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聊一聊最优化问题.pdf

发布:2018-10-11约2.66千字共7页下载文档
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第 5 讲: MATLAB 优化模型求解方法(上) :标准模型 作者:Effie Ruan,MathWorks 中国 最优化赛题是数学建模大赛中最常见的问题类型之一。一般说来,凡是寻求最 大、最小、最远、最近、最经济、最丰富、最高效、最耗时的目标,都可以划入优 化问题的范畴。MATLAB 优化工具箱和全局优化工具箱对多个优化问题提供了完整 的解决方案,前者涵盖了线性规划、混合整型线性规划、二次规划、非线性优化、 非线性最小二乘的求解器,后者囊括了全局搜索、多初始点、模式搜索、遗传算法 等求解算法。 本讲主要介绍如何使用优化工具箱求解数学建模中标准的优化模型。更多的内 容,欢迎大家浏览 MathWorks 官网以及 MATLAB 软件文档。 1. 聊一聊最优化问题 最优化即在一定的条件下,寻求使目标最小(大)的设计参数或决策。在优 化问题中有两个关键对象:目标函数和约束条件 (可选)。常规优化问题,其数学 表达可以描述为: 其中x 为长度n 的决策变量向量,f(x) 为目标函数,G(x) 为约束函数。 求解目标函数的最小(大)值,一个高效而精确的解决方案不仅取决于约束 条件和变量数量,更取决于目标函数和约束函数的特性。明确优化类型是确认优化 方案的前提,让我们看一下这些特性如何划分: 常见的目标函数有: 线性规划:被广泛的应用于变量之间可线性表示的财务、能源、运营研究等现代管 理领域中。 混合整数线性规划:扩展了线性规划问题,增加了最优解中部分或全部变量必须是 整数的约束。例如,如果一个变量代表要认购的股票数量,则只应取整数值。同 样,如果一个变量代表发电机的开/关状态,则只应取二进制值(0 或 1)。 二次规划:目标函数或约束函数为多元二次函数。此优化应用于财务金融中投资组 合优化、发电厂发电优化、工程中设计优化等领域。 最小二乘:分为线性和非线性,通过最小化误差的平方和寻找变量的最优函数匹 配。非线性最小二乘优化还可用于曲线拟合。 2. 优化求解器太多了,怎么选? 对MATLAB 提供的各类优化问题的算法,我们称之为求解器(Solver )。根据其 求解目标,被分为四大组: - 极小值优化组:找到目标函数出发点x0 附近的局部极小值 - 多目标优化组:找到最小化一组函数的最大值或指定的值 - 方程求解组:找到非线性方程f(x) = 0 出发点x0 附近的解 - 最小二乘法(曲线拟合)组:最小化平方和 仅优化工具箱就提供了近20 种求解器,面对如此繁多的选项,用户往往一头 雾水。幸好,MATLAB 提供了简单明了的参考工具 —— 优化决策表。可谓一表在 手,优化不愁: 上表中*表示算法由全局工具箱提供。此外,多目标优化与方程组求解器并未 被此表列举,更多求解器的选择方案,可以查看这里。 3. 写出漂亮、高效的代码 确认优化策略后,就可以开工写代码了。下面让我们通过一个例子,了解编写 高效优化算法代码的步骤和注意事项。 【题目】 - 目标函数 - 约束函数 (所有变量为正) 【解答】 a. 首先,根据题目确认这是一个线性规划问题。而线性规划的通用数学表达式和 MATLAB 标准形式为: 创建符合标准格式的A 、b、Aeq 、beq、lb、ub 参数,才可以顺利的运行优化算 法。 b. 对于线性规划的优化求解步骤(也适用于其他优化方案),建议如下: 1) 选择优化求解器 2) 将所有变量合并为一个向量 3) 创建边界约束(lb,ub) 4) 创建线性不等式约束(A ,b) 5) 创建线性等式约束(Aeq ,beq ) 6) 创建目标函数 7) 优化问题求解 8) 结果检验 c. MATLAB 代码和注释: d. 优化结果: e. 如果结果不满意,可以调整优化选项,迭代计算。 4. 整数规划求解神器 在优化问题中, 经常会遇到整数规划问题, 尤其是0-1规划问题, MATLAB对 于整数规划问题,有个专门的求解器intlinprog。 该函数不仅可以求解一般的整数 规划问题(0-1规划更是小菜啦),还可以求解混合整数规划问题,也就是决策变量既 可以是整数也可以是小数,只要指定是整数的决策变量的编号就是可以啦。 通过 一个具体的例子, 来看看这个函数的使用。 求解
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