第5章 优选法
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第5章 优选法
在生产过程中,为了取得满意的效果,需要对工 艺参数及相关因素,进行最佳点选择,对最佳点 的选择,有直接用数学的方法,而大量使用的都 是试验方法。试验方法很多,对某一具体问题来 讲,用什么方法才能迅速找到最佳点?这就是, 优选法要解决的问题。
1.间接最优化 2.直接最优化
优选法:根据生产和科研中的不同问题,利用数学原理, 合理地安排试验点,减少试验次数,以求迅速地找到最佳 点的一类科学方法。 适用于:
试验指标与因素间不能用数学形式表达 表达式很复杂
优选法的应用在我国从70年代初开始,首先由我们数学 家华罗庚等推广并大量应用 优选法也叫最优化方法
探究(一):优选法
b=2.618或b=3.
分数法的概念
思考1:在配置某种清洗液时,需要加入某种材料. 经验表明,加入量大于130ml肯定不好.用150ml的 锥形量杯计量加入量,该量杯的量程分为15格, 每格代表10ml,能否用0.618法找出这种材料的最 优加入量?为什么?
不方便,因为用0.618法算出的试点不是10ml的整 数倍,锥形量杯难以精确计量.
每次取存优范围的中点作为试点.
5.1.4 对分法
优选方法:
甲(有电)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
A(有电) B (无电) 乙(无电)
特点:
每次只做1次试验
每次试验区间可以缩小一半
适用条件:
要有一个标准(或具体指标) 要预知该因素对指标的影响规律
5.1.5 抛物线法
在三个试验点x1,x2,x3,且x1<x2<x3,分别得试验值y1, y2,y3,根据Lagrange插值法可以得到一个二次函数:
( x x2 )( x x3 ) ( x x3 )( x x1 ) ( x x1 )( x x2 ) y y1 y2 y3 ( x1 x2 )( x1 x3 ) ( x2 x3 )( x2 x1 ) ( x3 x1 )( x3 x2 )
设二次函数在x4取得最大值:
例:设某试验的因素范围是[0,1],如果只能做2 次试验,则应取哪个渐近分数代替0.618?两个试 点分别选在何处?精度为多少?
0
1
2 3
1 2 第1试点选在 处,第2试点选在 处, 3 3 1
精度为
3
.
如果只能做3次试验,则应取哪个渐近分数代替 0.618?精度为多少?一般地,如果只能做k次试 验,则应取哪个渐近分数代替0.618?精度为多少?
分数法优选方法:
3/8 5/8
x2 x2
x1
2/5 3/5
x1 x1
x3
1/3 2/3
x3
x4
适用于 :
试验值只能取整数的情况
试验次数有限时
分数法试验次数:
在优选法中,用渐近分数近似代替0.618确 定试点的方法叫做分数法,那么在什么情况下使 用分数法?
因素范围由一些离散的、间隔不等的点组成, 试点只能取某些特定值.
思考2:一个盲人爬山时已到某处,假设山是 单峰的,且只有一条直道经过山顶,试设想 他如何判断其立足之处是否为山顶?
对前后两个方向进行试探,如果前面高了, 就向前走一步,否则试探后面.如果前后都比 某点低,就说明到达山顶了.
5.1.7 逐步提高法(爬山法)
方法:
找一个起点 寻找方向
注意:
思考1:有一种商品价格竞猜游戏,参与者在只知 道售价范围的前提下,对一件商品的价格进行竞 猜.当竞猜者给出的估价不正确时,主持人以“高 了”或“低了”作为提示语,再让竞猜者继续估 价,在规定时间或次数内猜对了即可获得相应奖 品.如果你参与这项活动,每次会怎么给出估价?
下图中的两个函数称为区间 [a,b]上的单峰函 数,那么单峰函数的定义特征是
lg n 1 lg 0.618
思考
1已知某因素范围是[100,1100],用黄金分割法 寻找最佳点,已知前6次试验后的好点包含在区间 [700,750]内,求第6次试验后的存优范围.
[684,774]
2 调酒师为了调制一种鸡尾酒,每100kg烈性酒中 需要加入柠檬汁的量在1kg到2kg之间,用0.618法 寻找它的最佳加入量,要求加入柠檬汁的误差不 超出1g,问需要做多少次试验? 需要做19次试验 3 在用0.618法寻找最佳点的过程中,若某次试验 后的存优范围是[2,b]且2.382是这个存优范围内 的一个好点,求b的值.
