数学建模：组合优化问题和计算复杂性共57页
组合优化问题简介
组合优化问题简介在我们的日常生活和工作中，经常会遇到各种各样需要做出最优选择的情况。
比如，在旅行时规划最佳路线，以使花费的时间和费用最少；在生产线上安排工序，以提高生产效率和降低成本；在物流运输中选择最优的配送方案，以减少运输时间和成本等等。
这些问题都属于组合优化问题。
组合优化问题是一类在离散的、有限的可行解集合中，寻找最优解的问题。
这里的“组合”意味着解决方案是由多个元素的组合而成，而“优化”则表示我们要找到其中最好的那个组合。
让我们以一个简单的例子来理解组合优化问题。
假设你要从城市 A 前往城市 C，中间需要经过城市 B。
从 A 到 B 有三条路线可选择，分别需要花费 2 小时、3 小时和 4 小时；从 B 到 C 也有三条路线可选择，分别需要花费 1 小时、2 小时和 3 小时。
那么，要找到从 A 到 C 的最短时间路线，就需要考虑所有可能的组合，即 3×3=9 种组合，然后从中挑选出总时间最短的那一种。
组合优化问题具有一些显著的特点。
首先，可行解的数量通常是有限的，但可能非常庞大。
就像上面的例子，仅仅是两个阶段的选择就有 9 种可能，如果涉及更多的阶段和更多的选择，可行解的数量会呈指数级增长，这使得直接枚举所有可能的解变得非常困难，甚至在计算上是不可行的。
其次，组合优化问题的目标函数通常是明确的。
在上述例子中，目标就是找到从 A 到 C 的总时间最短的路线，这个目标是清晰可度量的。
再者，很多组合优化问题具有实际的应用背景和重要的经济价值。
例如，在资源分配问题中，如何将有限的资源分配给不同的项目或任务，以实现最大的效益；在网络设计中，如何规划网络拓扑结构，以最小化建设成本和提高网络性能；在排班问题中，如何安排员工的工作时间表，以满足业务需求并减少人力成本等。
常见的组合优化问题包括旅行商问题（TSP）、背包问题、装箱问题、指派问题等。
旅行商问题是一个经典的组合优化问题。
假设有一个旅行商要访问n 个城市，每个城市只能访问一次，最后回到出发城市。
组合优化问题
End
典型优化问题的模型与算法-R03
185
特点
NP完全问题 它的解是多维的、多局部极值的 很难用数学公式描述 TSP 问题 吸引了许多不同领域的研究者，包括 数学、 运筹学、 物理、 生物、 人工智能等领域。 TSP展示了组合优化的所有方面，它已经成为并将 继续成为测试新算法的标准问题，如： 模拟退火、 禁忌搜索、 神经网络以及进化算法等都用 TSP 来测试。
TSP 问
人们为 TSP 提出了几种染色体表达方法，其中：
随机键表达 换位表达
这两种表达方式不仅适用于 它组合优化问题。
TSP，也适用于其
未来研究
虽然遗传算法已经提出了有四十多年的历史，但是人们 对于遗传算法的研究和改进一直都没有中断过。不少研究者 已经对遗传算法进行了许多很有价值的改进，比如对编码方 式和遗传算子的改进，或者在遗传算法中引入启发式算法或 模拟退火算法等所构成的混合遗传算法，如何理论这些理论 和方法更加有效地解决工程技术中的实际问题（车辆路径问 题,公交调度问题等），都将需要人们进一步的讨论。 另外由于遗传算法本质是通过借鉴了自然界生物进化过 程中创立的。随着当前生物技术与基因工程的进一步发展， 把新的生物和基因技术引入到遗传算法的改进中也是当前科 学研究的一个重要的方向。最后还能希望将神经网络、专家 系统等前沿学科也融入到遗传算法改进中来，以求达到遗传 算法应用领域的广泛性和解决实际问题的有效性。
应用
旅行路线的确定 配送路线问题（Route of Distribution）
TSP问题在物流中的描述是对应一个物流配送公司(快递员），欲将 n 个客户的订货（快件）沿最短路线全部送到，如何确定最短路线 例如：连锁店的货物配送路线确定问题等 例如：金融押运车辆的调度问题（机构网点相当于城市，这类问题 属于多旅行商问题。） 平面上有 n 个点，用最短的线将全部的点连起来。称为“一笔画” 问题。 类似的问题：机械加工当中， 要在一个零件（或者一个电路板） 上加工很多孔，如何安排刀具的 走刀路径，能使走刀距离最短， （孔相当于城市、孔之间的距离 相当于城市间的距离）。
