优化方法及应用 第一章
物流行业物流网络优化方案
物流行业物流网络优化方案第一章：物流网络优化概述 (3)1.1 物流网络优化背景 (3)1.2 物流网络优化意义 (3)1.3 物流网络优化方法 (3)第二章：物流网络节点优化 (4)2.1 节点布局优化 (4)2.2 节点规模优化 (4)2.3 节点功能优化 (5)第三章：物流运输线路优化 (5)3.1 运输线路规划 (5)3.1.1 运输距离与时间 (5)3.1.2 运输成本 (5)3.1.3 运输需求 (5)3.1.4 运输能力 (5)3.2 运输线路优化算法 (6)3.2.1 启发式算法 (6)3.2.2 贪心算法 (6)3.2.3 动态规划算法 (6)3.2.4 混合算法 (6)3.3 运输线路调整策略 (6)3.3.1 实时监控与预警 (6)3.3.2 动态调整 (6)3.3.3 多式联运 (6)3.3.4 路线优化与调整 (6)第四章：物流仓储优化 (7)4.1 仓储布局优化 (7)4.2 仓储设施优化 (7)4.3 仓储管理优化 (7)第五章：物流配送优化 (8)5.1 配送中心选址优化 (8)5.2 配送路线优化 (8)5.3 配送效率优化 (8)第六章：物流信息技术优化 (9)6.1 物流信息系统优化 (9)6.1.1 系统架构优化 (9)6.1.2 功能模块优化 (9)6.1.3 系统集成优化 (9)6.2 物流数据挖掘与分析 (10)6.2.1 数据挖掘技术优化 (10)6.2.2 数据分析方法优化 (10)6.2.3 数据可视化优化 (10)6.3.1 互联网物流 (10)6.3.2 人工智能在物流中的应用 (10)6.3.3 大数据在物流中的应用 (11)第七章：物流成本优化 (11)7.1 成本控制策略 (11)7.1.1 成本控制原则 (11)7.1.2 成本控制方法 (11)7.2 成本分析模型 (11)7.2.1 成本结构分析 (11)7.2.2 成本效益分析 (11)7.2.3 成本敏感性分析 (12)7.3 成本优化措施 (12)7.3.1 采购成本优化 (12)7.3.2 运输成本优化 (12)7.3.3 仓储成本优化 (12)7.3.4 信息技术应用 (12)第八章：物流服务质量优化 (12)8.1 服务质量评价体系 (12)8.1.1 评价体系构建原则 (12)8.1.2 评价体系构成 (13)8.2 服务流程优化 (13)8.2.1 流程优化目标 (13)8.2.2 流程优化方法 (13)8.3 客户满意度提升 (13)8.3.1 客户满意度影响因素 (13)8.3.2 提升客户满意度策略 (13)第九章：物流网络协同优化 (14)9.1 企业内部协同 (14)9.1.1 内部协同的必要性 (14)9.1.2 内部协同的策略 (14)9.2 企业间协同 (14)9.2.1 企业间协同的必要性 (14)9.2.2 企业间协同的策略 (15)9.3 行业协同 (15)9.3.1 行业协同的必要性 (15)9.3.2 行业协同的策略 (15)第十章：物流网络优化实施与评价 (15)10.1 物流网络优化实施步骤 (16)10.1.1 明确优化目标 (16)10.1.2 数据收集与分析 (16)10.1.3 制定优化方案 (16)10.1.4 实施优化方案 (16)10.1.5 监控与调整 (16)10.2.1 评价指标选取 (16)10.2.2 评价方法 (16)10.2.3 评价结果分析 (17)10.3 物流网络优化持续改进 (17)10.3.1 建立持续改进机制 (17)10.3.2 加强信息化建设 (17)10.3.3 培训与人才储备 (17)10.3.4 深化合作与交流 (17)第一章：物流网络优化概述1.1 物流网络优化背景全球经济的发展和我国市场经济体制的不断完善，物流行业作为连接生产与消费的重要桥梁，其地位日益凸显。
机械优化设计方法第一章
2、现代设计法 现代设计法是一个科学的、理性的、动态的和计算机化 的过程。 （1）动向预测 （2）信号分析 （3）科学类比 （4）系统分析 （5）逻辑分析 （6）相似分析 （7）模拟分析 （8）优化设计 （9）有限元分析 （10）动态分析 （11）可靠性分析
3 最优化问题
最优化技术是一门较新的学科分支。它是上世纪五十年代初在 电子计算机广泛应用的推动下才得到迅速发展，并成为一门直到目 前仍然十分活跃的新兴学科。最优化所研究的问题是在众多的可行 方案中怎样选择最合理的一种以达到最优目标。
配料
石灰石 谷物 大豆粉
钙
0.380 0.001 0.002
蛋白质
0.00 0.09 0.50
纤维
0.00 0.02 0.08
成本（元/ kg） 0.0164
0.0463
0.1250
解:根据前面介绍的建模要素得出此问题的数学模型如下:
设 x1，x2，x3是生产100kg混合饲料所须的石灰石、谷物、大豆粉的 量（kg）。
例5 如图所示，有一块边长为6m的正方形铝板，四角 截去相等的边长为x的方块并折转，造一个无盖的箱子， 问如何截法(x取何值)才能获得最大容积的箱子?
请注意优化设计目标：箱子容积最大。 这个简单的最优化问题可把箱子的容积V表成变量参数 x的函数，V=x(6-2x)2，令其一阶导数为零(即dV/dx=0)，求 得极大点x=1、函数极 大值Vmax=16，从而获 得四角截去边长1m的 正方形使折转的箱子 容积最大(16m3）最优 方案。
圆杆截面图
2L
桁杆示意图
解：桁杆的截面积为 ： S dB 桁杆的总重量为： W 2dB L2 h 2
2 2 p p L h 负载2p在每个杆上的分力为： p 1 cos h
最优化计算方法第1章
具体内容
• 第一章 绪论 • 第二章 基本概念和理论基础 • 第三章 线性规划 • 第四章 最优化搜索算法结构与一维搜索 • 第五章 无约束最优化方法 • 第六章 约束最优化方法
路漫漫其悠远
教材及主要参考书目
《最优化计算方法》陈开周编，西电出版社 《最优化理论与方法》袁亚湘等编，科学出版社 《最优化理论与算法》陈宝林编，清华大学出版社 《数学规划讲义》马仲蓄等编，人大出版社 《实用线性规划》D.M希梅尔布劳著 《无约束最优化计算方法》邓乃杨等编
可能的方案 追求的目标
最优化就是从所有可能的方 案中选择最合理的一种以达 到最优目标的学科
后者是前者的函数. 如果第一要素与时间无关就称为静态最优化问题，否则 称为动态最优化问题。
本课程主要讨论静态最优化问题。
路漫漫其悠远
历史与现状
• 公元前500年，古希腊在讨论建筑美学中就已发现了长方 形长与宽的最佳比例为1.618,称为黄金分割比。其倒数 至今在优选法中仍得到广泛应用。
由于现实系统的客观物质条件限制，模型必须包括把 决策变量限制在它们可行值之内的约束条件，而这通常是 用约束的数学函数形式来表示的。 目标函数
其作为系统决策变量的一个数学函数来衡量系统的效 率，即系统追求的目标。
路漫漫其悠远
优化模型的分类
根据问题的不同特点分类 无约束最优化问题 约束最优化问题
• 等式约束优化问题
性的。
根据函数性质分类 动态与静态 随机与确定 单目标与多目标
路漫漫其悠远
优化模型的分类
解法的分类 解析方法:利用函数的分析性质去构造迭代公式，使之收敛
到极值点。 直接方法：按一定的数学原理，用尽量少的计算量，直接比
较函数值的大小。
最优化方法第一章最优化问题与凸分析基础
4.2 凸函数
定义: 设集合 S Rn 为凸集，函数 f :SR， 若 x(1), x(2) S, ( 0 , 1 ) ，均有
f( x(1)＋(1- ) x(2) ) ≤f(x(1))+(1- )f(x(2)) ， 则称 f(x) 为凸集 S 上的凸函数。
hi x 0 等式约束
称满足所有约束条件的向量 x为可行解，或可行点，全体
可行点的集合称为可行集，记为D 。
D {x | hi x 0, i 1, 2, m, g j x 0,
j 1, 2, p, x Rn } 若 hi ( x), g j ( x) 是连续函数，则D 是闭集。
2.3 Hesse矩阵
Hesse 矩阵：多元函数 f (x) 关于 x 的二阶偏导
数矩阵
2
f
X
x12
2
f
X
f
X
2 f X
x1 x2
2
f
X
x1xn
2 f X
x2x1
2 f X
x22
2 f X
x2 xn
2
f
X
xnx1
2
f
X
xnx2
2
f
X
xn2
例：求目标函数 f (x) x12 x22 x32 2x1x2 2x2x3 3x3 的梯度和Hesse矩阵。
若进一步有上面不等式以严格不等式成立，则称
f(x) 为凸集 S 上的严格凸函数。 当- f(x) 为凸函数（严格凸函数）时，则称 f(x) 为
凹函数（严格凹函数）。
严格凸函数
第1章最优化方法的基本知识
Pattern Recognition and Intelligent System Institute, BIT
最优化方法的地位
为应用数学的一个分支，是新兴的数学理论之一； 是现代工程分析最佳设计的四种主要方法之一：
有限元分析 将问题从几何上看作有限个小单元（结点） 将问题从几何上看作有限个小单元（结点）相互连接而成的集 合体，使连续体离散化，然后用结构矩阵分析的方法处理， 合体，使连续体离散化，然后用结构矩阵分析的方法处理，得 到一组以结点场量为未知量的代数方程组， 到一组以结点场量为未知量的代数方程组，再用计算机及相应 最优化方法 无穷维系统，一般由偏微分方程、积分方程、 无穷维系统，一般由偏微分方程、积分方程、泛函微分方程 的计算方法，可以得到需求结点处未知量的近似值。 的计算方法，可以得到需求结点处未知量的近似值。 或抽象空间中的微分方程所描述。 或抽象空间中的微分方程所描述。我国学者在细长体弹性振 动系统的建模和振动控制、振动系统的谱分析、 动系统的建模和振动控制、振动系统的谱分析、能控性和反 动态设计 一般地， 一般地，系统的数学模型与实际系统存在着参数或结构等方 由于实际系统的复杂性，人们往往很难(或不可能 由于实际系统的复杂性，人们往往很难 人口系统控制、人 馈镇定、一般无穷维系统的极大值原理、或不可能)从基本的 人口系统控制、 馈镇定、一般无穷维系统的极大值原理、或不可能 从基本的 面的差异， 面的差异，而我们设计的控制律大多都是基于系统的数学模 物理定律出发直接推导出系统的数学模型， 物理定律出发直接推导出系统的数学模型，这就需要利用可 口预测和控制等方面都做出了重要贡献。 口预测和控制等方面都做出了重要贡献。 为了保证实际系统对外界干扰、 型，为了保证实际系统对外界干扰 以量测的系统输入和输出数据， 、系统的不确定性等有尽 以量测的系统输入和输出数据，来构造系统内部结构及参数 数值仿真 可能小的敏感性，导致了研究系统鲁棒控制问题。 可能小的敏感性，导致了研究系统鲁棒控制问题 的估计，并研究估计的可靠性和精度等问题， 。 的估计，并研究估计的可靠性和精度等问题，这就是系统辨 近几年，非线性系统、时滞饱和系统、 近几年，非线性系统、时滞饱和系统、时滞故障系统的鲁棒 识的任务。系统辨识领域有3个热点研究方向 个热点研究方向: 识的任务。系统辨识领域有 个热点研究方向 综合控制问题已经成为新的热点研究方向， 综合控制问题已经成为新的热点研究方向，而且已经有不少 1.基于鲁棒控制数学模型要求的鲁棒辨识； 基于鲁棒控制数学模型要求的鲁棒辨识； 基于鲁棒控制数学模型要求的鲁棒辨识 应用事例。例如，核反应堆的温度跟踪鲁棒控制、 应用事例。例如，核反应堆的温度跟踪鲁棒控制、导弹系统 2.基于特殊信号驱动下的系统辨识； 基于特殊信号驱动下的系统辨识； 基于特殊信号驱动下的系统辨识 Pattern Recognition and Intelligent System Institute, 。 的鲁棒自适应最优跟踪设计、机器人操作的鲁棒神经控制。 的鲁棒自适应最优跟踪设计、机器人操作的鲁棒神经控制。 3.基于智能信息处理的非线性系统辨识 BIT 基于智能信息处理的非线性系统辨识。 基于智能信息处理的非线性系统辨识
最优化理论与算法(第一章)
最优化理论与算法（数学专业研究生）第一章引论前言一、历史与现状最优化理论最早可追忆到古老的极值问题，但成为一门独立的学科则是在 20世纪四十年月末至五十年月初。
其奠定性工作包含FritzJohn最优性条件（ 1948），Kuhn-Tucker最优性条件（1951），和Karush最优性条件(1939)。
近几十年来最优化理论与算法发展十分快速，应用也愈来愈宽泛。
现在已形成一个相当宏大的研究领域。
对于最优化理论与方法，狭义的主要指非线性规划的有关内容，而广义的则涵盖：线性规划、非线性规划、动向规划、整数规划、几何规划、多目标规划、随机规划甚至还包含变分、最优控制等动向优化内容。
本课程所波及的内容属于前者。
二、最优化问题的一般形式1、无拘束最优化问题minf(x)（）xR n2、拘束最优化问题minf(x)c i(x)0,i E（）st..i Ic i(x)0,这里E和I均为指标集。
§数学基础一、范数向量范数xx1x2maxx i（l范数）（）ni1x i（l1范数）（）n1(x i2)2（l2范数）（）i11/30n1x p(x i p)p（l p范数）（）i11x A(x T Ax)2（A正定）（椭球范数）（）事实上1－范数、2－范数与范数分别是p－范数当p＝1、2和p时情况。
2．矩阵范数定义方阵A的范数是指与A有关系并记做A的一个非负数，它拥有以下性质：①对于A0都有A0，而A0时A0；②对于随意k R，都有kA kA；③AB A B；④AB A B；若还进一步知足：⑤Ax p A x p则称之为与向量范数p相协调（相容）的方阵范数。
若令AxAmaxx （这里x是某一直量范数）（）x0可证这样定义的范数是与向量范数相协调的，往常称之为由向量范数引诱的方阵范数。
特别地，对方阵A(a ij)nn，有：nA1max a ijj1inA max a iji1j1A2(A T A)2（（列和的最大者）（）（行和的最大者）（）T表示A T A的特点值的最大者）(1.11) AA称为谱范数（注：方阵A的特点值的模的最大者称为A的谱半径，记为(A)）。
优化方法及应用 第一章
min n
xR
f x
约束优化问题的标准形式
min s.t.
