现代优化算法简介
现代智能优化算法的研究综述
过程与一般 组合优 化问题之 间的相似性 ， 是基 于 Ｍ ｕｃ ａ ｏ 代求解 ｅｔＣ ｒ 迭 ｌ 策略 的一种 随机优 化算法 。Ｓ Ａ算法 的基 本思想 是从一 给定初始解 开 始 ， 邻域 中随机 产生另一个解 ， 在 接受准则允许 目标函数在有 限范围 内
的一大飞跃 。
１ 蚁群算法（ ｎ ｏ ｎ ｐ ｍｉ ｏ ， Ｃ ） ． ４ Ａ ｔ ｌ ｙＯ ｆ ｚ ｎ Ａ Ｏ Ｃｏ ｉ ｍｉ 人『 蚁群算 法 ［ 是受到对真实蚁群行 为的研究的启发 ， 由意大利学 者 Ｍ．ｏｉ 等人 于 １９ 年首 先提 出的 ， Ｄ ｒｏ ｇ ９１ 它是一种 基于蚁群 的模 拟进化 算法 ， 属于 随机搜 索算法 。研究学者在研究 过程中发现 ， 蚂蚁个体之 间 是通过 一种称 之为外 激素（ｈ ｒｍｏｅ的物质进 行信息 传递 ， 而能相 ｐ ｅｏ ｎ ） 从 互协作 ， 完成 复杂的任务 。蚂蚁在运动过程 中 ， 能够在它所经过 的路径 上 留下该 种物质 ， 而且蚂蚁 在运动过 程中能够感 知这种物质 的存在及 其强度 ， 以此指 导 自己的运动方 向， 并 蚂蚁倾 向于朝着该物质强度高 的 方 向移动 。蚂蚁个体 之间就是通过这种信 息的交流达到搜索食物 的 目 的 。蚁群 算法正是模 拟 了这 样的优化机 制 ， 即通 过个体之 问的信息交 流与相互协作最终找到最优解 。 １５ ．粒子群优化算法（ａ ｉｌＳ ａｍ ｐｉ ｚｔ ｎ Ｐ Ｏ） Ｐ ｒｃｅ ｗ ｒ ｏ ｔ ａｉ ，Ｓ ｔ ｍｉ ｏ 粒子群优化算法 是一种进化算 法 ， 最早是 由Ｋ ｎ ｅ 与 Ｅ ｅ ａ 于 ｅｎ ｙ ｂ ｒ ｒ ｈ ｔ １ ９ 年提出的 。最早 的Ｐ Ｏ ９５ Ｓ 是模拟 鸟群 觅食行 为而发展起来 的一种基 于群体协 作 的随机 搜索算 法 。Ｐ Ｏ Ｓ 是模 拟鸟群 的捕食 行为 ， 一群鸟 让 在 空间里 自由飞翔 觅食 ， 每个鸟都能记住它 曾经飞 过最高的位置 ， 然后 就随机的靠近那个位 置 ， 不同的鸟之间可 以互相交 流 ， 它们都尽量靠近 整个 鸟群 中曾经 飞过 的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ高点 ， 这样 ， 经过一段时 间就 可以找到近似 的 最 高点 。Ｐ Ｏ后来经 过多次 的改进 ， Ｓ 去除 了原来 算法 中一些无 关的或
《现代优化方法》课件
混合整数规划问题求解
混合整数规划问题概述
混合整数规划问题的求解方法
混合整数规划问题的应用领域
混合整数规划问题的发展趋势
多目标优化问题求解
问题定义：多 个目标函数同
时优化
求解方法：遗 传算法、粒子
牛顿法
牛顿法是一种迭代法，用于求解非线性方程组 牛顿法的基本思想是利用函数的导数信息来构造一个迭代公式 牛顿法的优点是收敛速度快，但需要计算函数的导数 牛顿法在优化问题中的应用广泛，如求解非线性规划问题、最优化问题等
遗传算法
基本概念：模拟生物进化过程，通过选择、交叉、变异等操作进行优化 特点：全局搜索、自适应、并行处理 应用领域：组合优化、机器学习、人工智能等
优化方法的应用领域
工业生产：提高生产效率， 降低成本
交通运输：优化路线，减 少运输时间
商业决策：制定最优策略， 提高利润
科学研究：优化实验设计， 提高实验效率
工程设计：优化设计方案， 提高工程质量
教育领域：优化教学策略， 提高教学质量
现代优化方法的 主要技术
梯度下降法
基本思想：通过迭代求解，逐步减小目标函数的值 应用场景：机器学习、深度学习等领域 优点：简单、易于实现、适用范围广 缺点：容易陷入局部最优解，需要选择合适的学习率
优化方法在多目标优化问题中的应用
优化方法在数据驱动的决策问题中的应 用
优化方法在分布式计算和云计算中的应 用
感谢您的观看
汇报人：PPT
群算法等
应用领域：工 程设计、生产 调度、投资决
策等
发展趋势：智 能化、自动化、
现代机械设计中的设计优化方法
现代机械设计中的设计优化方法在现代机械设计领域，设计优化方法是实现高效、可靠和经济的产品设计的关键。
随着科技的不断进步和市场的竞争加剧，设计师们需要不断探索新的方法和技术来提高产品的性能和质量。
本文将介绍几种常见的设计优化方法，包括参数优化、拓扑优化和材料优化。
1. 参数优化参数优化是指通过调整设计中的参数，以达到最优的性能指标。
这种方法常用于机械系统的设计中，例如汽车引擎的设计。
设计师可以通过改变引擎的参数，如气缸数、活塞直径等，来优化燃烧效率和动力输出。
参数优化通常使用数学模型和计算机仿真来进行，以减少试错的成本和时间。
