优化模型与LINDOLINGO优化软件教程来自清华大学数学科学系.ppt
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1、数学建模讲座(2004年7月8月江西) 优化模型与LINDO/LINGO优化软件,谢金星 清华大学数学科学系 Tel: 010-62787812 Email: http:/ LINDO公司的主要软件产品及功能简介 LINDO软件的使用简介 LINGO软件的使用简介 建模与求解实例(结合软件使用),优化模型,实际问题中 的优化模型,x决策变量,f(x)目标函数,gi(x)0约束条件,数学规划,线性规划(LP) 二次规划(QP) 非线性规划(NLP),纯整数规划(PIP) 混合整数规划(MIP),整数规划(IP),0-1整数规划 一般整数规划,连续规划,LINDO 公司软件产品简要介绍,美国芝加哥
2、(Chicago)大学的Linus Schrage教授于1980年前后开发, 后来成立 LINDO系统公司(LINDO Systems Inc.), 网址:http:/,LINDO: Linear INteractive and Discrete Optimizer (V6.1) LINGO: Linear INteractive General Optimizer (V8.0) LINDO API: LINDO Application Programming Interface (V2.0) Whats Best!: (SpreadSheet e.g. EXCEL) (V7.0),演示(试用
3、)版、学生版、高级版、超级版、工业版、扩展版 (求解问题规模和选件不同),LINDO和LINGO软件能求解的优化模型,LINGO,LINDO,优化模型,线性规划 (LP),非线性规划 (NLP),二次规划 (QP),连续优化,整数规划(IP),LP QP NLP IP 全局优化(选) ILP IQP INLP,LINDO/LINGO软件的求解过程,LINDO/LINGO预处理程序,线性优化求解程序,非线性优化求解程序,分枝定界管理程序,1. 确定常数 2. 识别类型,1. 单纯形算法 2. 内点算法(选),1、顺序线性规划法(SLP) 2、广义既约梯度法(GRG) (选) 3、多点搜索(Mul
4、tistart) (选),建模时需要注意的几个基本问题,1、尽量使用实数优化,减少整数约束和整数变量 2、尽量使用光滑优化,减少非光滑约束的个数 如:尽量少使用绝对值、符号函数、多个变量求最大/最小值、四舍五入、取整函数等 3、尽量使用线性模型,减少非线性约束和非线性变量的个数 (如x/y 5 改为x5y) 4、合理设定变量上下界,尽可能给出变量初始值 5、模型中使用的参数数量级要适当 (如小于103),需要掌握的几个重要方面,1、LINDO: 正确阅读求解报告(尤其要掌握敏感性分析) 2、LINGO: 掌握集合(SETS)的应用; 正确阅读求解报告; 正确理解求解状态窗口; 学会设置基本的求
5、解选项(OPTIONS) ; 掌握与外部文件的基本接口方法,例1 加工奶制品的生产计划,50桶牛奶,时间480小时,至多加工100公斤A1,制订生产计划,使每天获利最大,35元可买到1桶牛奶,买吗?若买,每天最多买多少?,可聘用临时工人,付出的工资最多是每小时几元?,A1的获利增加到 30元/公斤,应否改变生产计划?,每天:,x1桶牛奶生产A1,x2桶牛奶生产A2,获利 243x1,获利 164 x2,原料供应,劳动时间,加工能力,决策变量,目标函数,每天获利,约束条件,非负约束,线性规划模型(LP),时间480小时,至多加工100公斤A1,模型求解,max 72x1+64x2 st 2)x1
6、+x250 3)12x1+8x2480 4)3x1100 end,OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) 3360.000 VARIABLE VALUE REDUCED COST X1 20.000000 0.000000 X2 30.000000 0.000000 ROW SLACK OR SURPLUS DUAL PRICES 2) 0.000000 48.000000 3) 0.000000 2.000000 4) 40.000000 0.000000 NO. ITERATIONS= 2,DO RANGE (SENSITIVITY) ANALYSIS?,No,20桶牛奶生
7、产A1, 30桶生产A2,利润3360元。,模型求解,reduced cost值表示当该非基变量增加一个单位时(其他非基变量保持不变)目标函数减少的量(对max型问题),OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) 3360.000 VARIABLE VALUE REDUCED COST X1 20.000000 0.000000 X2 30.000000 0.000000 ROW SLACK OR SURPLUS DUAL PRICES 2) 0.000000 48.000000 3) 0.000000 2.000000 4) 40.000000 0.000000 NO. ITER
