[数学建模]数学规划模型

目录

一、概述

1、什么是数学规划？

2、数学规划的一般形式

3、数学规划的分类

二、线性规划问题的求解

Matlab中规定线性规划的标准形式

Matlab求解线性规划的函数

举例

三、线性规划的典型例题

1、生产决策问题

2、投料问题

3、Matlab中线性整数规划的求解

a.概论

         b.Matlab指令

4、背包问题 

5、指派问题

6、钢管切割问题

四、非线性规划问题的求解

1、Matlab中非线性规划的标准型

 2、Matlab求解非线性规划的函数​

  3、非线性规划例题

 a、选址问题

 b、飞行管理问题

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一、概述

1、什么是数学规划？

        数学规划是运筹学的一个分支，其用来研究：在给定条件下（约束条件），如何按照某一衡量指标（目标函数）来寻求计划、管理工作中的最优方案。

        【求目标函数在一定约束条件下的极值问题】

2、数学规划的一般形式

3、数学规划的分类

a.线性规划

        如果目标函数和和约束条件均是决策变量的线性表达式 ，那么此时的数学规划问题就属于线性规划。

b.非线性规划

        当目标函数和或者约束条件中 有⼀个是决策变量x 的非线性表达式，那么此时数学规划问题就属于非线性规划。

        解决非线性规划要比线性规划困难得多，目前没有通用算法，大多数算法都是在选定决策变量的初始值后，通过一定的搜索方法寻求最优的决策变量。

c.整数规划

        整数规划是一类要求变量取整数值的数学规划。目前，所流行的求解整数规划的算法往往只适用于线性整数规划，所以本节学习的求解均针对线性整数规划。

d.0-1规划

        整数规划的特殊情形，整数变量的取值只能为0和1。这时变量称为0-1变量，或称为二进制变量。

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二、线性规划问题的求解

Matlab中规定线性规划的标准形式

      线性规划的目标函数可以是求最大值,也可以是求最小值,约束条件的不等号可以是小于等号也可以是大于等号。为了避免这种形式多样性带来的不便, Matlab中规定线性规划的标准形式为

Matlab求解线性规划的函数

举例

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 （2）求解的Matlab程序如下：

f=[-2;-3;5];
A=[-2,5,-1;1,3,1];
b=[-10;12];
Aeq=[1,1,1];
beq=7;
[x,y]=linprog(f,A,b,Aeq,beq,zeros(3,1)); 
%zeros(3,1)表示创建一个3*1的数组，值都为0；
z=-y;
%注意这个fval要取负号（原来是求最大值，我们添加负号变成了最小值问题)

三、线性规划的典型例题

1、生产决策问题

%% 生产决策问题
format long g   %可以将Matlab的计算结果显示为一般的长数字格式（默认会保留四位小数，或使用科学计数法）
% (1) 系数向量
c = zeros(9,1); % 初始化目标函数的系数向量全为0
c(1) = 1.25 -0.25 -300/6000*5;  % x1前面的系数是c1
c(2) = 1.25 -0.25 -321/10000*7;
c(3) = -250 / 4000 * 6;
c(4)  = -783/7000*4;
c(5) = -200/4000 * 7;
c(6) = -300/6000*10;
c(7) = -321 / 10000 * 9;
c(8) = 2-0.35-250/4000*8;
c(9) = 2.8-0.5-321/10000*12-783/7000*11;
c = -c;  % 我们求的是最大值，所以这里需要改变符号
% (2) 不等式约束
A = zeros(5,9);
A(1,1) = 5;  A(1,6) = 10;
A(2,2) = 7;  A(2,7) = 9; A(2,9) = 12;
A(3,3) = 6;  A(3,8) = 8;
A(4,4) = 4;  A(4,9) = 11;
A(5,5) = 7;  
b = [6000 10000 4000 7000 4000]';
% (3) 等式约束
Aeq = [1 1 -1 -1 -1 0 0 0 0;
            0 0 0 0 0 1 1 -1 0];
beq = [0 0]';
%（4）上下界
lb = zeros(9,1);

% 进行求解
[x fval] = linprog(c, A, b, Aeq, beq, lb)
fval = -fval
% fval =
%           1146.56650246305
%  注意，本题应该是一个整数规划的例子，我们在后面的整数规划部分再来重新求解。
intcon = 1:9;
[x,fval]=intlinprog(c,intcon,A,b,Aeq,beq,lb)
fval = -fval

