运筹学课程设计

设计总说明

进入21世纪以后，随着人们生活水平的提高和对基本营养的需求。人们都希望一日三餐的食物既能满足基本营养的需求并且合理搭配又能经济实惠。我们在选择不同食物组合作为日常食谱的想法可归纳如下：首先，以最小的消费来满足人体每天基本营养要素的需求；其次，避免人们对食物单一性的厌倦。

根据相关资料得知，人体每日必需的七大营养素及营养标准：蛋白质、脂肪、维生素（维生素A、B、C、D、E、K）、碳水化合物、矿物质（钾、钙、钠、镁、氯及微量元素）、膳食纤维素、水。每日需求量分别为，蛋白质1—1.2g/每人.公斤，脂肪1—1.5g/每人.公斤，维生素4000国标单位，矿物质2.5g,膳食纤维24g,水1200g。现在我根据本人身体情况和学校食堂饮食情况通过线性规划建立模型并用计算机相关软件求解出自己对基本营养素摄取的最佳搭配数量和最小的消费，最终设计出适合自己的食谱和优化方案。

关键字：基本营养需求，合理搭配，最小消费，运筹学，线性规划

1绪论

1.1研究的背景

随着社会和经济的发展，健康与饮食问题引起了人们的高度关注，一日三餐的营养和搭配也受到人们的重视，同时也在探索着食谱搭配与优化问题。

俗话说“病从口入”，资料显示，现在的许多疾病都是吃出来，或者说是由于营养搭配不均衡和饮食结构不完善导致的。这些疾病已经成为人类可怕的杀手，例如高血压、脑血栓、冠心病等各种心脑血管病，它们正吞噬着人类宝贵的生命。

合理的营养搭配和膳食结构对于健康有着如此重大的意义，那么一日三餐的搭配和营养对我们健康是至关重要的。所以在消费金额一定的情况下怎样搭配食物才能既健康有满足人体基本营养的需求成为许多人们研究和探索的问题。我此次的课设课题为：根据本人实际身体情况和本校的实际饮食情况研究食谱设计与优化问题。

1.2研究的主要内容和目的

每种食物的营养元素的含量都不同，其原材料的价格也各有所异，经查阅资料，下表-1是我根据学校食堂（夏季）情况列出的部分食物及其所含主要营养物质的含量。我自己的体重取55kg，计算出自己一天必须摄取的营养物质的多少，使营养达到最佳搭配且使花费达到最小。

现已知学校提供的部分食物有米饭、面条、猪肉、鸡蛋、西红柿、白菜、西瓜。我自己一天基本营养需求为蛋白质62g、脂肪55g、维生素0.0747g、碳水化合物80g、纤维素14g、矿物质1.5g。

按照常理，主食即米饭和面条的总摄入量不超过2kg，为了保持营养均衡，肉蛋奶的摄入量应该在1-2kg，在夏天应摄入大量水，应多吃蔬菜瓜果，并且买菜和水果的钱不超过10元。

研究的目的是，根据以上的设想，如何对以上8种食物进行合理的搭配，能满足人体基本所需，确定各种食物的用量，并且以最小的消费金额满足每日定额，从而达到食谱的优化。

1.3研究的意义

健康对于人们来说是至关重要的，而合理的膳食与健康息息相关，所以合理膳食就显得尤为重要。人体的基本营养物质摄入过多或过少都导致一些疾病，例如：缺钙会导致抽搐，脂肪摄入过盛会导致肥胖、高血压、心脑血管病等。营养科学告诉我们，任何一种食物都可以提供某些营养物质，关键在于调配多种具有不同特点的食物组成合理的饮食。各种事物都有不同的营养特点，必须合理的搭配才能得到全面营养。才有利于健康。

通过本次课题研究，可以了解到部分食物的营养物质的含量，了解到人体对七大基本营养物质的最低需求。按照自身具体情况和实际情况，通过所学的运筹学知识对现有食物进行合理搭配，使摄入的食物能满足人体营养物质的基本需

求，并且使消费金额达到最小。

1.4研究方法及技术路线

研究问题的方法：利用所学运筹学对线性规划问题的求解来解决实际问题。线性规划是运筹学的一个重要分支，线性规划解决的是线性函数在线性约束条件下是目标函数达最大或最小的问题。

一个正确的线性规划模型不仅要熟悉问题的生产情况和管理内容，而且要明确问题的目的要求和错综复杂的已知与未知条件，以及它们二者之间的相互关系，掌握一些经过大量可靠的调查和统计数据证实的已知数据。

线性规划问题需满足一些条件：所求问题的目标一定能表示为最大化或最小化的问题，本次研究的问题是最下化问题；问题一定要具备有达到目标的不同方法；要达到目标是有限制条件的；问题的目标和约束都能表示为线性式。

利用所收集的数据，根据线性规划建模的条件，建立食谱优化问题的模型，列出目标函数和约束条件。然后利用Lindo软件求出最优解并进行灵敏度的分析，对食谱进行合理搭配和优化。

2理论及方法过程

2.1研究的方向及特点

该研究问题研究的是一个在一定约束条件对目标函数求最小的线性规划问题，具体的说就是在人每天摄入各种食物的量为未知变量，食物中所含营养物质为约束条件的系数，而人体最低营养需求为约束变量。目标函数是在这些食物价格已知的情况下，每天消费金额达最小化。

问题的特点是，一共有8个非负的未知变量，搭配相关数据组成若干线性约束条件，使目标函数最小化。

2.2研究的理论方法的特点

线性规划是辅助人们进行科学管理的一种数学方法，在经济管理、交通运输、工农业生产等经济活动中都有广泛的应用。它解决的问题可以分为两类：一类是资源一定的情况下，我们如何利用这些有限的资源来完成任务；另一类是在任务确定的情况下，如何利用最少资源来完成这个确定的任务。

此次研究问题的理论方法是运用线性规划建立模型，对实际问题进行优化。其特点是易于建立模型，模型建立完成之后可以利用Lindo软件求解比较容易简便。而在解决食谱优化问题上，利用线性规划可以使现有的食物合理搭配，维持人体营养平衡，而且还能使花费最小。

3模型建立

3.1基础数据的收集及处理

经过查阅资料对数据的收集和整理，并标准化后，得下表-1

表1-1 下表为1kg食物的营养的含量。

观察上表可以看出，不同食物所含的各种营养成分是完全不同的，如果只吃主食，就会缺乏脂肪和维生素，如果过多摄入肉食，脂肪就会偏高导致疾病。所以合理的食物搭配至关重要，也越来越受到人们的关注。

3.2变量设计

变量设为每天摄入各种食物原材料的重量，令100g为一个单位，则可设变量如下：

X1表示每天摄入大米的千克数；

X3表示每天摄入小麦的千克数；

X4表示每天摄入猪肉的千克数；

X5表示每天摄入鸡蛋的千克数；

X6表示每天摄入牛奶的千克数；

X7表示每天摄入白菜的千克数；

X8表示每天摄入西瓜的千克数；