管理运筹学07动态规划
运筹学动态规划
运筹学动态规划第7章动态规划动态规划是Bellman 在1957年提出的解多阶决策问题的方法，在那个时期，线性规划很流行，它是研究静态问题的，而Bellman 提出的解多阶决策问题的方法适用于动态问题，相对于线性规划研究静态问题，取名动态规划。
动态规划方法应用范围非常广泛，方法也比较简单。
动态规划是将一个多阶决策问题分解为一系列的互相嵌套的一步决策问题，序贯求解使问题得到简化。
动态规划问题按照问题的性质可以分为确定性的和随机性的，按决策变量的和状态变量的取值可以分为离散型的和连续型的。
此外还有依据时间变量连续取值还是离散取值又分为连续时间动态规划问题和离散时间动态规划问题。
本章重点讨论离散时间确定性动态规划问题，包括状态变量和决策变量连续取值和离散取值两种情况。
7.1解多阶决策问题的动态规划法1.多阶决策问题的例(1)最优路径问题—多阶决策问题的例为了直观，先从最优路径问题谈起，它可以看作一个多阶决策过程。
通过最优路径问题的解可以看到用动态规划法解多阶决策问题的基本思想。
考虑图7-1所示的最优路径问题。
一汽车由S 点出发到终点F ，P 和Q 是一些可以通过的点。
图中两点间标出的数字是汽车走这一段路所需的时间(单位为小时)。
最优路径问题是确定一个路径，使汽车沿这条路径由S 点出发达到F 点所用时间最短。
最优路径问题可以看作一个多阶决策问题，由S 到城市甲是第1个阶段，第1个结点P 1或第2个结点Q 1做为第1阶段可以通过的两个站点，由城市甲到城市乙是第2阶段，这个阶段是从P 1或Q 1到P 2或Q 2，由城市乙到城市丙是第3阶段，这个阶段是从P 2或Q 2到P 3或Q 3，由城市丙的P 3或Q 3到F 做为第四阶段。
（2）最优路径问题的解对最优路径问题，存在一个非常明显的原理，即最优路径的一部分还是最优路径。
换句话说，如果SQ P Q F 123是所求的最优路径，那么，汽车从这一路径上的任何一点，例如P 2，出发到F 的最优路径必为P Q F 23。
第07章 动态规划 《运筹学》PPT课件
动态规划
模型分类
离散确定型 离散随机型 连续确定型 连续随机型
§1 多阶 段决 策过 程的 最优
化
多阶段决策问题
(Multi-Stage decision process)
决策u1 决策u2
决策uk
32
维护费
8 8 9 9 10 6 6 8 8 10 5 6 8 9 5 5 6 4 54Βιβλιοθήκη 新设备购置费 5050
52 52 55 60
旧设备折价
20 15 10 5 2 30 25 20 15 10 31 26 21 15 33 28 20 35 30
40
§1 多阶 段决 策过 程的 最优
化
3)连续生产过程的控制 问题：一般化工生产过程中，
本章 内容
多阶段决策过程的最优化 动态规划的基本概念和基本原理 动态规划模型的建立与求解 动态规划在经济管理中的应用 马氏决策规划简介
创始时间 创始人
上个世纪50年代
美国数学家贝尔曼 （Richard. Bellman)
是运筹学的一个主要分支 是解决多阶段决策过程的最优化的一
种方法多阶段决策过程： 多阶段决策过程的最优化的目标： 达到整个活动过程的总体效果最优 •主要用于解决：
不过，实际中尚有许多不包含时间 因素的一类“静态”决策问题，就其本 质而言是一次决策问题，是非动态决策 问题，但是也可以人为地引入阶段的概 念当作多阶段决策问题，应用动态规划 方法加以解决。
§1 多阶 段决 策过 程的 最优
化
4）资源分配问题：便属于这类静 态问题。如：某工业部门或公司，拟对 其所属企业进行稀缺资源分配，为此需 要制定出收益最大的资源分配方案。这 种问题原本要求一次确定出对各企业的 资源分配量，它与时间因素无关，不属 动态决策，但是，我们可以人为地规定 一个资源分配的阶段和顺序，从而使其 变成一个多阶段决策问题(后面我们将 详细讨论这个问题)。
运筹学-第七章-动态规划
6
5
7
f2(D)=8 3
D
4
f3(E)=3
E 3
f3(F)=5
5
F
f3(G)=8 8
G
f2(D )m d d i((n D D ,,G F )) ff3 3((G F )) m 3 4 i n 5 8 8 u22(0D 21/)8/ 3 DF
f4(H)=0
H
14
f1(A)=14
A
f2(B)=13
2021/8/3
20
逆推公式
fk(sk)＝OPT {v(sk,uk)+ fk+1(sk+1)} k =n, …1
fn+1(sn+1)＝0 或
Max 或 Min
fk(sk)＝OPT{v(sk ,uk)+ fk+1(sk+1)} k =n-1, …1 fn(sn)＝ OPT{v(sn ,un)}
