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助力国赛 | 第3弹 规划问题(Lingo版)
( x( Q: b6 {$ W( m' A# B" B
8 v/ E5 ^( j8 t( n( @: C5 `
6 Z4 W8 Z! |4 C8 A' H# U% I, ]前言上次介绍了用MATLAB来求解规划问题,功能强大是强大,但总觉得有点不爽,函数里面的参数有点难记,万一输错了岂不玩完了。的确在可读性这方面,MATLAB做的差一点。正是基于此在此向各位推荐另一款软件——Lingo。Lingo在数学规划上也是大名鼎鼎的。本次首先会简单介绍下Lingo和其基本操作,齐次介绍些高级操作,最后还是回到实际问题中,在具体问题中一睹Lingo的强大。 - 基本操作
- 高级操作
- 实际应用5 m) [" |$ }" o5 Y
) B9 z! Q6 K) Y9 V2 v基本操作简介Lingo是美国Lindo系统公司开发的一套专业的求解最优化问题的软件包,可以求解线性规划、二次规划、非线性规划、线性方程组、非线性方程组和整数规划等。LINGO软件有多种版本,如LINDO,GINO 和LINGO(包括LINGO NL)软件。在这些软件中关系最让人“头痛”的恐怕就时Lingo与Lindo的关系,其实可以这样简单的理解:Lindo是可以是这些软件集合的代名词,Lingo只是其中一种具体的软件而已。管他们什么关系,知道现在被广泛使用的是Lingo就行了。
. i: L% ` q1 |# Z: E; MLingo是一款商业软件,使用是需要付费的,可以登录他们的官网:http://www.lindo.com 进行查看,但在天国获取的方法就不仅限于此了,具体可以访问某度,在此就不细说了。
( J) x1 f4 \( x6 s$ n" ?
T0 b: B/ ~- I3 _8 D3 h% F: J: {下面“吹一吹”Lingo。 强大的求解整数规划功能是Lingo软件的最大特色,且求解速度非常快。Lingo还是最优化问题的一种数学建模语言,它包括许多常用的数学函数,这些函数可供使用者在建立最优化模型时调用。此外,Lingo提供与文本文件、Excel文件和数据库文件的接口,便于输入、求解和分析大规模最优化问题。 8 h! j6 e1 C; s; y O" @1 [
初印象第一眼还是很重要的,下面就看一看Lingo。; S3 s9 W% \$ {! A. b
建面如下:, } P: }0 k; n. f0 j
$ S8 A( q6 @' R! N+ B, E+ ~- _
常用工具栏:
" I/ r- J+ i# P' C# SLingo文件类型: 文件后缀名为“.lg4”保存了模型窗口中所能够看到的所有文本和其他对象及其格式信息。 运算符算数运算符: 用于数与数之间的数学运算。
" K8 J5 C0 f* E* n& Y- W" C7 Q5 L oLINGO中的算术运算符有以下5种:, ?8 T9 z1 z/ p3 P
+(加法)
3 i0 m/ e/ q* i" {8 Q2 o4 |* J-(减法或负号)- c. k7 u0 c, @* F: Q$ } E' l/ z6 D
*(乘法)
; l. X4 b+ [3 o# ]/(除法)
$ P0 | W& F, ~+ r/ ~+ h8 Y0 T^ (求幂) 关系运算符:表示“数与数之间”的大小关系。+ b0 Y: C$ Q5 x
LINGO中关系运算符有3种:( n" A" I" T7 l( Y3 J
< (即<=,小于等于)
# K8 q6 u1 N/ N: ]& g= (等于)" F0 a2 I: x: n9 Y( C8 T) E8 x
> (即>=,大于等于) 简单程序编写求解如下问题:! _% j7 ~0 l1 [. }1 l
+ `/ a/ s. ~* c. h1 g2 C编写程序: " B9 j1 V m9 l9 g: t
点击求解按钮: , S% P* h1 L" u% a8 N
分析结果: ' |% V! |. `7 S$ f9 M3 A0 H
所以当x1 = 0,x2 = 5时,取得目标函数的最优值15。 高级操作下面详细介绍Lingo的用法。 基本语法在LINGO语句中通常以MODEL开始,END结束(MODEL和END行也可以删除),目标函数表达式前需要加“MAX=”或“MIN=”. 在写LINGO模型中,注意: - LINGO模型已假设各个决策变量非负. 若变量无非负约束或有上下界,则可以考虑用@free、@sub、@slb或@bnd来定义.