2、投料问题

%% 投料问题
clear,clc
format long g   %可以将Matlab的计算结果显示为一般的长数字格式（默认会保留四位小数，或使用科学计数法）
% (1) 系数向量
a=[1.25  8.75  0.5  5.75  3  7.25];  % 工地的横坐标
b=[1.25  0.75  4.75	5  6.5  7.25];   % 工地的纵坐标
x = [5  2];  % 料场的横坐标
y = [1  7];  % 料场的纵坐标
c = [];  % 初始化用来保存工地和料场距离的向量 (这个向量就是我们的系数向量）
for  j =1:2
    for i = 1:6
        c = [c;  sqrt( (a(i)-x(j))^2 + (b(i)-y(j))^2)];  % 每循环一次就在c的末尾插入新的元素
    end
end
% (2) 不等式约束
A =zeros(2,12);
A(1,1:6) = 1;
A(2,7:12) = 1;
b = [20,20]';
% (3) 等式约束
Aeq = zeros(6,12);  
for i = 1:6
    Aeq(i,i) = 1;  Aeq(i,i+6) = 1;
end
% Aeq = [eye(6),eye(6)]  % 两个单位矩阵横着拼起来
beq = [3 5 4 7 6 11]';  % 每个工地的日需求量
%（4）上下界
lb = zeros(12,1);

% 进行求解
[x fval] = linprog(c, A, b, Aeq, beq, lb)
x = reshape(x,6,2)  % 将x变为6行2列便于观察（reshape函数是按照列的顺序进行转换的，也就是第一列读完，读第二列，即x1对应x_1,1，x2对应x_2,1）

% fval =
%           135.281541790676

 3、Matlab中线性整数规划的求解

a.概论

        数学规划中的变量(部分或全部)限制为整数时,称为整数规划。若在线性规划模型中,变量限制为整数,则称为整数线性规划。目前所流行的求解整数规划的方法,往往只适用于整数线性规划。目前还没有一种方法能有效地求解一切整数规划。

整数规划的分类
如不加特殊说明,则一般指整数线性规划。整数线性规划模型大致可分为两类:

(1）变量全限制为整数时,称纯(完全)整数规划。
(2）变量部分限制为整数时,称混合整数规划。

整数规划特点
(1）原线性规划有最优解,当自变量限制为整数后,其整数规划解出现下述情况。

①原线性规划最优解全是整数,则整数规划最优解与线性规划最优解一致。
②整数规划无可行解。

b.Matlab指令

 

%% 线性整数规划问题
%% 例1
c=[-20,-10]';
intcon=[1,2];  % x1和x2限定为整数
A=[5,4;
      2,5];
b=[24;13];
lb=zeros(2,1);  
[x,fval]=intlinprog(c,intcon,A,b,[],[],lb)
fval = -fval

%% 例2
c=[18,23,5]';
intcon=3;  % x3限定为整数
A=[107,500,0;
      72,121,65;
      -107,-500,0;
      -72,-121,-65];
b=[50000;2250;-500;-2000];
lb=zeros(3,1);
[x,fval]=intlinprog(c,intcon,A,b,[],[],lb)

%% 例3
c=[-3;-2;-1]; intcon=3; % x3限定为整数
A=ones(1,3); b=7;
Aeq=[4 2 1]; beq=12;
lb=zeros(3,1); ub=[+inf;+inf;1]; %x(3)为0-1变量
[x,fval]=intlinprog(c,intcon,A,b,Aeq,beq,lb,ub)

4、背包问题 

 

%% 背包问题（货车运送货物的问题）
c = -[540 200 180 350 60 150 280 450 320 120];  % 目标函数的系数矩阵(最大化问题记得加负号)
intcon=[1:10];  % 整数变量的位置(一共10个决策变量，均为0-1整数变量)
A = [6 3 4 5 1 2 3 5 4 2];  b = 30;   % 线性不等式约束的系数矩阵和常数项向量（物品的重量不能超过30）
Aeq = []; beq =[];  % 不存在线性等式约束
lb = zeros(10,1);  % 约束变量的范围下限
ub = ones(10,1);  % 约束变量的范围上限
%最后调用intlinprog()函数
[x,fval]=intlinprog(c,intcon,A,b,Aeq,beq,lb,ub)
fval = -fval