多阶段决策问题中，常见的目标函数形式之一是取各阶段效 益之和的形式。有些问题，如系统可靠性问题，其目标函数 是取各阶段效益的连乘积形式。总之，具体问题的目标函数 表达形式需要视具体问题而定
2021/8/3
19
(4) 状态转移方程 sk＋1 ＝T (sk, uk)：描述第 k 阶段与第 k+1 阶段的状态变量的关系
(5) 指标 v (sk ,uk) ：第 k 阶段在状态 sk 下采取决策 uk 得到的 结果（距离、得益、成本等）
指标函数是指各阶段指标的累计。即 V (sk,uk, …, sn,un, sn+1)=vk(sk,uk)*vk+1(sk+1,uk+1)…*vn(sn,un)
30
k=2, S2 = {0,1,2,3,4,5}, f2(s2)＝0mua2x{sg22(u2)+ f3(s3)}
管理运筹学判断题背诵讲义
管理运筹学判断题背诵讲义第一章 线性规划与单纯形表a)图解法同单纯形法虽然求解的形式不同,但从几何上理解,两者是一致的； b) 线性规划模型中增加一个约束条件,可行域的范围般将缩小,减少一个约束条件,可行域的范围一般将扩大；c) 线性规划问题的每一个基解对应可行域的一个顶点； d)如线性规划问题存在可行域，则可行域定包含坐标的原点；e)对取值无约束的变量j x ，通常令'''j j j x x x =-其中'j x ≥0,''j x ≥0,在用单纯形法求得的最优解中有可能同时出现'j x >0，''j x >0；f)用单纯形法求解标准型的线性规划问题时，与j σ>0对应的变量都可以被选作换人变量；g)单纯形法计算中，如不按最小比值原则选取换出变量，则在下一个解中至少有一个基变量的值为负；h) 单纯形法计算中,选取最大正检验数k σ对应的变量k x 作为换入变量，将使目标函数值得到最快的增长；i)一旦一个人工变量在迭代中变为非基变量后，则该变量及相应列的数字可以从 单纯形表中删除,而不影响计算结果；j)线性规划问题的任-可行解都可以用全部基可行解的线性组合表示；k)若X 1,X 2分别是某一线性规划问题的最优解则X=1λX 1 +2λX 2也是该线性规划问题的最优解，其中1λ，2λ可以为任意正的实数；1)线性规划用两阶段法求解时，第一阶段的目标函数通常写为 minz=ai ix ∑(ai x 为人工变量)，但也可写为minz=i ai ik x ,只要所有k i ,均为大于零的常数； m)对一个有n 个变量、m 个约束的标准型的线性规划问题,其可行域的顶点恰好为m n c 个；n) 单纯形法的迭代计算过 程是从一个可行解转换到目标函数值更大的另一个可行解；o)线性规划问题的可行解如为最优解，则该可行解定是基可行解；p)若线性规划问题具有可行解，且其可行域有界，则该线性规划问题最多具有有限个数的最优解；q)线性规划可行域的某一顶点若其目标函数值优于相邻的所有顶点的目标函数值,则该顶点处的目标函数值达到最优；r) 将线性规划约束条件的“≤”号及“≥”号变换成“一”号,将使问题的最优目标函数值得到改善；s)线性规划目标函数中系数最大的变量在最优解中总是取正的值:t)一个企业利用3种资源生产4种产品建立线性规划模型求解得到的最优解中最多只含有3种产品的组合；u)若线性规划问题的可行域可以伸展到无限，则该问题一定具有无界解； v)一个线性规划问题求解时的选代工作量主要取决于变量数的多少，与约束条件的数量关系相对较小。
运筹学第七章动态规划精品PPT课件
它可能是距离、利润、成本、产量或资源消耗等。
7、指标函数：Vkn(Sk, Pkn),k阶段，Sk状态下，作出
Pkn子策略带来的效果。动态规划模型的指标函数，应具有
可分离性，并满足递推关系。
2020/12/30
运筹学
阶段指标与指标函数的关系有两种：
不包含时间因素的静态决策问题（本质上是一次 决策问题）也可以适当地引入阶段的概念，作为多 阶段的决策问题用动态规划方法来解决。
4 . 线性规划、非线性规划等静态的规划问题也可 以通过适当地引入阶段的概念，应用动态规划方法 加以解决。
2020/12/30
运筹学
5 . 最短路问题：给定一个交通网络图如下，其中 两点之间的数字表示距离（或花费），试求从A点到 G点的最短距离（总费用最小）。
在实际问题中决策变量的取值往往在某一范围之内， 此范围称为允许决策集合,用Dk(Sk )表示。
4、状态转移方程
2020/12/30
状态转移方程是确定过程由 一个状态到另一个状态的演 变过程。如果第k阶段状态 变量sk的值、该阶段的决策 变量一经确定，第k+1阶段 运筹学 状态变量sk+1的值也就确定。
ss32 TT12((ss11,,
usk1 Tk (s1, u1, s2 , u2 ,, sk , uk )
图示如下：
s1
u1 1
s2
u2 2
s3
sk
uk k
sk+1
能用动态规划方法求解的多阶段决策过程是一类特
殊的多阶段决策过程，即具有无后效性的多阶段决
