Реферат: Алгоритмы численного решения задач

Решить графоаналитическим методом.

Задача 1

maxj (X) = — 2x1 + x2 + 5x3

при 4x1 + 2x2 + 5x3 ³ 12

6x1 — 3x2 + 4x3 = 18

3x1 + 3x2 — 2x3 £ 16

Х ≥ 0

Здесь число n = 3 и число m = 3.

Выразим из ограничений и х3 :

≥ 0

Подставим его в целевую функцию

maxj (X) =

Получим новые ограничения:

х ≥ 0

Получили задачу линейного программирования в основном виде для n = 2

Вычисляем градиент :

= =

х2 =2х1 -4,7

х2 =

х2 =6-2х1

х2 =2х1 -6

D

E

C

A

Рисунок 1

Прямые a, c, d и eпересекаются и образуют четырехугольник ACDE. Определим max φ (Х), который удовлетворяет условию Х>=0:

Это точка D (0,7; 4,7; 0).

Функция φ (Х* ) в точке D:

φ (Х* ) = 38,3

Найти экстремумы методом множителей Лагранжа

Задача 2

extr φ (X) = 4x1 — x22 — 12

при x12 + x22 = 25

Составим функцию Лагранжа:

L (X,λ) = 4x1 — x22 — 12 + λ (x12 + x22 — 25)

h (X) = x12 + x22 — 25 = 0 — функция ограничения.

Составим систему уравнений из частных производных и приравняем их нулю.

Решим данную систему уравнений:

2x2 ( λ- 1) = 0

Предположим, что x2 ≠ 0, тогда λ= 1 подставим в первое уравнение системы.

4 — 2x1 = 0

2x1 = — 4

x1 = 2

Подставим x1 в третье уравнение системы.

4 +x22 — 25 = 0

x22 — 21 = 0

x22 = 21

x2 = ±4,5826

Параболоид вращения функции h (x).

В двухмерной проекции график выглядит так:

А2

А1

Рисунок 2.

На рис.2 видно, что в точках А1 и А2 функция φ (X) = h (X). В этих точках функция φ (X) равна минимальному значению.

(X* ,λ* ) N	X1*	X2*	λ*	φ (X* )	Примечание
1	2	4,5826	1	-24,25	Min
2	2	-4,5826	1	-24,25	Min

Решить обобщенным методом множителей Лагранжа или на основе условий Куна-Таккера.

Задача 3

extr φ (X) = 9 (x1 — 5) 2 + 4 (x2 — 6) 2 =

при 3x1 + 2x2 >= 12

x1 — x2 <= 6

Решим задачу на основе условий Куна-Таккера.

Составим функцию Лагранжа.

L (X,λ) = + λ1 (3x1 + 2x2 — 12) + λ2 (x1 — x2 — 6) =

Составим систему уравнений из частных производных и приравняем их нулю.

Решим систему уравнений.

1) Предположим, что λ2 ≠ 0, тогда из уравнения (d) получим

x2 = х1 — 6

Пусть λ1 = 0 и x1 ≠ 0, тогда из уравнения (а) получим

18x1 — 90 — λ2 = 0, λ2 = 18х1 — 90

Пусть x2 ≠ 0, тогда из уравнения (b) получим

8x2 — 48 — λ2 = 0

Подставив в уравнение выражения для x2 и λ2, получим

x1 = 4

x2 = — 2

x1* = 4; x2* = — 2; φ (Х) * = 265

Трехмерный график целевой функции для данной задачи

Двухмерная проекция

b(x)

φ(x)

a(x)

А

Рисунок 3

На рис.3 видно, что в точке А функция b (X) = a (X), которые находятся в параболоиде вращения целевой функции.

В этой точке функция φ (X) равна максимальному значению.

2) Предположим, что λ2 = 0 и x2 ≠ 0, тогда из уравнения (b) получим

8x2 — 48 + 2λ1 = 0

x2 =

x2 = 6 —

Предположим, что x1 ≠ 0, тогда из уравнения (а) выразим x1 .

18х1 — 90 + 3λ1 = 0

18 = 90 — 3λ1

х1 =

х1 = 5 —

Подставим выражения для x1 и x2 в уравнение (с) системы.

а) = 0, x1 = 5; x2 = 6

б) = 15

x1 = 2,5; x2 = 2,25

Подставив корни x1 = 5; x2 = 6 в целевую функцию получим φ (Х) = 0, а корни x1 = 2,5; x2 = 2,25 — получим φ (Х) = 112,49

Таким образом:

x1* = 5; x2* = 6; φ* (Х) = 0

На рис.4 видно, что в точке В функция φ (X) = a (X). В этой точке функция φ (X) равна минимальному значению.

В

a(X)

b(X)

φ(X)

Рисунок 4

X* N	X1*	X2*	φ (X* )	Примечание
1	5	6	Min
2	4	-2	265	Max

Получить выражение вектор-функции и матрицы Якоби системы и составить алгоритм численного решения задачи на основе условий Куна-Таккера.

Задача 4

maxφ (X) = — x12 — x22 +2х2

при x1 + x2 >= 18

x1 + 2 x2 >= 14

Х>=0

Найдем выражение вектор-функции системы.

Составим функцию Лагранжа.

L (X,λ) = — x12 — x22 + 2х2 + λ1 (x1 + x2 — 18) + λ2 (x1 + 2x2 — 14)

Вектор-функция системы:

Составим матрицу Якоби.

Составим алгоритм численного решения задачи:

Рисунок 5.