5、指派问题

%% 指派问题（选择队员去进行游泳接力比赛）
clear;clc
c = [66.8 75.6 87 58.6 57.2 66 66.4 53 78 67.8 84.6 59.4 70 74.2 69.6 57.2 67.4 71 83.8 62.4]';  % 目标函数的系数矩阵（先列后行的写法）
intcon = [1:20];  % 整数变量的位置(一共20个决策变量，均为0-1整数变量)
% 线性不等式约束的系数矩阵和常数项向量（每个人只能入选四种泳姿之一，一共五个约束）
A = [1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
       0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
       0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0;
       0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0;
       0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1];
% A = zeros(5,20);
% for i = 1:5
%     A(i, (4*i-3): 4*i) = 1;
% end
b = [1;1;1;1;1];
% 线性等式约束的系数矩阵和常数项向量 （每种泳姿有且仅有一人参加，一共四个约束）
Aeq = [1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0;
          0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0;
          0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0;
          0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1];
% Aeq = [eye(4),eye(4),eye(4),eye(4),eye(4)];  % 或者写成 repmat(eye(4),1,5)  
beq = [1;1;1;1];
lb = zeros(20,1);  % 约束变量的范围下限
ub = ones(20,1);  % 约束变量的范围上限
%最后调用intlinprog()函数
[x,fval] = intlinprog(c,intcon,A,b,Aeq,beq,lb,ub)
% reshape(x,4,5)'
%      0     0     0     1    甲自由泳
%      1     0     0     0    乙蝶泳
%      0     1     0     0    丙仰泳
%      0     0     1     0    丁蛙泳
%      0     0     0     0    戊不参加

6、钢管切割问题

%% 钢管切割问题
%% (1)枚举法找出同一个原材料上所有的切割方法
for i = 0: 2  % 2.9m长的圆钢的数量
    for j = 0: 3  % 2.1m长的圆钢的数量
        for k = 0:6   % 1m长的圆钢的数量
            if 2.9*i+2.1*j+1*k >= 6 && 2.9*i+2.1*j+1*k <= 6.9
                disp([i, j, k])
            end
        end
    end
end
% 有同学使用比较老的MATLAB版本，会出现浮点数计算的误差
% 只需要将上面的if这一行进行适当的放缩即可。
% if 2.9*i+2.1*j+1*k >= 6-0.0000001 && 2.9*i+2.1*j+1*k <= 6.9+0.0000001
% 有兴趣的同学可以百度下：浮点数计算误差

%% (2) 线性整数规划问题的求解
c = ones(7,1);  % 目标函数的系数矩阵
intcon=[1:7];  %  整数变量的位置(一共7个决策变量，均为整数变量)
A = -[1 2 0 0 0 0 1;  
         0 0 3 2 1 0 1;
         4 1 0 2 4 6 1];  % 线性不等式约束的系数矩阵
b = -[100 100 100]'; %  线性不等式约束的常数项向量
lb = zeros(7,1); % 约束变量的范围下限
[x,fval]=intlinprog(c,intcon,A,b,[],[],lb)

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四、非线性规划问题的求解

1、Matlab中非线性规划的标准型

 2、Matlab求解非线性规划的函数

%% 非线性规划的函数
% [x,fval] = fmincon(@fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,@nonlfun,option)
% x0表示给定的初始值（用行向量或者列向量表示），必须得写
% A b表示线性不等式约束
% Aeq beq 表示线性等式约束
% lb ub 表示上下界约束
% @fun表示目标函数
% @nonlfun表示非线性约束的函数
% option 表示求解非线性规划使用的方法
clear;clc
format long g   %可以将Matlab的计算结果显示为一般的长数字格式（默认会保留四位小数，或使用科学计数法）

%% 例题1的求解
% max f(x) = x1^2 +x2^2 -x1*x2 -2x1 -5x2
% s.t. -(x1-1)^2 +x2 >= 0 ;  2x1-3x2+6 >= 0
x0 = [0 0];  %任意给定一个初始值 
A = [-2 3]; b = 6;
[x,fval] = fmincon(@fun1,x0,A,b,[],[],[],[],@nonlfun1)  % 注意 fun1.m文件和nonlfun1.m文件都必须在当前文件夹目录下
fval = -fval
% 一个值得讨论的地方，能不能把线性不等式约束Ax <= b也写到nonlfun1函数中？
% 先把nonlfun1中的c改为下面这样：
% c = [(x(1)-1)^2-x(2); 
%        -2*x(1)+3*x(2)-6];
%  [x,fval] = fmincon(@fun1,x0,[],[],[],[],[],[],@nonlfun1)
% 结果也是可以计算出来的，但并不推荐这样做~