f x gi x 0. i 1, 2,, m
根据目标函数及约束类型的不同特点分类
Page 23
线性规划 优化问题 非线性规划
•线性规划：目标函数 f(x)和约束函数 gi(x) 皆为线性函数。 •非线性规划:目标函数 f(x) 和约束函数 gi(x) 不全是线性函数
x
Page 12
曲线不一定通过那m个测量点，而要产生“偏差”，将测量点沿 垂线方向到曲线的距离的平方和作为这种“偏差”的度量. 即
y
m a2 S yi a1 x i a4 i 1 1 a3 ln 1 exp a 5
(III)根据变量类型分类„
根据约束类型的不同特点分类
Page 19
无约束优化 等式约束问题 优化问题 约束优化 不等式约束问题 混合约束问题
设Rn 为n维欧氏空间，x R n , x x1 , x2 , xn , 向量变量实值 函数 f : R n R1. gi，hj 均为向量x 的实值函数.
Page 16
例2.5.（混合饲料配合）以最低成本确定满足动物所需营养的 最优混合饲料。设每天需要混合饲料的批量为100磅，这份饲 料必须含：至少达到0.8%而不超过1.2%的钙;至少22%的蛋 白质;至多5%的粗纤维。假定主要配料包括石灰石、谷物、 大豆粉。这些配料的主要营养成分为：
配料 石灰石 谷物 大豆粉 每磅含钙 0.380 0.001 0.002 每磅含蛋 白质 0.00 0.09 0.50 每磅含 纤维 0.00 0.02 0.08 每磅成本 0.0164 0.0463 0.1250
蚁群算法在路径规划与优化中的应用
蚁群算法在路径规划与优化中的应用第一章：引言在现实生活中，路径规划和优化一直是一个重要且具有挑战性的问题。
无论是城市道路的交通拥堵还是物流配送中心的最优路径选择，路径规划和优化能帮助我们节约时间和资源。
近年来，蚁群算法作为一种基于自然现象的模拟优化方法，已经被广泛应用于路径规划和优化问题中。
本文将重点介绍蚁群算法的原理和应用，以及其在路径规划与优化中的作用。
第二章：蚁群算法原理蚁群算法是由Marco Dorigo等人于1992年提出的一种模拟蚂蚁觅食行为的计算方法。
蚁群算法模拟了蚂蚁在寻找食物时的行为规律，其中包括信息素释放和信息素挥发等行为。
蚂蚁通过释放信息素，与其他蚂蚁进行信息交流，并根据信息素浓度来选择路径。
信息素会随着时间的推移而挥发，从而不断影响蚂蚁的行为选择。
通过这种方式，蚁群算法能够找到一条较优的路径。
蚁群算法的原理类似于人类社会中的群体智慧，即通过合作与信息交流来寻找最优解。
第三章：蚁群算法在路径规划中的应用蚁群算法在路径规划中的应用主要包括：城市道路交通规划、无人车路径规划和物流配送路径规划等。
例如，在城市道路交通规划中，蚁群算法可以帮助确定最佳的路网连接方式，以及解决交通拥堵问题。
在无人车路径规划中，蚁群算法可以根据交通流量和道路状况等因素，选择合适的行驶路径。
在物流配送路径规划中，蚁群算法可以帮助确定最优的配送路线，以减少成本和提高效率。
第四章：蚁群算法在路径优化中的应用蚁群算法在路径优化中的应用主要包括：路线优化、资源调度和路径搜索等。
例如，在路线优化中，蚁群算法可以帮助优化货车的行驶路线，以减少行驶距离和时间成本。
在资源调度中，蚁群算法可以帮助优化人员的分配和任务调度，以提高工作效率和资源利用率。
在路径搜索中，蚁群算法可以帮助找到最短路径或者最优解，以满足用户需求。
第五章：蚁群算法的优缺点蚁群算法作为一种模拟生物行为的优化算法，具有一些优点和缺点。
其优点包括：能够寻找复杂问题的较优解、容易实现和灵活性强。
最优化方法 1第一章
2 2
比较以上三式可得 3a yz 3a zx 3a xy 从而x=y=z=a，右侧面积固定的长方 体的最大体积客观存在，因此侧面积固定 的长方体中以正方体体积最大．
j 1
18
按经典极值问题解法可能出现不能解决的情况：
（1）当变量个数增加且方程组又是非线性，求解此方程 只有在相当特殊情况下才能人工解出．通常高等数学中的 求极值问题的变量个数一般不超过三个． （2）当限制条件出现不等式，无论变量数多少，按经典 极值方法求解根本无法解决． 要解决上述问题，直到本世纪50年代最优化理论建立 以及电子计算机的迅速发展才为求解各种最优化问题提供 了雄厚的基础和有效手段．而且最优化方法作为一门崭新 的应用学科，有关理论和方法有待于进一步发展与完善。
解设长方体的长宽高分别为体积为则依题意知体积为限制条件为由拉格朗日乘数法考虑函数xyzvvfxyzxyz??2260xyzyzxzxya??????62222?13令62222axyzxyzxyzzyxf??????202020xyzfyzyzfxzzxfxyxy??????????????????由题意可知应是正数由此将上面三个等式分别乘以并利用条件得到222230230230xyzayzxyzazxxyzaxy?????????????????
2 x1 5 x 2 40
x1 0 ， x2 0
即求
max f ( x1 , x 2 ) x1 x 2 ，
2 x1 5 x2 40， x1 0，x2 0．
16
第一个例子代表无约束极值问题： 一般地可表示为 min f ( x1 , x 2 , , x n )或 max f ( x1 , x 2 , , x n ) n 这里 f ( x1 , x 2 , , x n ) 是定义在 R 上的可微函数． 求极值的方法是从如下含有n个未知数的非线性方程组
运筹学与最优化方法 第3版 第1章 运筹学思想与运筹学建模
1.5基本概念和符号
2.多元函数及其导数
(1) n元函数：f (x): Rn R
线性函数：f (x) = cTx + b = ci xi + b 二次函数：f (x) = (1/2) xTQx + cTx + b
= (1/2) aij xi xj + ci xi + b 向量值线性函数：F(x) = Ax + d Rm
其中， A为 mn矩阵，d为m维向量
F(x)=( f1(x), f2(x), … , fm(x) )T 记 aiT为A的第i行向量，f(x) = aiTx
1.5基本概念和符号
(2) 梯度（一阶偏导数向量）： f (x)＝( f / x1 , f / x2 , … , f / xn )TRn 线性函数：f (x) = cTx + b , f (x) = c
x , y 的距离： ‖x－y ‖= [(x － y)T(x － y)](1/2)
x 的长度： ‖x‖= [ xTx ](1/2)
三角不等式： ‖x + y ‖≤‖x‖＋‖y‖
x
x+y
y
点列的收敛：设点列｛x(k)｝ Rn , x Rn
点列｛x(k)｝收敛到 x ，记
lim
k
x(k)
=
x
lim‖x(k)
1.5基本概念和符号
规定：x , y Rn，x ≤ y xi ≤ yi ，i ； 类似地规定 x ≥ y，x = y，x < y , x > y 。
一个有用的定理
设 xRn，R，L为Rn 的线性子空间。 若 xTy ≤ , yRn 且 y ≥ 0， 则
x ≤ 0， ≥ 0 若 xTy ≤ , y L Rn ， 则
最优化方法第一章
最优化的数学模型的一般形式:
f ( x) min s.t. ci ( x) 0 ci ( x ) 0 i 1, , m i m 1, , p
T n
(1.1.1)
其中
x ( x1 , x 2 , , x n ) R f : R n R1 ci : R R
分析：在长度确定的原料上截取三种不同规格的圆钢,
可
以归纳出8种不同的下料方案：
圆钢（米） Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅶ
2．9
2．1 1．5 料头（米）
1
0 3 0
2
0 1 0.1
0
2 2 0.2
1
2 0 0.3
0
1 3 0.8
1
1 1 0.9
0
3 0 1.１
0
0 4 1.4
问题归纳为如何混合使用这8种不同的下料方案, 来制造100 套钢架, 且要使剩余的余料总长为最短.
