优化模型与AML课件
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
优 ✓ 纯整数规划(PIP), 混合整数规划(MIP)
化 ✓ 一般整数规划，0-1（整数）规划
优化模型与AML
优化模型的简单分类和求解难度
优化
连续优化
整数规划
线性规划
二次规划
非线性规划
问题求解的难度增加
优化模型与AML
常用优化软件
1. LINDO/LINGO软件 2. MATLAB优化工具箱 / Mathematic的优化功能 3. SAS(统计分析)软件的优化功能 4. EXCEL软件的优化功能 5. AMPL/ MINOS, CPLEX
aw = 48 time = 2 capacity = 0
优化模型与AML
MATLAB优化工具箱能求解的优化模型
优化工具箱3.0 (MATLAB 7.0 R14)
连续优化
离散优化
纯0-1规划 bintprog 一般IP(暂缺)
无约束优化
约束优化
非线性 极小 fminunc
非光滑(不可 微)优化
fminsearch
线性规划 linprog
二次规划 quadprog
数学规划
g j ( x) 0, j 1,..., l x D n
连 • 线性规划(LP) 目标和约束均为线性函数
续 优
• 非线性规划(NLP) 目标或约束中存在非线性函数
化 ✓ 二次规划(QP) 目标为二次函数、约束为线性
• 整数规划(IP) 决策变量(全部或部分)为整数
离 散
✓ 整数线性规划(ILP)，整数非线性规划(INLP)
原料供应 劳动时间 加工能力 非负约束
x1 x2 50
12x18x2 480
3x1 100 x1,x2 0
优化模型与AML
线性 规划 模型
(LP)
AMPL程序 模型文件, 用文本编辑器编辑,保存为milk.mod
set P ordered;
#产品集合
param T{i in P}>0; param Q{i in P}>0; param L{i in P}>0;
优化模型与AML
数据文件文件, 用文本编辑器编辑,保存为milk.dat
set P:=A1 A2; param T:=A1 12 A2 8; param Q:=A1 3 A2 4; param L:=A1 24 A2 16;
批处理文件, 用文本编辑器编辑,保存为milk.run
model milk.mod; data milk.dat; option solver cplexamp; solve;
# 加工时间 #单位产量 #单位利润
var x{i in P}>=0;
#生产计划
maximize profit: sum{i in P}L[i]*Q[i]*x[i];
subject to raw: sum{i in P}x[i] <=50; subject to time:sum{i in P}T[i]*x[i]<=480; subject to capacity: Q[first(P)]*x[first(P)]<=100;
AMPL: display x.rc, x.down, x.up;
x.rc x.down x.up := A1 0 64 96 A2 0 48 72 ;
x.rc最优解下“资源”增加1单位时“ 效益”的增量; x.down,x.up最优解不 变时目标函数系数允许变化范围
AMPL: display raw, time, capacity;
优化模型与AML
线性规划模型－例: 奶制品生产计划
1桶 牛奶 或
12小时 8小时
3公斤A1 4公斤A2
获利24元/公斤 获利16元/公斤
每天： 50桶牛奶 时间480小时 至多加工100公斤A1
制订生产计划，使每天获利最大
• 35元可买到1桶牛奶，买吗？若买，每天最多买多少? • 可聘用临时工人，付出的工资最多是每小时几元? • A1的获利增加到 30元/公斤，应否改变生产计划？
非线性 非线性 方程(组) 最小二乘
全局 优化
fzero lsqnonlin fsolve lsqcurvefit 暂缺
非线性规划 fmincon fminimax fgoalattain fseminf
约束线性 最小二乘
lsqnonneg lsqlin
上下界约束 fminbnd fmincon lsqnonlin lsqcurvefit
优化模型与AML
1桶 牛奶 或
12小时 8小时
3公斤A1 4公斤A2
每天 50桶牛奶 时间480小时
获利24元/公斤 获利16元/公斤 至多加工100公斤A1
决策变量 目标函数
x1桶牛奶生产A1 x2桶牛奶生产A2
获利 24×3x1
获利 16×4 x2
每天获利 Mz a7 xx1 26x4 2
约束条件
优化模型与AML
优化问题的一般形式
优化问题三要素：决策变量；目标函数；约束条件
min f ( x)
s.t. hi ( x) 0, i 1,..., m g j ( x) 0, j 1,..., l
决策变量
x D n
目标函数
约 束 条 件
• 无约束优化(没有约束)与约束优化(有约束) • 可行解（只满足约束）与最优解(取到最优值)
优化模型与 AMPL
优化模型与AML
优化模型和算法的重要意义
最优化: 在一定条件下，寻求使目标最大(小)的决策
最优化是工程技术、经济管理、科学研究、社 会生活中经常遇到的问题, 如: 结构设计 资源分配 生产计划 运输方案
解决优化问题的手段 • 经验积累，主观判断 • 作试验，比优劣 • 建立数学模型，求解最优策略
优化模型与AML
局部最优解与整体最优解
f(x)
* x1
ox2 x
• 局部最优解 (Local Optimal Solution, 如 x1 ) • 整体最优解 (Global Optimal Solution, 如 x2 )
优化模型与AML
优化模型的
min f ( x)
简单分类
s.t. hi ( x) 0, i 1,..., m
优化模型与AML
➢运行求解
AMPL: milk.run
CPLEX 11.0.0: optimal solution; objective 3360 2 dual simplex iterations (1 in phase I) x [*] := A1 20 A2 30 ;
