2297

Система Mathcad. Розв’язування задач оптимізації

Лекция

Математика и математический анализ

Пошук екстремуму функції. Екстремум функції багатьох змінних. Локальний екстремум. Умовний екстремум. Приклад вирішення транспортної задачі в середовищі Mathcad. Зміна чисельного методу. Вікно діалогу Advanced Options.

Украинкский

2013-01-06

92.14 KB

66 чел.

Лекція 12. Система Mathcad. Розв’язування задач оптимізації

План

1. Пошук екстремуму функції.

1.1. Локальний екстремум.

1.2. Умовний екстремум.

1.3. Екстремум функції багатьох змінних.

2. Приклад розв’язування транспортної задачі в середовищі Mathcad.

1. Пошук екстремуму функції

Задачі пошуку екстремуму функції передбачають знаходження її максимального або мінімального значення в деякій області визначення її аргументів. Обмеження на значення аргументів, які задають цю область, та інші додаткові умови повинні бути визначені у вигляді системи нерівностей і (або) рівнянь.

Для розв’язування задач пошуку максимуму та мінімуму в системі Mathcad є вбудовані функції Minerr, Minimize и Maximize. Всі вони використовують градієнтні чисельні методи.

Mathcad пропонує три різних градієнтних методи . Щоб змінити чисельний метод, потрібно:

  1.  Клацнути правою кнопкою миші на імері функції Find.
  2.  Навести вказівку миші на пункт Nonlinear( Нелинейный) в контекстному меню.
  3.  В меню, що з'явиться, вибрати один із трьох методів: Conjugate Gradient (Спряжених градієнтів), Quasi-Newton (Квазі-Ньютоновський) або Levenberg (Левенберга).

Рис. 1. Зміна чисельного методу

Щоб повернути автоматичний вибір типу чисельного методу, потрібно в контекстному меню вибрати пункт Autoselect (Автоматичний вибір). Крім вибору самого методу , в Mathcad є можливість встановлювати деякі їх параметри. Для цього потрібно за допомогою того ж контекстного меню викликати вікно діалогу Advanced Options (Додаткові параметри), вибравши для цього пункти Nonlinear/ Advanced Options (Нелінійний/Додаткові параметри).

Рис. 2. Вікно діалогу Advanced Options

В цьому вікні є п’ять груп перемикачів, по два в кожній. В першому рядку Derivative estimation (Аппроксимація похідної) визначаєься метод обчислення похідної Forward (Вперед) або Central (Центральна). Вони відповідають апроксимації похідної або правою, або центральною скінченною різницею. В другому рядку Variable estimation (Апроксимація змінних) можна визначити тип апроксимації рядом Тейлора. Для апроксимації дотичною прямою лінією виберіть перемикач Tangent (Дотична), для більш точної квадратичної апроксимації (параболою) встановіть перемикач Quadratic (Квадратична). Наступна група перемикачів Linear variable check (Перевірка лінійності) дозволяє в специфічних задачах зекономити час обчислень. Якщо нелінійності всіх функцій, що входять в рівняння, мало впливають на значення всіх їх частинних похідних, то потрібно встановити перемикач Yes (Так). В цьому випадку похідні будуть прийняті рівним константам і не будуть обчислюватися на кожному кроці. Але потрібно дуже обережно змінювати параметри чисельних методів і тоді, коли розв’язок не знаходиться при заданих за замовчування параметрах або коли обчислення займають багато часу. Пара перемикачів Multistart (Сканування) задають опцю пошуку глобального або локального мінімуму або максимуму. Якщо встановлений перемикач Yes (Так), Mathcad буде намагатися знайти найбільш глибокий екстремум в області, близькій до початкового наближення. Нарешті, останній перемикач Evolutionary (Эволюційний алгоритм) дозволяє використовувати модифікацію чисельного методу для розв’язування рівнянь, визначених не обов’язково гладкими функціями, якщо його встановити в положення Yes (Так). Правильний вибір чисельного методу та його параметрів може допомогти при розв’язуванні нестандартних задач.

Локальний екстремум.

Пошук екстремуму включає в себе задачі знаходження локального та глобального екстремуму.