15
原料
化学成分 A B C 单位成本（元）
化学成分含量（%） 产品中化学成分的最低含量（%）
甲 12 2 3 ３ 乙 3 3 15 ２ 4 2 5
数学模型：
min z 3 x1 2 x2 x1 x2 1 12 x 3 x 4 2 1 s.t . 2 x1 3 x2 2 3 x 15 x 0 2 1 x1 0, x2 0
4
其它参考书： (5)卢名高、刘庆吉编著, 《最优化应用技术》, 石油 工业出版社,2002 (6)唐焕文, 秦学志,《实用最优化方法》, 大连理工大 学出版社, 2004 (7)钱颂迪, 《运筹学》, 清华大学出版社, 1990 (8)解可新、韩健, 《最优化方法》, 天津大学出版社, 2004
最优化方法(刘)第一章
所以 c T x 是凸函数． 类似可以证明 c T x 是凹函数．
凸函数的几何性质
对一元函数 f x , 在几何上f x1 1 f x2
下面的图形给出了凸函数 f x, y x 3x y
4 2
4
y 2 xy 的等值线的图形，可以看出水平集是凸集
凸函数的判定
定理1:设 f x 是定义在凸集 D R n 上，x, y D , 令 t f tx 1 t y , t 0,1, 则: (1) f x 是凸集 D 上的凸函数的充要条件是对 任意的x, y D ,一元函数 t 为 0,1上的凸函数. (2)设 x, y D , x y, 若 t 在 0,1 上为严格 凸函数， f x 在 D 上为严格凸函数． 则
例1： 证明超球 x r 为凸集．
0 证明： x , y 为超球中的任意两点， 1, 设
则有：
x 1 y
x 1 y
r 1 r r 即点 x 1 y 属于超球
所以超球为凸集．
凸集的性质
（１） 有限个（可以改成无限）凸集的交集 为凸集． （２） 设 D 是凸集， 是一实数， 则下面的 集合是凸集： D y y x , x D （３）设 D1 , D2 是凸集， D1 , D2 的和集 则
相关定义（P7—P8）
定义１.1 可行解 满足约束条(1.2)和(1.3)
的x称为可行解，也称为可行点或容许点。
定义１.2 可行域 全体可行解构成的集合 称为可行域，也称为容许集，记为F,即：
最优化方法教案
第一章最优化问题及数学预备知识最优化分支：线性规划，整数规划，几何规划，非线性规划，动态规划。
又称规划论。
应用最优化方法解决问题时一般有以下几个特点：1. 实用性强2. 采用定量分析的科学手段3. 计算量大，必须借助于计算机4. 理论涉及面广应用领域：工业，农业，交通运输，能源开发，经济计划，企业管理，军事作战……。
§1.1 最优化问题实例最优化问题：追求最优目标的数学问题。
经典最优化理论：（1） 无约束极值问题：),,,(opt 21n x x x f（),,,(m in 21n x x x f 或),,,(m ax 21n x x x f ）其中，),,,(21n x x x f 是定义在n 维空间上的可微函数。
解法（求极值点）：求驻点，即满足⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧='='='0),,(0),,(0),,(11121n x n x n x x x f x x f x x f n并验证这些驻点是否极值点。
（2） 约束极值问题：),,,(opt 21n x x x fs.t. )(,,2,1,0),,,(21n l l j x x x h n j <==解法：采用Lagrange 乘子法，即将问题转化为求Lagrange 函数),,(),,,(),,;,,,(1121121n j j lj n l n x x h x x x f x x x L λλλ∑=+=的无约束极值问题。
近代最优化理论的实例：例1 (生产计划问题) 设某工厂有3种资源B 1，B 2，B 3，数量各为b 1，b 2，b 3，要生产10种产品A 1，…，A 10 。
每生产一个单位的A j 需要消耗B i 的量为a ij ，根据合同规定，产品A j 的量不少于d j ，再设A j 的单价为c j 。
问如何安排生产计划，才能既完成合同，又使总收入最多？（线性规划问题）数学模型：设A j 的计划产量为 j x ，z 为总产值。
高中数学必修一《优化方案》答案 第一章
1.1集合1．1.1集合的含义与表示[读教材·填要点]1．元素与集合(1)元素与集合的定义：一般地，把研究对象统称为元素，把一些元素组成的总体叫做集合(简称为集)．(2)集合中元素的性质：①确定性：即给定的集合，它的元素是确定的．②互异性：即给定集合的元素是互不相同的．③无序性．(3)集合相等：只要构成两个集合的元素是一样的，就称这两个集合是相等的．(4)元素与集合的关系：a是集合A的元素，记作a∈A，a不是集合A的元素，记作a∉A.2．集合的表示方法除了用自然语言表示集合外，还可以用列举法和描述法表示集合．(1)列举法：把集合中的元素一一列举出来，并用花括号“{}”括起来表示集合的方法．(2)描述法：用集合所含元素的共同特征表示集合的方法．3．常用数集及其记法[小问题·大思维]1．著名数学家能否构成一个集合？提示：不能，没有一定的评定标准，故著名数学家是不确定的对象，所以不能构成集合．2．一个集合能表示成{s，k，t，k}吗？提示：不能，集合中的元素是互不相同的，任何两个相同的对象在同一个集合中，只能算作这个集合的一个元素．3．集合{－5，－8}和{(－5，－8)}是同一集合吗？提示：不是同一集合．集合{－5，－8}中元素有2个，为数．而集合{(－5，－8)}中有一个元素为坐标(－5，－8)．[例1]下列每组对象能否构成一个集合：(1)某校20XX年在校的所有高个子同学；(2)不超过20的非负数；(3)帅哥；(4)直角坐标系平面内第一象限的一些点；(5)3的近似值的全体．[自主解答]“高个子”没有明确的标准，因此(1)不能构成集合．(2)任给一个实数x，可以明确地判断是不是“不超过20的非负数”，即“0≤x≤20”与“x>20或x<0”，两者必居其一，且仅居其一，故“不超过20的非负数”能构成集合；(3)“帅哥”没有一个明确的标准，不能构成集合；(4)“一些点”无明确的标准，对于某个点是否在“一些点”中无法确定，因此“直角坐标平面内第一象限的一些点”不能构成集合；(6)“3的近似值”不明确精确到什么程度，因此很难判断一个数如“2”是不是它的近似值，所以(5)不能构成集合．——————————————————判断指定的对象能不能构成集合，关键在于能否找到一个明确标准，对于任何一个对象，都能确定它是不是给定集合的元素，同时还要注意集合中元素的互异性、无序性．————————————————————————————————————————1．下列能构成集合的是()A ．中央电视台著名节目主持人B ．20XX 年沈阳全运会比赛的所有项目C ．20XX 年上海世博园中所有漂亮的展馆D ．世界上的高楼 答案：B[例2] 已知集合A ＝{a ＋2，(a ＋1)2，a 2＋3a ＋3}，若1∈A ，求实数a 的值． [自主解答] 若a ＋2＝1，则a ＝－1，所以A ＝{1,0,1}，与集合中元素的互异性矛盾，应舍去；若(a ＋1)2＝1，则a ＝0或a ＝－2， 当a ＝0时，A ＝{2,1,3}，满足题意． 当a ＝－2时，A ＝{0,1,1}， 与集合中元素的互异性矛盾，舍去；若a 2＋3a ＋3＝1，则a ＝－1或a ＝－2(均舍去)． 综上可知，a ＝0.例2中1∈A 改为4∈A ，则结果如何？ 解：若a ＋2＝4，则a ＝2. ∴A ＝{4,9,13}满足题意． 若(a ＋1)2＝4，则a ＝1或a ＝－3. 当a ＝1时，A ＝{3,4,7}，满足题意． 当a ＝－3时，A ＝{－1,3,4，}满足题意． 若a 2＋3a ＋3＝4，则a ＝－3±132，代入后都满足题意，故a 的值为a ＝1，a ＝2，或a ＝－3或a ＝－3±132.——————————————————1.这类问题既要用元素的确定性，又要利用互异性检验解的正确与否.初学者解题时易忽略元素的互异性，学习中要高度重视.另外，本类问题往往涉及分类讨论的数学思想.2.一个集合中，元素之间没有先后顺序，只要构成两个集合的元素是一样的，这两个集合就是同一个集合.————————————————————————————————————————2．含有两个实数的集合A 可以表示为{a －3,2a －1}，求实数a 的取值范围． 解：∵A ＝{a －3,2a －1}，∴由集合中元素的互异性可得a －3≠2a －1. ∴a ≠－2.∴a 的取值范围为a ≠－2.[例3] 用适当的方法表示下列集合：(1)方程组⎩⎪⎨⎪⎧x ＋y ＝3x －y ＝5的解集；(2)不等式2x －3>5的解集．[自主解答] (1)集合用描述法表示为{(x ，y )|⎩⎪⎨⎪⎧ x ＋y ＝3x －y ＝5}．解方程组，得⎩⎪⎨⎪⎧x ＝4，y ＝－1故集合用列举法表示为{(4，－1)}．(2)由2x －3>5可得x >4，所以不等式2x －3>5的解集为{x |x >4，x ∈R }． ——————————————————1．一个集合可以用不同的方法表示，需根据题意选择适当的方法，同时注意列举法和描述法的适用范围．2．方程(或方程组)的解的个数较少，因此方程(或方程组)的解集一般用列举法表示；不等式(或不等式组)的解集一般用描述法表示．注意，当题目中要求求出“…的解集”或写出“…的集合”时，一定要将最终结果写成集合的形式．————————————————————————————————————————3．有下面六种表示方法①{x ＝－1，y ＝2} ②⎩⎨⎧(x ，y )⎪⎪⎪ ⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ＝－1，y ＝2.③{－1,2} ④(－1,2) ⑤{(－1,2)} ⑥{x ，y |x ＝－1，或y ＝2}．其中，能正确表示方程组⎩⎪⎨⎪⎧2x ＋y ＝0，x －y ＋3＝0的解集的是________(把所有正确答案的序号填在空格上)．解析：答案：②⑤已知集合A 中含有三个元素，1,0，x ，若x 3∈A ，求实数x 的值． [错解] ∵x 3∈A ，故x 3＝0或x 3＝1或x 3＝x ， 若x 3＝0，则x ＝0； 若x 3＝1，则x ＝1； 若x 3＝x ，则x ＝1或x ＝0. 综上所述：所求x 的值为0或1.[错因] 本题错误的原因有两个，一是没有考虑到元素的互异性，解出来的结果没有代入检验，得出了错误结果；二是解x 2＝x 时漏掉了x ＝－1这个答案，也导致了错误的结果．[正解] ∵x 3∈A ，∴x3是集合A中的元素．又∵集合A中含有3个元素，∴需分情况讨论：①若x3＝0，则x＝0，此时集合A中有两个元素0，不符合集合中元素的互异性，舍去；②若x3＝1，则x＝1，此时集合A中有两个元素1，不符合集合中元素的互异性，舍去；③若x3＝x，则x＝0、x＝－1或x＝1，当x＝0、x＝1时不符合集合中元素的互异性，都舍去．