策过程。 2020/12/30
运筹学
无后效性(马尔可夫性)
如果某阶段状态给定后，则在这个阶段以后过程的
运筹学——动态规划
优子策略。该原理的具体解释是，若某一全过程
最优策略为：
p1
(s1 )
{u1
(s1 ),
u 2
(s2
),
,
u
k
(sk
),
u
n
(sn
)}
则对上述策略中所隐含的任一状态而言，
第k子过程上对应于该状态的最优策略必然包
含在上述全过程最优策略p1*中，即为
pk
(sk
)
{u
k
(sk
),
u
k 1
(sk
1
),
2．正确地定义状态变量sk，使它既能正确地描述过 程的状态，又能满足无后效性．动态规划中的状 态与一般控制系统中和通常所说的状态的概念是 有所不同的，动态规划中的状态变量必须具备以 下三个特征：
20
2021/7/26
(1)要能够正确地描述受控过程的变化特征。 (2)要满足无后效性。即如果在某个阶段状态已经给定，那么在
sk 1 Tk (sk ,uk (sk ))
上式称为多阶段决策过程的状态转移方程。有些问题的 状态转移方程不一定存在数学表达式，但是它们的状态 转移，还是有一定规律可循的。
12
2021/7/26
(六) 指标函数 用来衡量策略或子策略或决策的效果的某种数量
指标，就称为指标函数。它是定义在全过程或各 子过程或各阶段上的确定数量函数。对不同问题 ，指标函数可以是诸如费用、成本、产值、利润 、产量、耗量、距离、时间、效用，等等。
7
2021/7/26
（二）状态、状态变量和可能状态集 1.状态与状态变量。用以描述事物(或系统)在某特 定的时间与空间域中所处位置及运动特征的量，称 为状态。反映状态变化的量叫做状态变量。状态变 量必须包含在给定的阶段上确定全部允许决策所需 要的信息。按照过程进行的先后，每个阶段的状态 可分为初始状态和终止状态，或称输入状态和输出 状态，阶段k的初始状态记作sk，终止状态记为sk+1 。但为了清楚起见，通常定义阶段的状态即指其初 始状态。
第8章 动态规划《管理运筹学》PPT课件
8.2 动态规划模型建立
下面以投资问题为例介绍动态规划的建模条件。
【例8-2】 某公司现有资金20万元，若投资于三个
8.1 动态规划基础知识
（5）状态转移方程：状态转移方程是确定过程由一
个状态转移到另一个状态的演变过程。动态规划中某一状
态以及该状态下的决策，与下一状态之间具有一定的函数
关系，称这种函数关系的表达式为状态转移方程。如果第
k段的状态为 sk ，该阶段的决策为
的状态就可以用下式来表示：
uk
sk
，则第k+1段
阶段的指标函数，是该阶段最优的指标函数。
8.2 动态规划模型建立
建立动态规划模型，就是在分析实际问题的基础上建 立该问题的动态规划基本方程。成功地应用动态规划方法 的关键，在于识别问题的多阶段特征，将问题分解成为可 用递推关系式联系起来的若干子问题，或者说正确地建立 具体问题的基本方程，这需要经验与技巧。而正确建立基 本递推关系方程的关键又在于正确选择状态变量，保证各 阶段的状态变量具有递推的状态转移关系。
第8章 动态规划
动态规划(DYnamic Programming，缩写为DP)方法 ，是本世纪50年代初期由美国数学家贝尔曼(Richard E ，Bellman)等人提出，后来逐渐发展起来的数学分支， 它是一种解决多阶段决策过程最优化问题的数学规划法 。动态规划的数学模型和求解方法比较灵活，对于连续 的或离散的，线性的或非线性的，确定性的或随机性的 模型，只要能构成多阶段决策过程，便可用动态规划方 法求其最优解。因而在自然科学、社会科学、工程技术 等许多领域具有广泛的用途，甚至一定程度上比线性规 划（LP）、非线性规划（NLP）有成效，特别是对于某 些离散型问题，解析数学无法适用，动态规划方法就成 为非常有用的求解工具。
管理运筹学07动态规划
连续时间动态规划
定义
连续时间动态规划是指时间连续变化，状态 和决策也连续变化，状态转移和决策可以发 生在任意时刻。
解决思路
通过将时间连续化，将连续的时间动态问题转化为 离散的时间动态问题，然后应用动态规划的方法进 行求解。
应用场景
控制系统优化、金融衍生品定价、物流优化 等。
状态转移
指从一个状态转移到另一个状态的过程，是动态规划的基本要素 之一。
状态转移方程
描述了状态转移的数学表达式，是动态规划算法的核心。
最优化原理
最优化原理
在多阶段决策问题中，如果每个阶段 都按照最优策略进行选择，则整个问 题的最优解一定是最优的。
最优子结构
如果一个问题的最优解可以由其子问 题的最优解推导出来，则称该问题具 有最优子结构。
解决方案
采用启发式搜索策略， 如模拟退火、遗传算法 等，来引导算法跳出局 部最优解。
案例
在旅行商问题中，采用 模拟退火算法结合动态 规划，在局部搜索和全 局搜索之间取得平衡， 得到全局最优解。
06 动态规划案例研究