В Mathcad за допомогою вбудованих функцій розв’язується тільки задача пошуку локального екстремуму. Щоб знайти глобальний максимум (або мінімум), потрібно спочатку обчислити всі їх локальні значення і потім серед них вибрати найбільший (найменший), або попередньо просканувати з деяким кроком задану область, щоб виділити з неї підобласть найбільших (найменших) значень функції і здійснити пошук глобального екстремуму, уже знаходячись в його околі. 

Для пошуку лкальних екстремумів є дві вбудовані функції, які можуть використовуватися як в межах обчислювального блоку, так і автономно.

Minimize (f, x1, ... ,хм) — вектор значень аргументів, при яких функція досягає мінімуму;

Maximize (f, х1, ... ,хм) — вектор значень аргументів, при яких функція досягає максимуму;

f (x1, ... , хм,...) — функція;

x1, ... , xм — аргументи, за якими виконується мінімізація (максимізація).

Всім аргументам функції f попередньо потрібно присвоїти деякі значення, причому для тих змінних, за якими виконується мінімізація, вони будуть сприйматися як початкові наближення.

Розглянемо приклади обчислення екстремуму функції однієї змінної без додаткових умов. Так як ніякиї додаткових умов не накладається, пошук екстремуму виконується для будь-яких значень.

Приклад 1. Знайти мінімум функції однієї змінної

Приклад 2. Знайти максимум функції однієї змінної

Умовний екстремум

В задачах на умовний екстремум функції мінімізації та максимізації повинні бути включені в обчислювальний блок , тобто перед функціями повинно бути записане ключове слово Given. В проміжку між Given і функцією пошуку екстремуму за допомогою бульових операторів записуються логічні вирази, які задають обмеження на значення аргументів функції. Розглянемо приклад пошуку умовного екстремуму функції. Порівняйте результати цього прикладу з результатами двох попередніх.

Приклад 3. Три приклади пошуку умовного екстремуму функції

Екстремум функції багатьох змінних

Обчислення екстремуму функції багатьох змінних принципово не відрізняється від обчислення екстремуму функції однієї змінної. Тому обмежимося розглядом прикладу знаходження максимуму та мінімуму функції

Приклад 4. Екстремум функції двох змінних

2. Приклад розв’язування транспортної задачі в середовищі Mathcad

Постановка ТЗ

При організації та плануванні перевезень вантажів виникає широкий клас задач, пов'язаних з мінімізацією затрат на перевезення, які розв'язують за допомогою математичного апарату лінійного програмування.

Розглянемо постановку ТЗ в загальному вигляді. Нехай маємо m постачальників А1 , А2 ,..., Аm із запасами однорідних вантажів a1 , a2 ,..., am та n споживачів B1 , B2 ,..., Bn з потребами b1 , b2 ,..., bn. Тарифи перевезень вантажів, що можуть виражатись різними показниками (відстань, вартість або час) між постачальниками та споживачами, задані у вигляді матриці

Необхідно скласти такий план перевезень вантажів, при якому сумарна вартість перевезень мінімальна.

Якщо ввести такі позначення: xij - обсяг перевезень вантажів від і-го постачальника до j-го споживача та Z - сумарна вартість перевезень вантажів, то при розв'язанні ТЗ ми повинні мінімізувати вартість перевезень вантажів . 

Матрицю X = (xij ), називають матрицею перевезень.

В залежності від співвідношення запасів вантажів у постачальників та сумарних потреб споживачів розрізняють закриту та відкриту ТЗ.

Означення 1. Транспортна задача називається закритою (ЗТЗ), якщо сума запасів вантажів у постачальників дорівнює сумі потреб споживачів, тобто виконується умова .

Необхідна умова розв’язання ТЗ — ТЗ має розв’язок лише тоді, коли вона є закритою.

Означення 2. Транспортна задача називається відкритою (ВТЗ), якщо сума запасів вантажів у постачальників не дорівнює сумі потреб споживачів, тобто виконується умова .

Розглянемо два випадки:

1) якщо сума запасів у постачальника менша, ніж сума потреб споживачів, тобто виконується умова то вводять додаткового фіктивного постачальника із запасами = . Тарифи перевезень (відстані) від цього постачальника до споживачів дорівнюють нулю.

2) якщо сума запасів у постачальника більша, ніж сума потреб споживачів, тобто виконується умова  то вводять додаткового фіктивного споживача із потребами = . Тарифи перевезень (відстані) від цього споживача до постачальників дорівнюють нулю.