组合优化问题
组合优化问题在我们的日常生活和工作中，常常会遇到各种各样需要做出最优选择的情况。
比如，在安排旅行路线时，如何以最短的时间和最少的费用游览最多的景点；在生产线上，如何安排工人的工作任务，以最大化生产效率；在物流配送中，怎样规划车辆的行驶路线，使得运输成本最低。
这些问题都属于组合优化问题。
组合优化问题是一类在离散的、有限的可行解集合中，寻找最优解的问题。
这里的“组合”指的是可行解通常是由多个元素组合而成，而“优化”则意味着我们要找到其中最好的那个解，也就是使得某个目标函数达到最大值或最小值的解。
让我们以一个简单的例子来理解组合优化问题。
假设有一家快递公司，需要为快递员规划送货路线。
公司有 5 个送货地点，分别是 A、B、C、D、E。
每个地点之间的距离已知，快递员需要从公司出发，访问所有地点并最终返回公司。
那么，如何规划路线才能使得总行程最短呢？这就是一个典型的组合优化问题。
在这个例子中，可能的路线组合数量是非常庞大的。
如果我们简单地列举所有可能的路线，然后计算每条路线的长度，最后找出最短的那条，这种方法在送货地点数量较少时或许可行，但当送货地点数量增加时，计算量会呈指数级增长，很快就变得无法处理。
组合优化问题具有一些显著的特点。
首先，可行解的数量通常是有限的，但可能非常巨大。
这就给寻找最优解带来了巨大的挑战。
其次，目标函数通常是复杂的，可能不是简单的线性函数，而是包含了各种约束条件和复杂的关系。
再者，组合优化问题的解空间往往是不连续的，这与连续优化问题有很大的不同。
解决组合优化问题的方法有很多种。
其中，精确算法能够保证找到问题的最优解，但对于大规模的问题，计算时间往往过长。
常见的精确算法包括分支定界法和动态规划法。
分支定界法通过不断地分支和界定可行解的范围，逐步缩小搜索空间，最终找到最优解。
动态规划法则是将复杂的问题分解为多个子问题，并通过保存子问题的解来避免重复计算。
然而，在实际应用中，由于精确算法的计算复杂性，我们往往更多地使用启发式算法和元启发式算法来求解组合优化问题。
第一讲：计算复杂性理论
大多数研究者认可 的包容关系
L m
计算复杂度的影响因素
简化模型：模型2
计算复杂度的影响因素
简化模型：模型3。
计算复杂度的影响因素
建模假设 例：高空抛球的运动轨迹。 ----抛物线模型 假设1.没有空气阻力； 假设2.地面是平面。 ----椭圆模型
计算复杂度的影响因素
探索空间1 探索空间1---解的近似度、满意度
例：0—10之间的整数解：1-9共9个可行解（一维） 0—10之间的实数解：精确到小数点后6位 共有107个可行解（一维）； 107n个可行解（n维）
n! 10141世紀 → 10120世紀 102551世紀 → 102530世紀
问题与算法
每个問題都可能有多个算法存在． 每个算法的计算量（速度）都不同。 例： 赝品金币問題： 问题：9個外观完全一样的金币.，有一个是假的 （重量轻）． 提问：用天秤来鉴别真伪，天秤需要使用几次？
贋品金币問題算法 問題算法
优化技术与方法
計算量(1) 計算量
＋,－,×,÷ 比較：≠，≤，≥，＜，＞ 5种基本演算都是用1step 可以实现. 実際上,×比＋多占用時間. 「四舍五入」不算基本演算.
計算量(2) 計算量
｛a1, a2,..., an｝：n個整数 Q1. 求和（1）： a1+a2+･･･+an. 1 + +a n-1 steps → O(n)算法. Q2. 求和（2）： (1) 2×a1+･･･+ 2×an , 2n-1 steps→ O(n)算法. (2) 2×(a1+･･･+an) , n steps→ O(n)算法.