迅速找到曲面的
z
最高峰.
y
x
把试验范围内z=f(x,y)取同一值的曲线叫做等高线, 各条等高线在水平面上的投影是一圈套一圈的曲线, 那么双因素优选问题转化为寻找哪圈等高线?
z
y
x
最里边的一圈等高线.
3.双因素优选法的基本思路:
以横坐标表示因素Ⅰ,纵坐标表示因素Ⅱ,假设因素 Ⅰ的试验范围为[a1,b1],因素Ⅱ的试验范围为 [a2,b2]用什么策略寻找峰顶在水平面上的投影点?
x2
x1
b
例:炼某种合金钢,需添加某种化学元素 以增加强度,加入范围是1000-2000克, 求最佳加入量
小
1000 1100
大
1900 2000
第一步 先在试验范围长度的0.618处做第(1)个 试验 x1=a+(b-a)×0.618=1000+(20001000)×0.618=1618克 第二步 第(2)个试验点计算 x2=大+小-第一点=2000+10001618=1382克 第三步 比较(1)与(2)两点上所做试验的效 果,现在假设第(1)点比较好,就去掉第(2) 点,即去掉[1000,1382]那一段范围。留下 [1382,2000 ]
5.1.3 分数法
菲波那契数列 :
F0=1,F1=1,Fn=Fn-1+Fn-2
(n≥2)
1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,…
分数:
Fn Fn+1
3 5 8 13 21 34 55 89 144 , , , , , , , , 5 8 13 21 34 55 89 144 233
y f( x) y g(x ) O a C b
x
O a
C
b
x
函数f(x)在区间[a,b]上只有唯一的最大(小)值点 C,且在点C的两侧单调,并具有相反的单调性.
5.1 单因素优选法
基本命题
试验指标f(x)是定义区间(a,b)的单峰函数
用尽量少的试验次数,来确定f(x)的最大值的近似位置
5.1.1 来回调试方法
3.分批试验法每批同时做几个试验, 可以加快试验进度,根据存优范围越小 效率越高的原理,比例分割法比均分法 效果要好. 4.优选法主要针对单峰情形,对多峰 问题应转化为单峰问题.
5.1.8 多峰情况
(1)不论“单峰”还是“多峰”,按前述方法优选
(2)先做一批分布得比较均匀、疏松的试验,看是否有 “多峰”现象,分别找出这些“峰”
把a分成2n+2段,相邻两段为a1,b1(a1>b1),且a1=b
长短段的比例 :
1 n5 λ= ( 1) 2 n 1
当n=0时,λ=0.618
思考1:当电视机画面有“雪花”时,可以用 遥控器进行频道微调,使画面达到清晰状态, 具体如何操作?
先往前面方向微调,如果画面清晰一些了就 继续往这个方向微调,否则就往后面方向微 调.如果前后微调的清晰度都比某点低,则该 点为清晰状态最佳点.
1 y1 ( x x ) y2 ( x x ) y3 ( x x ) x4 2 y1 ( x2 x3 ) y2 ( x3 x1 ) y3 ( x1 x2 )
2 2 2 3 2 3 2 1 2 1 2 2
在x =x4处做试验,得试验结果y4
假定y1,y2,y3,y4中的最大值是由xi’给出 除xi’之外,在x1,x2,x3和x4中取较靠近xi’的左右两点, 将这三点记为 x1’,x2’,x3’ 此处x1’<x2’<x3, ,若在处的函数值分别为 y1’,y2’, y3’,……
小 1382
1618 (1)
中点
1764 (3)
大 2000
x3=大+小-第一点=1382+2000-1618=1764 克
思考2:用0.618法确定试点时,n次试验后的精度 δ n为多少? δ n=0.618n-1 思考3:用0.618法寻找最佳点时,若给定精度δ , 为了达到这个精度,至少要做多少次试验?
5.2 双因素优选法
1.命题:
设某个优选问题同时受到某两个因素的影响,用x,y表示 两个因素的取值,z=f(x,y)表示目标函数,那么双因素优 选问题的本质是什么? 迅速找到二元目标函数z=f(x,y)的最大值或最小值及其对 应的点(x,y).
