследовать на экстремум функцию
Z=x14+x24-x12-2x1x2-x22
Находим частные производные:
Z ′(x1)= 4x13- 2x1-2x2
( * )
Z ′(x2) = 4x23- 2x1-2x2
Приравниваем частные производные к 0
4x13- 2x1-2x2=0 (1)
4x23- 2x1-2x2=0 (2)
Вычитая из (1)-(2) получим 4x13-4x23 =0 х1=х2 из (1) x13-x1=0, х1=0 и х1= ±1
Имеем 3 стационарные точки х1=(0,0), х2=(1,1),х3=(-1,-1)
Найдем вторые частные производные, используя(*)
Z″ x12=(4x13- 2x1-2x2)′х1 =12x12-2
Z″ x1x2=(4x13- 2x1-2x2)′ x2 = -2
Z″ x2x1=(4x13- 2x1-2x2)′ x3 = -2
Z″x2 2 =(4x13- 2x1-2x2)′x4 = 12x2 -2
В т.x′1=(0,0), a11= -2, a12= a21= -2 , a22= -2
∆= -2 -2 =0
-2 -2
Вопрос об экстремумах остается открытым (такая точка называется седловиной)
Вт. x′2=(1,1) и В т x3=(-1,-1)
a11= 10, a12= a21= -2 , a22= 10
∆= 10 -2 =96
-2 10
функция в этих точках имеет min, так как ∆>0, a11>0 zmin= 14+14-12-2∙1∙1-12= -2
б)Глобальный экстремум(наибольшее, наименьшее значение функции).
Если область D замкнута и ограничена, то дифференцируемая функция z=f(x) достигает в этой области своего наибольшего и наименьшего значения в стационарной точке или в граничной точке области (теорема Вейерштрасса) следовательно, чтобы найти глобальный экстремум функции z в области D необходимо:
1)Найти все стационарные точки внутри области D и вычислить функции в них.
2)Исследовать функции на экстремум на границе области D.
3)Сравнить значения функции, полученные в пункте 1 и 2. Наибольшее или наименьшее из этих чисел и будет глобальным экстремумом.
в)Условный экстремум.
Пусть необходимо найти экстремум функции z=f(х1,х2,…,хn) при условии, что эти переменные (х1,х2,…,хn) удовлетворяют уравнению φ(х1,х2,…,хn)=0, которое называется уравнением связи. Говорят, что в точке х0(х01,х02,…,х0n), удовлетворяющему уравнению связи, функция z=f(x) имеет условный max (min), если f(х0)≥ f(x) (f(х0)≤ f(x)) имеет место для всех точек х, координаты которых удовлетворяют уравнению связи.
Пример.
Дана производственная функция z=x12x22(4-x1-x2) (1).
Цены С1=1, С2=2 и издержки b=4.
Необходимо найти х1 и х2, удовлетворяющие уравнению х1+2х2=4 (2) (уравнение связи) превращающее производственную функцию (1) в max.
|
Уравнение (2) и условие неотрицательности на плоскости х1Ох2 образуют замкнутую ограниченную област. (см. рис.)
Согласно теореме Вейерштрасса max функции может быть достигнут либо внутри этого отрезка , либо в граничных точках А(4;0) и В(0;2).Следовательно необходимо найти условный экстремум функции (1), если уравнение связи(2).
Из (2) находим:
х1=4-2х2 тогда z=(4-2х2)2x2(4-4+2x2-x2), z=4(2-х2)2x22
Найдем глобальный экстремум z′=16(2-x2)x2(1-x2)=0, стационарная точка x2=0; x2=1; x2=2; значение функций в этих точках z(0)=0; z(1)=4; z(2)=0;
Максимальный объем производства zmax=4 единицы, достигается при условии, что затраты х1=2 и х2 = 1 ед.
Методы направленного поиска экстремумов.
Это пошаговые методы, на каждом шаге используется информация предыдущих шагов.
– Конец работы –
Используемые теги: курс, лекций, основные, понятия, Определения0.08
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Курс лекций Основные понятия и определения
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов