机械优化设计课后习题答案(8页).doc

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1、-机械优化设计课后习题答案-第 8 页第一章习题答案 1-1 某厂每日（8h制）产量不低于1800件。计划聘请两种不同的检验员，一级检验员的标准为：速度为25件h，正确率为98，计时工资为4元h；二级检验员标准为：速度为15件h，正确率为95，计时工资3元h。检验员每错检一件，工厂损失2元。现有可供聘请检验人数为：一级8人和二级10人。为使总检验费用最省，该厂应聘请一级、二级检验员各多少人？解：（1）确定设计变量；根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ；（2）建立数学模型的目标函数；取检验费用为目标函数，即：f(X) = 8*4*x1+ 8*3*x2 + 2（8*25*0.02x

2、1 +8*15*0.05x2 ） =40x1+ 36x2 （3）本问题的最优化设计数学模型：min f (X) = 40x1+ 36x2 XR3s.t. g1(X) =1800-8*25x1+8*15x20g2(X) =x1 -80g3(X) =x2-100 g4(X) = -x1 0 g5(X) = -x2 0 1-2 已知一拉伸弹簧受拉力，剪切弹性模量，材料重度，许用剪切应力，许用最大变形量。欲选择一组设计变量使弹簧重量最轻，同时满足下列限制条件：弹簧圈数，簧丝直径，弹簧中径。试建立该优化问题的数学模型。注：弹簧的应力与变形计算公式如下 解： （1）确定设计变量；根据该优化问题给定的条件与

3、要求，取设计变量为X = ；（2）建立数学模型的目标函数；取弹簧重量为目标函数，即：f(X) = （3）本问题的最优化设计数学模型：min f (X) = XR3s.t. g1(X) =0.5-x1 0g2(X) =10-x2 0g3(X) =x2-50 0g4(X) =3-x3 0g5(X) =0g6(X) =0 1-3 某厂生产一个容积为8000 cm3的平底、无盖的圆柱形容器，要求设计此容器消耗原材料最少，试写出这一优化问题的数学模型。 解：根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = , 表面积为目标函数，即： minf(X) = x12 + 2 x1 x2 考虑题示的约束条件之

4、后，该优化问题数学模型为：minf(X) = x12 + 2 x1 x2 X=x1,x2TR2s.t. g1(X) = -x1 0g2(X) = -x2 0 h1(X) = 8000 - x12 x2 = 0 1-4 要建造一个容积为1500 m3的长方形仓库，已知每平方米墙壁、屋顶和地面的造价分别为4元、6元和12元。基于美学的考虑，其宽度应为高度的两倍。现欲使其造价最低，试导出相应优化问题的数学模型。 解：（1）确定设计变量；根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ；（2）建立数学模型的目标函数；取总价格为目标函数，即：f(X) = 8(x1 x3 + x2 x3) + 6 x

5、1 x2 + 12 x1 x2 （3）建立数学模型的约束函数；1）仓库的容积为1500 m3。即：1500-x1 x2 x3 =02）仓库宽度为高度的两倍。即：x2 -2 x3 = 0 3）各变量取值应大于0，即：x1 0, x2 . 0.，则 -x1 0，-x2 0（4）本问题的最优化设计数学模型：min f (X) = 8(x1 x3 + x2 x3) + 18 x1 x2 XR3s.t. g1(X) = -x1 0g2(X) = -x2 0g3(X) = -x3 0h1(X) = 1500-x1 x2 x3 =0h2(X) = x2 -2 x3 = 0 1-5 绘出约束条件： ； ； 所

6、确定的可行域 1-6 试在三维设计空间中，用向量分别表示设计变量：第二章习题答案 2-1 请作示意图解释：的几何意义。 2-2 已知两向量,求该两向量之间的夹角。 2-3 求四维空间内两点和之间的距离。 2-4 计算二元函数在处，沿方向的方向导数和沿该点梯度方向的方向导数。 2-5 已知一约束优化设计问题的数学模型为 求： (1) 以一定的比例尺画出当目标函数依次为时的四条等值线，并在图上画出可行区的范围。 (2) 找出图上的无约束最优解和对应的函数值，约束最优解和； (3) 若加入一个等式约束条件：求此时的最优解，。解：下图为目标函数与约束函数（条件）设计平面X1OX2 。其中的同心圆是目标