尚未确信能否用多項式時間算法求解的问题的 集合称为NP （non-deterministic polynomial）问题 某一个问题不属于NP问题的証明 如能够找到一个多項式時間算法 （簡単） 某一个问题属于NP问题的証明 可以归结为某一类既知的NP类问题（现阶段7类））
组合优化问题的分析与求解
组合优化问题的分析与求解在我们的日常生活和工作中，经常会遇到各种各样需要做出最优决策的情况。
比如，物流运输中如何规划路线以最小化成本，生产线上如何安排工序以最大化效率，资源分配中如何分配有限的资源以满足最大的需求等等。
这些问题都属于组合优化问题，它们的共同特点是在有限的可行解集合中，寻找一个最优的解。
组合优化问题是一个具有广泛应用和重要意义的研究领域。
它不仅在数学、计算机科学、运筹学等学科中有着深厚的理论基础，还在工程、管理、经济等实际领域中发挥着重要的作用。
解决组合优化问题，可以帮助我们提高生产效率、降低成本、优化资源配置，从而实现更好的经济效益和社会效益。
那么，什么是组合优化问题呢？简单来说，组合优化问题就是在给定的约束条件下，从有限个可行解中找出一个最优解的问题。
这些可行解通常是由一些离散的元素组成，比如整数、集合、排列等。
而最优解则是指在满足约束条件的前提下，使得某个目标函数达到最大值或最小值的解。
组合优化问题的一个典型例子是旅行商问题（Travelling Salesman Problem，TSP）。
假设有一个旅行商要访问 n 个城市，每个城市只能访问一次，最后要回到出发城市。
已知城市之间的距离，那么如何规划旅行路线，使得旅行的总距离最短？这个问题看似简单，但实际上是一个非常复杂的组合优化问题，因为可能的路线数量随着城市数量的增加呈指数增长。
再比如背包问题（Knapsack Problem）。
有一个背包，其容量有限，同时有一系列物品，每个物品有一定的价值和重量。
如何选择物品放入背包，使得背包中物品的总价值最大，同时不超过背包的容量限制？这也是一个常见的组合优化问题。
为了求解组合优化问题，人们提出了许多方法。
其中，精确算法是一种能够保证找到最优解的方法，但它们通常只适用于规模较小的问题。
例如，分支定界法就是一种常见的精确算法。
它通过不断地将问题分解为子问题，并对每个子问题进行评估和剪枝，逐步缩小搜索范围，最终找到最优解。
数学建模 - 第一章 组合优化模型与计算复杂性
概念的一种表达形式 . 可以建立完全不同的模型，分别反映该系统的不同
侧面；出于相同的研究目的，对于同一个对象系 模型不是研究对象本身，而是对研究对象的一种 统，也可能建立不同的模型，反映不同的研究角 抽象，它反映现实中对象系统的主要特征，但它又高 度、考察因素和价值取向 . 于现实，因而具有同类问题的共性 .
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第一章
组合优化模型与计算复杂性
2、按模型的解的特征分类 解析模型与数值模型 3、按模型所用的数学方法分类 初等模型、微分方程模型、差分方程模型、优
化模型等
4、按模型研究的实际范畴分类
人口模型、生态系统模型 、交通流模型、经济
模型、 基因模型等 5、按对实际问题了解的程度分类 白箱模型、灰箱模型、黑箱模型
的本质属性，而且要舍弃事物的物质和能量方面的具
体内容，只考虑其数量关系和空间形式，同时还要把 这些数量关系和空间形式作进一步的抽象，加以形式 化和符号化，以便能够进行逻辑推理和数值运算 . 这种高度的抽象性，实质是对事物认识上的高度 概括和深化，对同类问题包含更多的经验和理解 .
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§1 组合优化模型与算法 2、高度的精确性 数学方法的高度精确性表现在三个方面： 一是表达各种因素、变量和它们之间的关系相当 明确、清楚；二是逻辑推演和运算规则十分严密；三
s.t. x1 x4 x5 x6 x7 67 某商场根据客流量统计得出一周中每天所需要的
（线度）必须是偶数条 . 见图可知，与四个顶点相连的边都是奇数条，因 这是利用数学模型分析和解决问题的一个成功范例 的第一篇论文 而不可能存在通过每条边一次且仅一次的画法，即一
这是关于图论
笔画不存在 .
故七桥问题不可能有解 .
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【经典】建模-组合优化模型-组合优化
造访的节点 3. 寻找距离节点y最近的节点z作为下一个
造访的节点 4. 重复以上步骤，直到所有节点均已造访 5. 连接最后一个节点与起点，即形成一个
TSP的可行解
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最近邻点法
5 2
4
3
5
1
7
8
3
7
12345
4
1 －4 7 3 8
1
旅行推销员问题
Traveling Salesman Problem
2
哈密尔顿循环(Hamiltonian Cycle)
环游世界问题:
有个人想环游世界，他选出全世界的二十个著名城世,然后在地 图上开始他的作业。他打算规画出一条路线,使他可以依序地玩遍这 二十个城市。但问题是并不是任两个城市皆有飞机直航,而他又不愿 重复去同一个城市两次。这个问题转化为图论上便是所谓的哈密尔 顿循环(Hamilton Cycle)，于1857年爱尔兰数学家哈密尔顿(Sir William Hamilton)首次提出。 哈密尔顿循环(Hamilton Cycle)不一定存在
路线构建(route construction)
• 邻点法、节省法、插入法、扫瞄法….