案例一：生产与存储问题的动态规划解决方案
总结词
该案例研究探讨了如何利用动态规划解决生 产与存储问题，通过合理安排生产和存储策 略，降低总成本。
管理运筹学07动态规划
contents
目录
• 动态规划概述 • 动态规划的基本概念 • 动态规划的应用 • 动态规划的扩展 • 动态规划的挑战与解决方案 • 动态规划案例研究
01 动态规划概述
定义与特点
定义
动态规划是一种通过将原问题分解为 相互重叠的子问题，并存储子问题的 解以避免重复计算的方法，从而有效 地解决最优化问题的方法。
《运筹学07动态规划》课件
动态规划的应用场景
资源分配 问题：如 背包问题、 车辆路径 问题等
优化问题： 如最短路 径问题、 最大子数 组问题等
决策问题： 如股票买 卖问题、 投资组合 问题等
游戏问题： 如国际象 棋、围棋 等
生物信息 学：如基 因序列比 对、蛋白 质结构预 测等
优化策略的改进
动态规划的扩展：从线性规划到非 线性规划，从单阶段决策到多阶段 决策
优化策略的改进：引入并行计算， 提高计算效率
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
优化策略的改进：引入启发式算法， 如遗传算法、模拟退火算法等
优化策略的改进：引入智能优化算 法，如神经网络、深度学习等
动态规划与其他 算法的比较
感谢您的观看
汇报人：
动态规划的基本 思想：将问题分 解为更小的子问 题，并利用子问 题的解来求解原
问题
动态规划的步 骤：确定状态、 状态转移方程、 初始状态和边
界条件
动态规划的算 法实现：递归、 迭代、记忆化
搜索等
动态规划的应 用：背包问题、 最短路径问题、 资源分配问题
等
动态规划的经典 案例
最短路径问题
问题描述：在图中找到从起点到终点的最短路径 应用场景：交通网络、物流配送、电路设计等 解决方案：使用动态规划算法，通过状态转移方程求解 经典案例：旅行商问题、最短路径问题等
排班问题
问题描述：如何合理安排员工工作时间，使得员工满意度最高，同时满足 公司业务需求
动态规划方法：使用动态规划算法，通过状态转移方程和递归函数求解
状态转移方程：定义状态变量，表示员工在不同时间段的工作状态
递归函数：根据状态转移方程，递归求解最优解
运筹学课件 ppt 复习资料 动态规划
C2
5 8
E D2
2
4
1
13
B3
12 11
C3
10
设备更新问题
企业在使用设备时都要考虑设备的更新问题，因为设 备越陈旧，所需的维修费用就越高，但购置新设备一次性 支出的费用较大。现某企业要做出一台设备未来5年的更 新计划，经预测，第j年初购买设备的价格为rj，设备连续
使用(j-1)年后在第j年的维护费为kj，使用(j-1)年后设备的
最优决策C1 D1
21
f3(C1)=8
B1
2
10 6
12 14
C1
f3(C2)=7 9 6 5 8
3
f4(D1)=5
D1
f5(E)=0 5
A
5
B2 10
4 13
C2
E
1
D2
f4(D2)=2
2
B3
12 11
C3
10
d (C2 , D1 ) f 4 ( D1 ) f3 (C2 ) min d (C2 , D2 ) f 4 ( D2 )
运筹学
王莉莉
四川农业大学数学系
2012年11月
1
第七章—动态规划
•
― ― ―
学习目标
掌握动态规划的基本概念； 掌握动态规划的最优化原理； 动态规划在经济管理中的应用
2
引言
在生产和经营活动中，经常遇到这样的问题， 它们包含若干个相互联系的阶段，在每个阶段都要 做出决策，一个阶段的决策除了影响本阶段的效果 之外，还经常影响到下一个阶段的初始状态，从而 影响整个过程的最优。因此不仅要考虑这一个阶段， 还要把它看成是整个过程决策链中的一链环，这种 过程称为多阶段决策过程。
北交大交通运输学院《管理运筹学》知识点总结与例题讲解第7章 动态规划
两级决策问题，从城市④到 E 有两条路线，需加以比较，取其中最短的，即
f3 (4)
=
min
⎧d ⎩⎨d
(4, 7) + (4,8) +
f
4
(7)⎫ ⎬
f4 (8) ⎭
表 7-1
i月
1
2
3
4
yi （需求）
2
3
2
4
这也是一个 4 阶段决策问题。 例 3 投资决策问题
某公司现有资金 Q 万元，在今后 5 年内考虑给 A、B、C、D 四个项目投资，这些项目 的投资期限、回报率均不相同，问应如何确定这些项目每年的投资额，使到第五年末拥有资
金的本利总额最大。 这是一个 5 阶段决策问题。
c(
j)
=
⎧ ⎨⎩a
0 + bj
( j = 0) ( j = 1, 2,3,L , m)
（千元）
其中 a 为生产的固定费用， b 为可变生产费率， m 为生产能力。供应需求所剩余产品应存 入仓库，每月库存 j 单位产品的费用为
E( j) = c * j （千元）