%% 使用其他算法对例题1求解
% edit fmincon  % 查看fmincon的“源代码”
% Matlab2017a默认使用的算法是'interior-point' 内点法
% 使用interior point算法 （内点法）
option = optimoptions('fmincon','Algorithm','interior-point')
[x,fval] = fmincon(@fun1,x0,A,b,[],[],[],[],@nonlfun1,option)  
fval = -fval
% 使用SQP算法 （序列二次规划法）
option = optimoptions('fmincon','Algorithm','sqp')
[x,fval] = fmincon(@fun1,x0,A,b,[],[],[],[],@nonlfun1,option)  
fval = -fval   %得到-4.358，远远大于内点法得到的-1,猜想是初始值的影响
% 改变初始值试试
x0 = [1 1];  %任意给定一个初始值 
[x,fval] = fmincon(@fun1,x0,A,b,[],[],[],[],@nonlfun1,option)  % 最小值为-1，和内点法相同（这说明内点法的适应性要好）
fval = -fval  
% 使用active set算法 （有效集法）
option = optimoptions('fmincon','Algorithm','active-set')
[x,fval] = fmincon(@fun1,x0,A,b,[],[],[],[],@nonlfun1,option)
fval = -fval  
% 使用trust region reflective (信赖域反射算法)
option = optimoptions('fmincon','Algorithm','trust-region-reflective')
[x,fval] = fmincon(@fun1,x0,A,b,[],[],[],[],@nonlfun1,option)  
fval = -fval  
% this algorithm does not solve problems with the constraints you have specified. 
% 这说明这个算法不适用我们这个约束条件，所以以后遇到了不能求解的情况，记得更换其他算法试试！！！

%% 选取初始值得到的结果可能会不满足限定条件，出现了一个Bug 因此选择的初始值很重要
x0 = [40.8, 10.8];
option = optimoptions('fmincon','Algorithm','interior-point')
[x,fval] = fmincon(@fun1,x0,A,b,[],[],[],[],@nonlfun1,option)  
fval = -fval  
% https://cn.mathworks.com/help/optim/ug/fmincon.html

%% 生成不同的随机初始值来优化代码，有一定几率会触发上面那个Bug，因此不推荐
n = 10;  % 重复n次
Fval = +inf; X = [0,0];  %初始化最优的结果
A = [-2 3]; b = 6;
for i = 1:n
    x0 = [rand()*10 , rand()*10];  %用随机数生成一个初始值（随机数的范围自己根据题目条件设置） 
    [x,fval] = fmincon(@fun1,x0,A,b,[],[],[],[],@nonlfun1,option); % 注意 fun1.m文件和nonlfun1.m文件都必须在当前文件夹目录下
    if fval < Fval  % 如果找到了更小的值，那么就代替最优的结果
        Fval = fval;
        X = x;
    end
end
Fval = -Fval
X

%% 使用蒙特卡罗的方法来找初始值(推荐）
clc,clear;
n=10000000; %生成的随机数组数
x1=unifrnd(-100,100,n,1);  % 生成在[-100,100]之间均匀分布的随机数组成的n行1列的向量构成x1
x2=unifrnd(-100,100,n,1);  % 生成在[-100,100]之间均匀分布的随机数组成的n行1列的向量构成x2
fmin=+inf; % 初始化函数f的最小值为正无穷（后续只要找到一个比它小的我们就对其更新）
for i=1:n
    x = [x1(i), x2(i)];  %构造x向量, 这里千万别写成了：x =[x1, x2]
    if ((x(1)-1)^2-x(2)<=0)  & (-2*x(1)+3*x(2)-6 <= 0)     % 判断是否满足条件
        result = -x(1)^2-x(2)^2 +x(1)*x(2)+2*x(1)+5*x(2) ;  % 如果满足条件就计算函数值
        if  result  < fmin  % 如果这个函数值小于我们之前计算出来的最小值
            fmin = result;  % 那么就更新这个函数值为新的最小值
            x0 = x;  % 并且将此时的x1 x2更新为初始值
        end
    end
end
disp('蒙特卡罗选取的初始值为：'); disp(x0)
A = [-2 3]; b = 6;
[x,fval] = fmincon(@fun1,x0,A,b,[],[],[],[],@nonlfun1)
fval = -fval  