路线改善(route improvement) 局部搜索算法 （local search）
• k-Opt交换法、Or-Opt交换法……
综合型(composite)
• 合并执行路线构建及路线改善
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最近邻点法(Nearest-neighbor Heuristic)
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2-opt交换法
5 2
4
4
3
5
1
组合优化问题的算法与求解
组合优化问题的算法与求解组合优化问题是一类需要在给定的约束条件下找到最优解的问题。
这些问题在现实生活中有着广泛的应用，比如物流配送问题、旅行商问题等等。
本文将介绍几种常见的组合优化问题的算法以及它们的求解方法。
一、贪婪算法贪婪算法是一种简单而高效的求解组合优化问题的方法。
它通过在每一步选择当前看起来最优的解决方案，逐步建立起最终的解。
贪婪算法通常具有快速的执行速度和较好的近似解质量。
例如，对于旅行商问题，贪婪算法可以从一个起点开始，每次选择离当前位置最近的未访问节点作为下一个访问节点，直到所有节点都被访问过。
这样，贪婪算法可以得到一个近似的最短路径。
二、回溯算法回溯算法是一种穷举搜索的方法，它通过逐个尝试所有可能的解决方案，并逐步剪枝以减少搜索空间。
回溯算法通常适用于组合优化问题的求解，尤其是在问题规模较小的情况下。
以0-1背包问题为例，回溯算法可以通过穷举所有可能的物品选择方式，计算其总价值，并在搜索过程中剪枝以提高效率。
回溯算法的优势在于能够找到最优解，但在问题规模较大时，耗时较长。
三、动态规划算法动态规划算法是一种将问题分解为子问题并记录子问题结果的方法。
它适用于能够将原问题分解为相互重叠的子问题，并利用子问题的解来推导原问题的解。
比如在背包问题中，动态规划算法可以通过定义状态转移方程来解决。
设dp[i][j]表示在前i个物品中选择总重量不超过j的情况下的最大价值，则有以下状态转移方程：dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-w[i]] + v[i])通过填表计算，可以获得最终的最优解。
四、遗传算法遗传算法是一种模拟自然选择和遗传机制的搜索算法。
它通过模拟生物种群的遗传、变异、选择等过程，逐步演化出最优解。
遗传算法在求解组合优化问题时，通过编码将解空间中的解表示成染色体，并利用交叉、变异等遗传操作来搜索更优的解。
通过不断迭代，遗传算法能够找到较好的解，但无法保证找到全局最优解。
组合优化问题的算法与求解
组合优化问题的算法与求解组合优化问题是指在一定的限制条件下找到最优的组合方案的问题。
在实际生活中，这类问题出现的频率非常高，例如装载问题、旅行商问题、背包问题等。
组合优化问题的求解面临的困难在于，它们通常都是NP难问题，即最优解很难在多项式时间内被求出。
因此，设计高效的算法成为了组合优化问题研究的重要方向之一。
组合优化问题的求解方法包括：暴力枚举、贪心算法、动态规划、回溯法、分支定界法等。
下面将对这些算法进行简要介绍。
1. 暴力枚举法暴力枚举法是最朴素的求解组合优化问题的方法，它根据题目中的限制条件和求解目标，列出所有可能的组合方案，然后挨个计算它们的价值，最终选择价值最大的方案作为最优解。
该算法的时间复杂度为O(C^n)，其中n为物品个数，C为物品数的组合数。
当n比较小的时候，暴力枚举法是一种有效的求解方法，但当n较大时，其时间复杂度会迅速增大，不再适用。
2. 贪心算法贪心算法是一种优先考虑局部最优解而不考虑全局最优解的算法，它在每一步选择中都采取当前状态下最优的选择。
该算法的优点在于简单易懂，时间复杂度较低，缺点在于无法保证最终的结果为全局最优解。
在解决一些特定类型的问题时，贪心算法是一种有效的求解方法。
3. 动态规划法动态规划法可以求解一类特殊的组合优化问题，即具有最优子结构性质的问题。
其思想是将大问题分解成若干个小问题，通过求解小问题的最优解，逐层递推得到大问题的最优解。
该算法的时间复杂度依赖于问题的规模和限制条件的种类，但通常不会超过O(n^3)。
动态规划法是求解背包问题和最长公共子序列等问题的有效方法。
4. 回溯法回溯法也称为试错法，它通过枚举状态空间中的所有可能的解，每次只选择一种可能的情况进行搜索，直到找到解或搜索完所有的可能性才停止。
该算法的时间复杂度依赖于搜索区域的大小和限制条件的种类，但通常不会超过O(b^d)，其中b为每个节点的平均分支数，d为搜索树的深度。
在解决那些实际问题中规模较小且结构复杂的最优化问题时，回溯法是一种有效的求解方法。
计算理论计算复杂性ppt课件
3cnf: 每个子句文字数不大于3, 2cnf: 每个子句文字数不大于2
可满足问题SAT
• 可满足性问题: SAT = { <> | 是可满足的布尔公式 }
• 思想: 将字符串对应到布尔公式 利用接受的形式定义.