计划开始和计划期末库存量都是 0。试制定 4 个月的生产计划，在满足用户需求的条件下使 总费用最小。
现在我们利用动态规划最优性原理，由最后一段路线开始，向最初阶段递推求解，逐
步求出各段各点到终点 E 的最短路线，最后求得 A 点到 E 点的最短路线。 上面我们已经规定了本例的阶段数、状态变量、决策变量，给出了转移方程、指标函数
等。再用 d (sk , uk ) 表示由状态 s k 点出发，采用决策 uk 到达下一阶段 sk+1 点时的两点间距离。 第一步从 k=4 开始，状态变量 s4 可取两种状态⑦、⑧，它们到 E 点的路长分别为 4，3。
运筹学教案动态规划
运筹学教案动态规划教案章节一：引言1.1 课程目标：让学生了解动态规划的基本概念和应用领域。
让学生掌握动态规划的基本思想和解决问题的步骤。
1.2 教学内容：动态规划的定义和特点动态规划的应用领域动态规划的基本思想和步骤1.3 教学方法：讲授法：介绍动态规划的基本概念和特点。
案例分析法：分析动态规划在实际问题中的应用。
教案章节二：动态规划的基本思想2.1 课程目标：让学生理解动态规划的基本思想。
让学生学会将问题转化为动态规划问题。
2.2 教学内容：动态规划的基本思想状态和决策的概念状态转移方程和边界条件2.3 教学方法：讲授法：介绍动态规划的基本思想。
练习法：通过练习题让学生学会将问题转化为动态规划问题。
教案章节三：动态规划的求解方法3.1 课程目标：让学生掌握动态规划的求解方法。
让学生学会使用动态规划算法解决问题。
3.2 教学内容：动态规划的求解方法：自顶向下和自底向上的方法动态规划算法的实现：表格化和递归化的方法3.3 教学方法：讲授法：介绍动态规划的求解方法。
练习法：通过练习题让学生学会使用动态规划算法解决问题。
教案章节四：动态规划的应用实例4.1 课程目标：让学生了解动态规划在实际问题中的应用。
让学生学会使用动态规划解决实际问题。
4.2 教学内容：动态规划在优化问题中的应用：如最短路径问题、背包问题等动态规划在控制问题中的应用：如控制库存、制定计划等4.3 教学方法：讲授法：介绍动态规划在实际问题中的应用。
案例分析法：分析实际问题，让学生学会使用动态规划解决实际问题。
教案章节五：总结与展望5.1 课程目标：让学生总结动态规划的基本概念、思想和应用。
让学生展望动态规划在未来的发展。
5.2 教学内容：动态规划的基本概念、思想和应用的总结。
动态规划在未来的发展趋势和挑战。
5.3 教学方法：讲授法：总结动态规划的基本概念、思想和应用。
讨论法：让学生讨论动态规划在未来的发展趋势和挑战。
教案章节六：动态规划的优化6.1 课程目标：让学生了解动态规划的优化方法。
《运筹学动态规划》PPT课件 (2)
７.2 动态规划的基本原理
７.2.1 最优化原理
动态规划方法是由美国数学家贝尔曼 (R.Bellman)等人于本世纪 50 年 代提出的。他们针对多阶段决策问题的特点 ,提出了解决这类问题的”最优 化原理”,并成功地解决了生产管理、工程技术许多方面的实际问题。 最优化 原理可以表述为：“一个过程的最优策略具有这样的性质, 即无论初始状态 和初始决策如何,对于先前决策所形成的状态而言 ,其以后的所有决策必构成 最优策略。”
1 S1
2
3
4
S2
S3
S4
精选PPT
17
第三步, K=2 由于第 3 段各点 C1,C2,C3 到终点 E 的最短距离 f3(C1),
f3(C2), f3(C3),已知,所以要求城市 B1 到 E 的最短距离,只需以它们为基础,
分别加上 B1 到达 C1,C2,C3 的一段距离,加以比较取其最短者即可。
x
* 3
（
C2
）=
D2
1 S1
2
3
4
S2
S3
S4
f 3 （ C3 ）＝min
d (C3 , D1 ) + f4 (D1 ) d (C3 , D2 ) + f4 (D2 )
=min
1+ 4 3+3
=5
即从 C3 到 E 的最短距离为 5,其路径为 C3→D1→E,相应的决策为
x
* 3
（
C
3
）=
D1
。
1
2
3
4
精选PPT
6
3）、 决策（Decision )
当各阶段的状态确定以后，就可以做出不同的决定或选择，从而确 定下一阶段的状态，这种决定就是决策，表示决策的变量称为决策变量。
《管理运筹学》演示(动态规划)
动态规划
C1 6
(最短路问题)
1
B1 3 6
8 3
2
D1 2 E1 5 E2
3
5 F1 4
5
A
C2
5 D2 1 2 3
2
G
3
k=1 fu (A) = = 18 B1 1 1(A)
8 7
B2 6
C3
8
3
3 D3 3
6
E3 6 F2
3
