《数学优化模型》PPT课件.ppt
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1、数 学 建 模 -数学模型优化模型的三要素优化模型的三要素于是,优化模型从数学上可以表述为于是,优化模型从数学上可以表述为opt opt 最优化的意思,可以是最优化的意思,可以是minmin(求极大,即(求极大,即minamizeminamize的缩写)或的缩写)或max max(求极小,即(求极小,即minamizeminamize的缩写)的两者之一;的缩写)的两者之一;s.t.s.t.(即(即subject tosubject to)“受约束于受约束于”之意。之意。(1)(2)(3)优化模型基本类型优化模型基本类型1.1.决策变量决策变量x的所有分量的所有分量xi均为连续数值均为连续数值
2、a)f,hi,gi都是线性函数,则为线性规划(都是线性函数,则为线性规划(LP)b)f,hi,gi至少有一个是非线性,则为非线性规划(至少有一个是非线性,则为非线性规划(NLP)c)f 是二次函数是二次函数,hi,gi 都是线性,则为二次规划(都是线性,则为二次规划(QP)2.2.决策变量决策变量x的的一个或多个分量的的一个或多个分量xi取离散值取离散值 a)x的至少一个分量只取整数数值,则为整数规划(的至少一个分量只取整数数值,则为整数规划(IP)b)x的分量限定只取整数的分量限定只取整数0或或1,则为,则为0-1规划(规划(ZOP)3.3.此外,为了解决实际问题的需要,还可以分为:单目此外
3、,为了解决实际问题的需要,还可以分为:单目 标规划,多目标规划,动态规划,多层规划等标规划,多目标规划,动态规划,多层规划等。(1)线性规划()线性规划(LP)的一般形式)的一般形式目标函数和所有的约束条件都是变量的线性函数。目标函数和所有的约束条件都是变量的线性函数。(2)二次规划问题)二次规划问题目标函数为二次函数,约束条件为线性约束。目标函数为二次函数,约束条件为线性约束。优化模型优化模型1 存贮模型存贮模型2 生猪的出售时机生猪的出售时机3 森林救火森林救火4 最优价格最优价格5 消费者均衡消费者均衡6 6 冰山运输冰山运输7 血管分支血管分支存贮模型存贮模型配件厂为装配线生产若干种产
4、品,轮换产品时因更换设配件厂为装配线生产若干种产品,轮换产品时因更换设备要付生产准备费,产量大于需求时要付贮存费备要付生产准备费,产量大于需求时要付贮存费.该厂该厂生产能力非常大,即所需数量可在很短时间内产出生产能力非常大,即所需数量可在很短时间内产出.已知某产品日需求量已知某产品日需求量100件,生产准备费件,生产准备费5000元,贮存费元,贮存费每日每件每日每件1元元.试安排该产品的生产计划,即多少天生产试安排该产品的生产计划,即多少天生产一次(生产周期),每次产量多少,使总费用最小一次(生产周期),每次产量多少,使总费用最小.要要求求不只是回答问题,而且要建立生产周期、产量与不只是回答问
5、题,而且要建立生产周期、产量与需求量、准备费、贮存费之间的关系需求量、准备费、贮存费之间的关系.问题分析与思考问题分析与思考 每天生产一次每天生产一次,每次每次100件件,无贮存费无贮存费,准备费准备费5000元元.日需求日需求100件,准备费件,准备费5000元,贮存费每日每件元,贮存费每日每件1元元.10天生产一次天生产一次,每次每次1000件,贮存费件,贮存费900+800+100 =4500元,准备费元,准备费5000元,总计元,总计9500元元.50天生产一次天生产一次,每次每次5000件件,贮存费贮存费4900+4800+100=122500元,准备费元,准备费5000元,总计元,