- 变量名不能超过32个字符,且必须以字母(A-Z)开头,其后可以是字母、数字(0-9)和下划线(_)的任意组合.
- 变量名不区分大小写.
- 在约束中“>=”与“>”等同,“<=”与“<”等同.
- 在目标函数或约束条件中需要以“;”结束.
- 标点符号等要在英文状态下输入.
- “!”为注释符号,其后为注释内容,注释以“;”结束.
- 逻辑运算主要包括:#EQ#(等于),#NE#(不等于),#GE#(大于等于),#LT#(小于),#LE#(小于等于).
/ ^4 _1 a- o. W$ O* m3 e3 n 段LINGO中建立的优化模型可以由六个部分组成,或称为六“段”。 - 集合段:用于定义数组型性变量SETS: ……ENDSETS
- 数据段:用于变量赋值与数据传递DATA: ……ENDDATA
- 目标与约束段:用于列出目标与约束唯一一个没有段的开始和结束标记
- 计算段:用于数据初始整理计算CALC: ……ENDCALC
- 初始段:用于变量赋初值迭代寻优INIT: ……ENDINIT
- 子模型段:用于表达子模型进行调用@SUBMODEL mymodel:可执行语句(约束+目标)ENDSUBMODEL
* h& C* ^" T; ?
有了这些我们就可以,不必把表达式全都列举出来了,下面这个表达方式:
: [( {' ~$ x9 W: F* q+ P6 L( [
. i5 z, a- Q6 `; {; n6 ocode: sets:!集合段;s/1..100/:x;!基本集合, 集合名与属性变量;endsets!目标与约束段;@sum(s(i):x(i))<90;!循环求和函数;
. d& d! V: P5 \7 l+ Z* }! \: ]% s7 ~$ r+ {
code: sets:!集合段;ss/1..10/:b;endsetsdata:! 数据段;b=1 0 1 2 3 5 2 6 1 2;enddata1 k- a4 P3 @1 @/ `. H+ ]
: a$ w5 Q; {% @# k. c; \$ D
code: sets:!集合段;a/1..100/:x;b/1..200/:y;Endsets!目标与约束段;@for(b(j):@gin(y(j)));@for(a(i):@bin(x(i));
1 s9 s# r4 b" Z派生集合派生集合就是派生出来的集合,看几个例子就懂了。0 |% L" V" S6 Q! v* h ?
- _/ U3 g1 R# L) R) }0 Xcode: sets:a/1..100/:;b/1..200/:;C(a,b):x;!派生集合;Endsets!目标与约束段;@sum(c(i,j):x(i,j))=280;
2 R0 B( M5 I+ e/ N. i$ w' F
( V, h- h8 A% R+ `code: sets:a/1..100/:;b/1..200/:;C(a,b):x;Endsets!目标与约束段;@for(b(j):@sum(a(i):x(i,j))>150.001);!集合元素的循环函数;
7 b5 O. a) w1 p; p" o: h; [8 l( e, M8 H! ^! d: X
code: sets:a/1..100/:;b/1..200/:y;C(a,b):x;Endsets!目标与约束段;@for(b(j):@gin(y(j)));@for(c(i,j):@bin(x(i,j));7 }$ }& `* y, @" m* l
逻辑运算符与过滤条件这个前面提到过,再罗列一次:& D& B, z* Y7 }
LINGO逻辑运算符有9种:
) d l* j1 M: r, e#AND#(与),#OR#(或),#NOT#(非):
; R. j; U2 c, P. Q2 w#EQ#(等于),#NE#(不等于),
. ?( i+ i8 m2 B#GT#(大于),#GE#(大于等于),
3 M& k2 A; R: u: t& S#LT#(小于),#LE#(小于等于)
* T6 @ p% u1 X/ _' S, H看下面一个例子:
9 F/ w1 O. s( [: u* c* j9 Z8 o$ ^
4 ~* W, }& g9 h. @5 u, N, ocode: sets:a/1..20/:;b/1..30/:;C/1..40/:;d(a,b,c):x;Endsets!目标与约束段;@for(a(i):@for(b(j):@sum(c(i,j,k)|k#gt#1#and#k#ne#10:x(i,j,k))=100));!过滤条件;* k+ b' ^% ]! \0 M2 a/ N0 o
如果我们表示一个分段函数时,就可以是if函数 @IF(logical_condition, true_result, false_result)5 c8 G7 m! k1 m, d( o