2.几何意义:
假设函数z=f(x,y)在某一区域内单峰,其几何意义是 把曲面z=f(x,y)看作一座山,顶峰只有一个,从几何 上如何理解双因素优选问题的本质?
0
1
1 3 渐近分数取 ,精度为 ; 5 5
渐近分数取
1 Fk ,精度为 F . Fk 1 k 1
思考1:在商品价格竞猜游戏中,竞猜者以怎 样的方式估价,可以尽快猜对商品的价格?
每次取存优范围的中点值作为估价.
思考2:有一条10km长的输电线路出现了故障, 在线路的一端A处有电,在另一端B处没有电, 你有什么办法通过试点迅速查出故障所在位 置?
5.1.6 分批试验法
(1)均分法
每批做2n个试验
先把试验范围等分为(2n+1)段,在2n个分点上作第一批 试验 比较结果,留下较好的点,及其左右一段 *
*
然后把这两段都等分为(n+1)段 分点处做第二批试验
(2)比例分割法
每一批做2n+1个试验 把试验范围划分为2n+2段,相邻两段长度为a和b(a>b) 在(2n+1)个分点上做第一批试验,比较结果,在好试 验点左右留下一长一短
因素Ⅰ
c1 d1 b1
如此继续下去,不断缩小存优区域,直至找到最
佳点为止,这个方法又称为纵横对折法.其中每次
可以采用什么方法对一个因素进行优选?
黄金分割法,分数法,对分法,盲人爬山法,
分批试验法等.
例5-3 某炼油厂试制磺酸钡,其原料磺酸是磺 化油经乙醇水溶液萃取出来的,试验目的是 选择乙醇水溶液的合适浓度和用量,使分离 出的磺酸最多. 根据经验,乙醇水溶液浓度变化范围为 50%-90%(体积百分比),用量范围为30 %~70%(重量百分比),精度为±5%。
若f(x1)< f(x2) a x1 若f(x2)< f(x3) x1 x2 b x4 x3 x2 x1 x3 x2 b
……
5.1.2 黄金分割法(0.618法)
黄金分割 :
5 1 2
0.382
0.6180339887
优选步骤:
0.618
a
x2
x1
0.382 0.618
b x3 ……
起点
B< A A C> A
步距:“两头小,中间大”
D> C F E<D
小结
1.如果每作一次试验,根据结果可以 决定下次试验的方向,就可以用对分法 寻找最佳点.相对于0.618法和分数法, 对分法更简单,易操作.
2.盲人爬山法是一种采用小步调调整 策略的优选法,在生产实践和科学试验 中,如果某些因素不允许大幅度调整, 可以用盲人爬山法寻找最佳点.
先固定一个因素,对另一个因素进行优选,再固定
第二个因素,对第一个因素进行优选.
5.2.1 对开法
如图,先将因素Ⅰ固定在试验范围的中点c1处,对因 素Ⅱ进行单因素优选,得到最佳点A1;再将因素Ⅱ固 定在试验范围的中点c2处,对因素Ⅰ进行单因素优选, 得到最佳点B1,比较点A1和B1的试验结果,若B1是好点, 则存优范围是哪个区域?
因素Ⅱ
b2 c2
c1≤Ⅰ≤b1, a2≤Ⅱ≤b2.
A1
B1 c b
因素Ⅰ
a2 a
将因素Ⅰ固定在新范围(c1,b1]的中点d1处,对因素Ⅱ 进行单因素优选,得到最佳点A2,比较点A2和B1的试验 结果,若A2是好点,则存优范围是哪个区域?