k=4 k=2 C4 (D =7 7 ff ))= k = 3 4(D 1 4 1 f2 13 u4(D1)=E2 u 1 2(B1 2 1) = C2 f (C1)=D ) = 13 ff (D u 33(C2 =6 6 ))= 1 4 (D 2 4 2 f2 (B2 ) = 16 f (C ) = 10 2 2 3 2 (D =8 8 ff (D ))= 44 33 A f B C D E (C ) = 9 2 1 2 3 13 G 1 2 4 f3 (C4) =312
动态规划(基本概念)－5 状态转移方程
状态转移方程描述了过程由一个状态向另一个状态
转移规律或者说演变规律。也就是说，如果给定第k阶 段状态变量sk的值，该阶段的决策变量uk也确定，那么， 第 k+1 阶段的状态变量 sk+1 的值也就完全确定，这种状 态之间的对应关系，称为状态转移方程，记为，
sk+1=T(sk,uk)
动态规划(基本概念)－4 策略 允许策略集合 全(子)过程策略 最优策略 由一系列决策所构成的决策序列，称为一个策略。 从第1阶段到第n阶段的决策序列,则称为一个全过程 策略；用P1,n(s1)={ u1(s1), u2(s2), … un(sn) }. 若决策序列是从第 k 阶段到第 n 阶段 , 则称为 k 子过程 策略；用Pk,n(sk)={ uk(sk), uk+1(sk+1),…un(sn) }. 在实际问题中，存在着许多不同的策略，这些可供 选择的策略范围，称为允许策略集合，用P表示。 在允许策略集合中，使问题达到最优效果的策略， 称为最优策略，用P1,n*。 如在上例中，从 A 到 E 共有 18 种策略，最优策略只有 一个，即A→B2→C1→D1→E。
运筹学中的动态规划原理-教案
运筹学中的动态规划原理-教案一、引言1.1动态规划的基本概念1.1.1动态规划的定义：动态规划是一种数学方法，用于求解多阶段决策过程的最优化问题。
1.1.2动态规划的特点：将复杂问题分解为简单的子问题，通过求解子问题来得到原问题的最优解。
1.1.3动态规划的应用：广泛应用于资源分配、生产计划、库存控制等领域。
1.2动态规划的基本原理1.2.1最优性原理：一个最优策略的子策略也是最优的。
1.2.2无后效性：某阶段的状态一旦确定，就不受这个状态以后决策的影响。
1.2.3子问题的重叠性：动态规划将问题分解为子问题，子问题之间往往存在重叠。
1.3动态规划与静态规划的关系1.3.1静态规划：研究在某一特定时刻的最优决策。
1.3.2动态规划：研究在一系列时刻的最优决策。
1.3.3动态规划与静态规划的区别：动态规划考虑时间因素，将问题分解为多个阶段进行求解。
二、知识点讲解2.1动态规划的基本模型2.1.1阶段：将问题的求解过程划分为若干个相互联系的阶段。
2.1.2状态：描述某个阶段的问题情景。
2.1.3决策：在每个阶段，根据当前状态选择一个行动。
2.1.4状态转移方程：描述一个阶段的状态如何转移到下一个阶段的状态。
2.2动态规划的基本算法2.2.1递归算法：通过递归调用求解子问题。
2.2.2记忆化搜索：在递归算法的基础上，保存已经求解的子问题的结果，避免重复计算。
2.2.3动态规划算法：自底向上求解子问题，将子问题的解存储在表格中。
2.2.4动态规划算法的优化：通过状态压缩、滚动数组等技术，减少动态规划算法的空间复杂度。
2.3动态规划的经典问题2.3.1背包问题：给定一组物品，每种物品都有自己的重量和价值，求解在给定背包容量下，如何选择物品使得背包中物品的总价值最大。
2.3.2最长递增子序列问题：给定一个整数序列，求解序列的最长递增子序列的长度。
2.3.3最短路径问题：给定一个加权有向图，求解从源点到目标点的最短路径。
运筹学chap7动态规划
u'n sn+1
T'n
vk(sk+1, u'k)
vn(sn+1, u'n)
状态转移方程： sk+1=Tk(sk, uk (sk)) sk=T’k(sk +1, u'k (sk +1))
阶段指标函数： vk(sk, uk) vk(sk+1, u'k) 最优指标函数： fk (sk+1)表示起点s1到sk+1的最 优效益值
f1 (s2)=v1(s2, u1) f1 (B1)= v1(B1, A)=3, f1 (B2)=2, f1 (B3)=1
第2步
3
B1 4 3 23
A2
1 B2 3
1 13
B3 5
2 C1 5
3
1 C2
4
2
D1
3
D2 1
E
5
D3
S3={C1，C2}
f2 (s3)=min{ v2(s3, u2)+ f1 (s2)}
5
1
第3步
3
B1 4
3 23
A2
1 B2 3
1 13
B3 5
32
C1 5
3
5
1 C2
4
2
D1
3
D2 1
E
5
D3
S4={D1，D2 ，D3}
f3 (s4)=min{ v3(s4, u3)+ f2 (s3)}
u3 D3 (s4)
D3(D1)={C1,C2}; D3(D2)={C1,C2}; D3(D3)={C1,C2}