• 过程: 任取ANP, 设N是A的nk时间NTM. w(|w|=n), N接受w
N有长度小于nk的接受格局序列 能填好N在w上的画面(一个nknk表格) f(w)可满足 • 结论: SAT是NP完全的
N接受w能填好N在w上的画面
# q0 w0 w1 … wn #
2)若0,1都在带上,重复以下步骤. O(n)
3) 检查带上0,1总数的奇偶性,
若是奇数,就拒绝.
O(n) log n
4) 再次扫描带,
第1个0开始,隔1个0删除1个0; O(n)
第1个1开始,隔1个1删除1个1.
总时间:
5)若带上同时没有0和1,则接受. O(n) O(nlogn)
否则拒绝.”
{0k1k|k0}TIME(nlogn)
快速验证
HP = {<G,s,t>|G是包含从s到t的 哈密顿路径的有向图}
CLIQUE={<G,k>|G是有k团的无向图} 目前没有快速算法,但其成员是可以快速验证的. 注意:HP的补可能不是可以快速验证的. 快速验证的特点: 1. 只需要对语言中的串能快速验证. 2. 验证需要借助额外的信息:证书,身份证.
• 二元可满足性问题: 2SAT = { <> | 是可满足的2cnf }
组合优化及算法
背包问题
• 给定n个容积分别为ai，价值分别为ci的物 品.设有一个容积为b的背包，如何以最大 的价值装包？
平行机排序问题
• M个完全相同的机器，n个相互独立的工件， 加工时间互不相同，每个工件只需在任一 台机器上不中断建工一次，如果安排加工 方案，才能使预定的加工时间最短？
定义 若存在一个多项式函数g(x)和一个验证算法H，对一类判 定问题A的任何一个“是” 实例I，都存在一个字符串S是I的 可行解，满足其输入长度d(S)不超过g(d(I))，其中d(I)为I的输 入长度，且算法H验证S为实例I的可行解的计算时间f(H)不超 过g(d(I))，则称判定问题A是非确定多项式的。
计算复杂性的概念
多项式时间算法 例 构造算法将n个自然数从小到大排列起来
算法 输入自然数a(1),a(2),…,a(n). for (i=1;i<n;i++) for (j=i+1;j<=n;j++) if (a(i)>a(j)){ k=a(i);a(i)=a(j);a(j)=k; }
基本运算的总次数(最坏情形）：2n(n-1)=O(n2)
例 线性规划问题(LP)的判定形式——LP判定问题：
给定一个实数值z，(LP)是否有可行解使其目标值不超过z？ 即：给定z，是否有 {x|cT x z, Ax b, x 0}?
对任何一个优化问题， 可以考虑其三种形式：
最优化形式（原形：最优解） 计值形式（最优值）
难度降低
判定形式（上界）
就有效算法的存在性而言，通常认为三种形式等价！
算法 – 定义
定义：算法是指一步步求解问题的通用程序，它是 解决问题的程序步骤的一个清晰描述.
组合最优化问题及其求解优化算法
组合最优化问题最基本的特点就是变量是离散的, 由此导致其数学模型中的目标函数和约束函数在其可行域内是也是离散的。
在现实世界中，许多的实际问题本质上是离散事件的而不是连续事件，都可归结为组合最优化问题。
这类问题在理论上多数都属于NP难问题，NP类问题仍属于可计算问题，即存在算法来求解。
求解这类组合最优化问题方法分为精确算法和近似算法两类。
常用的精确算法有动态规划、分支定界和枚举等。
精确算法只能解决一些小规模问题，当求解小规模组合优化问题时可以用这类精确算法在较短的时间内得到最优解。
当求解大规模组合优化问题时，理论上可以得到问题的最优解，但由于计算量太大，所以使用精确算法并不可行。
利用精确算法求解NP-hard组合优化问题时，即使能得到最优解，但所需要的计算时间过长，在实际问题中难以直接应用。
近似算法是指在合理的计算时间内找到一个近似的最优解。
近似算法虽然求解速度较快，但并不能保证得到问题的全局最优解。
近似算法分为基于数学规划（最优化）的近似算法、启发式算法和基于智能优化的近似算法。
1) 基于数学规划（最优化）的近似算法是根据对问题建立的数学规划模型，运用如拉格朗日松弛、列生成等算法以获得问题的近似解，是以数学模型为基础，采用列生成、拉格朗日松弛和状态空间松弛等求解问题。
拉格朗日松弛（LR）算法求解问题的主要思想是分解和协调。
首先对于NP难的优化问题，其数学模型须具有可分离性。
通过使用拉格朗日乘子向量将模型中复杂的耦合约束引入目标函数，使耦合约束解除，形成松弛问题，从而分解为一些相互独立的易于求解的子问题，设计有效的算法求得所有子问题的最优解。