因素Ⅱ
b2
c1≤Ⅰ≤b1, c2≤Ⅱ≤b2.
c2
a2 a1
A2 B1
作法:先横向对折,即将用量固定在50%,用单因素的0.618 法选取最优浓度为80%的点3。而后纵向对折,将浓度固定在 70%,用0.618法对用量进行优选,结果是点9较好。比较点3 与点9的试验结果,点3比点9好,于是丢掉试验范围左边的一 半。在剩下的范围内再纵向对折,将浓度固定在80%,对用量 进行优选,试验点11、12的结果都不如3好,于是找到了好点, 即点3,试验至此结束
在生产过程中,为了取得满意的效果,需要对工 艺参数及相关因素,进行最佳点选择,对最佳点 的选择,有直接用数学的方法,而大量使用的都 是试验方法。试验方法很多,对某一具体问题来 讲,用什么方法才能迅速找到最佳点?这就是, 优选法要解决的问题。
1.间接最优化 2.直接最优化
优选法:根据生产和科研中的不同问题,利用数学原理, 合理地安排试验点,减少试验次数,以求迅速地找到最佳 点的一类科学方法。 适用于:
试验指标与因素间不能用数学形式表达 表达式很复杂
优选法的应用在我国从70年代初开始,首先由我们数学 家华罗庚等推广并大量应用 优选法也叫最优化方法
探究(一):优选法
b=2.618或b=3.
分数法的概念
思考1:在配置某种清洗液时,需要加入某种材料. 经验表明,加入量大于130ml肯定不好.用150ml的 锥形量杯计量加入量,该量杯的量程分为15格, 每格代表10ml,能否用0.618法找出这种材料的最 优加入量?为什么?
不方便,因为用0.618法算出的试点不是10ml的整 数倍,锥形量杯难以精确计量.
每次取存优范围的中点作为试点.
5.1.4 对分法
优选方法:
甲(有电)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
A(有电) B (无电) 乙(无电)
特点:
每次只做1次试验
每次试验区间可以缩小一半
适用条件:
要有一个标准(或具体指标) 要预知该因素对指标的影响规律
5.1.5 抛物线法
在三个试验点x1,x2,x3,且x1<x2<x3,分别得试验值y1, y2,y3,根据Lagrange插值法可以得到一个二次函数:
( x x2 )( x x3 ) ( x x3 )( x x1 ) ( x x1 )( x x2 ) y y1 y2 y3 ( x1 x2 )( x1 x3 ) ( x2 x3 )( x2 x1 ) ( x3 x1 )( x3 x2 )
设二次函数在x4取得最大值:
例:设某试验的因素范围是[0,1],如果只能做2 次试验,则应取哪个渐近分数代替0.618?两个试 点分别选在何处?精度为多少?
0
1
2 3
1 2 第1试点选在 处,第2试点选在 处, 3 3 1
精度为
3
.
如果只能做3次试验,则应取哪个渐近分数代替 0.618?精度为多少?一般地,如果只能做k次试 验,则应取哪个渐近分数代替0.618?精度为多少?
分数法优选方法:
3/8 5/8
x2 x2
x1
2/5 3/5
x1 x1
x3
1/3 2/3
x3
x4
适用于 :
试验值只能取整数的情况
试验次数有限时
分数法试验次数:
在优选法中,用渐近分数近似代替0.618确 定试点的方法叫做分数法,那么在什么情况下使 用分数法?
因素范围由一些离散的、间隔不等的点组成, 试点只能取某些特定值.
思考2:一个盲人爬山时已到某处,假设山是 单峰的,且只有一条直道经过山顶,试设想 他如何判断其立足之处是否为山顶?
对前后两个方向进行试探,如果前面高了, 就向前走一步,否则试探后面.如果前后都比 某点低,就说明到达山顶了.
5.1.7 逐步提高法(爬山法)
方法:
找一个起点 寻找方向
注意:
思考1:有一种商品价格竞猜游戏,参与者在只知 道售价范围的前提下,对一件商品的价格进行竞 猜.当竞猜者给出的估价不正确时,主持人以“高 了”或“低了”作为提示语,再让竞猜者继续估 价,在规定时间或次数内猜对了即可获得相应奖 品.如果你参与这项活动,每次会怎么给出估价?
下图中的两个函数称为区间 [a,b]上的单峰函 数,那么单峰函数的定义特征是
lg n 1 lg 0.618
思考
1已知某因素范围是[100,1100],用黄金分割法 寻找最佳点,已知前6次试验后的好点包含在区间 [700,750]内,求第6次试验后的存优范围.
[684,774]
2 调酒师为了调制一种鸡尾酒,每100kg烈性酒中 需要加入柠檬汁的量在1kg到2kg之间,用0.618法 寻找它的最佳加入量,要求加入柠檬汁的误差不 超出1g,问需要做多少次试验? 需要做19次试验 3 在用0.618法寻找最佳点的过程中,若某次试验 后的存优范围是[2,b]且2.382是这个存优范围内 的一个好点,求b的值.