当x＝－1时，此时集合A中有三个元素1,0，－1，符合集合中元素的互异性；综上可知，x＝－1.1．有下列各组对象：①接近于0的数的全体；②比较小的正整数的全体；③平面上到点O的距离等于1的点的全体；④正三角形的全体．其中能构成集合的个数是()A．2B．3C．4 D．5解析：①不能构成集合，“接近”的概念模糊，无明确标准．②不能构成集合，“比较小”也是不明确的，多小算小没明确标准．③④均可构成集合，因为任取一个元素是否是此集合的元素有明确的标准可依．答案：A2．下面几个命题中正确命题的个数是()①集合N*中最小的数是1；②若－a∉N*，则a∈N*；③若a∈N*，b∈N*，则a＋b最小值是2；④x2＋4＝4x的解集是{2,2}．A．0 B．1C ．2D ．3解析：N *是正整数集，最小的正整数是1，故①正确；当a ＝0时，－a ∉N *，且a ∉N *，故②错；若a ∈N *，则a 的最小值是1，又b ∈N *，b 的最小值也是1，当a 和b 都取最小值时，a ＋b 取最小值2，故③正确；由集合元素的互异性知④是错误的．故①③正确．答案：C3．已知集合M ＝{3，m ＋1}，且4∈M ，则实数m 等于( ) A ．4 B ．3 C ．2D ．1解析：∵4∈M ，∴4＝m ＋1，∴m ＝3. 答案：B4．已知①5∈R ②13∈Q ③0＝{0} ④0∉N⑤π∈Q ⑥－3∈Z .正确的个数为________． 解析：①②⑥是正确的；③④⑤是错误的． 答案：35．用适当的符号填空：已知A ＝{x |x ＝3k ＋2，k ∈Z }，B ＝{x |x ＝6m －1，m ∈Z }，则有：17______A ；－5______A ；17________B .解析：令3k ＋2＝17得，k ＝5∈Z . 所以17∈A .令3k ＋2＝－5得，k ＝－73∉Z .所以－5∉A .令6m －1＝17得，m ＝3∈Z ， 所以17∈β. 答案：∈，∉，∈6．用适当的方法表示下列集合： (1)一年中有31天的月份的全体； (2)大于－3.5小于12.8的整数的全体； (3)梯形的全体构成的集合； (4)所有非负偶数的集合； (5)所有能被3整除的数的集合；(6)方程(x －1)(x －2)＝0的解集； (7)不等式2x －1>5的解集．解：(1){1月，3月，5月，7月，8月，10月，12月}． (2){－3，－2，－1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}． (3){x |x 是梯形}或{梯形}． (4){0,2,4,6,8，…}． (5){x |x ＝3n ，n ∈Z }． (6){1,2}． (7){x |2x －1>5}．一、选择题1．下列给出的对象中，能组成集合的是( ) A ．一切很大的数 B ．高中数学的所有难题 C ．美丽的小女孩D ．方程x 2－1＝0的实数根解析：选项A ，B ，C 中的对象都没有明确的判断标准，不满足集合中元素的确定性，故A ，B ，C 中的对象都不能组成集合．答案：D2．下列命题不．正确的有( ) ①很小的实数可以构成集合；②集合{y |y ＝x 2－1}与集合{(x ，y )|y ＝x 2－1}是同一个集合； ③1，32，64，⎪⎪⎪⎪－12，0.5这些数组成的集合有5个元素； ④集合{(x ，y )|xy ≤0，x ，y ∈R }是指第二和第四象限内的点集． A ．1个 B ．2个 C ．3个D ．4个解析：①错的原因是元素不确定；②前者是数集，而后者是点集，种类不同；③32＝64，⎪⎪⎪⎪－12＝0.5，有重复的元素，应该是3个元素；④该集合还包括坐标轴上的点．答案：D3．已知集合A ＝{1,2,3,4,5}，B ＝{(x ，y )|x ∈A ，y ∈A ，x －y ∈A }，则B 中所含元素的个数为( )A ．3B ．6C ．8D ．10解析：列举得集合B ＝{(2,1)，(3,1)，(4,1)，(5,1)，(3,2)，(4,2)，(5,2)，(4,3)，(5,3)，(5,4)}，共含有10个元素．答案：D4．定义集合运算：A *B ＝{z |z ＝xy ，x ∈A ，y ∈B }．设A ＝{1,2}，B ＝(0,2)，则集合A *B 的所有元素之和为( )A ．0B ．2C ．3D ．6解析：依题意，A *B ＝{0,2,4}，其所有元素之和为6. 答案：D 二、填空题5．集合A ＝{(2，－2)，(2,2)}中含有________个元素． 解析：∵(2，－2)，(2,2)是两个点，∴有2个元素． 答案：26.已知集合A ＝{(x ，y )|y ＝2x ＋1}，B ＝{(x ，y )|y ＝x ＋3}，a ∈A 且a ∈B ，则a 为________． 解析：∵a ∈A 且a ∈B ，∴a 是方程组⎩⎪⎨⎪⎧y ＝2x ＋1y ＝x ＋3的解．解方程组，得⎩⎪⎨⎪⎧x ＝2y ＝5，∴a 为(2,5)． 答案：(2,5)7．用描述法表示方程x <－x －3的解集为________． 解析：∵x <－x －3， ∴x <－32.∴解集为{x |x <－32}．答案：{x |x <－32}8．{(x，y)|(x＋2)2＋|y－3|＝0，x，y∈R}＝________.解析：由(x＋2)2＋|y－3|＝0，又(x＋2)2≥0，|y－3|≥0，所以(x＋2)2＝0，|y－3|＝0，所以x＝－2，y＝3，所以{(x，y)|(x＋2)2＋|y－3|＝0，x，y∈R}＝{(－2，3)}．答案：{(－2,3)}三、解答题9．已知集合A含有两个元素a－3和2a－1，(1)若－3∈A，试求实数a的值．(2)若a∈A，试求实数a的值．解：(1)因为－3∈A，所以－3＝a－3或－3＝2a－1.若－3＝a－3，则a＝0.此时集合A含有两个元素－3，－1，符合题意．若－3＝2a－1，则a＝－1.此时集合A含有两个元素－4，－3，符合题意，综上所述，满足题意的实数a的值为0或－1.(2)因为a∈A，所以a＝a－3或a＝2a－1.当a＝a－3时，有0＝－3，不成立．当a＝2a－1时，有a＝1，此时A中有两个元素－2,1，符合题意．综上知a＝1.10．已知集合A＝{x|kx2－8x＋16＝0}只有一个元素，试求实数k的值，并用列举法表示集合A.解：当k＝0时，原方程变为－8x＋16＝0，所以x＝2，此时集合A＝{2}；当k≠0时，要使一元二次方程kx2－8x＋16＝0有两个相等实根，需Δ＝64－64k＝0，即k＝1.此时方程的解为x1＝x2＝4，集合A＝{4}．1．1.2集合间的基本关系[读教材·填要点]1．子集的概念A B(或B A)3.空集(1)定义：不含任何元素的集合叫做空集．(2)用符号表示为：∅.(3)规定：空集是任何集合的子集．4．子集的有关性质(1)任何一个集合是它本身的子集，即A⊆A.(2)对于集合A，B，C，如果A⊆B，且B⊆C，那么A⊆C.[小问题·大思维]1．若A B，则A⊆B且A≠B，对吗？提示：对．∵A B，首先A⊆B，其中B中至少有一个元素不属于A，即A≠B.2．任何集合都有真子集吗？提示：不是，空集∅就没有真子集．3．{0}和∅表示同一集合吗？它们之间有什么关系？提示：{0}和∅不是同一个集合．{0}表示含有一个元素0的集合，∅是不含任何元素的集合，且∅{0}．[例1]写出集合A＝{1,2,3}的所有子集和真子集．[自主解答]由0个元素构成的子集：∅；由1个元素构成的子集：{1}，{2}，{3}；由2个元素构成的子集：{1,2}，{1,3}，{2,3}；由3个元素构成的子集：{1,2,3}．由此得集合A的所有子集为∅，{1}，{2}，{3}，{1,2}，{1,3}，{2,3}，{1,2,3}．在上述子集中，除去集合A本身，即{1,2,3}，剩下的都是A的真子集．——————————————————1.求解有限集合的子集问题，关键有三点：(1)确定所求集合；(2)合理分类，按照子集所含元素的个数依次写出；(3)注意两个特殊的集合，即空集和集合本身.2.一般地，若集合A中有n个元素，则其子集有2n个，真子集有2n－1个，非空真子集有2n－2个. ————————————————————————————————————————1．已知集合M满足{2,3}⊆M⊆{1,2,3,4,5}，求集合M及其个数．解：当M中含有两个元素时，M为{2,3}；当M中含有三个元素时，M为{2,3,1}，{2,3,4}，{2,3,5}；当M中含有四个元素时，M为{2,3,1,4}，{2,3,1,5}，{2,3,4,5}；当M中含有五个元素时，M为{2,3,1,4,5}．所以满足条件的集合M为{2,3}，{2,3,1}，{2,3,4}，{2,3,5}，{2,3,1,4}，{2,3,1,5}，{2,3,4,5}，{2,3,1,4,5}，集合M的个数为8.[例2]下列各式正确的是________．(1){a }⊆{a }； (2){1,2,3}＝{3,1,2}；(3)0⊆{0}； (4){1}{x |x ≤5}； (5){1,3}{3,4}． [自主解答] ∵1<5，∴1∈{x |x ≤5}．∴{1}⊆{x |x ≤5}．又∵{1}≠{x |x ≤5}，∴{1}{x |x ≤5}．∵1∈{1,3}，但1∉{3,4}，∴{1,3} {3,4}．“”是“真包含于”的意思[答案] (1)(2)(4) ——————————————————集合间关系的判定的步骤：首先，判断一个集合A 中的任意元素是否属于另一集合B ，若是，则A ⊆B ，否则A B ；,其次，判断另一个集合B 中的任意元素是否属于第一个集合A ，若是，则B ⊆A ，否则B A ；,最后，下结论：若A ⊆B ，B ⊆A ，则A ＝B ；若A ⊆B ，B A ，则A B ；若AB ，B ⊆A ，则B A ；若上述三种情况都不成立，则AB ，BA .[注意] 有时一个集合可以看成另一个集合的元素，如{1}可以看成集合{{1}，1，2，3}中的元素，也可以看成子集，因此{1}∈{{1}，1，2，3}与{1}⊆{{1}，1，2，3}都正确. ————————————————————————————————————————2．集合M ＝{x |x 2＋x －6＝0}，N ＝{x |2x ＋7＞0}，试判断集合M 和N 的关系． 解：M ＝{－3,2}，N ＝⎩⎨⎧⎭⎬⎫x |x >－72.∵－3>－72，2>－72，∴－3∈N,2∈N .∴M ⊆N . 又0∈N ，但0∉M ，∴M N .[例3] 已知集合A ＝{x |－3≤x ≤4}，B ＝{x |2m －1<x <m ＋1}，且B ⊆A .求实数m 的取值范围．[自主解答] ∵B ⊆A ，(1)当B ＝∅时，m ＋1≤2m －1，解得m ≥2. (2)当B ≠∅时，有⎩⎪⎨⎪⎧－3≤2m －1，m ＋1≤4，2m －1<m ＋1解得－1≤m <2， 综上得m ≥－1. ——————————————————(1)利用集合之间的关系时，首先要分析、简化每个集合.