利用乘子的迭代更新来实现子问题解的协调。
列生成(Column generation, CG)算法是一种已经被认可的成功用于求解大规模线性规划、整数规划及混合整数规划问题的算法。
与智能优化算法相比，基于数学规划的近似算法的优点是通过建立问题的数学模型，松弛模型中难解的耦合约束或整数约束，得到的松弛问题的最优解可以为原问题提供一个下界。
研究生数学建模优化问题
研究生数学建模优化问题
研究生数学建模优化问题可以涉及各种不同的学科和领域。
以下是一些常见的研究生数学建模优化问题的例子：
1. 生产优化问题：如何最大化生产效率，同时最小化生产成本和资源使用。
这包括生产线排程问题、物流和供应链管理等。
2. 资源分配问题：如何最优地分配有限的资源，以满足不同需求。
例如，如何在一所学校中分配教师、教室和学生资源，以实现最佳的学习效果。
3. 运输路径问题：如何找到最短路径或最优路径来满足特定的要求。
这包括最短路径问题、旅行商问题等。
4. 网络优化问题：如何设计最优的网络结构，以实现最大的性能和容量。
例如，如何在一个电信网络中设计最佳的数据传输路由。
5. 风险管理问题：如何评估和管理风险，以保护资产和最小化损失。
这包括投资组合优化、保险精算等问题。
6. 环境优化问题：如何最小化对环境的影响，同时最大化资源保护和可持续发展。
例如，如何设计最优的城市公共交通系统，以减少交通拥堵和空气污染。
以上只是一些研究生数学建模优化问题的例子，实际上，优化问题几乎可以应用于任何领域。
研究生在解决这些问题时，通常需要使用数学模型和优化算法，以寻找最优的解决方案。
第一章组合优化模型与计算复杂性
第一章组合优化模型与计算复杂性组合优化模型与计算复杂性是组合优化问题研究中的两个重要方面。
组合优化问题是在给定一组约束条件下，寻找一个最优解或者接近最优解的问题。
计算复杂性则是研究问题的解决算法所需的计算资源的量度。
在组合优化模型中，问题的目标是通过选择一组决策变量来优化一些指标，这些决策变量可以是0-1变量、整数变量或连续变量。
在实际应用中，组合优化问题的范围非常广泛，包括如旅行商问题、背包问题、任务分配问题等。
组合优化问题可以通过数学建模来描述，一般采用线性规划、整数规划、动态规划等方法求解。
线性规划是求解线性问题的一种数学优化方法，能够高效地求解问题，但只适用于决策变量是连续变量的情况。
整数规划则是在线性规划的基础上，要求决策变量为整数，通过将线性规划问题的决策变量约束为整数，可以求解一些特定的问题。
动态规划是一种将问题分解为子问题并进行递归求解的方法，适用于求解具有重叠子问题性质的问题。
然而，随着问题规模的增大，求解组合优化问题可能变得非常困难，甚至变得不可行。
此时，计算复杂性的概念就显得尤为重要。
计算复杂性是指解决一个问题所需的计算资源的量度，通常以时间复杂性和空间复杂性来衡量。
时间复杂性是指解决问题所需的计算时间，而空间复杂性则是指解决问题所需的计算空间。
在计算复杂性的研究中，通常使用渐进符号来表示算法的复杂性。
常见的渐进符号有大O符号、大Ω符号和大Θ符号。
其中，大O符号表示最坏情况下算法的上界，大Ω符号表示最好情况下算法的下界，大Θ符号表示算法的上界和下界相同。
对于组合优化问题，如果一个问题的求解时间复杂性是多项式时间复杂性，即可以在多项式时间内求解，那么这个问题被称为是“可解的”。
相反，如果一个问题的求解时间复杂性是指数时间复杂性，即无法在多项式时间内求解，那么这个问题被称为是“不可解的”。
组合优化问题的计算复杂性是一个非常重要的研究方向，由于组合优化问题的高计算复杂性，很多问题在实际中很难找到有效的求解方法。
组合优化问题的算法和方法
组合优化问题的算法和方法在实际工程和科学问题中，组合优化问题是常常遇到的一种类型，该问题种类涵盖面广，包括最短路问题、货车运输问题、统计分组问题等。
组合优化问题的求解需要使用特定的算法和方法，在本篇文章中，我将讨论组合优化问题的算法和方法，以期给读者提供有关该领域的重要知识点。
一、贪心算法贪心算法是一种基于贪心思想的算法，该算法以局部最优解为基础，试图寻找至于全局最优解的一种优化方法。
对于组合优化问题，贪心算法的核心思想是在每个阶段，选择最优决策，以求得最优解。
例如，在经典的背包问题中，贪心算法可以采用按单位体积价值排序的策略，即按照物品单位体积价值从大到小的顺序，尽可能多地将价值高的物品装入背包中。