迅速找到曲面的
z
最高峰.
y
x
把试验范围内z=f(x,y)取同一值的曲线叫做等高线, 各条等高线在水平面上的投影是一圈套一圈的曲线, 那么双因素优选问题转化为寻找哪圈等高线?
z
y
x
最里边的一圈等高线.
3.双因素优选法的基本思路:
以横坐标表示因素Ⅰ,纵坐标表示因素Ⅱ,假设因素 Ⅰ的试验范围为[a1,b1],因素Ⅱ的试验范围为 [a2,b2]用什么策略寻找峰顶在水平面上的投影点?
x2
x1
b
例:炼某种合金钢,需添加某种化学元素 以增加强度,加入范围是1000-2000克, 求最佳加入量
小
1000 1100
大
1900 2000
第一步 先在试验范围长度的0.618处做第(1)个 试验 x1=a+(b-a)×0.618=1000+(20001000)×0.618=1618克 第二步 第(2)个试验点计算 x2=大+小-第一点=2000+10001618=1382克 第三步 比较(1)与(2)两点上所做试验的效 果,现在假设第(1)点比较好,就去掉第(2) 点,即去掉[1000,1382]那一段范围。留下 [1382,2000 ]
5.1.3 分数法
菲波那契数列 :
F0=1,F1=1,Fn=Fn-1+Fn-2
(n≥2)
1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,…
分数:
Fn Fn+1
3 5 8 13 21 34 55 89 144 , , , , , , , , 5 8 13 21 34 55 89 144 233
y f( x) y g(x ) O a C b
x
O a
C
b
x
函数f(x)在区间[a,b]上只有唯一的最大(小)值点 C,且在点C的两侧单调,并具有相反的单调性.
5.1 单因素优选法
基本命题
试验指标f(x)是定义区间(a,b)的单峰函数
用尽量少的试验次数,来确定f(x)的最大值的近似位置
5.1.1 来回调试方法
3.分批试验法每批同时做几个试验, 可以加快试验进度,根据存优范围越小 效率越高的原理,比例分割法比均分法 效果要好. 4.优选法主要针对单峰情形,对多峰 问题应转化为单峰问题.
5.1.8 多峰情况
(1)不论“单峰”还是“多峰”,按前述方法优选
(2)先做一批分布得比较均匀、疏松的试验,看是否有 “多峰”现象,分别找出这些“峰”
把a分成2n+2段,相邻两段为a1,b1(a1>b1),且a1=b
长短段的比例 :
1 n5 λ= ( 1) 2 n 1
当n=0时,λ=0.618
思考1:当电视机画面有“雪花”时,可以用 遥控器进行频道微调,使画面达到清晰状态, 具体如何操作?
先往前面方向微调,如果画面清晰一些了就 继续往这个方向微调,否则就往后面方向微 调.如果前后微调的清晰度都比某点低,则该 点为清晰状态最佳点.
1 y1 ( x x ) y2 ( x x ) y3 ( x x ) x4 2 y1 ( x2 x3 ) y2 ( x3 x1 ) y3 ( x1 x2 )
2 2 2 3 2 3 2 1 2 1 2 2
在x =x4处做试验,得试验结果y4
假定y1,y2,y3,y4中的最大值是由xi’给出 除xi’之外,在x1,x2,x3和x4中取较靠近xi’的左右两点, 将这三点记为 x1’,x2’,x3’ 此处x1’<x2’<x3, ,若在处的函数值分别为 y1’,y2’, y3’,……
小 1382
1618 (1)
中点
1764 (3)
大 2000
x3=大+小-第一点=1382+2000-1618=1764 克
思考2:用0.618法确定试点时,n次试验后的精度 δ n为多少? δ n=0.618n-1 思考3:用0.618法寻找最佳点时,若给定精度δ , 为了达到这个精度,至少要做多少次试验?
5.2 双因素优选法
1.命题:
设某个优选问题同时受到某两个因素的影响,用x,y表示 两个因素的取值,z=f(x,y)表示目标函数,那么双因素优 选问题的本质是什么? 迅速找到二元目标函数z=f(x,y)的最大值或最小值及其对 应的点(x,y).