优化模型与AML
➢灵敏度分析
优 ✓ 纯整数规划(PIP), 混合整数规划(MIP)
化 ✓ 一般整数规划，0-1（整数）规划
优化模型与AML
优化模型的简单分类和求解难度
优化
连续优化
整数规划
线性规划
二次规划
非线性规划
问题求解的难度增加
优化模型与AML
常用优化软件
1. LINDO/LINGO软件 2. MATLAB优化工具箱 / Mathematic的优化功能 3. SAS(统计分析)软件的优化功能 4. EXCEL软件的优化功能 5. AMPL/ MINOS, CPLEX
aw = 48 time = 2 capacity = 0
优化模型与AML
MATLAB优化工具箱能求解的优化模型
优化工具箱3.0 (MATLAB 7.0 R14)
连续优化
离散优化
纯0-1规划 bintprog 一般IP(暂缺)
无约束优化
约束优化
非线性 极小 fminunc
非光滑(不可 微)优化
fminsearch
线性规划 linprog
二次规划 quadprog
数学规划
g j ( x) 0, j 1,..., l x D n
连 • 线性规划(LP) 目标和约束均为线性函数
续 优
• 非线性规划(NLP) 目标或约束中存在非线性函数
化 ✓ 二次规划(QP) 目标为二次函数、约束为线性
• 整数规划(IP) 决策变量(全部或部分)为整数
离 散
✓ 整数线性规划(ILP)，整数非线性规划(INLP)
原料供应 劳动时间 加工能力 非负约束
x1 x2 50
12x18x2 480
3x1 100 x1,x2 0
优化模型与AML
线性 规划 模型
(LP)
AMPL程序 模型文件, 用文本编辑器编辑,保存为milk.mod
set P ordered;
#产品集合
param T{i in P}>0; param Q{i in P}>0; param L{i in P}>0;
优化模型与AML
数据文件文件, 用文本编辑器编辑,保存为milk.dat
set P:=A1 A2; param T:=A1 12 A2 8; param Q:=A1 3 A2 4; param L:=A1 24 A2 16;
批处理文件, 用文本编辑器编辑,保存为milk.run
model milk.mod; data milk.dat; option solver cplexamp; solve;
# 加工时间 #单位产量 #单位利润
var x{i in P}>=0;
#生产计划
maximize profit: sum{i in P}L[i]*Q[i]*x[i];
subject to raw: sum{i in P}x[i] <=50; subject to time:sum{i in P}T[i]*x[i]<=480; subject to capacity: Q[first(P)]*x[first(P)]<=100;
AMPL: display x.rc, x.down, x.up;
x.rc x.down x.up := A1 0 64 96 A2 0 48 72 ;
x.rc最优解下“资源”增加1单位时“ 效益”的增量; x.down,x.up最优解不 变时目标函数系数允许变化范围
AMPL: display raw, time, capacity;
优化模型与AML
线性规划模型－例: 奶制品生产计划
1桶 牛奶 或
12小时 8小时
3公斤A1 4公斤A2
获利24元/公斤 获利16元/公斤
每天： 50桶牛奶 时间480小时 至多加工100公斤A1
制订生产计划，使每天获利最大
• 35元可买到1桶牛奶，买吗？若买，每天最多买多少? • 可聘用临时工人，付出的工资最多是每小时几元? • A1的获利增加到 30元/公斤，应否改变生产计划？
非线性 非线性 方程(组) 最小二乘
全局 优化
fzero lsqnonlin fsolve lsqcurvefit 暂缺
非线性规划 fmincon fminimax fgoalattain fseminf
约束线性 最小二乘
lsqnonneg lsqlin
上下界约束 fminbnd fmincon lsqnonlin lsqcurvefit
优化模型与AML
1桶 牛奶 或
12小时 8小时
3公斤A1 4公斤A2
每天 50桶牛奶 时间480小时
获利24元/公斤 获利16元/公斤 至多加工100公斤A1
决策变量 目标函数
x1桶牛奶生产A1 x2桶牛奶生产A2
获利 24×3x1
获利 16×4 x2
每天获利 Mz a7 xx1 26x4 2
约束条件
优化模型与AML
优化问题的一般形式
优化问题三要素：决策变量；目标函数；约束条件
min f ( x)
s.t. hi ( x) 0, i 1,..., m g j ( x) 0, j 1,..., l
决策变量
x D n
目标函数
约 束 条 件
• 无约束优化(没有约束)与约束优化(有约束) • 可行解（只满足约束）与最优解(取到最优值)
优化模型与 AMPL
优化模型与AML
优化模型和算法的重要意义
最优化: 在一定条件下，寻求使目标最大(小)的决策
最优化是工程技术、经济管理、科学研究、社 会生活中经常遇到的问题, 如: 结构设计 资源分配 生产计划 运输方案
解决优化问题的手段 • 经验积累，主观判断 • 作试验，比优劣 • 建立数学模型，求解最优策略
优化模型与AML
局部最优解与整体最优解
f(x)
* x1
ox2 x
• 局部最优解 (Local Optimal Solution, 如 x1 ) • 整体最优解 (Global Optimal Solution, 如 x2 )
优化模型与AML
优化模型的
min f ( x)
简单分类
s.t. hi ( x) 0, i 1,..., m
优化模型与AML
➢运行求解
AMPL: milk.run
CPLEX 11.0.0: optimal solution; objective 3360 2 dual simplex iterations (1 in phase I) x [*] := A1 20 A2 30 ;
优化模型与AML
➢灵敏度分析