这种贪心算法可以在O(n log n)的时间复杂度内求解背包问题。
二、分支定界法分支定界法是一种广泛应用于组合最优化问题求解的算法，其主要思想是从初始可行解开始，逐步削弱可行解的空间，当最终问题的可行解空间被缩小到只剩下一个解，或者无解可行时，分支定界法给出最优解的求解方法。
例如，在运输问题中，可以使用分支定界法求解最优路线或路径。
分支定界法将每个节点作为一个初始可行解，在搜索过程中逐一削弱每个可行解的解空间，最终找到解空间被削弱到单个有效解或无可行解时，就求得最优解。
三、动态规划法动态规划法是求解组合问题的一种典型方法，该算法采用基于多阶段决策和递推思想的方法来求解问题，常用于求解最优路线问题、DNA序列比对问题等。
以旅行商问题为例，动态规划法可以利用动态规划表格，通过状态转移方程求得旅行商的最优解。
在动态规划表格的推导过程中，所有城市之间的距离，以及旅行商的旅行路径被存储在一个二维数组中，该数组可以用于计算任意两个城市之间的距离。
四、线性规划法线性规划法是求解多种组合最优化问题的重要方法。
线性规划法通常用于解决诸如资源分配、产品生产、设备调度等问题，其核心思想是通过最大化或最小化一个目标函数，并在附加约束条件下求解最优解。
《数学建模-优化》课件
数学建模广泛应用于自然科学、工程技术、社会科学等多个领域，帮助解决各种实际问题， 优化决策和提高效率。
数学建模的意义
数学建模能够培养学生的综合思考和问题解决能力，提高数学知识的实际运用能力。
优化问题概述
1 什么是优化问题？
优化问题是在满足特定 约束条件下，寻找使目 标函数达到最优或最大 值的解。
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数值优化问题可以采用模拟退火、爬 山算法和遗传算法等方法来寻找最优
解。
单目标优化问题
单目标优化问题包括最小二乘法、线 性规划、非线性规划和动态规划等方 法。
非线性规划问题
非线性规划问题可以使用一阶可导方 法、二阶可导方法和非平滑优化方法 进行求解。
优化工具使用
MATLAB
MATLAB是一种功能强大的数值计算和数据可 视化软件，经常用于数学建模和优化问题的求 解。
数学建模和优化在社会管理领 域起到重要作用，可以帮助解 决各种社会问题和提高社会管 理效率。
Python
Python是一种流行的编程语言，拥有丰富的数 值计算、优化和数据分析库，适用于数学建模 和优化问题的处理。
应用案例
工业应用
数学建模和优化在工业生产中 有广泛的应用，可以帮助优化 生产流程、减少资源消耗和提 高产品质量。
经济决策
社会管理
数学建模和优化被广泛应用于 经济领域，帮助制定经济决策、 优化资源配置和提高经济效益。
《数学建模－优化》PPT 课件
数学建模-优化课程介绍了数学建模的概念、优化问题的概述以及各种优化方 法的分类和应用。通过本课程，您将深入了解数学建模和优化的重要性。
数学建模简介
数学建模的定义
数学建模是利用数学方法解决实际问题的过程。它将现实问题抽象为数学模型，并通过数 学求解方法得到问题的解决方案。
数学建模中的优化问题
奥运会临时超市网点设计
（找关键性语句）
2008年北京奥运会的建设工作已经进入全面设计 和实施阶段。奥运会期间，在比赛主场馆的周边 地区需要建设由小型商亭构建的临时商业网点， 称为迷你超市（Mini Supermarket, 以下记做MS） 网，以满足观众、游客、工作人员等在奥运会期 间的购物需求，主要经营食品、奥运纪念品、旅 游用品、文体用品和小日用品等。在比赛主场馆 周边地区设置的这种MS，在地点、大小类型和总 量方面有三个基本要求：满足奥运会期间的购物 需求、分布基本均衡和商业上赢利。
1998年 A题：投资的收益和风险
全国赛二十年竞
2000年 B题：钢管的定购与运输
赛的40个赛题中
2004年 A题：奥运会临时超市网点设计 涉及优化模型的
2003年 B题：露天矿生产的车辆安排 问题有27个，占
2005年 B题：DVD在线租赁
67.5%
2006年 A题：出版社的资源配置
2006年 B题: 艾滋病疗法的评价及疗效的预测
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奥运会临时超市网点设计
（找关键性语句）
请你按以下步骤对图2的20个商区设计MS网点： 1．根据附录中给出的问卷调查数据，找出观众在