6、总计127500元元.平均每天费用平均每天费用950元元平均每天费用平均每天费用2550元元1010天生产一次天生产一次,平均每天费用最小吗平均每天费用最小吗?每天费用每天费用5000元元 这是一个优化问题,关键在建立目标函数这是一个优化问题,关键在建立目标函数.显然不能用一个周期的总费用作为目标函数显然不能用一个周期的总费用作为目标函数.目标函数目标函数每天总费用的平均值每天总费用的平均值.周期短,产量小周期短,产量小 周期长,产量大周期长,产量大问题分析与思考问题分析与思考贮存费少,准备费多贮存费少,准备费多准备费少,贮存费多准备费少,贮存费多存在最佳的周期和产量,使总费用(二者之和)最小
7、存在最佳的周期和产量,使总费用(二者之和)最小.模模 型型 假假 设设1.产品每天的需求量为常数产品每天的需求量为常数 r;2.每次生产准备费为每次生产准备费为 c1,每天每件产品贮存费为每天每件产品贮存费为 c2;3.T天生产一次(周期)天生产一次(周期),每次生产每次生产Q件,当贮存量件,当贮存量 为零时,为零时,Q件产品立即到来(生产时间不计);件产品立即到来(生产时间不计);建建 模模 目目 的的设设 r,c1,c2 已知,求已知,求T,Q 使每天总费用的平均值最小使每天总费用的平均值最小.4.为方便起见,时间和产量都作为连续量处理为方便起见,时间和产量都作为连续量处理.模模 型型 建
8、建 立立0tq贮存量表示为时间的函数贮存量表示为时间的函数 q(t)TQrt=0生产生产Q件,件,q(0)=Q,q(t)以以需求速率需求速率r递减,递减,q(T)=0.一周期一周期总费用总费用每天总费用平均每天总费用平均值(目标函数)值(目标函数)离散问题连续化离散问题连续化一周期贮存费为一周期贮存费为A=QT/2模型求解模型求解求求 T 使使模型解释模型解释定性分析定性分析敏感性分析敏感性分析参数参数c1,c2,r的微小变化对的微小变化对T,Q的影响的影响T对对c1的的(相相对对)敏感度敏感度 c1增加增加1%,T增加增加0.5%S(T,c2)=-1/2,S(T,r)=-1/2c2或或r增加
9、增加1%,T减少减少0.5%经济批量订货公式经济批量订货公式(EOQ公式公式)用于订货供应情况用于订货供应情况:不允许缺货的存贮模型不允许缺货的存贮模型模型应用模型应用T=10(天天),Q=1000(件件),C=1000(元元)回答原问题回答原问题c1=5000,c2=1,r=100 每天需求量每天需求量 r,每次订货费,每次订货费 c1,每天每件贮存费每天每件贮存费 c2,T天订货一次天订货一次(周期周期),每次订货每次订货Q件,当贮存量降到零时,件,当贮存量降到零时,Q件立即到货件立即到货.思考思考:为什么与前面计算的为什么与前面计算的C=950元有差别元有差别?允许缺货的存贮模型允许缺货
10、的存贮模型AB0qQrT1t当贮存量降到零时仍有需求当贮存量降到零时仍有需求r,出现缺货,造成损失出现缺货,造成损失.原模型假设:原模型假设:贮存量降到零时贮存量降到零时Q件立即生产出来件立即生产出来(或立即到货或立即到货).现假设:现假设:允许缺货允许缺货,每天每件缺货损失费每天每件缺货损失费 c3,缺货需补足缺货需补足.T周期周期T,t=T1贮存量降到零贮存量降到零一周期总费用一周期总费用一周期一周期贮存费贮存费一周期一周期缺货费缺货费每天总费用每天总费用平均值平均值(目标函数)(目标函数)一周期总费用一周期总费用求求 T,Q 使使为与为与不允许缺货的存贮模型不允许缺货的存贮模型相比,相比
11、,T记作记作T,Q记作记作Q.允许缺货的存贮模型允许缺货的存贮模型不允许不允许缺货缺货模型模型记记允许允许缺货缺货模型模型不不允允许许缺缺货货允许允许缺货缺货模型模型0qQ rT1tT注意:缺货需补足注意:缺货需补足Q 每周期初的存贮每周期初的存贮量量R每周期的生产量每周期的生产量R(或订货量)(或订货量)Q不允许缺货时的产量不允许缺货时的产量(或订货量或订货量)存存 贮贮 模模 型型 存贮模型存贮模型(EOQ公式公式)是研究批量生产计划的重是研究批量生产计划的重要理论基础要理论基础,也有实际应用也有实际应用.建模中未考虑生产费用建模中未考虑生产费用,为什么为什么?在什么条件下在什么条件下可以