… sk
uk Tk sk+1 … sn
运筹学课程07-动态规划(胡运权 清华大学)
Vk ,n (sk , uk , sk 1 , uk 1 , , sn1 )
可递推
k [ sk , uk , Vk 1, n ( sk 1 , uk 1 , , sn 1 )]
指标函数形式: 和、 积
NEUQ
原过程的一个后部子过程： 对于任意给定的k（1 ≤ k≤n），从第k段到第n段的过 程称为原过程的一个后部子过程
阶段4
本阶段始点 （状态） D1 D2 本阶段各终点（决策） E 10 6 10 6 到E的最短距离 本阶段最优终点 （最优决策) E E
NEUQ
分析得知：从D1 和 D2 到E的最短路径唯一。
NEUQ
第三阶段：有三个始点C1，C2，C3，终点有D1，D2，对始点 和终点进行分析和讨论分别求C1，C2，C3到D1，D2 的最短路 径问题：
NEUQ
动态规划 Dynamic Programming
不要过河拆桥 追求全局最优
本章内容
多阶段决策过程的最优化 动态规划的基本概念和基本原 理 动态规划方法的基本步骤 动态规划方法应用举例
NEUQ
NEUQ
一、多阶段决策过程的最优化
示例1（工厂生产安排）：
某种机器可以在高、低两种负荷下生产。高负荷生产
NEUQ
示例3 （连续生产过程的控制问题）：
一般化工生产过程中，常包含一系列完成
生产过程的设备，前一工序设备的输出则是后
一工序设备的输入，因此，应该如何根据各工
序的运行工况，控制生产过程中各设备的输入 和输出，以使总产量最大。
示例4、最短路径问题
NEUQ
给定一个交通网络图如下，其中两点之间的数字表示距离 （或花费），试求从A点到G点的最短距离（总费用最小）。
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动态规划的数学描述
1.阶段 2.状态 3.决策 4.状态转移律 5.策略与子策略 6.阶段指标函数 7.过程指标函数 8.最优指标函数
动态规划的过程指标函数应具有可分性并满足递推关
系，即Rk,,N 可表示为rk 和Rk+1,N二者的函数。最常见的
过程指标函数与阶段指标函数的关系有如下两种： 1.过程指标函数是阶段指标函数的和，此时
Rk,,N =rk +Rk+1,N
2.过程指标函数是阶段指标函数的积，此时
Rk,,N =rk Rk+1,N
阶段
在多阶段决策过程中，决策点 将整个过程划分为若干部分， 其中的每一部分即为一个阶段。 描述阶段的变量称为阶段变量，
常用 k 来表示。阶段的划分一
般是根据时间和空间的自然特
征来进行的，一个N 个阶段的 多阶段决策问题其阶段变量 k =1，2，，N。
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状态
状态表示每个阶段开始所处的自然状况或客 观条件，它描述了研究问题过程的状况。状 态反映前面各阶段决策的结局，又是本阶段 决策的出发点和依据。状态是各阶段信息的 传递点和结合点，各阶段的状态通常用状态
变量Sk来描述。作为状态应具有这样的性质：
在某阶段的状态给定后，该阶段以后过程的 发展不受此阶段以前各阶段状态的影响。换 句话说，过程的历史只能通过当前的状态来 影响未来，当前的状态是过程以往历史的一 2021/1/20 个总结。这个性质称为无后效性或健忘性。
决策
决策是指决策者在若干可行方案中所作
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多阶段决策过程
决策
输入 阶段 输出
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转移律 图6-1(a)
dn
sn(in)
n
sn(out)
gn= rn(sn, dn) 图6-1(b)
多阶段决策过程
d1
d2
s1
s2
1
2
s3 sN
dN sN+1
N
g1
g2
gN
图 6-2 N 阶段决策系统示意图
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Bellman最优性原理
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最优指标函数
从第 k 个阶段开始到第 N 个阶段为止，采取 最优策略或最优子策略所得到的指标函数称 为最优指标函数，用 fk (Sk)表示，即：
f k (Sk) = opt (dk) {rk rk+1 rN} = opt(dk) {rk f k+1 (Sk+1)}
当 k=N 时 fk+1 (Sk+1)= fN+1 (SN+1)， fN+1 (SN+1)被称为边界条件，它的取值要根据 具体问题来定，一般为 ”0” 或 “1”.