2. 拓扑优化拓扑优化是一种通过优化材料在结构中的分布来提高结构性能的方法。
在传统的机械设计中，结构常常是由设计师根据经验和直觉来确定的。
然而，这种方法往往无法充分利用材料的性能，导致结构过度设计或者性能不足。
拓扑优化通过在结构中自动调整材料的分布，使得结构在满足约束条件的前提下，具有最佳的性能。
这种方法可以减少材料的使用量，提高结构的强度和刚度。
3. 材料优化材料优化是指通过选择最合适的材料来提高产品的性能。
不同的材料具有不同的物理和化学性质，因此在设计中选择合适的材料非常重要。
材料优化可以通过材料的强度、刚度、耐磨性等性能指标来进行。
例如，在航空航天领域，设计师需要选择轻量化、高强度的材料，以提高飞机的性能和燃油效率。
4. 多目标优化多目标优化是指在设计中同时考虑多个性能指标，并找到它们之间的最佳平衡点。
在机械设计中，往往存在多个冲突的性能指标，例如重量和强度之间的矛盾。
多目标优化方法可以帮助设计师找到最优的设计方案，以满足不同的需求。
这种方法通常使用多目标优化算法，如遗传算法和粒子群优化算法，来搜索设计空间中的最优解。
综上所述，现代机械设计中的设计优化方法包括参数优化、拓扑优化、材料优化和多目标优化。
这些方法可以帮助设计师在设计过程中提高产品的性能和质量，同时减少成本和时间。
常见的优化算法
常见的优化算法摘要：一、引言二、常见优化算法概述1.梯度下降2.随机梯度下降3.小批量梯度下降4.牛顿法5.拟牛顿法6.共轭梯度法7.信赖域反射算法8.岭回归与LASSO三、优化算法的应用场景四、总结正文：一、引言在机器学习和数据挖掘领域，优化算法是解决最优化问题的常用方法。
本文将对一些常见的优化算法进行概述和分析，以便读者了解和选择合适的优化算法。
二、常见优化算法概述1.梯度下降梯度下降是最基本的优化算法，通过计算目标函数的梯度，并乘以一个正数加到梯度相反号上，不断更新参数。
2.随机梯度下降随机梯度下降是梯度下降的一个变种，每次更新时随机选择一部分样本计算梯度，减少了计算复杂度。
3.小批量梯度下降小批量梯度下降是随机梯度下降的改进，每次更新时选择一小部分样本计算梯度，平衡了计算复杂度和收敛速度。
4.牛顿法牛顿法是一种二阶优化算法，通过计算目标函数的二阶导数（Hessian 矩阵）来更新参数，具有更快的收敛速度。
5.拟牛顿法拟牛顿法是牛顿法的近似方法，通过正则化Hessian 矩阵来避免牛顿法的计算复杂度问题。
6.共轭梯度法共轭梯度法是一种高效的优化算法，通过计算目标函数在参数空间中的共轭梯度来更新参数，具有较好的数值稳定性和收敛速度。
7.信赖域反射算法信赖域反射算法是一种基于信赖域的优化算法，通过不断缩小区间来更新参数，具有较好的收敛速度和鲁棒性。
8.岭回归与LASSO岭回归和LASSO 是一种正则化方法，通过加入正则项来优化目标函数，具有较好的过拟合抑制效果。
三、优化算法的应用场景不同的优化算法具有不同的特点和适用场景，如梯度下降适用于简单的问题，牛顿法和拟牛顿法适用于非凸问题，共轭梯度法适用于高维问题等。
在实际应用中，需要根据问题的特点选择合适的优化算法。
四、总结本文对常见的优化算法进行了概述和分析，包括梯度下降、随机梯度下降、小批量梯度下降、牛顿法、拟牛顿法、共轭梯度法、信赖域反射算法、岭回归和LASSO 等。
现代优化方法
动态规划问题的求解方法
逆向求解
从最后阶段开始，依次求出每 个阶段的最优解，最终得到初
始阶段的最优解。
正向求解
从初始阶段开始，逐步向前推导 出每个阶段的最优解。
分支定界法
将问题分解为若干个子问题，通过 设定参数和约束条件，将问题的求 解范围缩小到最优解所在的子问题 集合中。
动态规划的应用
最短路径问题
03
由确定型优化向不确 定型优化发展
考虑随机因素和不确定性因素的影响 ，进行概率优化或鲁棒优化。
THANK态规划算法求解最短路径问题，例如 Floyd-Warshall算法、Dijkstra算法等。
通过动态规划算法求解网络流中的最大流和 最小费用流问题。
背包问题
排程问题
通过动态规划算法求解多阶段决策过程中的 最优解，例如0/1背包问题、完全背包问题 等。
通过动态规划算法求解资源分配和任务调度 问题，例如作业排程、飞机调度等。
05
遗传算法优化方法
遗传算法的基本原理
遗传算法是一种基于生物进化理论的优化算法，通过模拟自 然选择、遗传和突变过程来寻求最优解。
遗传算法的基本原理是：在群体中选择出优秀的个体，通过 交叉、变异等操作产生更优秀的后代，迭代进化，最终得到 最优解。
遗传算法的求解过程
初始化种群