(2)此类问题通常借助数轴，利用数轴分析法，将各个集合在数轴上表示出来，以形定数，还要注意验证端点值，做到准确无误，一般含“＝”用实点表示，不含“＝”用虚点表示.(3)此类问题还应注意“空集”这一“陷阱”，尤其是集合中含有字母参数时，初学者会想当然认为非空集合而丢解，因此分类讨论是必须的.————————————————————————————————————————3．设集合A ＝{1,3，a }，B ＝{1，a 2－a ＋1}，且A ⊇B ，求a 的值． 解：∵A ⊇B ，而a 2－a ＋1∈B ，∴a 2－a ＋1∈A . ∴a 2－a ＋1＝3或a 2－a ＋1＝a . 当a 2－a ＋1＝3时，a ＝2或a ＝－1.(1)a ＝2时，A ＝{1,3,2}，B ＝{1,3}，这时满足条件A ⊇B ； (2)a ＝－1时，A ＝{1,3，－1}，B ＝{1,3}，这时也满足条件A ⊇B .当a 2－a ＋1＝a 时，a ＝1，此时A ＝{1,3,1}，B ＝{1,1}，根据集合中元素的互异性，故舍去a ＝1.∴a 的值为2或－1.高手已知M ＝{x |x 2－3x ＋2＝0}，N ＝{x |x 2－2x ＋a ＝0}，若N ⊆M ，求实数a 的取值范围． [错解] ∵M ＝{x |x 2－3x ＋2＝0}＝{1,2}，(1)当N ＝{1}时，有⎩⎪⎨⎪⎧ 1＋1＝2，1×1＝a ，∴a ＝1.(2)当N ＝{2}时，有⎩⎪⎨⎪⎧ 2＋2＝2，2×2＝a ，不成立．(3)当N ＝{1,2}时，有⎩⎪⎨⎪⎧1＋2＝2，1×2＝a ，不成立．所以，a ＝1.[错因] 空集是一个特殊的集合，是任何集合的子集，在解决集合关系问题时极易忽略∅，错解中没有考虑集合N 为∅的情况．[正解] ∵M ＝{x |x 2－3x ＋2＝0}＝{1,2}，又N ⊆M ，∴N ＝∅，或N ＝{1}，或N ＝{2}，或N ＝{1,2}． (1)当N ＝∅时，方程x 2－2x ＋a ＝0的判别式Δ＝4－4a <0，即a >1.(2)当N ＝{1}时，有⎩⎪⎨⎪⎧1＋1＝2，1×1＝a ，∴a ＝1.(3)当N ＝{2}时，有⎩⎪⎨⎪⎧ 2＋2＝2，2×2＝a ，不成立．(4)当N ＝{1,2}时，有⎩⎪⎨⎪⎧1＋2＝2，1×2＝a ，不成立．综上可知实数a 的取值范围是a ≥1.1．下列命题中，正确的有()①空集是任何集合的真子集；②若A B，B C，则A C；③任何一个集合必有两个或两个以上的真子集；④如果不属于B的元素也不属于A，则A⊆B.A．①②B．②③C．②④D．③④解析：①空集只是空集的子集而非真子集，故①错；②真子集具有传递性，故②正确；③若一个集合是空集，则没有真子集，故③错；④由韦恩(Venn)图易知④正确．答案：C2．设集合M＝{x|x>－2}，则下列选项正确的是()A．{0}⊆M B．{0}∈MC．∅∈M D．0⊆M解析：选项B、C中均是集合之间的关系，符号错误；选项D中是元素与集合之间的关系，符号错误．答案：A3．已知集合A＝{x|x是平行四边形}，B＝{x|x是矩形}，C＝{x|x是正方形}，D＝{x|x是菱形}，则()A．A⊆B B．C⊆BC．D⊆C D．A⊆D解析：选项A错，应当是B⊆A.选项B对，正方形一定是矩形，但矩形不一定是正方形．选项C错，正方形一定是菱形，但菱形不一定是正方形．选项D错，应当是D⊆A.答案：B4．已知∅{x|x2－x＋a＝0}，则实数a的取值范围是________．解析：∵∅{x|x2－x＋a＝0}．∴{x|x2－x＋a＝0}≠∅.即x2－x＋a＝0有实根．∴Δ＝(－1)2－4a≥0，得a≤1 4.答案：a ≤145．若{a,0,1}＝{c ，1b ，－1}，则a ＝________，b ＝________，c ＝________.解析：∵1b ≠0，∴c ＝0，∴a ＝－1，1b ＝1.∴a ＝－1，b ＝1.答案：－1 1 06．已知集合A ＝{－1,3,2m －1}，集合B ＝{3，m 2}，若B ⊆A ，求实数m 的值． 解：∵B ⊆A ，∴m 2＝－1，或m 2＝2m －1，当m 2＝－1时，显然无实数根；当m 2＝2m －1时，m ＝1.∴实数m ＝1.一、选择题1．已知集合M ＝{x ∈Z |－3<x ≤1}，则它的真子集的个数为( ) A ．12 B ．14 C ．15D ．16解析：∵M ＝{x ∈Z |－3<x ≤1}＝{－2，－1,0,1}共有4个元素，∴它的真子集共有24－1＝15个．答案：C2．定义集合A *B ＝{x |x ∈A ，且x ∉B }，若A ＝{1,2,3,4,5}，B ＝{2,4,5}，则A *B 的子集个数为( )A ．1B ．2C ．3D ．4解析：由题意知A *B ＝{1,3}， ∴A *B 的子集个数为22＝4个． 答案：D3．已知集合M ＝{x |－5<x <3，x ∈Z }，则下列集合中为集合M 子集的是( ) A ．P ＝{－3,0,1} B ．Q ＝{－1,0,1,2}C ．R ＝{y |－π<y <－1，y ∈Z }D ．S ＝{x ||x |≤3，x ∈N }解析：先用列举法表示集合，再观察元素与集合的关系．集合M ＝{－2，－1,0,1}，集合R ＝{－3，－2}，S ＝{0,1}，不难发现集合P 中的元素－3∉M ，集合Q 中的元素2∉M ，集合R 中的元素－3∉M ，而S ＝{0,1}中的任意一个元素都在集合M 中，所以S ⊆M ，且S M .答案：D4．已知集合A ⊆{0,1,2}，且集合A 中至少含有一个偶数，则这样的集合A 的个数为( ) A ．6 B ．5 C ．4D ．3解析：集合{0,1,2}的子集为：∅，{0}，{1}，{2}，{0,1}，{0,2}，{1,2}，{0,1,2}，其中含有偶数的集合有6个．答案：A 二、填空题5．已知集合A ＝{x |a －1≤x ≤a ＋2}，B ＝{x |3<x <5}，则能使A ⊇B 成立的实数a 的取值范围是________．解析：∵A ⊇B ，∴⎩⎪⎨⎪⎧a －1≤3，a ＋2≥5，∴3≤a ≤4. 答案：3≤a ≤46．设a ，b ∈R ，集合{0，ba，b }＝{1，a ＋b ，a }，则b －a ＝________.解析：由题意可知a ≠0，则a ＋b ＝0，a ＝－b ，所以ba ＝－1，则a ＝－1，b ＝1，故b －a＝2.答案：27．下列关系中正确的是________．①∅∈{0}； ②∅{0}； ③{0,1}⊆{(0,1)}； ④{(a ，b )}＝{(b ，a )}．解析：∵∅{0}，∴①错误；空集是任何非空集合的真子集，②正确，{(0,1)}是含有一个元素的点集，③错误；{(a ，b )}与{(b ，a )}是两个不等的点集，④错误，故正确的是②.答案：②8．已知集合P ＝{1,2}，那么满足Q ⊆P 的集合的个数是________． 解析：∵P ＝{1,2}，Q ⊆P ，∴集合Q 可以是∅或{1}或{2}或{1,2}．答案：4 三、解答题9．由“2，a ，b ”三个元素构成的集合与由“2a,2，b 2”三个元素构成的集合是同一个集合，求a ，b 的值．解：根据集合相等，有⎩⎪⎨⎪⎧ a ＝2a ，b ＝b 2或⎩⎪⎨⎪⎧a ＝b 2，b ＝2a ，解得⎩⎪⎨⎪⎧ a ＝0，b ＝1或⎩⎪⎨⎪⎧a ＝0，b ＝0或⎩⎨⎧a ＝14，b ＝12.再根据集合元素的互异性，得⎩⎪⎨⎪⎧a ＝0，b ＝1或⎩⎨⎧a ＝14，b ＝12.10．设集合A ＝{x |x 2－5x ＋6＝0}，B ＝{x |x 2－(2a ＋1)x ＋a 2＋a ＝0}，若B ⊆A ，求a 的值． 解：法一：A ＝{x |x 2－5x ＋6＝0}＝{2,3}，由B ⊆A 得，B ＝∅，或B ＝{2}，或B ＝{3}，或B ＝{2,3}，由于Δ＝(2a ＋1)2－4a 2－4a ＝1>0，∴B ≠∅，且B 含有两个不同元素．∴B ＝{2,3}，需2a ＋1＝5和a 2＋a ＝6同时成立， ∴a ＝2.综上所述：a ＝2.法二：A ＝{x |x 2－5x ＋6＝0}＝{2,3}， B ＝{x |x 2－(2a ＋1)x ＋a 2＋a ＝0}＝{x |(x －a )· (x －a －1)＝0}＝{a ，a ＋1}， ∵a ≠a ＋1，∴当B ⊆A 时，只有a ＝2且a ＋1＝3. ∴a ＝2.1．1.3 集合的基本运算 第一课时 并集与交集[读教材·填要点]1．集合的并集与交集的定义2．并集与交集的运算性质1．若A＝{1,2,3}，B＝{3,4,5}，那么A∪B＝{1,2,3,3,4,5}对吗？如何表示A∪B和A∩B?提示：A∪B＝{1,2,3,3,4,5}是不对的，因为不符合元素的互异性；A∪B＝{1,2,3,4,5}，A∩B ＝{3}．2．你认为并集概念中的“或”与我们日常生活中“或”意义一致吗？有什么区别？提示：并集中的“或”与生活中“或”是不一样的．生活用语中的“或”是“或此”“或彼”只取其一，如“老师让张明或李红去开会”，意思是张明去也可以，李红去也可以，但不包括张明和李红一起去这种情况；而并集中的“或”则是“或此”“或彼”“或彼此”．3．若集合A与集合B没有公共元素，能否说集合A与集合B没有关系？提示：当两集合A与B没有公共元素时，不能说集合A与B没有关系，而是A∩B＝∅.[例1] 已知集合A ＝{x |(x －1)(x ＋2)＝0}，B ＝{x |(x ＋2)(x －3)＝0}，则集合A ∪B 是( ) A ．{－1,2,3} B ．{－1，－2,3} C ．{1，－2,3}D ．{1，－2，－3} [自主解答] A ＝{x |(x －1)(x ＋2)＝0}＝{1，－2}；B ＝{x |(x ＋2)(x －3)＝0}＝{－2,3}， ∴A ∪B ＝{1，－2}∪{－2,3}＝{－2,1,3}． [答案] C ——————————————————解决此类问题首先应看清集合中元素的范围，简化集合，若是用列举法表示的数集，可以根据交集、并集的定义直接观察或用Venn 图表示出集合运算的结果；若是用描述法表示的数集，可借助数轴分析写出结果，此时要注意当端点不在集合中时，应用“空心点”表示. ————————————————————————————————————————1．已知集合A ＝{x |－1＜x ≤3}，B ＝{x |x ≤0，或x ≥52}，求A ∩B ，A ∪B .解：∵A ＝{x |－1＜x ≤3}，B ＝{x |x ≤0，或x ≥52}，把集合A 与B 表示在数轴上，如图．∴A ∩B ＝{x |－1＜x ≤3}∩{x |x ≤0或x ≥52}＝{x |－1＜x ≤0或52≤x ≤3}；A ∪B ＝{x |－1＜x ≤3}∪{x |x ≤0或x ≥52}＝R .[例2] 已知集合A ＝{1,3，x }，B ＝{1，x 2}，A ∪B ＝{1,3，x }，求满足条件的实数x 的值．[自主解答]∵A∪B＝{1,3，x}，A＝{1,3，x}，B＝{1，x2}，∴A∪B＝A，即B⊆A，∴x2＝3或x2＝x.①当x2＝3时，得x＝±3.若x＝3，则A＝{1,3，3}，B＝{1,3}，符合题意；若x＝－3，则A＝{1,3，－3}，B＝{1,3}，符合题意．