出行、用餐和购物等方面所反映的规律。 2．假定奥运会期间（指某一天）每位观众平均出
行两次，一次为进出场馆，一次为餐饮，并且 出行均采取最短路径。依据1的结果，测算图2 中20个商区的人流量分布（用百分比表示）。 3．如果有两种大小不同规模的MS类型供选择，给 出图2中20个商区内MS网点的设计方案（即每 个商区内不同类型MS的个数），以满足上述三 个基本要求。 4．阐明你的方法的科学性，并说明你的结果是贴 近实际的。
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奥运会临时超市网点设计
组合优化问题的图论模型及算法研究
组合优化问题的图论模型及算法研究组合优化问题是一类重要的数学问题，涉及到计算机科学、运筹学、统计学、图论等多个领域。
组合优化问题的特点是问题规模大、时间复杂度高，因此寻求高效的算法成为解决该类问题的重要手段。
本文将围绕组合优化问题的图论模型及算法展开探讨。
一、组合优化问题的图论模型图论是组合优化问题建模的重要工具。
组合优化问题一般可以转化为图论问题。
例如，求解一个集合覆盖问题可以转化为一个有向图中的最小路径问题，求解一个最大流问题可以转化为一个有向图中的最大路径问题。
以下将介绍两类常见的组合优化问题及其图论模型。
1.最小割问题最小割问题是求解图中分割成两部分的最小权和的边集的问题。
在图论中，最小割问题可以转化为最大流问题。
首先，将图中的每个点分为两类，一个为源点集合，一个为汇点集合，如下图所示：[图1]接下来，我们需要找出源点集合和汇点集合之间的最小割，也就是最小的边权和。
最小割算法的思路是不断增加割集合的边权，直到源点和汇点间的割为最小。
2.旅行商问题旅行商问题是指在一个完全图中，求解一条经过所有节点的路径，使得路径长度最小。
使用图论模型求解旅行商问题可以将其转化为一个精确覆盖问题。
即对于所有的点和边，选中一些点和边，满足以下条件：1.每个点必须且只能被选择一次。
2.每条边恰好连接两个选中的点。
3.选择的点和边的数量最小。
如下图所示：[图2]二、组合优化问题的算法研究1.贪心算法贪心算法是一种常见的组合优化问题求解方法。
贪心算法通过局部最优做法来构建最终解，通常得到的并不是最优解，但是可以得到较优近似解。
贪心算法具有高效性、易于理解等优点，但是由于贪心算法是自顶向下构造解决方案的，所以它并不能消除由于先前选择的决策引起的后果，因此在某些场景下，贪心算法并不是最优解或者无法得到较优近似解。
2.综合性算法综合性算法包括回溯法、分支定界法、车型搜索等，这类算法通过对解空间的搜索，不断剪枝和回溯，得出合适的解决方案。
数学建模-优化题目[精华]
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c ij x ij
总运价
i1 j1
n
x ij a i , j1
s .t . m x ij b j i1 x ij 0
i 1,..., m
j 1,..., n i 1,..., m ; j 1,..., n
产量限制 需量限制 运量非负
线性规划模型
假设产销平衡:
m
n
ai bj
线性规划模型
m f 0 . 1 x 1 0 i . 3 x 2 n 0 . 9 x 3 0 x 4 1 . 1 x 5 0 . 2 x 6 0 . 8 x 7 1 . 4 x 8
2x1 x2 x3 x4 100
s.t.x12xx2333xx3432xx5623xx67x47x8101000 不同方法
Ⅰ
Ⅱ
现有原 材料
A1
21 8
A2
10 3
A3
01 4
线性规划模型
解:设生 ,产 两 种产品 x1,x分 2吨 ,别为
max f= 5x1 +2x2
求最大利润
2x1 + x2 8
s.t .
x1 3
x2 4
x1，x2 0
三种材料量的限制 生产量非负
线性规划模型
运输问题
有两个粮 A1,库 A2向三个粮 B1,站 B2,B3调运大, 米 两个粮库现存大为米 4吨分 ,8吨 别,三个粮站至少需要 大米分别 2,4为 ,5吨,两个粮库到三个距粮离 (站 单的 位 :公里 )如下 ,问如何调运使运。费最低
约 束 条 件
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矩阵形式
线性规划模型
记 c(c1,c2, cn)A ,aijm n,xx1,x2, xnT,
bb 1,b2, bnT,矩 阵 形 式 为