12、不考虑可以不考虑?建模中假设生产能力为无限大建模中假设生产能力为无限大(生产时间不计生产时间不计),如果生产能力有限如果生产能力有限(大于需求量的常数大于需求量的常数),应作怎应作怎样的改动样的改动?生猪的出售时机生猪的出售时机饲养场每天投入饲养场每天投入4元资金,用于饲料、人力、设元资金,用于饲料、人力、设备,备,估计估计可使可使80公斤重的生猪体重增加公斤重的生猪体重增加2公斤公斤.问问题题市场价格目前为每公斤市场价格目前为每公斤8元,但是元,但是预测预测每天会降每天会降低低 0.1元,问生猪应何时出售元,问生猪应何时出售?如果如果估计估计和和预测预测有误差,对结果有何影响有误差,对结果有
13、何影响?分分析析投入资金使生猪体重随时间增加,出售单价随投入资金使生猪体重随时间增加,出售单价随时间减少,故存在最佳出售时机,使利润最大时间减少,故存在最佳出售时机,使利润最大.求求 t 使使Q(t)最大最大10天后出售,可多得利润天后出售,可多得利润20元元.建模及求解建模及求解生猪体重生猪体重 w=80+rt出售价格出售价格 p=8-gt销售收入销售收入 R=pw资金投入资金投入 C=4t利润利润 Q=R-C估计估计r=2,若当前出售,利润为若当前出售,利润为808=640(元)(元)t 天天出售出售=10Q(10)=660 640g=0.1=pw-4t敏感性分析敏感性分析研究研究 r,g
14、微小变化时对模型结果的影响微小变化时对模型结果的影响.估计估计r=2,g=0.1 设设g=0.1不变不变 t 对对r 的(相对)敏感度的(相对)敏感度 生猪每天体重生猪每天体重 r 增加增加1%,出售时间推迟,出售时间推迟3%.rt敏感性分析敏感性分析估计估计r=2,g=0.1研究研究 r,g微小变化时对模型结果的影响微小变化时对模型结果的影响.设设r=2不变不变 t 对对g的(相对)敏感度的(相对)敏感度 生猪价格每天的降低生猪价格每天的降低g增加增加1%,出售时间提前,出售时间提前3%.gt强健性分析强健性分析保留生猪直到每天收入的增值等于每天的费用时出售保留生猪直到每天收入的增值等于每天
15、的费用时出售.研究研究 r,g不是常数时对模型结果的影响不是常数时对模型结果的影响.w=80+rt w=w(t)p=8-gt p=p(t)每天收入的增值每天收入的增值 每天投入的资金每天投入的资金 利润利润森林救火森林救火森林失火后,要确定派出消防队员的数量森林失火后,要确定派出消防队员的数量.队员多,森林损失小,救援费用大;队员多,森林损失小,救援费用大;队员少,森林损失大,救援费用小队员少,森林损失大,救援费用小.综合考虑损失费和救援费,确定队员数量综合考虑损失费和救援费,确定队员数量.问题问题分析分析问题问题记队员人数记队员人数x,失火时刻失火时刻t=0,开始救火时刻开始救火时刻t1,灭
16、火时刻灭火时刻t2,时刻时刻t森林烧毁面积森林烧毁面积B(t).损失费损失费f1(x)是是x的减函数的减函数,由烧毁面积由烧毁面积B(t2)决定决定.救援费救援费f2(x)是是x的增函数的增函数,由队员人数和救火时间决定由队员人数和救火时间决定.存在恰当的存在恰当的x,使,使f1(x),f2(x)之和最小之和最小.关键是对关键是对B(t)作出合理的简化假设作出合理的简化假设.问题问题分析分析失火时刻失火时刻t=0,开始救火时刻开始救火时刻t1,灭火时刻灭火时刻t2,画出时刻画出时刻t森林烧毁面积森林烧毁面积B(t)的大致图形的大致图形.t1t20tBB(t2)分析分析B(t)比较困难比较困难,
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