②当x2＝x时，则x＝0或x＝1.若x＝0，则A＝{1,3,0}，B＝{1,0}，符合题意；若x＝1，则A＝{1,3,1}，B＝{1,1}，不成立，舍去；综上可知，x＝±3或x＝0.——————————————————(1)在利用集合的交集、并集性质解题时，常常会遇到A∩B＝A，A∪B＝B等这类问题，解答时常借助于交、并集的定义及上节学习的集合间的关系去分析，如A∩B＝A⇔A⊆B，A ∪B＝B⇔A⊆B等，解答时应灵活处理.(2)对于含有参数的问题要分类讨论，同时要检验，利用好集合中元素的互异性. ————————————————————————————————————————2．已知集合A＝{4,6}，B＝{2，m}，A∪B＝{2,4,6}，则m的值为________．解析：∵A＝{4,6}，B＝{2，m}，而A∪B＝{2,4,6}，∴m＝4或m＝6.答案：4或6妙解题同样的结果，不一样的过程，节省解题时间，也是得分！高手集合A＝{x|x2－ax＋a2－19＝0}，B＝{x|x2－5x＋6＝0}，C＝{x|x2＋2x－8＝0}．(1) 若A∩B＝A∪B，求a的值；(2)若∅A∩B，A∩C＝∅，求a的值．[巧思](1)A∩B＝A∪B⇔A＝B；(2)∅A∩B⇔A∩B≠∅.[妙解] 由已知，得B ＝{2,3}，C ＝{2，－4}．(1)∵A ∩B ＝A ∪B ，∴A ＝B .于是2,3是一元二次方程x 2－ax ＋a 2－19＝0的两个根，由根与系数之间的关系知：⎩⎪⎨⎪⎧2＋3＝a ，2×3＝a 2－19解之得a ＝5.(2)由A ∩B ∅⇒A ∩B ≠∅，又A ∩C ＝∅，得3∈A,2∉A ，－4∉A . 由3∈A 得32－3a ＋a 2－19＝0， 解得a ＝5或a ＝－2.当a ＝5时，A ＝{x |x 2－5x ＋6＝0}＝{2,3}，与2∉A 矛盾； 当a ＝－2时，A ＝{x |x 2＋2x －15＝0}＝{3，－5}，符合题意． ∴a ＝－2.1．已知集合M ＝{1,2,3,4}，N ＝{－2,2}，下列结论成立的是( ) A ．N ⊆M B ．M ∪N ＝M C ．M ∩N ＝ND ．M ∩N ＝{2}解析：因为－2∉M ，可排除A ；M ∪N ＝{－2,1,2,3,4}，可排除B ；M ∩N ＝{2}． 答案：D2．设A ＝{x ∈N |1≤x ≤10}，B ＝{x ∈R |x 2＋x －6＝0}，则如图中阴影部分表示的集合为( )A ．{2}B ．{3}C ．{－3,2}D ．{－2,3}解析：注意到集合A 中的元素为自然数，因此易知A ＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}，而直接解集合B 中的方程可知B ＝{－3,2}，因此阴影部分显然表示的是A ∩B ＝{2}．答案：A3．设集合M ＝{x |－3≤x <7}，N ＝{x |2x ＋k ≤0}，若M ∩N ≠∅，则k 的取值范围是( )A．k≤3 B．k≥－3 C．k>6 D．k≤6解析：因为N＝{x|2x＋k≤0}＝{x|x≤－k2}，且M∩N≠∅，所以－k2≥－3⇒k≤6.答案：D4．已知集合A＝{x|x是平行四边形}，B＝{x|x是菱形}，C＝{x|x是矩形}，则A∩B∩C ＝________.解析：∵A∩B＝{x|x是菱形}∴A∩B∩C＝{x|x是正方形}．答案：{x|x是正方形}5．已知集合M＝{0,1,2}，N＝{x|x＝2a，a∈M}，则集合M∩N＝________.解析：由M＝{0,1,2}，知N＝{0,2,4}，M∩N＝{0,2}．答案：{0,2}6．设集合A＝{a2，a＋1，－3}，B＝{a－3,2a－1，a2＋1}，A∩B＝{－3}，求实数a.解：∵A∩B＝{－3}，∴－3∈B.∵a2＋1≠－3，∴①若a－3＝－3，则a＝0，此时A＝{0,1，－3}，B＝{－3，－1,1}，但由于A∩B＝{1，－3}与已知A∩B＝{－3}矛盾，∴a≠0.②若2a－1＝－3，则a＝－1，此时A＝{1,0，－3}，B＝{－4，－3,2}，A∩B＝{－3}，综上可知a＝－1.一、选择题1．已知集合A＝{x|x≥0}，B＝{x|－1≤x≤2}，则A∪B＝()A．{x|x≥－1} B．{x|x≤2}C．{x|0<x≤2} D．{x|1≤x≤2}解析：结合数轴得A ∪B ＝{x |x ≥－1}．答案：A2．设集合M ＝{x |－3<x <2}，N ＝{x |1≤x ≤3}，则M ∩N ＝( ) A ．{x |1≤x <2} B ．{x |1≤x ≤2} C ．{x |2<x ≤3}D ．{x |2≤x ≤3}解析：∵M ＝{x |－3<x <2}且N ＝{x |1≤x ≤3}，∴M ∩N ＝{x |1≤x <2}． 答案：A3．设A ＝{x |－3≤x ≤3}，B ＝{y |y ＝－x 2＋t }．若A ∩B ＝∅，则实数t 的取值范围是( ) A ．t <－3 B ．t ≤－3 C ．t >3D ．t ≥3解析：B ＝{y |y ≤t }，结合数轴可知t <－3.答案：A4．已知集合A ＝{x |－2≤x ≤7}，B ＝{x |m ＋1＜x ＜2m －1}，且B ≠∅，若A ∪B ＝A ，则( ) A ．－3≤m ≤4 B ．－3＜m ＜4 C ．2＜m ＜4D ．2＜m ≤4解析：∵A ∪B ＝A ，∴B ⊆A .又B ≠∅， ∴⎩⎪⎨⎪⎧m ＋1≥－2，2m －1≤7m ＋1＜2m －1即2＜m ≤4.答案：D 二、填空题5．已知集合A ＝{1,2,4}，B ＝{2,4,6}，则A ∪B ＝________. 解析：集合A ，B 都是以列举法的形式给出，易得A ∪B ＝{1,2,4,6}． 答案：{1,2,4,6}6．已知集合A ＝{x |x ≥5}，集合B ＝{x |x ≤m }，且A ∩B ＝{x |5≤x ≤6}，则实数m ＝________. 解析：用数轴表示集合A 、B 如图所示，由于A ∩B ＝{x |5≤x ≤6}， 则m ＝6. 答案：67．已知集合A ＝{x |x ≤1}，B ＝{x |x ≥a }，且A ∪B ＝R ，则实数a 的取值范围是________． 解析：如图所示，若A ∪B ＝R ，则a ≤1.答案：a ≤18．已知集合A ＝{(x ，y )|y ＝ax ＋3}，B ＝{(x ，y )|y ＝3x ＋b }，A ∩B ＝{(2,5)}，则a ＝________，b ＝________.解析：∵A ∩B ＝{(2,5)}． ∴5＝2a ＋3.∴a ＝1. ∴5＝6＋b .∴b ＝－1. 答案：1 －1 三、解答题9．已知集合A ＝{x |－1≤x ＜3}，B ＝{x |2x －4≥x －2}． (1)求A ∩B ；(2)若集合C ＝{x |2x ＋a ＞0}，满足B ∪C ＝C ，求实数a 的取值范围． 解：(1)∵B ＝{x |x ≥2}，A ＝{x |－1≤x ＜3}， ∴A ∩B ＝{x |2≤x ＜3}．(2)∵C ＝{x |x ＞－a2}，B ∪C ＝C ⇔B ⊆C ，∴a ＞－4.10．已知集合A ＝⎩⎨⎧⎭⎬⎫x ⎪⎪⎪⎩⎪⎨⎪⎧ 3－x >0，3x ＋6>0，集合B ＝{m |3>2m －1}，求A ∩B ，A ∪B . 解：解不等式组⎩⎪⎨⎪⎧3－x >0，3x ＋6>0，得－2<x <3，则A ＝{x |－2<x <3}，解不等式3>2m－1，得m<2，则B＝{m|m<2}．用数轴表示集合A和B，如图所示，则A∩B＝{x|－2<x<2}，A∪B＝{x|x<3}．第二课时补集及集合运算综合问题[读教材·填要点]1．全集(1)定义：如果一个集合含有我们所研究问题中涉及的所有元素，那么称这个集合为全集．(2)符号表示：通常记作U.2．补集[小问题·大思维]1．已知集合A、∁U A(U为全集)，则A∩(∁U A)与A∪(∁U A)各有什么特点？提示：A∩(∁U A)＝∅，A∪(∁U A)＝U.2．设U为全集，则∁U∅、∁U U、∁U(∁U A)分别表示什么集合？提示：∁U∅＝U，∁U U＝∅.∁U(∁U A)＝A.3．判断∁U(A∩B)＝(∁U A)∩∁U B，∁U(A∪B)＝(∁U A)∪(∁U B)是否正确．提示：不对．结合韦恩图可知∁U(A∩B)＝(∁U A)∪(∁U B)∁U(A∪B)＝(∁U A)∩(∁U B)．[例1]设全集U＝{0,1,2,3}，A＝{x∈U|x2＋mx＝0}，若∁U A＝{1,2}，求实数m的值．[自主解答]如图，∵U＝{0,1,2,3}，∁U A＝{1,2}，∴A＝{0,3}．∴方程x2＋mx＝0的两根为x1＝0，x2＝3，∴0＋3＝－m.即m＝－3.——————————————————(1)根据补集定义，借助Venn图，可直观地求出全集，此类问题，当集合中元素离散时，可借助Venn图；当集合中元素连续时，可借助数轴，利用数轴分析法求解．(2)解题时要注意使用补集的几个性质：∁U U＝∅，∁U∅＝U，A∪(∁U A)＝U. ————————————————————————————————————————1．已知全集U，集合A＝{1,3,5,7,9}，∁U A＝{2,4,6,8}，∁U B＝{1,4,6,8,9}，求集合B.解：借助Venn，如右图所示，得U＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9}，∵∁U B＝{1,4,6,8,9}，∴B＝{2,3,5,7}.[例2]设U＝{x∈N|x<10}，A＝{1,5,7,8}，B＝{3,4，5,6,9}，求A∩B，A∪B，(∁U A)∩(∁B)，(∁U A)∪(∁U B)．U[自主解答]∵U＝{x∈N|x<10}＝{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}，A＝{1,5,7,8}，B＝{3,4,5,6,9}，∴A∩B＝{1,5,7,8}∩{3,4,5,6,9}＝{5}，A∪B＝{1,5,7,8}∪{3,4,5,6,9}＝{1,3,4,5,6,7,8,9}．∵∁U A＝{0,2,3,4,6,9}，∁U B＝{0,1,2,7,8}，∴(∁U A )∩(∁U B )＝{0,2}，(∁U A )∪(∁U B )＝{0,1,2,3,4,6,7,8,9}． ——————————————————1.解决集合的混合运算时，一般先运算括号内的部分，如求∁U (A ∪B )时，先求出A ∪B ，再求补集.2.当集合是用列举法表示时，如数集，可以通过列举集合的元素分别得到所求的集合；当集合是用描述法表示时，如不等式形式表示的集合，则可借助数轴求解.————————————————————————————————————————2．已知U ＝R ，A ＝{x |x >0}，B ＝{x |x ≤－1}，则[A ∩(∁U B )]∪[B ∩(∁U A )]＝( ) A ．∅ B ．{x |x ≤0}C ．{x |x >－1}D ．{x |x >0，或x ≤－1}解析：∵B ＝{x |x ≤－1}，∴∁U B ＝{x |x >－1}． 