当逻辑表达式logical_condition的结果为真时,返回true_result,否则返回false_result。 8 V: A# [8 ?2 @# K/ Z( A
code: f=@IF(X#LE#500,4*X,@IF(X#LE#1000,500+3*X,1500+2*X));
6 K( V* [+ x; k. _9 X5 x! M掌握上述方法,可以解决掉大部分规划问题,如果还想进一步了解,可以去查阅相关书籍。 实际应用线性规划
. E" i) M# o' h1 o$ w5 |原运输问题变量更换为:
* D3 Z. j* O) D8 _建立模型为:
. i' |9 a/ |. B: b模型进一步转化为:
. I. f, l3 }8 _" E" h7 j' ]程序编写: MODEL:TITLE 调运大米的运输问题程序3;!定义集合段;SETSIANGKU/1..2/:A;!定义粮库的集合;LIANGZHAN/1..3/:B;!定义粮站的集合;YULIANG(LIANGKU,LIANGZHAN):X,C;!定义运量和距离;ENDSETSDATA:!粮库到粮站的距离;C=12 24 830 12 24;!粮库的限量;A=4 8 ;!粮站的限量;B=2 4 5;ENDDATAMIN=@SUM(YULIANG:C*X);!粮库上限的约束;@FOR(LIANGKU(I):@SUM(LIANGZHAN(J):X(I,J))<A(I));!粮站下限的约束;@FOR(LIANGZHAN(J):@SUM(LIANGKU(I):X(I,J))>B(J));END3 R6 c7 D# _7 \ \
运行程序即可得到结果。 非线性规划CUMCM2004C请你参考下面给出的数据(或自己收集资料)建立饮酒后血液中酒精含量的数学模型,并讨论以下问题: - 对大李碰到的情况做出解释;
- 。。。# ~. T# z& K9 K" e7 _
参考数据 - 。。。
- 体重约70kg的某人在短时间内喝下2瓶啤酒后,隔一定时间测量他的血液中酒精含量(毫克/百毫升),得到数据如下:
, D% ]/ F, G9 U - A8 u1 D! H6 i; y
分析:把人体内酒精的吸收,代谢,排除过程分成两个“室”,胃是第一个室,血液为第二室,酒精先进入胃,然后被吸收进入血液,由循环到达体液内,再通过代谢,分解及排泄,出汗,呼气等方式排除。) X$ c8 r, C5 @1 W- L! ]8 c0 i
假设胃里的酒精被吸收进入血液的速度与胃中的酒量x(t)成正比,比例常数为k1,血液中的酒被排除的速度与血液的酒量y(t)成正比,比例系数为k2,G0为短时间内喝入胃的酒精总量,则可以建立微分方程:* J3 b/ {# d$ O
求解得:
s. W" N; ^0 u& E! Q1 W 变换为:
9 ^3 r9 r# p' \' G4 S ; V: d2 |/ E- ?$ L2 @7 E) ^
因而问题就可以转化为:
# w! k1 z* t6 F6 Q编写程序: MODEL:SETS:BAC/R1..R23/:T,Y;ENDSETSDATA:T=0.25 0.5 0.75 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16;Y=30 68 75 82 82 77 68 68 58 51 50 41 38 35 28 25 18 15 12 10 77 4;ENDDATAMIN=@SUM(BACA1*(@EXP(-A2*T)-@EXP(-A3*T))-Y)^2);END
! \$ u: y- p/ i运行程序,即可获得结果。 整数规划:对上次最后一个题目,用Lingo进行求解。3 p# O7 A+ v* S5 H
编写程序: model:sets:row/1..4/:b;col/1..5/:c1,c2,x;link(row,col):a;endsetsdata:c1=1,1,3,4,2;c2=-8,-2,-3,-1,-2;a=1 1 1 1 11 2 2 1 62 1 6 0 00 0 1 1 5;b=400,800,200,200;enddatamax=@sum(col:c1*x^2+c2*x);@for(row(i):@sum(col(j):a(i,j)*x(j))<b(i));@for(col:@gin(x));@for(col:@bnd(0,x,99));end
; z, g' y1 I5 b U( z, K运行即可求出结果,还是满精确的。
; k( d1 B) \. S8 \( r$ ?% y& c
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