随机生成一定数量的个体作为初始种群。
2023
现代优化方法
contents
目录
• 优化方法概述 • 线性规划优化方法 • 非线性规划优化方法 • 动态规划优化方法 • 遗传算法优化方法 • 模拟退火算法优化方法 • 粒子群优化方法 • 现代优化方法比较分析
01
优化方法概述
定义与特点
定义
数学技术中常用的优化算法及使用技巧
数学技术中常用的优化算法及使用技巧在数学技术领域中，优化算法是一种重要的工具，它可以帮助我们在给定的条件下找到最优解。
无论是在工程、经济、医学还是其他领域，优化算法都扮演着重要的角色。
本文将介绍一些常用的优化算法及其使用技巧。
一、梯度下降法梯度下降法是一种常见的优化算法，它通过迭代的方式不断调整参数的值，以找到使目标函数最小化的最优解。
其基本思想是通过计算目标函数的梯度，沿着梯度的反方向进行参数的更新。
这样，我们可以逐步接近最优解。
在使用梯度下降法时，需要注意以下几点。
首先，选择合适的学习率。
学习率决定了每一步参数更新的大小，过大或过小的学习率都可能导致算法的收敛速度变慢或者无法收敛。
其次，需要设置合适的停止条件。
一般来说，可以通过设定目标函数的变化量小于某个阈值来判断算法是否停止。
最后，需要对输入数据进行预处理，以提高算法的性能。
二、遗传算法遗传算法是一种模拟自然进化过程的优化算法。
它通过模拟自然界中的遗传、变异和选择等过程，来搜索问题的最优解。
遗传算法的基本思想是通过不断迭代地生成和改进解的群体，逐步接近最优解。
在使用遗传算法时，需要注意以下几点。
首先，需要选择合适的编码方式。
编码方式决定了解的表示形式，不同的编码方式适用于不同类型的问题。
其次，需要设计合适的适应度函数。
适应度函数用于评估解的质量，它决定了解在进化过程中的生存和繁殖能力。
最后，需要设置合适的参数。
参数包括种群大小、交叉概率、变异概率等，它们会影响算法的性能。
三、模拟退火算法模拟退火算法是一种基于物理退火过程的优化算法。
它通过模拟固体物体在高温下冷却的过程，来搜索问题的最优解。
模拟退火算法的基本思想是通过接受一定概率的劣解，以避免陷入局部最优解。
在使用模拟退火算法时，需要注意以下几点。
首先，需要选择合适的初始温度和退火率。
初始温度决定了算法开始时接受劣解的概率，退火率决定了温度的下降速度。
其次，需要设计合适的能量函数。
能量函数用于评估解的质量，它决定了解在退火过程中的接受概率。
组合优化问题与现代优化算法.
组合优化问题与现代优化算法.《组合优化问题与现代优化算法》在我们的日常生活和工作中，经常会遇到各种各样的决策问题，比如如何安排生产计划以最大化利润，如何规划物流路线以最小化运输成本，如何分配资源以满足不同的需求等等。
这些问题都可以归结为组合优化问题。
组合优化问题是一类在有限的解集合中寻找最优解的问题，其解空间通常是离散的，并且随着问题规模的增大，解的数量会呈指数级增长，这使得求解组合优化问题变得非常困难。
组合优化问题具有广泛的应用领域。
在交通运输领域，车辆路径规划问题就是一个典型的组合优化问题。
如何安排车辆的行驶路线，使得在满足客户需求的前提下，行驶距离最短、成本最低，这对于物流企业来说至关重要。
在制造业中，生产调度问题也是一个重要的组合优化问题。
如何安排生产任务，使得在满足交货期的前提下，生产效率最高、成本最低，这直接影响到企业的竞争力。
在计算机科学中，图的着色问题、旅行商问题等都是著名的组合优化问题，这些问题的解决对于算法设计和计算机性能的提升具有重要意义。
然而，由于组合优化问题的复杂性，传统的精确算法往往难以在合理的时间内找到最优解。
因此，人们提出了各种各样的现代优化算法来求解这些问题。
现代优化算法是一类基于启发式思想的算法，它们不保证能够找到最优解，但通常能够在较短的时间内找到一个较好的近似解。
遗传算法是一种常见的现代优化算法，它模拟了生物进化的过程。
在遗传算法中，解被编码为染色体，通过选择、交叉和变异等操作来产生新的染色体，从而不断进化，逐步找到更好的解。
例如，在求解旅行商问题时，可以将旅行路线编码为染色体，通过不断的进化，找到一个较短的旅行路线。
遗传算法具有全局搜索能力强、鲁棒性好等优点，但也存在收敛速度慢、容易早熟等缺点。
模拟退火算法是另一种现代优化算法，它模拟了固体退火的过程。
在模拟退火算法中，解的质量通过目标函数来评价，算法在搜索过程中以一定的概率接受较差的解，从而避免陷入局部最优。
现代智能优化算法
现代智能优化算法
现代智能优化算法是一种基于智能体演化机制的优化方法，有时也被称为智能优化算法。