又∵A ＝{x |x >0}，∴A ∩(∁U B )＝{x |x >0}． 又∵∁U A ＝{x |x ≤0}． ∴B ∩(∁U A )＝{x |x ≤－1}．∴[A ∩(∁U B )]∪[B ∩(∁U A )]＝{x |x >0，或x ≤－1}． 答案：D[例3] 设全集U ＝R ，M ＝{x |3a ＜x ＜2a ＋5}，P ＝{x |－2≤x ≤1}，若M ∁U P ，求实数a 的取值范围．[自主解答]∁U P ＝{x |x ＜－2或x ＞1}， ∵M ∁U P ，∴分M ＝∅，M ≠∅，两种情况讨论． (1)M ≠∅时，如图可得⎩⎪⎨⎪⎧3a ＜2a ＋5，2a ＋5≤－2， 或⎩⎪⎨⎪⎧3a ＜2a ＋5，3a ≥1，∴a ≤－72，或13≤a ＜5.(2)M ＝∅时，应有3a ≥2a ＋5⇒a ≥5. 综上可知，a ≤－72，或a ≥13.——————————————————1.M ⊆N ，一般分两种情况讨论：①M ＝∅，②M ≠∅.2.解用不等式表示的数集间的集合运算时，一般要借助于数轴求解，此法的特点是简单直观，同时要注意各个端点的画法.————————————————————————————————————————3．已知集合A ＝{x |－4≤x ≤－2}，集合B ＝{x |x －a ≥0}． (1)若A ⊆B ，求a 的取值范围；(2)若全集U ＝R ，且A ⊆(∁U B )，求a 的取值范围． 解：∵A ＝{x |－4≤x ≤－2}，B ＝{x |x ≥a }， (1)由A ⊆B ，结合数轴(如图所示)可知a 的范围为a ≤－4.(2)∵U ＝R ，∴∁U B ＝{x |x ＜a }，要使A ⊆∁U B ， 须a ＞－2.高手妙解题 同样的结果，不一样的过程，节省解题时间，也是得分！某班共30人，其中15人喜爱篮球运动，10人喜爱乒乓球运动，8人对这两项运动都不喜爱，则喜爱篮球运动但不喜爱乒乓球运动的人数为________．[巧思] 先将文字语言转化为集合语言，设U 为全班学生组成的集合，A 、B 分别表示喜爱篮球运动的学生组成的集合、喜爱乒乓球运动的学生组成的集合，再利用Venn图可直观得出答案．[妙解]设全集U＝{全班30名学生}，A＝{喜爱篮球运动的学生}，B＝{喜爱乒乓球运动的学生}，画出Venn图如图所示．设既喜欢篮球运动又喜欢乒乓球运动的人数为x，则(15－x)＋x＋(10－x)＝30－8，解得x＝3，所以喜爱篮球运动但不喜爱乒乓球运动的人数为12.[答案]121．设全集为R，A＝{x|x<3，或x>5}，B＝{x|－3<x<3}，则()A．∁R(A∪B)＝R B．A∪(∁R B)＝RC．(∁R A)∪(∁R B)＝R D．A∪B＝R解析：∵∁R A＝{x|3≤x≤5}，∁R B＝{x|x≤－3，或x≥3}，逐个验证知B正确．答案：B2.(2013·临沂一模)已知全集U＝Z，集合A＝{0,1}，B＝{－1,0,1,2}，则图中阴影部分所表示的集合为()A．{－1,2} B．{－1,0}C．{0,1} D．{1,2}解析：图中阴影部分表示的集合为(∁U A)∩B，因为A＝{0,1}，B＝{－1,0,1,2}，所以(∁A)∩B＝{－1,2}．U答案：A3．已知全集U＝{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}，集合A＝{0,1,3,5,8}，集合B＝{2,4,5,6,8}，则(∁A)∩(∁U B)＝()UA．{5,8} B．{7,9}C．{0,1,3} D．{2,4,6}解析：因为A∪B＝{0,1,2,3,4,5,6,8}，所以(∁U A)∩(∁U B)＝∁U(A∪B)＝{7,9}．答案：B4．已知全集U＝{2,3，a2－a－1}，A＝{2,3}，若∁U A＝{1}，则实数a的值是________．解析：∵U＝{2,3，a2－a－1}，A＝{2,3}，∁U A＝{1}，∴a2－a－1＝1，即a2－a－2＝0，∴a＝－1或a＝2.答案：－1或25．已知集合A＝{x|0≤x≤5}，B＝{x|2≤x＜5}，则∁A B＝________.解析：如图：由数轴可知：∁A B＝{x|0≤x<2，或x＝5}．答案：{x|0≤x<2，或x＝5}6．设全集U＝{x|0<x<10，x∈N}，若A∩B＝{3}，A∩(∁U B)＝{1,5,7}，(∁U A)∩(∁U B)＝{9}，求集合A，B.解：U＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9}，由题意画出Venn图，∴A＝{1,3,5,7}，B＝{2,3,4,6,8}．一、选择题1．设U＝R，A＝{x|x>0}，B＝{x|x>1}，则A∩(∁U B)＝()A．{x|0≤x<1} B．{x|0<x≤1}C．{x|x<0} D．{x|x>1}解析：画出数轴，如图所示，∁U B＝{x|x≤1}，则A∩(∁U B)＝{x|0<x≤1}．答案：B2．已知全集U＝A∪B中有m个元素，(∁U A)∪(∁U B)中有n个元素．若A∩B是非空集合，则A∩B的元素个数为()A．mn B．m＋nC．n－m D．m－n解析：画出Venn图，如图．∵U＝A∪B中有m个元素，(∁U A)∪(∁U B)＝∁U(A∩B)中有n个元素，∴A∩B中有m－n个元素．答案：D3．已知集合A＝{x|x<a}，B＝{x|x<2}，且A∪(∁R B)＝R，则a满足()A．a≥2 B．a>2C．a<2 D．a≤2解析：∁R B＝{x|x≥2}，则由A∪(∁R B)＝R得a≥2.答案：A4．设S为全集，则下列几种说法中，错误的个数是()①若A∩B＝∅，则(∁S A)∪(∁S B)＝S；②若A∪B＝S，则(∁S A)∩(∁S B)＝∅；③若A∪B＝∅，则A＝B.A．0 B．1C．2 D．3解析：①如图，(∁S A)∪(∁S B)＝S，正确．②若A∪B＝S，则(∁S A)∩(∁S B)＝∁S(A∪B)＝∅，故成立．③若A∪B＝∅，则A＝B＝∅.答案：A二、填空题5．已知集合A＝{1,3,5,7,9}，B＝{0,3,6,9,12}，则A∩B＝________，A∩(∁N B)＝________.解析：因为集合A与集合B都有元素3和9，所以A∩B＝{3,9}，结合Venn图(如图所示)，易得A∩(∁N B)＝{1,5,7}．答案：{3,9}{1,5,7}6．设集合A＝{x|x＋m≥0}，B＝{x|－2<x<4}，全集U＝R，且(∁U A)∩B＝∅，则实数m 的取值范围是________．解析：∵A＝{x|x≥－m}，∴∁U A＝{x|x<－m}．又∵(∁U A)∩B＝∅，－m≤－2.∴m≥2.答案：m≥27．设全集U＝{a，b，c，d}，集合A＝{a，b}，B＝{b，c，d}，则(∁U A)∪(∁U B)＝________.解析：依题意得知，∁U A＝{c，d}，∁U B＝{a}，(∁U A)∪(∁U B)＝{a，c，d}．答案：{a，c，d}8．已知全集U(U≠∅)和集合A、B、D，且A＝∁U B，B＝∁U D，则A与D的关系是________．解析：A＝∁U B＝∁U(∁U D)＝D.答案：A＝D三、解答题9．已知全集U＝{x|－1≤x≤4}，A＝{x|－1≤x≤1}，B＝{x|0＜x≤3}，求∁U A，(∁U B)∩A.解：∵U＝{x|－1≤x≤4}，A＝{x|－1≤x≤1}，B＝{x|0＜x≤3}，结合数轴(如图)．可知∁U A＝{x|1＜x≤4}，∁U B＝{x|3＜x≤4，或－1≤x≤0}．结合数轴(如图)．可知(∁U B)∩A＝{x|－1≤x≤0}．10．20XX年8月世界大学生运动会在深圳举行，大运村的50名志愿者中，会讲英语的有36人，会讲日语的有20人，既会讲英语又会讲日语的有14人，问既不会讲英语又不会讲日语的有多少人？解：设全集U＝{50名志愿者}，A＝{会讲英语的志愿者}，B＝{会讲日语的志愿者}，A∩B＝{既会讲英语又会讲日语的志愿者}，画出Venn图，如图，则由Venn图知，既不会讲英语又不会讲日语的志愿者有50－22－14－6＝8(人)．1.2函数及其表示1．2.1函数的概念[读教材·填要点]1．函数的概念(1)函数的定义：设A，B是非空的数集，如果按照某种确定的对应关系f，使对于集合A中的任意一个数x，在集合B中都有唯一确定的数f(x)和它对应，那么就称f：A→B为从集合A到集合B的一个函数，记作y＝f(x)，x∈A.(2)函数的定义域与值域：函数y＝f(x)中，x叫自变量，x的取值范围叫做函数的定义域，与x的值相对应的y值叫做函数值，函数值的集合{f(x)|x∈A}叫做函数的值域．显然，值域是集合B的子集．2．区间概念(a，b为实数，且a＜b)1．从函数的定义看，它的定义域和值域能否为空集？提示：因为定义中的A、B是非空数集，所以函数的定义域和值域都不能为空集．2．所有的数集都能用区间表示吗？提示：区间是数集的另一种表示方法，但并不是所有数集都能用区间表示，如{1,2,3,4}就不能用区间表示．3．如何用区间表示下列数集？(1){x|x≥1}；(2){x|2＜x≤3}；(3){x|x＞1且x≠2}．提示：(1)[1，＋∞)(2)(2,3](3)(1,2)∪(2，＋∞)[例1]设M＝{x|0≤x≤2}，N＝{y|0≤y≤2}，给出下列四个图形，其中能表示从集合M 到集合N的函数关系的有()A．0个B．1个C．2个D．3个[自主解答][答案] B——————————————————判断所给对应是否是函数，首先观察两个集合A、B是否是非空数集，其次验证对应关系下，集合A中数x的任意性，集合B中数y的唯一性. ————————————————————————————————————————1．图中(1)(2)(3)(4)四个图象各表示两个变量x，y的对应关系，其中表示y是x的函数关系的有________．解析：由函数定义可知，任意作一条直线x ＝a ，则与函数的图象至多有一个交点，对于本题而言，当－1≤a ≤1时，直线x ＝a 与函数的图象仅有一个交点，当a >1或a <－1时，直线x ＝a 与函数的图象没有交点．从而表示y 是x 的函数关系的有(2)(3)．答案：(2)(3)[例2] 求下列函数的定义域． (1)f (x )＝3x ＋2；(2)f (x )＝3－x1－x －1.[自主解答] (1)使根式3x ＋2有意义的实数x 的集合是⎩⎨⎧⎭⎬⎫x ⎪⎪x ≥－23，从而函数f (x )＝3x ＋2的定义域是⎩⎨⎧⎭⎬⎫x ⎪⎪x ≥－23. (2)要使3－x1－x －1有意义，只要⎩⎨⎧x －1≥0，3－x ≥0，x ≠2.因此函数f (x )＝3－x 1－x －1的定义域为{x |1≤x ≤3且x ≠2}．——————————————————求函数定义域的方法及注意事项：(1)要明确使各函数表达式有意义的条件是什么，函数有意义的准则一般有：①分式的分母不为0；②偶次根式的被开方数非负；③y ＝x 0要求x ≠0.(2)当一个函数由两个或两个以上代数式的和、差、积、商的形式构成时，定义域是使得各式子都有意义的公共部分的集合．(3)定义域是一个集合，要用集合或区间表示，若用区间表示数集，不能用“或”连接，而应该用并集符号“∪”连接．。
