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最优化方法浅析

已有 147 次阅读 2025-5-4 11:34 |系统分类:博客资讯

最优化方法浅析

葛维亚

  最优化方法简称为优选法,它是一种寻找最佳解决方案的数学策略,广泛应用于各种实际问题中。具体而言,优选法在数学上就是寻找函数极值的较快较精确的计算方法。1953年美国数学家J.基弗提出单因素优选法和0.618法(又称黄金分割法),后来又提出抛物线法。至于双因素和多因数优选法,则涉及问题较复杂,方法和思路也较多,常用的有降维法、瞎子爬山法、陡度法、混合法、随机试验法和试验设计法等。优选法的应用范围相当广泛,中国数学家华罗庚在生产企业中推广应用取得了成效。企业在新产品、新工艺研究,仪表、设备调试等方面采用优选法,能以较少的实验次数迅速找到较优方案,在不增加设备、物资、人力和原材料的条件下,缩短工期、提高产量和质量,降低成本等。

它是运筹学的重要内容,其中包括线性规划、非线性规划、目标规划、整数规划、层次分析以及智能优化计算等。这些内容是科技管理、产品研制、经济规划的基本知识,具有极大的应用价值。

优选法包括五种方法,即降维法、爬山法、单纯形调优胜、随机试验法、试验设计法等。优选法的类别不包括逆向思维法。

   最优化方法一般采用迭代法推求它的最优解,它的基本思想是给定一个初始点,按照某一迭代规则产品一个点列{[Math Processing Error] x n },使得当{[Math Processing Error] x n }是有穷点列时,其最后一个点是最优化模型问题的最优解。

   在最优化算法中,牛顿法可以看成相对于梯度下降法的改进,提高了收敛速度。而牛顿法用到了二阶偏导,它的收敛速度是二阶收敛,收敛速度比梯度下降法快。高斯牛顿法是相对于牛顿法改进,简化了计算。牛顿法中的H矩阵需要计算目标函数的二阶偏导,计算量巨大,高斯牛顿法采用G矩阵替代H矩阵,大大减小了计算量。高斯-牛顿法的逼近步长由矩阵G的逆矩阵决定,如果矩阵G非正定,那么其逆矩阵不一定存在,即使存在逆矩阵,也会导致逼近方向出现偏差,严重影响优化方向。LM法正是为了解决矩阵G的正定问题而提出的,其将矩阵G加上单位矩阵的倍数来解决正定问题。

      优选法具有坚实的理论基础,解决问题简单,容易,准确,有效。

       由于工艺过程日益繁复,质量要求精益求精,优选的问题也就提到日程上来了。简单的例子,例如一枝粉笔多长最好?每枝粉笔都要丢掉一段一定长的粉笔头,单就这一点来说,愈长愈好。但太长了,使用起来既不方便,而且容易折断,每断一次,必然多浪费一个粉笔头,反而不合适。因而就出现了“ 粉笔多长最合适” 的问题,这就是一个优选问题。蒸馒头放多少碱好?放多了不好吃,放少了也不好吃,放多少最好吃呢?这也是一个优选问题。也许有人说:这是一个不确切的问题,何谓好吃?你有你的口味,我有我的口味,好吃不好吃根本没有标准。对!但也不完全对!可否针对我们食堂定出一个标准来!假定我们食堂有一百人,放碱多少,这一百人有多少人说好吃,统计一下,不就有了指标吗?我们的问题就是找出合适的用碱量,使食堂里说好吃的人最多。

       当年我国数学界泰斗华罗庚在推广优选法中,名震中外。

 华罗庚(1910.11—1985.6),江苏常州人。仅有一张初中文凭的他,靠着勤奋自学,成为中国解析数论、矩阵几何学、典型群等多方面研究的创始人和开拓者,新中国第一台大型计算机研制者,两弹一星工程元勋,中、美、德(原西德)及第三世界科学院院士

      对于普通中国人来说,知晓华罗庚的,恐怕都是源于他首创并亲自大力推广的优选法统筹法

     数学理论只有和应用配合,才会发挥最大效益。从上世纪50年代开始,华罗庚就不断思考数学如何为国民经济服务的问题。经过实践,他发现数学中的优选法统筹法是在工农业生产中能够比较普遍应用的方法,不仅可以提高工作效率,而且可以改变工作管理面貌。优选法主要针对生产工艺参数的选择问题,即运用黄金分割法,找到一种可以尽可能减少试验次数的最优方案;统筹法主要针对生产组织管理的计划安排问题,以网络图反映计划安排,据以选择最优方案,使错综复杂、工艺繁多的工农业生产获得更佳经济效益。

       据有关资料,1964年后,华罗庚写成了《优选法平话及其补充》、《统筹方法平话及补充》,并亲自带领师生到一些工厂推广和应用双法,历经了夏去江汉斗酷暑,冬往松辽傲冰霜磨砺。

       从1964年开始,20年心路、20万公里路程,他拄着拐杖,带病上岗,跑遍28个省、市、自治区,推广优选法,产生了数以十亿计的巨大经济效益。

       从1972年起,优选法在全国的推广应用进入轰轰烈烈的第二阶段。轻工业比较发达的沙市,有幸成为华罗庚亲临推广的城市之一。这年626日,沙市市委成立优选法推广办公室。7月,华罗庚推广应用小分队进驻沙市指导具体工作,全市广大群众纷纷响应,开始了在沙市的群众普及运动。85日,华罗庚受沙市市委邀请,长途驱车到沙市视察指导优选法的推广应用情况。

        其中对使用最多的单一变量(目标)介绍了0.618优选法。也就是在数字0到n(n大于0)。首先根据具体的实际问题建立目标函数和精度要求。在0到n的线段上,找到0.618点的位置,此时已经把线段分为两段,经过计算获得两个线段的目标函数,舍弃精度差的一段,保留精度高的一段,在这一线段上重复以上的操作,直到达到精度要求为止。华罗庚的壮举,为我国经济发展起到了巨大的推动作用。



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