它是一个计算机程序，它自动识别实际问题的解决方案，作为一个自动化的优化过程。
它是一种以计算机程序方式处理实际问题的技术。
此技术使复杂的优化任务变得简单，可以在比较短的时间内实现精确解决。
现代智能优化算法的核心是一种优化来自各种优化算法的最优解，它构建在一个元素的紧凑或抽象模型之上，使元素交互作用，使最优解被识别。
它使用种类繁多的算法和演化算法，使最优解进行有效的探索，从而改善优化结果。
由于现代智能优化算法极其复杂，所以它必须与有关算法的技术进行全面的研究，以便能够做到最佳的效果。
同时，它也允许优化问题的复杂性，使最优解可被发现。
常见的智能优化算法包括遗传算法，蚁群算法，免疫算法，粒子群算法，基于蚁群的粒子群算法和自动变量选择，以及多种其他类型的算法。
同时，智能优化算法还包括评价函数，该函数会对所有可能的解决方案进行排序，以证明它们的有效性。
评价函数可以是从通用函数开始的，也可以是基于专业知识的函数，以加强模型的可靠性和有效性。
现代优化计算方法
现代优化计算方法
现代优化计算方法是一种新兴的技术，该技术利用计算机科学和数学
理论来解决非线性问题。
它有助于企业对复杂的决策进行有效的优化。
随着人工智能的发展，现代优化计算方法正发挥着重要作用，帮助企
业自动解决挑战性问题，并有助于企业节约大量时间和成本。
首先，现代优化计算方法以迭代方式解决非线性问题，通过计算当前
状况进行优化，以达到最优的解决方案。
它有助于实现真正的自动解决，而不需要过多的人力介入，从而减少了工作时间。
另外，现代优
化计算使用模型来模拟解决复杂的问题，该模型帮助企业更好地了解
各种变量的影响，以便找出最佳解决方案。
此外，现代优化计算通常使用先进算法来解决问题，如遗传算法、蚁
群算法和模拟退火算法等。
遗传算法能够有效地搜索最优解决方案，
蚁群算法能够快速综合多个目标，模拟退火算法能够搜索最优的结果。
这些算法不仅可以提高解决问题的效率，而且能够显著降低数学计算
的难度，使得复杂的优化问题得到更好地解决。
最后，实施现代优化计算方法有许多好处，它有助于企业解决复杂的
决策问题，并且可以节约大量时间和成本，最终达到更优的结果。
此外，它还可以让企业从中获取可视化情况，从而更好地了解各种变量
的影响，以找出最佳的解决方案。
总之，现代优化计算方法是一种高效的技术，它有助于企业对复杂的
决策问题进行有效的优化，从而节约时间和成本，同时也能够有效解
决挑战性问题，以及更好地了解各种变量的影响。
现代优化方法
通过控制参数的变化，使得解在寻优过程中不断逼近最优解。
概率突跳策略
在寻优过程中，通过引入一定的随机性，使得算法有可能跳出局部最优解，从而寻找到更好的全局最优解。
模拟退火算法的实现步骤
• 初始化：设定初始解、初始温度、降温系数、终止条件等参数。 • 评估解：计算当前解的目标函数值，以及与最优解的距离。 • 判断是否满足终止条件：如果满足，则终止算法并输出最优解；否则，继续下一步。 • 产生新解：根据当前解和目标函数的梯度信息，产生一个新的可能解。 • 判断是否接受新解：根据新解的目标函数值和当前解的目标函数值进行比较，如果新解更好，则接受新解
明确目标
了解约束
首先需要明确优化的目标，如成本最低化、 时间最短化等。目标不同，选择的优化方法 也会不同。
在选择优化方法时，需要了解各种方法的约 束条件，如变量范围、目标函数的性质等。
考虑问题的复杂性
方法的可行性
根据问题的复杂性和规模，选择合适的优化 方法。对于大规模问题，选择高效的优化方 法更为合适。
遗传算法的应用案例
函数优化问题
如求解一元函数的最小值或多元函数的极值点。
调度优化问题
如作业车间调度、排班优化等。
组合优化问题
如旅行商问题、背包问题等。
图像处理问题
如图像分割、特征提取等。
04
模拟退火算法
模拟退火算法的基本原理
基于固体的退火过程的模拟
将优化问题与固体的退火过程进行类比，将问题的解看作是固体中的粒子，通过控制温度和冷却速度，使得粒子在高温下能 够自由运动，并在冷却过程中达到最平衡的状态。
选择的优化方法应具有可实现性和可操作性 ，同时需要考虑计算时间和计算资源的限制 。
现代优化算法简介课件
线性规划的应用案例
01
02
03
04
$item1_c线性规划的应用案例 包括生产计划、运输问题、资 源分配等。
$item1_c线性规划的应用案例 包括生产计划、运输问题、资 源分配等。
$item1_c线性规划的应用案例 包括生产计划、运输问题、资 源分配等。
线性规划的应用案例包括生产 计划、运输问题、资源分配等 。
3. 判断是否接受候选解：根据目标函数值的改善情况， 判断是否接受候选解作为新的当前解。