2.几何意义:
假设函数z=f(x,y)在某一区域内单峰,其几何意义是 把曲面z=f(x,y)看作一座山,顶峰只有一个,从几何 上如何理解双因素优选问题的本质?
0
1
1 3 渐近分数取 ,精度为 ; 5 5
渐近分数取
1 Fk ,精度为 F . Fk 1 k 1
思考1:在商品价格竞猜游戏中,竞猜者以怎 样的方式估价,可以尽快猜对商品的价格?
每次取存优范围的中点值作为估价.
思考2:有一条10km长的输电线路出现了故障, 在线路的一端A处有电,在另一端B处没有电, 你有什么办法通过试点迅速查出故障所在位 置?
5.1.6 分批试验法
(1)均分法
每批做2n个试验
先把试验范围等分为(2n+1)段,在2n个分点上作第一批 试验 比较结果,留下较好的点,及其左右一段 *
*
然后把这两段都等分为(n+1)段 分点处做第二批试验
(2)比例分割法
每一批做2n+1个试验 把试验范围划分为2n+2段,相邻两段长度为a和b(a>b) 在(2n+1)个分点上做第一批试验,比较结果,在好试 验点左右留下一长一短
因素Ⅰ
c1 d1 b1
如此继续下去,不断缩小存优区域,直至找到最
佳点为止,这个方法又称为纵横对折法.其中每次
可以采用什么方法对一个因素进行优选?
黄金分割法,分数法,对分法,盲人爬山法,
分批试验法等.
例5-3 某炼油厂试制磺酸钡,其原料磺酸是磺 化油经乙醇水溶液萃取出来的,试验目的是 选择乙醇水溶液的合适浓度和用量,使分离 出的磺酸最多. 根据经验,乙醇水溶液浓度变化范围为 50%-90%(体积百分比),用量范围为30 %~70%(重量百分比),精度为±5%。
若f(x1)< f(x2) a x1 若f(x2)< f(x3) x1 x2 b x4 x3 x2 x1 x3 x2 b
……
5.1.2 黄金分割法(0.618法)
黄金分割 :
5 1 2
0.382
0.6180339887
优选步骤:
0.618
a
x2
x1
0.382 0.618
b x3 ……
起点
B< A A C> A
步距:“两头小,中间大”
D> C F E<D
小结
1.如果每作一次试验,根据结果可以 决定下次试验的方向,就可以用对分法 寻找最佳点.相对于0.618法和分数法, 对分法更简单,易操作.
2.盲人爬山法是一种采用小步调调整 策略的优选法,在生产实践和科学试验 中,如果某些因素不允许大幅度调整, 可以用盲人爬山法寻找最佳点.
先固定一个因素,对另一个因素进行优选,再固定
第二个因素,对第一个因素进行优选.
5.2.1 对开法
如图,先将因素Ⅰ固定在试验范围的中点c1处,对因 素Ⅱ进行单因素优选,得到最佳点A1;再将因素Ⅱ固 定在试验范围的中点c2处,对因素Ⅰ进行单因素优选, 得到最佳点B1,比较点A1和B1的试验结果,若B1是好点, 则存优范围是哪个区域?
因素Ⅱ
b2 c2
c1≤Ⅰ≤b1, a2≤Ⅱ≤b2.
A1
B1 c b
因素Ⅰ
a2 a
将因素Ⅰ固定在新范围(c1,b1]的中点d1处,对因素Ⅱ 进行单因素优选,得到最佳点A2,比较点A2和B1的试验 结果,若A2是好点,则存优范围是哪个区域?
因素Ⅱ
b2
c1≤Ⅰ≤b1, c2≤Ⅱ≤b2.
c2
a2 a1
A2 B1
作法:先横向对折,即将用量固定在50%,用单因素的0.618 法选取最优浓度为80%的点3。而后纵向对折,将浓度固定在 70%,用0.618法对用量进行优选,结果是点9较好。比较点3 与点9的试验结果,点3比点9好,于是丢掉试验范围左边的一 半。在剩下的范围内再纵向对折,将浓度固定在80%,对用量 进行优选,试验点11、12的结果都不如3好,于是找到了好点, 即点3,试验至此结束