1.多阶段决策过程 2.Bellman最优性原理 3.动态规划的数学描述 4.例6.1 5.确定性动态规划问题 6.随机性动态规划问题
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多阶段决策过程
多阶段决策问题是指这样一类问题，其整个过程可分 为若干相互联系的阶段，每一阶段都要作出相应的决 策，从而使整个过程达到最佳的活动效果。任何一个 阶段(Stage，决策点)都是由输入(Input)、决策 (Decision)、转移律(Transformation)和输出 (output)构成的，如图6-1(a)所示。由于每一阶段都 对应一个决策，所以每一阶段都应存在一个衡量决策 效益大小的指标函数，这一指标函数称为阶段指标函 数，用gn表示。显然gn是状态变量sn和决策变量dn的 函数，即gn= rn(sn, dn)，如图6-1(b)所示。
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例1
A C
B D
B1
12
9
C1
15
6
A
4
D
B2 20
8
16
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10
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例1的构模
阶段：k=1, 2, 3 状态：选各阶段所处的位置为状态变量，因此有S1= A。 决策：所选择的路线； D1(S1)={ B1, B2, B3 }
状态转移：目前状态一定，选择的线路一定，下一个状 态一定。 阶段指标函数：该阶段行进的路程 过程指标函数：阶段指标函数的和 最优指标函数：
fk(Sk)=min{rk + பைடு நூலகம்k+1(Sk+1)} 其中，边界条件fk+1(Sk+1)=0。
例1的求解
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K=3时：
f3 (C1)=min{15}=15, f3 (C2)=min{16}=16, K=2时：
C1 D C2 D
f2 (B1)=min{12+15, 9+16}=25, B1 C2 f2 (B2)=min{20+15, 16+16}=32, B2 C2 f2 (B3)=min{10+15, 9+16}=25, B3 C1或
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阶段指标函数
阶段指标函数是对应某一阶段决策的效率度量，用 gk=rk (Sk, dk)来加以表示。
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过程指标函数
过程指标函数是用来衡量所实现过程优劣的数量指标， 它是定义在全过程（策略）或后续子过程（子策略）
上的数量函数。过程指标函数常用Rk,,N 来表示，构成
B3 C2
K=1时：
f1 (A)=min{6+25, 4+32, 8+25}=31, A
确定性动态规划问题
给出Sk 和dk的取值后，状态Sk+1的取值唯
一确定的动态规划问题称为确定性动态规 划问题。确定性动态规划有广泛的应用领 域，这些领域可概括为：
出的选择。决策变量dk(Sk)表示第k 阶 段、状态为Sk时的决策。决策变量的取 值会受到一定的限制，用Dk(Sk)表示第 k 阶段、状态为Sk 时决策变量允许的
取值范围，称为允许决策集合，因而有
dk(Sk) Dk(Sk) 。
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状态转移律
状态转移律是确定由一个状态到另一个状态演变过程的关系式， 这种演变的对应关系记为Sk+1=Tk (Sk, dk)。
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策略与子策略
各阶段决策所组成的决策序列称为一个策
略，具有N个阶段的动态规划问题的策略 可表示为{d1(S1), d2(S2), …, dN(SN)}。
从某一阶段开始到过程终点为止的决策序
列，称为子过程策略或子策略。从第k个 阶段起的子策略可表示为{dk(Sk), dk+1(Sk+1), …, dN(SN)}。