4. 更新温度：降低当前温度，以保证算法能够跳出局部 最优解。
5. 终止条件：当满足终止条件（如达到最大迭代次数或 目标函数值满足精度要求）时，输出当前解作为最终结果 。
模拟退火算法的应用案例
95% 85% 75% 50% 45%
优化算法的重要性
优化算法在许多领域都有广泛的应用 ，如生产计划、物流运输、金融投资 等。
VS
在这些领域中，优化算法可以帮助我 们找到最优的解决方案，提高效率和 收益。
课程目标
02
01
03
掌握现代优化算法的基本概念和原理。 了解不同类型优化算法的应用场景和优劣。 能够根据实际问题选择合适的优化算法并实现。
100%
递归法
将问题分解为若干个子问题，然 后分别求解每个子问题，最终得 到整个问题的最优解。
80%
迭代法
从初始解开始，逐步迭代，逐步 逼近最优解。
动态规划的应用案例
最短路径问题
动态规划可以用于求解图中两 个节点之间的最短路径问题， 如Dijkstra算法和Floyd算法等 。
背包问题
动态规划可以用于求解0/1背 包问题、完全背包问题和多约 束背包问题等，如Knapsack 算法等。
现代优化方法
系统在受到局部损伤时还可以正常工作。 并不是说可以任意地对完成学习的网络进行修改。 也正是由于信息的分布存放，对一类网来说，当它 完成学习后，如果再让它学习新的东西，这时就会 破坏原来已学会的东西。
擅长两个方面：
◦ 对大量的数据进行分类，并且只有较少的几种情况； ◦ 必须学习一个复杂的非线性映射。
人 (或其它生物)的神经网络示意图
一个神经元通过晶枝(dendrite)接收到信息后，它 对这些信息进行处理 ，并通过它所控制的触突 (synapse)传给其它神经元。来自 神经元的六个基本特征：
◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ 神经元及其联接； 神经元之间的联接强度决定信号传递的强弱； 神经元之间的联接强度是可以随训练改变的； 信号可以是起刺激作用的，也可以是起抑制作用的； 一个神经元接受的信号的累积效果决定该神经元的状态； 每个神经元可以有一个“阈值”。
目前应用：
◦ 人们主要将其用于语音、视觉、知识处理、辅助决策等方 面。 ◦ 在数据压缩、模式匹配、系统建模、模糊控制、求组合优 化问题的最佳解的近似解（不是最佳近似解）等方面也有 较好的应用。。
萌芽期（20世纪40年代） 人工神经网络的研究最早可以追溯到人类开始研究 自己的智能的时期，到1949年止。 1943年，心理学家McCulloch和数学家Pitts建立 起了著名的阈值加权和模型，简称为M-P模型。发 表于数学生物物理学会刊《Bulletin of Mathematical Biophysics》 1949年，心理学家D. O.Hebb提出神经元之间突 触联系是可变的假说——Hebb学习律。
x2 (11 001) y1 (11111) x3 (01111) y2 (01 001) x2 (11 001) y3 (11 000) x4 (01 000) y4 (01 001)
现代优化计算方法
A
19
1.2 计算复杂性的概念
数的规模（编码长度） ： l ( x )
一个数在计算机中存储时占据的位数
实例的规模：
l(I )
一个实例所有参数数值的规模之和
算法的计算量：
CA( I )
算法求解中的加、减、乘、除、比较、
读、写等基本运算的总次数
A
20
数的规模
正整数x的二进制位数是:(整数到二进制的转换)
Intelligence） 6. 人工神经网络（38页） （artificial neural
networks） 7. 拉格朗日松弛算法（35页） （lagrangean
relaxation）
A
3
第一章 概论
1. 组合最优化问题 2. 计算复杂性 3. 邻域 4. 启发式算法
A
4
背景
传统实际问题的特点 连续性问题——主要以微积分为基础，且问题规模较小
28
计算时 1
间
sec
24 10 4.3
4.9
sec min hour day
29
30
31
136.5 day
10.8 year
325 year
随城市增多，计算时间增加很快。 到31个城市时，要计算325年。
描述算法的好坏——计算复杂性——讨论计算时间与问题规模 之间的关系。以目前二进制计算机中的存储和计算为基础， 以理论的形式系统描述，是评估算法性能的基础。
以二进制计算机中的存储和计算为基础 理论产生于20世纪70年代 例 非对称距离TSP问题的算法实现：所有路径枚举。 计算时间：n个城市，固定1个为起终点需要(n-1)!