7、函数依次为f(X)=1、2、3、4时的四条等值线；阴影的所围的部分为可行域。由于目标函数的等值线为一同心圆，所以无约束最优解为该圆圆心即： X1*3，4T 函数值 f(X1*)= 0 。 而约束最优解应在由约束线g1(X)=0，g2(X)=0，g3(X)=0，g4(X)=0，组成的可行域（阴影线内侧）内寻找，即约束曲线g1(X)=0与某一等值线的一个切点X2*，可以联立方程： ，解得X2*=2，3 。函数值 f(X2*)= (2-3)2 + (3-4)2 = 2 。 加入等式约束条件，则X3*为可行域上为h1(X)=0上与某一条等值线的交点，可以联立方程： ， 解得X3*=5/2，5/2 。函

8、数值 f(X3*)= (5/2-3)2 + (5/2-4)2 = 2.5 。 2-6 试证明在点处函数具有极小值。证明：求驻点：，H(X)是正定的， 所以驻点必定是极小点。故在点处函数具有极小值。2-7 求函数的极值点，并判断其极值的性质。解：，H(X)是正定的，所以，为凸函数。2-8 试判断函数的凸性。解：，H(X)是正定的，所以，为凸函数。2-9 试用向量及矩阵形式表示并证明它在上是一个凸函数。解：，H(X)是正定的，所以，为凸函数。 2-10 现已获得优化问题的一个数值解,试判定该解是否上述问题的最优解。第三章习题答案3-1 函数，当初始点分别为及时，用进退法确定其一维优化的搜索区间，取

9、初始步长。解：当时（1）取 =0.1 比较，因 ，所以应作前进搜索。 步长加倍： =0.3 再比较，因，所以还应再向前搜索，为此应舍去上一次的点。所以：。 (3) 步长加倍：=0.7比较，因，所以还应再向前搜索, 。 (4) 步长加倍：=1.5比较，因。已找到具有“高低高”特征的区间 即：时， 时， 时，。 所以，单峰区间为：当时同理可得：3-2 用黄金分割法求函数在区间中的极小点，要求计算到最大未确定区间长度小于0.05。解：（1）在初始区间a,b-3，5中取计算点并计算函数值（2）比较函数值，缩短搜索区间因有f1f2，则（3）判断迭代终止条件ba不满足迭代终止条件，比较函数值f1、f2继续

10、缩短区间。将各次缩短区间的有关计算数据列于下表。表 黄金分割法的搜索过程区间缩短次数ab (1) (2)f1f2(原区间)-350.0561.9440.1157.6671-31.944-1.1110.056-0.9870.1152-30.056-1.832-1.111-0.306-0.9873-1.8320.056-1.111-0.665-0.987-0.8884-1.832-0.665-1.386-1.111-0.851-0.987（5-8）略9-1.11122-0.94097-1.046-1.006-0.997867-0.9999643-3 用二次插值法求函数的最优解。已知搜区间为，选代精

11、度。解：采用Matlab编程计算得： 3-4 函数，取初始点为，规定沿点的负梯度方向进行一次一维优化搜索，选代精度:。 (1)用进退法确定一维优化搜索区间； (2)用黄金分割法求最优化步长及一维优化最优值； (3)用二次插值法求最优化步长及一维优化最优值；(4)上述两种一维优化方法在求解本题时，哪一个种方法收取更快，原因是什么？解：最优点,最优值二次插值法更快3-5 求的极小点，选代精度。要求： (1)从出发，为步长确定搜索区间； (2)用黄金分割法求极值点；(3)用二次插值法求极值点。解：(1) 由已知条件可得，因为，应作前进搜索。步长加倍， 因为，所以还应再向前搜索，为此应舍去上一次的点。所以：步长加倍， 因为，所以还应再向前搜索，为此应舍去上一次的点。所以：步长加倍， 因为，所以还应再向前搜索，为此应舍去上一次的点。所以：步长加倍， 因为，所以已找到具有“高低高”特征的区间即时，；时，；时，。（2）由（1）确定的搜索区间0.7,3.1，利用Matlab进行黄金分割法一维优化搜索得:（3）由（1）确定的搜索区间0.7,3.1，利用Matlab进行二次插值法一维优化搜索得: