现代设计方法-习题集.docx
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1、现代设计方法课程习题集西南科技大学成人、网络教育学院版权所有习题【说明】:本课程现代谢+方法(编号为09021)共有单项选择题,计算题,简答题,填空题等多种试题类型,其中,本习题集中有填空题,单项选择题等试题类型 未进入。一、计算题L用黄金分割法求解以下问题(缩小区间三次)。min/(x) = 2x2-4x + 3 ,给定初始区间Q力=10,3,取 = 0.1。2 .用黄金分割法求解以下问题(缩小区间三次)min/(x) = 2x2 + 3 ,给定q,T=,取&=0.13 .用黄金分割法求解以下问题(缩小区间三次)min f(x) = 3x2 +4 ,给定q/Uo/J,取=0.1。4 .用黄金
2、分割法求解以下问题(缩小区间三次)。min/(x) = X3-2x+1 ,给定初始区间L, 10,3,取 = 0.5.用黄金分割法求解以下问题(缩小区间三次)。min/(x) =X27x+ 10 ,给定初始区间Q,b= o,3,取e = 0.1.用梯度法求解无约束优化问题:min/(X) =X2 + X2-8x +16 ,取初始点X(o)二 ,计算精度 = 0.1。127 用梯度法求解min/(X) = x2+x2 6x +9 , X(o)= ll,J , = 0.1。1218 ,用梯度法求解 min/(x) = X2 +X2 4x +4X(o)= llj, = 0.1 o1225.解:第一次
3、缩小区间x= 0 + 0.382 x (3 0) = 1.146, f = 3.2911x = 0 + 0.618 x (3 0) =1.854, f = 0.4592由于彳 /2,故新区间W= L , =1.146,3因为=1.8540.1,所以应继续缩小区间。第二次缩小区间令 x = x =1.854, f = f = 0.45912,12x = 1.146 + 0.618 x (3 -1.146) = 2.292,= -0.791由于工 故新区间1.854,3“121因为。- =1.1460.1,所以应继续缩小区间。第三次缩小区间令 乂 = x = 2.292, f = f = -0.7
4、9112,12x =1.854 + 0.618 x (3 1.854) = 2.562, f = 1,370 22由于彳 /2,故新区间w=J=2,292,3因为= 0.7080.1,所以应继续缩小区间。2乂6.解:求:V/(X) = |1I 2x -8L 2,V/(Xe) =2L-6J 21 21令:s(o)=y(x(o) =令:s(o)=y(x(o) =_ 6 rn那么:X=X(o)+aS(o)=1+a1-2a1+ 6a/(X)=(1 2a)2 +(1 + 6a)2 -8(1 + 6a) + 16 =(|)(x)/(X)=(1 2a)2 +(1 + 6a)2 -8(1 + 6a) + 16
5、 =(|)(x)令。(a) = 0,可得a =0.5, x=*, /(X(1) = O-4-l/卜,可得此问题的最优解:X*01=,L I, /(x*)= o7解:V/(X)2x 612x I-2,V/(X(o) =-4121令:s(o)= v/(X(o) =-21 + 4a1 + 4a-2a Jrn那么:X=x(o)+aS(o)= I I- MJf( X(n) = (1 + 4a)2 + (1 - 2a)2 一 6(1 + 4a) + 9 = /a)3令:(|)(a) = 0 可得:a =0.5 , x=Q , /(X)=031因:口可(加| =。,可得此问题的最优解:,可 ,/(X*) =
6、 o。r-1 28 .解:求:Vf(X) = Xi , V/(X(o)=|L -2-4JL-2J-2令:(o)=-V/(X(o) =1-2,=11-2a那么:X=X(o)+aS(o)= | | + a| 21 +2aI I /(X)=(1 - 2a)2 + (1 + 2a)2 4(1 + 2a) + 4 =(|)(oc)x0令V(a) = o,可得a = 0.5, x=3, /(X)=0因:=001,可得此问题的最优解:X|身,/(X*) = o。-2,V/(X(o) = |L-4J2.x - 49 .解:求:V/(X) = | 1|L-2-6J21令:s(o)=V/(X(o) = | I c
7、J121+2a那么:X =X(o)+a$(o)= +ot| = I 1J 14|_1 + 4aJ/(X )=(2a -1 )2 + (4a - 2)2 = /a)令(a) = 0,可得a=0.5, x(i)=令(a) = 0,可得a=0.5, x(i)=21n21= ,可得此问题的最优解:,/(X*) = 0。io解:1)第一次迭代V/(X 尸,| 21K + 42x IL 12V/(Xo)=_42S(o)= y/(X(o) =4L-2JS(o)= y/(X(o) =4L-2JF1 + 4aX=X(o)+a(o)S(o)=X=X(o)+a(o)S(o)=UJ + aL-2j = Ll-2aJ/
8、(X)= (1 +4002 + 2(1 2a)22(1 +4a)(1-2oc)-4(1 +4a) =(|)(a)对这种简单的一元函数,可以直接用解析法对。求极小。令加,=8(1 + 4a) - 8(1 - 2a) - 8(1 - 2oc) + 4(1 + 4a)- 16 = 0解得 a = 1 = 0.25, x =2 /( x )=-5.54I 10.5 4因1*( x卜 ,还应继续迭代计算。2)第二次迭代因 V/(X )=1 1 揖1) =1 I-2J r 12j r n r L2L 1 2 + aX(2)=X +a(i)J(i)= |05|+a|2 |= |_0.5 + 2aJ/(X(2
9、) = (2+a)2 + 2(0.5+ 2a)2 -2(2 + a)(0.5 + 2a) -4(2 + a) =(|)(a)令 Way = 2(2 + a) + 8(0.5 + 2a) - 8(0.5 + 2a) 4(2 + a) 4 = 0解得 a = 0.5, x:251,/(X)=6.75, V/(X)=2L1-5JU !l因区(x)卜可知x不是极小点,还应继续进行迭代。11解:纯并联的系统可靠度为:R =1 (1 r)3 =1 (1 0.9)3 =0.999表决系统可靠度为:R =3R2-2R3=3(X9)2-2。9)3 = 0.972由上述计算结果可以看出,采用并联系统都大大地提高了
10、可靠度。而2/3G表决 系统的可靠度比纯并联系统要低一些。12.解:1)组成串联系统:R* =(R*)=(0.85)i = 0.9219z S即要求:R* = R = 0.921912(2)组成并联系统:R*=1-(1-0.85)2 =0.6127/S即要求:R* =R* =0.6127。1 2j o 初 7 N 日 516 378 n 07解:z =吁=1 =乙R JS2+S2 V24.22+41.52* 8 Q查正态表得可靠度:R =(2.87) = 0.99795失效概率尸=1一 R= 0.00205。14.解:Z _一巴516 378 _287R JS2+S2 724.22+41.52
11、* 8查正态表得可靠度:R = 0(2.87) = 0.99795失效概率尸=1-R =。0205。15 田解:拉应力 o = N (3500,400)1。T剩余应力O =N(1000,150) MPa c故平均有效应力为:日二日日=(35001000)1=2500比。C5 T C应力的标准差为:=Js 2 + S 2o y 丁 c二,4002 + 1502 = 427.2“p根据标准正态积分表,可以由要求可靠度0.999反过来查出标准正态随机变量Z = -3A ,代入公式z= JS2+S2 5 on 卡山 o 15000 - 2500可以求出:-3.1 =丸2+ 4272由上式解出:5=68
12、4VRz。5一 1(2N九一九 2S2)e 2 B - 6可得:16.解:X =_= 10-3由公式 R = 1-。(一个)一 1-(一5 L21002100-10-3x16821R = l帆一68T 1一加62|exp|f (2x 2100x10-3-10-6x1682)1LJ= 10(12.5) kM12.332)1-2.086 = 0.8758失效概率为尸=1 R= 1- 0.8758 = 0.1242 o17.解:因为安全系数n = ) =8200 =2.34 3500故在此安全系数下零件的可靠度为:故在此安全系数下零件的可靠度为:8200-3500J4002+ 8002= -5.25