8、ATIONS= 2,也可理解为: 为了使该非基变量变成基变量,目标函数中对应系数应增加的量,OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) 3360.000 VARIABLE VALUE REDUCED COST X1 20.000000 0.000000 X2 30.000000 0.000000 ROW SLACK OR SURPLUS DUAL PRICES 2) 0.000000 48.000000 3) 0.000000 2.000000 4) 40.000000 0.000000,原料无剩余,时间无剩余,加工能力剩余40,max 72x1+64x2 st 2)x1+x250
9、 3)12x1+8x2480 4)3x1100 end,三种资源,“资源” 剩余为零的约束为紧约束(有效约束),结果解释,OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) 3360.000 VARIABLE VALUE REDUCED COST X1 20.000000 0.000000 X2 30.000000 0.000000 ROW SLACK OR SURPLUS DUAL PRICES 2) 0.000000 48.000000 3) 0.000000 2.000000 4) 40.000000 0.000000,结果解释,最优解下“资源”增加1单位时“效益”的增量,原料增1单
10、位, 利润增48,时间加1单位, 利润增2,能力增减不影响利润,影子价格,35元可买到1桶牛奶,要买吗?,35 48, 应该买!,聘用临时工人付出的工资最多每小时几元?,2元!,RANGES IN WHICH THE BASIS IS UNCHANGED: OBJ COEFFICIENT RANGES VARIABLE CURRENT ALLOWABLE ALLOWABLE COEF INCREASE DECREASE X1 72.000000 24.000000 8.000000 X2 64.000000 8.000000 16.000000 RIGHTHAND SIDE RANGES RO
11、W CURRENT ALLOWABLE ALLOWABLE RHS INCREASE DECREASE 2 50.000000 10.000000 6.666667 3 480.000000 53.333332 80.000000 4 100.000000 INFINITY 40.000000,最优解不变时目标系数允许变化范围,DO RANGE(SENSITIVITY) ANALYSIS?,Yes,x1系数范围(64,96),x2系数范围(48,72),A1获利增加到 30元/千克,应否改变生产计划,x1系数由243= 72 增加为303= 90,在允许范围内,不变!,(约束条件不变),结果解
12、释,结果解释,RANGES IN WHICH THE BASIS IS UNCHANGED: OBJ COEFFICIENT RANGES VARIABLE CURRENT ALLOWABLE ALLOWABLE COEF INCREASE DECREASE X1 72.000000 24.000000 8.000000 X2 64.000000 8.000000 16.000000 RIGHTHAND SIDE RANGES ROW CURRENT ALLOWABLE ALLOWABLE RHS INCREASE DECREASE 2 50.000000 10.000000 6.666667
13、 3 480.000000 53.333332 80.000000 4 100.000000 INFINITY 40.000000,影子价格有意义时约束右端的允许变化范围,原料最多增加10,时间最多增加53,35元可买到1桶牛奶,每天最多买多少?,最多买10桶?,(目标函数不变),注意: 充分但可能不必要,使用LINDO的一些注意事项,“”(或“=”(或“=”)功能相同 变量与系数间可有空格(甚至回车), 但无运算符 变量名以字母开头,不能超过8个字符 变量名不区分大小写(包括LINDO中的关键字) 目标函数所在行是第一行,第二行起为约束条件 行号(行名)自动产生或人为定义。行名以“)”结束