个枚举 设计算机1秒能完成24个城市的枚举，则城市数与 计算时间的关系如下表：
现代优化算法简介PPT课件
混合优化算法
将传统优化算法与启发式 优化算法相结合，以提高 效率和精度。
02
常见优化算法介绍
梯度下降法
总结词
基本、直观、易实现
详细描述
梯度下降法是最基础的优化算法之一，它通过不断沿着函数梯度的反方向进行 搜索，以寻找最小值点。由于其简单直观且易于实现，梯度下降法在许多领域 都有广泛应用。
牛顿法
优化算法的重要性
优化算法是解决复杂问题的关键，能 够提高效率和精度，降低成本和风险 。
随着大数据和人工智能的快速发展， 优化算法在解决实际问题中扮演着越 来越重要的角色。
现代优化算法的发展历程
01
02
03
传统的优化算法
如梯度下降法、牛顿法等， 适用于简单问题。
启发式优化算法
如遗传算法、模拟退火算 法等，适用于复杂问题。
多目标优化问题
总结词
多目标优化问题是指同时追求多个目标函数 的优化问题，如多目标决策、多目标规划等 。
详细描述
多目标优化问题需要同时考虑多个相互冲突 的目标函数，找到一个平衡的解。现代优化 算法如遗传算法、粒子群算法等在多目标优 化问题中广泛应用，能够找到一组非支配解
，满足不同目标的权衡和折衷。
04
指算法在处理大规模数据集时的性能表现。
详细描述
随着数据规模的增大，算法的可扩展性变得越来越重 要。现代优化算法需要能够高效地处理大规模数据集 ，同时保持较高的计算效率和精度。这需要算法设计 时充分考虑计算资源的利用和优化。
算法的理论支撑
总结词
指算法的理论基础和数学证明。
详细描述
现代优化算法需要有坚实的理论基础 和数学证明，以确保其有效性和正确 性。这需要算法设计者具备深厚的数 学功底和理论素养，以确保算法的可 靠性和稳定性。
MOA
15
遗传操作
（2）交叉 ）交叉(Crossover)
将被选中的两个个体的基因链按一定概率进行交 被选中的两个个体的基因链按一定概率进行交 生成两个新的个体，交叉位置是随机的。 叉，生成两个新的个体，交叉位置是随机的。 分为单点交叉、双点交叉、均匀交叉….. 分为单点交叉、双点交叉、均匀交叉 单点交叉操作的简单方式是将两个个体作为父母 单点交叉操作的简单方式是将两个个体作为父母 个体，将两者的部分基因码值进行交换。 个体，将两者的部分基因码值进行交换。 例：
变异（ 变异（mutation） ）
编码的某一个分量发生变化的过程
适者生存
算法停止时，最有可能存活的是最优解 算法停止时，
北京理工大学计算机科学技术学院 人工智能基础 现代优化算法
13
遗传算法的基本要素
1.编码与译码 编码与译码
编码：将问题结构变换为位串形式编码表示的染色体 编码： 译码：将染色体表示变换为原问题结构。 译码：将染色体表示变换为原问题结构。
2.适应度函数 适应度函数
对染色体适应性进行度量的函数。通过适应度函数来 对染色体适应性进行度量的函数。 适应性进行度量的函数 决定染色体的优劣程度，体现了自然进化中的优胜劣 决定染色体的优劣程度，体现了自然进化中的优胜劣 汰原则。 汰原则。适应度函数的取值大小与求解问题对象的意 义有很大的关系。对优化问题， 义有很大的关系。对优化问题，适应度函数就是目标 函数。 函数。
Step1 设定初始温度 = tmax, 任选初始解 = r0 设定初始温度t 任选初始解r
Step2 内循环
1. 目标函数均值稳定 2. 连续若干步的目标 值变化较小 Step2.1 从r的邻域中随机选一个解 t, 计算 和rt对应目标函 的邻域中随机选一个解r 的邻域中随机选一个解 计算r和 3. 固定的抽样步数 数值, 对应目标函数值较小，则令r 数值 如rt对应目标函数值较小，则令 = rt; 否则若
数学建模算法与应用第3版
数学建模算法与应用第3版摘要：一、数学建模概述1.数学建模的基本概念2.数学建模的步骤与方法二、数学建模算法与应用1.初等模型2.微分方程模型3.种群生态学模型4.线性规划模型5.非线性规划模型6.层次分析模型7.随机模型8.动态规划模型9.图论模型10.最短路模型11.网络流模型三、支持向量机与偏最小二乘回归分析1.支持向量机原理与应用2.偏最小二乘回归分析方法四、现代优化算法与应用1.现代优化算法概述2.优化算法在实际问题中的应用五、数字图像处理与应用1.数字图像处理基本概念2.图像处理算法与应用六、综合评价与决策方法1.综合评价方法2.决策方法与应用七、预测方法与应用1.预测方法概述2.预测方法在实际问题中的应用八、数学建模经典算法与应用1.数学建模经典算法概述2.经典算法在实际问题中的应用正文：一、数学建模概述数学建模是将实际问题抽象为数学问题，并通过数学方法求解实际问题的过程。
数学建模的过程通常包括以下几个步骤：问题分析、建立数学模型、求解数学模型、检验与修正模型、应用与优化模型。
在数学建模中，各种数学方法都发挥着重要作用。
二、数学建模算法与应用1.初等模型：初等模型主要包括线性回归模型、多项式回归模型等。
这些模型可以应用于股价预测、房价分析等领域。
2.微分方程模型：微分方程模型可以描述种群数量变化、物质传输等问题。
例如，利用微分方程模型研究病毒传播规律。
3.种群生态学模型：种群生态学模型主要用于研究生物种群数量的变化，如Logistic模型、Ricker模型等。
4.线性规划模型：线性规划模型是一种求解最优化问题的方法，广泛应用于资源分配、生产计划等领域。
5.非线性规划模型：非线性规划模型主要用于解决非线性优化问题，如二次规划、凸优化等。
6.层次分析模型：层次分析模型是一种多准则决策方法，可以用于评估各种方案的优劣。
7.随机模型：随机模型用于描述随机现象，如马尔可夫链、泊松过程等。
8.动态规划模型：动态规划模型是一种求解多阶段决策问题的方法，如背包问题、最长公共子序列等。
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避免碰撞 速度匹配 中心聚集
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鸟群觅食模型