Приклад 1. Приклад розв’язування транспортної задачі в середовищі Mathcad.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21732. Клавиатура. Манипуляторы-указатели 103 KB
  Вопросы: Общая характеристика клавиатуры. Интерфейс клавиатуры и мыши.Общая характеристика клавиатуры. Емкостные датчики и датчики Холла не имеют подвижных контактов и являются наиболее надежными для клавиатуры.
21733. Принципы вывода изображений 209 KB
  Принципы организации видеопамяти. Такой способ отображения называется линейным линейной последовательности пикселов соответствует линейная последовательность бит или групп бит видеопамяти. Многослойное отображение пикселов памяти Таким образом объем видеопамяти в битах V требуемый для хранения образа экрана определяется как произведение количества пикселов p в строке на количество строк n и на количество бит на пиксел b. Если физический объем видеопамяти превышает объем необходимый для отображения матрицы всего экрана видеопамять...
21734. Обработка видеоизображений 128.5 KB
  Стандарты кодеков изображений MPEG. Более совершенные устройства позволяют записывать в реальном времени последовательность видеокадров выполняя их сжатие методами MJPEG DVI или INDEO MPEGкодирование требует слишком больших ресурсов для выполнения преобразования в реальном времени. MPEG ряд кодеков MPEG1 MPEG2 MPEG4 MPEG7. Стандарты кодеков изображений MPEG.
21735. Дисплей и его разновидности 147 KB
  Крупицы люминофора Зерно триады экрана Экран Заполнение экрана Шаг матрицы зерен экрана Рис 5. Шаг матрицы зерен экрана Dot Pitch принято измерять в миллиметрах. Однако отождествлять эти два параметра не очень корректно и параметр Dot Pitch лучше перевести как зернистость экрана но не размер зерна. У 15 мониторов проволочка одна она расположена снизу на высоте примерно 1 3 высоты экрана.
21736. Интерфейсы и адаптеры дисплеев 327 KB
  В традиционной технике цветного телевизионного вещания PAL SECAM или NTSC видеосигнал непосредственно несет информацию о мгновенном значении яркости fн а цветовая информация передается в модулированном виде на дополнительных частотах fд . Таким образом обеспечивается совместимость чернобелого приемника игнорирующего цветовую информацию с цветным передающим каналом. fп 35МГц f МГц fд1 =443Мгц fн=45МГц fд2=46 МГц Однако для вывода графической информации с...
21737. Печатающие устройства 188.5 KB
  По способу печати принтеры разделяются на буквопечатающие и знакосинтезирующие что аналогично текстовому и графическому режимам дисплея а также последовательные и параллельные. В последовательных принтерах печать осуществляется поэлементно с продвижением по строке и после завершения печати одной строки переходят к печати следующей строки. Вместе с тем у них есть преимущество в качестве печатаемых символов а в ряде случаев и в скорости печати. Во время печати головка движется по строке слева направо и ударами иголок...
21738. Устройства хранения данных 237 KB
  Устройства хранения данных Вопросы: Общая характеристика устройств хранения данных. Общая характеристика устройств хранения данных. Утройства хранения данных относятся к внешней памяти компьютера они пзволяют сохранять информацию для последующего ее использования независимо от состояния включен или выключен компьютера. В устройствах хранения данных могут быть реализованы различные физические принципы хранения информации магнитный оптический электронный в любых их сочетаниях.
21739. Накопители на гибких магнитных дисках 323 KB
  С тех пор эти устройства претерпели относительно не большие изменения размер дискеты уменьшился почти в два раза а емкость возросла всего на порядок. Первые накопители использовали дискеты диаметром 525 133 мм для краткости обозначаемые как 5 заключенные в мягкие конверты рис. Поскольку дискеты НВ отличаются более высокой коэрцитивной силой носителя для них требуется более сильный ток записи чем для обычных дискет. Эти компактные дискеты заключены в пластмассовый конверт.
21740. Организация работ в очистных забоях. Основные понятия и определения 23.5 KB
  Организация производства комплекс мероприятий направленный на рациональное сочетание процессов труда с вещественными элементами производства в пространстве и времени с целью повышения эффективности горного производства. Для разработки конкретных и детальных мероприятий по организации производственных процессов разрабатывается проект. В состав проекта входят графики работы очистных и подготовительных забоев определение типа бригады и выполняемых ею производственных процессов количество членов бригады их разряды нормы выработки и...