13、根据Z = -5.25及标准正态积分表,可查出可靠度R=0.9999999。18.解:串联系统的可靠度为:R = R=RR.RRStA B C Dz=l=0.9 - 0.8 0.7- 0.6 = 0.3024并联系统的可靠度为:R = 1 -n,z 1 -R(/)Sti= 1-(1- 0.9)(l - 0.8)(l - 0.7)( 1 - 0.6) = 0.9976比照可知,并联的组合方法将大大地提高系统的可靠度。19.解:某产品的强度和应力均服从指数分布,那么强度6有/() =入 exp(一九)(08oo)88对于应力。有/(o) =入 exp(一九,O)(0O1.5) = 1-P(X1.5
14、) = 1 -0() = 1-0(2) = 0.022750.005因此,该批钢轴的废品率是0.02275。设规定钢轴直径的合格尺寸是X,那么有P(X x) = 0.95即 P(XT49 1-49) =0.95从而 P(Z ,-717OX OxOx1 2n梯度的基本性质为:函数在一点的梯度是一个向量。梯度的方向是该点函数值上升得最快的方向,梯度 的大小就是它的模长。一点的梯度方向与过该点的等值线或等值面的切线或切平面相垂直的方向或等值 面的法线方向。梯度是函数在一点邻域内局部性态的描述。在一点上升得快的方向不一定上升得 快,甚至可能下降。29 .答:共相梯度法是以函数的梯度构造共辄方向的一种算
15、法,具有共趣方向的性质。 共轲梯度法具有超线性收敛速度。梯度法与共枢梯度法的区别是:1)最速下降法(梯度法):搜索方向为目标函数负梯度方向,计算效率优于坐标轮换法。 开始几步搜索下降快,但愈接近极值点下降愈慢。对初始点的选择要求不高,适合与 其它方法结合使用。2)共朝梯度法:第一步搜索沿负梯度方向,然后沿负梯度的共朝方向搜索。计算效率 介于梯度法和牛顿法之间。对初始点没有特殊的要求,不需要计算二阶偏导数矩阵及 其逆矩阵,计算量与梯度法相当。适用于各种规模的问题。30 .答:1)优化设计是指,将工程设计问题转化为最优化问题,利用数学规划方法, 借助电子计算机高速度、高精度和大储存量的运算处理能力
16、,从满足设计要求的一切 可行方案中自动寻求最正确设计方案的设计方法。2)下降迭代算法的构成需要解决以下三个基本问题:选择搜索方向,确定步长因子, 给定收敛准那么。31 .答:下降迭代算法的收敛准那么有:点距准那么:相邻两迭代点的距离来判断;值差准那么:相邻两迭代点的函数值之差来判断;梯度准那么:梯度的模长判断。32 .答(1)优化设计的数学模型由设计变量、目标函数和约束条件组成。(2)建立优化设计的数学模型的基本步骤是:1)识别要确定的未知变量(设计或决策),并用代数符号表示它们;2)识别目标或判别标准,并将其表示为要最大化或最小化的函数;3)识别问题的约束或限制,并将它们表示未知变量的线性或
17、非线性的等式或不等式 组。33 .答:(1)梯度法的特点。1)梯度法理论明确,程序简单,计算量和存储量较少,对初始点的要求不严格。2)负梯度方向不是理想的搜索方向,梯度法也不是一种理想的方法,梯度法的收敛 速度并不快。3)梯度法的迭代全过程的搜索路线呈锯齿状。(2)共拆梯度法的特点1)全局收敛(下降算法),线性收敛;2)每步迭代只需存储假设干向量(适用于大规模问题);3)有二次终结性(对于正定二次函数,至多n次迭代可达。pt.)34 .答:1)给定一个初始点X(0)和收敛精度2)选取一个搜索方向S(k)3)确定步长因子气,按上式得到新的迭代点K4)收敛判断:假设X(k+1)满足收敛精度,那么以
18、X(k+1)作为最优点,终止计算;否那么, 以X(k+1)作为新的起点,转2)进行下一轮迭代。35 .答:无约束优化方法分为两类:第一类:直接解法。这种方法中只用到函数f(x), 而不涉及其导数,如坐标轮换法、鲍威尔法(Powell法)、随机搜索法、单纯形法等; 第二类:间接解法。它要用到f(x)的导数,如用到一阶导数的方法有梯度法、共扼梯 度法和变尺度法;用到二阶导数的方法以牛顿法为代表。间接解法也称为解析法。36 .答:一般机械产品的可靠性设计程序,可大致分为以下几个阶段:方案论证阶段:确定可靠性指标,对可靠性和本钱进行估算分析;审批阶段:对可靠度及其增长初步评估、验证试验要求、评价和选择
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