大规模复杂系统的优化理论与应用
大规模复杂系统的优化理论与应用第一章引言随着科技的不断发展，复杂系统已经成为了现代社会中不可避免的存在。
当今社会中，生产方式、经济、环境、交通、医疗等各领域都与复杂系统密切相关。
因此，对于大规模复杂系统的优化理论和应用研究已经成为了学术界的重要研究方向。
本文将讨论大规模复杂系统的优化理论和应用，以期为相关领域的研究者提供一些有价值的思路和方法。
第二章大规模复杂系统的特点大规模复杂系统具有诸多特点，包括结构复杂、动态性、互联互通和非线性等方面。
结构复杂意味着大规模复杂系统有着复杂多变的自组织结构，这需要我们采取合适的方法才能准确地描述其行为。
动态性体现在大规模复杂系统每时每刻都在不断变化，这需要我们研究其演化过程，深入了解其内在规律。
互联互通意味着大规模复杂系统中各部分之间存在着非常紧密的联系，这就要求我们在研究复杂系统时要将其看作一个整体而不是单个部分。
非线性意味着大规模复杂系统的行为是不可预测的，这就需要我们针对不同的性质设计出不同的优化算法。
第三章大规模复杂系统的优化理论针对大规模复杂系统，我们需要探索出适合它的优化理论。
首先，我们可以将其看作一个动态演化过程，运用动力学理论来研究其行为和演化规律。
其次，我们可以将其看作一个非线性系统，利用非线性动力学的数学方法来研究其行为。
此外，神经网络、系统理论、信息论等学科都提供了研究复杂系统优化理论的方法。
第四章大规模复杂系统的优化方法大规模复杂系统的优化方法具有多样性。
其中，最基础、最常用的优化方法就是数学优化方法，例如线性规划、非线性规划和组合优化。
另外，进化算法、遗传算法、元启发式算法等计算智能算法也相对较为常用。
另外，复杂网络、分布式系统、计算机模拟等技术也为优化大规模复杂系统提供了有力的技术支持。
第五章大规模复杂系统的应用大规模复杂系统优化理论的应用范围十分广泛。
其中，最直观的应用是在供应链管理、流程控制、物流管理等方面。
此外，在金融、医疗、环境、能源等领域中，也有广泛的应用。
第1章 最优化方法的一般概念
第1章最优化方法的一般概念最优化问题就是依据各种不同的研究对象以及人们预期要达到的目的，寻找一个最优控制规律或设计出一个最优控制方案或最优1控制系统。
针对最优化问题，如何选取满足要求的方案和具体措施，使所得结果最佳的方法称为最优化方法。
1.1 目标函数、约束条件和求解方法根据所提出的最优化问题，建立最优化问题的数学模型，确定变量，给出约束条件和目标函数最优化方法解决实际工程问题的步骤：2（或性能指标）；对所建立的模型进行具体分析和研究，选择合适的最优化求解方法；根据最优化方法的算法，列出程序框图并编写程序，用计算机求出最优解，并对算法的收敛性、通用性、简便性、计算效率及误差等做出评价。
目标函数、约束条件和求解方法是最优化问题的三个基本要素。
1．目标函数：就是用数学方法描述处理问题所能够达到结果的函数。
该函数的自变量是表示可供选择的方案及具体措施的一些参数或函数，最佳结果就表现为目标函数取极值。
32．约束条件：在处理实际问题时，通常会受到经济效率、物理条件、政策界限等许多方面的限制，这些限制的数学描述称为最优化问题的约束条件。
3．求解方法：是获得最佳结果的必要手段。
该方法使目标函数取得极值，所得结果称为最优解。
4解：①目标函数：122max (cos )sin S x x x ②约束条件：a x x 21212(0,0)x x （非线性）（线性）说明：5这是一个非线性带等式约束的静态最优化问题。
这类问题有时可以方便地将等式约束条件带入到目标函数中，从而将有约束条件的最优化问题转换为无约束条件的最优化问题，以便求解。
例如：将例1-1转换为无约束条件的最优化问题，目标函数变为：sin )cos 2(max 222x x x a S例1-2（P2）（※）仓库里存有20m 长的钢管，现场施工需要100根6m 长和80根8m 长的钢管，问最少需要领取多少根20m 长的钢管？解：用一根20m 长的钢管，截出8m 管和6m 管的方6法只有三种：设x 1为一根20m 管截成两根8m 管的根数；x 2为一根20m 管截成一根8m 管和两根6m 管的根数；x 3为一根20m 管截成三根6m 管的根数。
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x
a4 a5
其中a1，a2，a3，a4和a5为待定参数,为确定这些参数，对x、
y测得m个实验点(x1,y1),(x2,y2),…, (xm,ym).试将确定参数的问
题表示成最优化问题.
y
解: 决策变量是参数a1，a2，a3，a4，a5。
显然任意给定的一组数值a1，a2，a3，a4
和a5，就由上式确定了 y关于x的一个函数
因此，无论继续深造还是工作，学好优化理论和方法具有重要的现 实意义。
最优化问题举例
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最优化主要是研究在一定限制条件下，选取某种方案以使某目 标达到最优的一门学科，属于数学和运筹学的范畴。 最优方案：使目标达到最优的方案称为最优方案。 最优化方法：获取某种方案的方法称为最优化方法。 最优化理论：这种方法的数学理论称为最优化理论。
优化算法设计与 分析
课程简介
最优化是一个重要的数学分支，它所研究的问题是：讨论在 众多的方案中什么样的方案最优，以及怎样找出最优方案。
工程设计中怎样选择设计参数，使得设计方案既满足设计要求 又能降低成本； 资源分配中，怎样分配资源，使得分配方案既能满足各方面的 基本要求，又能获得好的经济效益； 城建规划中，怎样安排工厂、机关、学校、商店、医院、住户 和其他单位的合理布局，才能方便群众； 军事指挥中，怎样确定最佳作战方案，才能有效地消灭敌人， 保存自己，有利于战争的全局胜利等等。
20世纪40年代以来，随着科学技术的日益发展，很多工程的核心 问题最终都归结为求解一个优化问题；特别是计算机的普及，使得 一些大规模的优化问题的求解可以在一台普通的计算机上实现，最 优化理论和方法迅速发展起来，形成一门独立的学科。
1947年，Dantzig 提出解线性规划问题的单纯形法。单纯形法的提 出为线性规划的理论和算法奠定了基础，被称为“20世纪最伟大的 创作之一”；
1847年，法国数学家 Cauchy 研究了函数值沿什么方向下降最快 的问题，提出了最速下降法；
1939年，前苏联数学家提出解决下料问题和运输问题这两种线性 规划问题的求解方法；
虽然最优化可以追朔到十分古老的极值问题，然而由于历史条件 的限制，直到20世纪30年代，它并未成为一门独立的学科。
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解：两个决策变量：圆柱体底面半径r、高h
问题的约束条件是所铸圆柱体质量与球质量相等。即
r2 h 4 R3
3
为金属比重. 0.R 1
即
r2h 4 0
3
问题追求的目标是圆柱体表面积最小。即
min 2 rh 2 r2
则得原问题的数学模型：
min 2 rh 2 r2
关系式,在几何上它对应一条曲线。
x
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曲线不一定通过那m个测量点，而要产生“偏差”，将测量点沿
垂线方向到曲线的距离的平方和作为这种“偏差”y的度量. 即
2
S
m i 1
yi
a1
1
a3
a2 ln 1 exp
xi a4 a5
h
L r2h 4 0
3
h 2r
2 r3 .
3
2 h 23
3
此时圆柱体的最小的表面积为:
2
S
6
2 3
3
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例2.2(多参数曲线拟合问题) 已知两个物理量x和y之间的依赖
关系为:
y
a1
1
a3
a2 ln1 exp
x
显然偏差S越小,曲线拟合得越好,说明参数值就选择得越好，因此
目标函数是偏差，我们的问题就转化为5维无约束优化问题. 即
2
min
f
(a1, a2 , a3 , a4 , a5 )
min
m i 1
yi
a1
1
1948年，Fritz John 提出最优性条件；
1950~1965年，匈牙利数学家Kuhn和Tucher 建立了线性规划的对 偶理论、提出最优性条件……
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由于优化学科的迅猛发展，至今已经出现线性规划、整数规划、 非线性规划、几何规划、动态规划、随机规划、网络流、多目标规 划等许多分支，最优化的理论和算法正在发挥越来越大的作用。 如今，大数据时代的到来，使得最优化方法得到了比以往任何时 候都更加广泛的应用，最优化方法已经成为工程技术人员所必须具 备的研究工具。
最优化理论与方法具有重要的理论意义和应用价值。
绪论
§1 最优化的发展历程
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最优化(Optimization)，广义上称为 “运筹学” (Operational Research)，狭义上称为“数学规划” (Mathematical
Pr最og优ra化m是mi个ng古) 老的课题。长期以来，人们对最优化问题进行着深 入的探讨和研究。早在17 世纪，英国数学家Newton & 德国数学家 Leibniz 发明微积分的时代，就已经提出了函数的极值问题；后来 出现了Lagrange乘数法;
a3
a2 ln 1 exp
xi a4 a5
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例2.3 现有一批某种型号的圆钢长8米，需要截取2.5米长的毛 坯100根，长1.3米的毛坯200根。问如何设计方案才能既满足 需要，又能使总的用料最少？
给一个实际的优化问题，首先得建立优化模型，然后利用优化方 法去求解。
建立最优化模型的三要素：目标函数、决策变量、约束条件。
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最优化在物质运输、自动控制、机械设计、采矿冶金、经济管 理等科学技术各领域中有广泛应用。下面举几个专业性不强的 实例。
例2.1 把半径为1的实心金属球熔化后，铸成一个实心圆柱体， 问圆柱体取什么尺寸才能使它的表面积最小？
s.t.
r2h 4 0
3
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利用在高等数学中所学的Lagrange乘子法可求解本问题
L
r
,
h,
2
rh
2
r
2
r
2h
4 3
分别对 r, h,λ 求偏导数,并令其等于零. 有:
L
r
2
h
4
r
2rh
0
L 2 r r 2 0