Food
Global Best Solution
Past Best Solution
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谢谢大家
Q/A
有关，缺乏规
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可应用那些问题
可应用那些问题 NP问题 ………不存在多项式算法的问题,典型问题如背包问题,周游问题,选址 问题等 某些高阶多项式算法问题 ……….如对应算法时间复杂度超过4阶以上,此时利用普通算法在有效 时间内可能不能得到结果 那些问题不适合使用 ……..求解为精确解 …….不是优化模型问题 ……..有低阶多项式算法
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其它生物启发式计算技术
进化规划算法
进化编程 人工免疫系统
DNA计算
膜计算等
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群体智能（Swarm Intelligence）
生物学家研究表明：在这些群居生物中虽然每个个体 的智能不高，行为简单，也不存在集中的指挥，但由 这些单个个体组成的群体，似乎在某种内在规律的作 用下，却表现出异常复杂而有序的群体行为。
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5、动态规划、回溯搜索、分治算法、分支定界等计算机 算法（这些算法是算法设计中比较常用的方法，很多场 合可以用到竞赛中） 6、最优化理论的三大非经典算法：模拟退火法、神经 网络、遗传算法（这些问题是用来解决一些较困难的最 优化问题的算法，对于有些问题非常有帮助，但是算法 的实现比较困难，需慎重使用） 7、数值分析算法（如果在比赛中采用高级语言进行编程 的话，那一些数值分析中常用的算法比如方程组求解、 矩阵运算、函数积分等算法就需要额外编写库函数进行 调用） 8、一些连续离散化方法（很多问题都是实际来的，数据 可以是连续的，而计算机只认的是离散的数据，因此将 其离散化后进行差分代替微分、求和代替积分等思想是 非常重要的）
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现代优化算法简介
安徽师范大学数学计算机科学学院
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优化问题概述
实际生活中的优化问题 最优化问题模型
min f ( x)
s.t gi ( x) 0 hi ( x) 0 或 >0
x S RD
全局最优与局部最优
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组合优化问题优化模型
组合优化（combinatorial optimization）:解决离散问题的优 化问题——运筹学分支。通过数学方法的研究去寻找离散事件的 最优编排、分组、次序或筛选等，可以涉及信息技术、经济管理、 工业工程、交通运输和通信网络等许多方面。 数学模型：
+
+ = + =
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神经计算
细胞体 轴突 突触 树突
人工神经网络是由 具有 适应性的简单单元组成的 广泛并行互连的网络，它 的组织能够模拟生物神经 系统对真实世界物体所作 出的交互反应。
电脉冲
输 入
树 突
细胞体 信息处理
形成
轴突 传输
突 触
输 出
图 12.2 生物神经元功能模型
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神经计算
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当前进化算法新进展
多目标优化 动态环境下优化 大规模超大规模优化 不确定环境下优化 ………………………………..
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生物启发式优化方法
生物启发式计算是指以生物界的各种自然现象或过程 为灵感，而提出的一系列启发式智能计算方法。
遗传算法 神经网络 模糊逻辑
。。。。。
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遗传算法
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经典的计算方法
17世纪Newtown 微积分 1847年 Cauchy 最速下降法 1939年 Kantorovich下料问题和运输问题 问题求解 1947年 Dantzig 单纯形方法
AHNU 传统运筹学面临新挑战
现代问题的特点 离散性问题——主要以组合优化（针对离散问题，定义见后）理论 为基础 不确定性问题——随机性数学模型 半结构或非结构化的问题——计算机模拟、决 策支持系统 大规模问题——并行计算、大型分解理论、近似理论 现代优化方法 追求满意——近似解 实用性强——解决实际问题 现代优化算法的评价方法 算法复杂性
达到最大循环次数
输出最短路径及其长度
结束
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鱼群觅食模型
生物社会学家E.O.Wilson指出：“至少从理论上，在搜索食 物过程中群体中个体成员可以得益于所有其他成员的发现 和先前的经历。当食物源不可预测地零星分布时，这种协 作带来的优势是决定性的，远大于对食物的竞争带来的劣 势。”
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鸟群的飞行行为
min f ( x) s.t.g ( x) 0, x D.