%% 例题二的求解
x0 = [1 1 1];  %任意给定一个初始值 
lb = [0 0 0];  % 决策变量的下界
[x,fval] = fmincon(@fun2,x0,[],[],[],[],lb,[],@nonlfun2)  % 注意 fun2.m文件和nonfun2.m文件都必须在当前文件夹目录下
% x =
%          0.552167405729277          1.20325915507969         0.947824046150443
% fval =
%           10.6510918606939



%% 使用蒙特卡罗的方法来找初始值(推荐）
clc,clear;
n=1000000; %生成的随机数组数
x1= unifrnd(0,2,n,1);   % 生成在[0,2]之间均匀分布的随机数组成的n行1列的向量构成x1
x2 = sqrt(2-x1);  % 根据非线性等式约束用x1计算出x2
x3 = sqrt((3-x2)/2); % 根据非线性等式约束用x2计算出x3
fmin=+inf; % 初始化函数f的最小值为正无穷（后续只要找到一个比它小的我们就对其更新）
for i=1:n
    x = [x1(i), x2(i), x3(i)];  %构造x向量, 这里千万别写成了：x =[x1, x2, x3]
    if (-x(1)^2+x(2)-x(3)^2<=0) & (x(1)+x(2)^2+x(3)^2-20<=0)   % 判断是否满足条件
        result =sum(x.*x) + 8 ;  % 如果满足条件就计算函数值
        if  result  < fmin  % 如果这个函数值小于我们之前计算出来的最小值
            fmin = result;  % 那么就更新这个函数值为新的最小值
            x0 = x;  % 并且将此时的x1 x2 x3更新为初始值
        end
    end
end
disp('蒙特卡罗选取的初始值为：'); disp(x0)
lb = [0 0 0];  % 决策变量的下界
[x,fval] = fmincon(@fun2,x0,[],[],[],[],lb,[],@nonlfun2)  % 注意 fun2.m文件和nonfun2.m文件都必须在当前文件夹目录下

%% 例题三的求解(蒙特卡罗模拟那一讲的例题)
clear;clc
% 蒙特卡罗模拟得到的最大值为3445.6014
% 最大值处x1 x2 x3的取值为：
%           22.5823101903968          12.5823101903968          12.1265223966757
A = [1 -2 -2;  1 2 2];  b = [0 72];
x0 = [ 22.58   12.58  12.13];
Aeq = [1 -1 0]; beq = 10;
lb = [-inf 10 -inf];  ub = [inf 20 inf];  
[x,fval] = fmincon(@fun3,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,[])  % 注意没有非线性约束，所以这里可以用[]替代，或者干脆不写
fval = -fval

  3、非线性规划例题

 a、选址问题

b、飞行管理问题

%% 飞行管理问题
format long g
%%  （1）画六架飞机的位置
clear;clc
figure(1)  % 生成一个图形
box on  % 显示为封闭的盒子
% 绘制飞机的初始位置
data = [150	140	243;
    85	85	236;
    150	155	220.5;
    145	50	159;
    130	150	230;
    0	0	52];
plot(data(:,1),data(:,2),'.r')
axis([0 160,0,160]);% 设置坐标轴刻度范围
hold on;
% 在图上标上注释
for i = 1:6
    txt = ['飞机',num2str(i)];
    text(data(i,1)+2,data(i,2)+2,txt,'FontSize',8)
end
% 把Matlab做出来的图可以导出，然后再放到PPT中画出飞机飞行方向的箭头（就和讲义上的类似）

%% 求解非线性规划问题
x0 = [0 0 0 0 0 0];  % 初始值
lb = -pi/6*ones(6,1);
ub = pi/6*ones(6,1);
[x,fval] = fmincon(@fun6,x0,[],[],[],[],lb,ub,@nonlfun6)
x = x * 180 / pi    % 将弧度转换为度数
% 定义一：fval = 3.7315° 
% 定义二:  fval = 6.9547((°)^2)

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总结：

自清风老师数学建模课堂，以及【课本】司守奎 《数学建模算法与应用》 第二版，仅作为笔记。