14、行中注有“!”符号的后面部分为注释。如: ! Its Comment. 在模型的任何地方都可以用“TITLE” 对模型命名(最多72个字符),如: TITLE This Model is only an Example,变量不能出现在一个约束条件的右端 表达式中不接受括号“( )”和逗号“,”等任何符号, 例: 400(X1+X2)需写为400X1+400X2 表达式应化简,如2X1+3X2- 4X1应写成 -2X1+3X2 缺省假定所有变量非负;可在模型的“END”语句后用“FREE name”将变量name的非负假定取消 可在 “END”后用“SUB” 或“SLB” 设定变量上下界 例如:
15、 “sub x1 10”的作用等价于“x1=10” 但用“SUB”和“SLB”表示的上下界约束不计入模型的约束,也不能给出其松紧判断和敏感性分析。 14. “END”后对0-1变量说明:INT n 或 INT name 15. “END”后对整数变量说明:GIN n 或 GIN name,使用LINDO的一些注意事项,二次规划(QP)问题,LINDO可求解二次规划(QP)问题,但输入方式较复杂,因为在LINDO中不许出现非线性表达式 需要为每一个实际约束增加一个对偶变量(LAGRANGE乘子),在实际约束前增加有关变量的一阶最优条件,转化为互补问题 “END”后面使用QCP命令指明实际约束开始
16、的行号,然后才能求解 建议总是用LINGO解QP 注意对QP和IP: 敏感性分析意义不大,状态窗口(LINDO Solver Status),当前状态:已达最优解 迭代次数:18次 约束不满足的“量”(不是“约束个数”):0 当前的目标值:94 最好的整数解:94 整数规划的界:93.5 分枝数:1 所用时间:0.00秒(太快了,还不到0.005秒) 刷新本界面的间隔:1(秒),选项设置,Preprocess:预处理(生成割平面); Preferred Branch:优先的分枝方式: “Default”(缺省方式)、 “Up”(向上取整优先)、 “Down”(向下取整优先); IP Optim
17、ality Tol:IP最优值允许的误差上限(一个百分数,如5%即0.05); IP Objective Hurdle:IP目标函数的篱笆值,即只寻找比这个值更优最优解(如当知道当前模型的某个整数可行解时,就可以设置这个值); IP Var Fixing Tol:固定一个整数变量取值所依据的一个上限(如果一个整数变量的判别数(REDUCED COST)的值很大,超过该上限,则以后求解中把该整数变量固定下来)。,Nonzero Limit: 非零系数的个数上限; Iteration Limit: 最大迭代步数; Initial Contraint Tol: 约束的初始误差上限; Final Co
18、ntraint Tol: 约束的最后误差上限; Entering Var Tol: 进基变量的REDUCED COST的误差限; Pivot Size Tol: 旋转元的误差限,Report/Statistics,第一行:模型有5行(约束4行),4个变量,两个整数变量(没有0-1变量),从第4行开始是二次规划的实际约束。 第二行:非零系数19个,约束中非零系数12个(其中6个为1或-1),模型密度为0.760(密度=非零系数/行数(变量数) 。 第三行的意思:按绝对值看,系数最小、最大分别为0.3和277。 第四行的意思:模型目标为极小化;小于等于、等于、大于等于约束分别有、个;广义上界约束(
19、GUBS)不超过个;变量上界约束(VUBS)不少于个。所谓GUBS,是指一组不含有相同变量的约束;所谓VUBS,是指一个蕴涵变量上界的约束,如从约束X1+X2-X3=0可以看出,若X3=0,则X1=0,X2=0(因为有非负限制),因此X1+X2-X3=0是一个VUBS约束。 第五行的意思:只含个变量的约束个数=个;冗余的列数=个,ROWS= 5 VARS= 4 INTEGER VARS= 2( 0 = 0/1) QCP= 4 NONZEROS= 19 CONSTRAINT NONZ= 12( 6 = +-1) DENSITY=0.760 SMALLEST AND LARGEST ELEMENT
20、S IN ABSOLUTE VALUE= 0.300000 277.000 OBJ=MIN, NO. : 2 0 2, GUBS = 0 SINGLE COLS= 0 REDUNDANT COLS= 0,LINDO行命令、命令脚本文件,批处理:可以采用命令脚本(行命令序列),WINDOWS环境下行命令的意义不大,Example 演示,用FILE / TAKE COMMANDS (F11) 命令调入,必须是以LINDO PACKED形式(压缩)保存的文件,FILE / SAVE命令,SAVE行命令,LINGO软件简介,目标与约束段 集合段(SETS ENDSETS) 数据段(DATA ENDDA
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