目标函数 约束函数 有限点集, 决策变量
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组合优化问题
组合优化问题的三参数表示：
( D, F , f ) D : 决策变量定义域 F x | x D, g ( x) 0, 可行域, 有限点集 f :目标函数 x F : 可行解（点） x : 最优解，如果 x F , f ( x ) min f ( x) | x F .
生物进化过程是一个自然， 并行，稳健的优化过程，这 一优化过程的目的在于使生 命体达到适应环境的最佳结 构与效果，而生物种群通过” “优胜劣汰”及遗传变异来 达到进化（优化）目的的。
进化过程 优化过程
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遗传算法
生物的进化机制
自然选择 适应环境的个体具有更 高的生存能力，同时染 色体特征被保留下来 杂交 随机组合来自父代的染 色体上的遗传物质，产 生不同于它们父代的染 色体 突变 随机改变父代的染色体 基因结构，产生新染色 体
ij (t n) ij (t ) ij (t, t n)
ij = 1/dij
对每只蚂蚁按概率移到下一顶点
更新每个蚂蚁的个体禁忌表
信息量更新
表示轨迹的相对重要性
ij
表示能见度的相对重要性 轨迹的持久性
表示第K只蚂蚁在本次循环中留在路径ij上的信息量
AHNU
A C
ij (t )] [ij] if j allowed jallowed [ ij (t )] [ij ] k pij (t ) otherwise 0
初始化
N c N c +1
轨迹更新: Visibility:
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模糊逻辑
x 是 A1
规则1
y 是 B1 y 是 B2
x
x 是 A2 x
是 Ar
规则2
集 结 器
去 模 糊 化
y
规则r
y 是 Br
模糊推理系统是建立在模糊集合理论、模糊if-then规则和模 糊推理等概念基础上的先进的计算框架。 模糊推理系统的基本结构由三个重要部件组成：一个规则库， 包含一系列模糊规则；一个数据库，定义模糊规则中用到的隶 属度函数（Membership Functions, MF）；以及一个推理机制， 按照规则和所给事实执行推理过程求得合理的输出或结论 。
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9、网格算法和穷举法（网格算法和穷举法都是暴力搜索 最优点的算法，在很多竞赛题中有应用，当重点讨论模 型本身而轻视算法的时候，可以使用这种暴力方案，最 好使用一些高级语言作为编程工具） 10、图象处理算法（赛题中有一类问题与图形有关，即 使与图形无关，论文中也应该要不乏图片的，这些图形 如何展示以及如何处理就是需要解决的问题，通常使用 Matlab进行处理）
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启发式算法_优点
优点： （1）有可能比简化数学模型解的误差小； （2）对有些难题，计算时间可接受； （3）可用于某些最优化算法（如分支定界算 法）之中的估界； （4）直观易行； （5）速度较快； （6）程序简单，易修改。
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启发式算法_不足
不足： （1）不能保证求得全局最优解； （2）解的精度不稳定，有时好有时坏； （3）算法设计与问题、设计者经验、技术 律性； （4）不同算法之间难以比较。
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计算机上的常用算法：
1、蒙特卡罗算法（该算法又称随机性模拟算法，是通过计算机 仿真来解决问题的算法，同时可以通过模拟可以来检验自己模型 的正确性，是比赛时必用的方法） 2、数据拟合、参数估计、插值等数据处理算法（比赛中通常会 遇到大量的数据需要处理，而处理数据的关键就在于这些算法， 通常使用Matlab作为工具） 3、线性规划、整数规划、多元规划、二次规划等规划类问题 （建模竞赛大多数问题属于最优化问题，很多时候这些问题可以 用数学规划算法来描述，通常使用Lindo、Lingo软件实现） 4、图论算法（这类算法可以分为很多种，包括最短路、网络流 二分图等算法，涉及到图论的问题可以用这些方法解决，需要认 真准备）
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启发式计算方法
【定义1-1】 启发式算法是一种基于直观或经验构造的算 法，在可接受的耗费（指计算时间、占用空间等）下给出待 解决优化问题每一实例的一个可行解，该可行解与最优解的 偏离程度未必可事先估计。 【定义1-2】 启发式算法是一种技术，该技术使得能在可 接受的计算费用内去寻找尽可能好的解，但不一定能保证所 得解的可行性和最优性，甚至在多数情况下，无法描述所得 解与最优解的近似程度。 经典的启发式方法基本原理:根据问题的部分已知信息来启发式 地探索该问题的解决方案，在探索解决方案的过程中将发现的 有关信息记录下来，不断积累和分析，并根据越来越丰富的已 知信息来指导下一步的动作并修正以前的步骤，从而获得在整 体上较好的解决方案。
I1
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人工神经网络（Artificial Neural Networks, ANN），一种模范动 物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。 这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连 接的关系，从而达到处理信息的目的。人工神经网络具有自学习和 自适应的能力。