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規(guī)劃實(shí)質(zhì)上屬于決策范疇,主要研究在一定約束條件下,如何使目標(biāo)達(dá)到最優(yōu).
但是,普通的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和0-1規(guī)劃都存在如下的問(wèn)題:(1)均是靜態(tài)規(guī)劃,不能反映約束條件隨時(shí)間變化的情況;(2)當(dāng)規(guī)劃模型或約束條件中出現(xiàn)灰數(shù)時(shí),處理不便;(3)從理論上講定義在凸集上的凸函數(shù)是有解的,而實(shí)際計(jì)算中往往因技巧、技術(shù)問(wèn)題使求解過(guò)程難以進(jìn)行下去.
灰色系統(tǒng)的思想和建模方法,可使上述問(wèn)題得到一定程度的解決.本章主要研究灰參數(shù)線性規(guī)劃、灰色0-1規(guī)劃、灰色多目標(biāo)規(guī)劃和灰色非線性規(guī)劃.10.1灰參數(shù)線性規(guī)劃定義10.1.1設(shè)均為常數(shù),為未知變量,稱(10.1.1)(10.1.2)
為線性規(guī)劃問(wèn)題的一般模型,其中式(10.1.1)稱為目標(biāo)函數(shù),式(10.1.2)稱為約束條件。定義10.1.2稱
為線性規(guī)劃問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)形式
定義10.1.3設(shè),其中,
則稱
為灰參數(shù)線性規(guī)劃(LPGP)問(wèn)題,并稱為灰色價(jià)格向量,為灰色消耗矩陣,為灰色資源約束向量,X為決策向量.實(shí)際上,X也是一個(gè)灰向量.定義10.1.4設(shè)令灰參數(shù)的白化值分別為同時(shí)分別用,,表示價(jià)格白化向量、資源約束白化向量和消耗白化矩陣.則稱為L(zhǎng)PGP的定位規(guī)劃,稱為價(jià)格定位系數(shù),為資源約束定位系數(shù),為消耗定位系數(shù).10.2灰色預(yù)測(cè)型線性規(guī)劃定義10.2.1對(duì)于定義10.1.3中的灰色線性規(guī)劃問(wèn)題,將其中的,先行白化,設(shè)并根據(jù)的歷史資料建立GM(1,1)模型,求出其在s+k時(shí)的預(yù)值.記稱為灰色預(yù)測(cè)型線性規(guī)劃問(wèn)題.10.3灰色漂移型線性規(guī)劃一漂移定理灰色漂移型線性規(guī)劃也稱為灰參數(shù)線性規(guī)劃,其實(shí),一個(gè)灰參數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題是由有限個(gè)或無(wú)限個(gè)一般線性規(guī)劃問(wèn)題構(gòu)成的集合.
在以下的證明中,我們假定式(10.1.5)中的白化值和白化矩陣保持其非負(fù)性.定理10.3.1對(duì)于LPGP的定位規(guī)劃,當(dāng)價(jià)格定位系數(shù)滿足時(shí),有定理10.3.2對(duì)于LPGP的定位規(guī)劃,當(dāng)資源約束定位系數(shù)滿足,時(shí),有定理10.3.3對(duì)于LPGP的定位規(guī)劃,當(dāng)消耗定位系數(shù)滿足,時(shí),有定義10.3.1設(shè)對(duì)和有則稱相應(yīng)的定位規(guī)劃為定位規(guī)劃,記為L(zhǎng)P.其最優(yōu)值稱為定位最優(yōu)值,記為.定理10.3.4對(duì)于LPGP的定位規(guī)劃,當(dāng)1、時(shí),2、時(shí),3、時(shí),
反映了n種產(chǎn)品的綜合價(jià)格水平,反映了m種資源的總的供應(yīng)狀況,則是生產(chǎn)過(guò)程中工藝技術(shù)水平、勞動(dòng)力素質(zhì)和管理水平的集中體現(xiàn).二、LPGP的滿意解定義10.3.2當(dāng)時(shí),對(duì)應(yīng)的定位規(guī)劃LP(1,1,0)稱為L(zhǎng)PGP的理想模型,其最優(yōu)值記為.定義10.3.3當(dāng)時(shí),對(duì)應(yīng)的定位規(guī)劃LP(0,0,1)稱為L(zhǎng)PGP的臨界模型,其最優(yōu)值記為定義10.3.4當(dāng)時(shí),對(duì)應(yīng)的定位規(guī)劃稱為定位規(guī)劃,記為L(zhǎng)P(),其最優(yōu)值記為.特別地,當(dāng)=0.5時(shí),對(duì)應(yīng)的定位規(guī)劃LP(0.5)稱為均值白化規(guī)劃,通常情況下,對(duì)灰參數(shù)線性規(guī)劃而言,均值白化規(guī)劃最具代表性.定理10.3.5對(duì)任意的∈[0,1]時(shí),有
1、2、定義10.3.5對(duì)于給定的∈[0,1],稱
+(10.3.1)為L(zhǎng)P()的滿意度.命題10.3.1對(duì)于給定的∈[0,1]有定義10.3.6給定灰靶,若∈D,則稱與之對(duì)應(yīng)的定位最優(yōu)解為L(zhǎng)PGP的滿意解.
10.4灰色線性規(guī)劃的準(zhǔn)優(yōu)解
在線性規(guī)劃問(wèn)題的求解過(guò)程中,常常遇到得不出最優(yōu)解的情形,此時(shí)可以考慮采用其他方法去尋求近似的最優(yōu)解。本節(jié)主要研究決策變量交替尋優(yōu)法,其步驟如下:第一步:確定灰色線性規(guī)劃的定位規(guī)劃第二步:按照常規(guī)的線性規(guī)劃方法求解,直到計(jì)算不能繼續(xù)進(jìn)行設(shè)最后一個(gè)可行解為第三步:以為起點(diǎn)對(duì)固定的,優(yōu)化x1,設(shè)為固定時(shí)的最優(yōu)解,然后以為起點(diǎn),對(duì)x2優(yōu)化,設(shè)為固定時(shí)的最優(yōu)解,再以為起點(diǎn)對(duì)x3進(jìn)行優(yōu)化,如此等等,直到求出第四步:以為新的起點(diǎn),重復(fù)第三步中的探索,得
……直到或與充分接近,且對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值充分接近為止。
定義10.4.1稱交替尋優(yōu)法所得的最終解為灰色線性規(guī)劃的準(zhǔn)優(yōu)解,與之相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值稱為準(zhǔn)優(yōu)值。10.5灰色0-1規(guī)劃
0-1規(guī)劃中最典型的是分配問(wèn)題.本節(jié)著重討論灰色預(yù)測(cè)型分配問(wèn)題的求解.定義10.5.1將n項(xiàng)任務(wù)分配給m個(gè)承擔(dān)者,約定每個(gè)承擔(dān)者只能完成一項(xiàng)任務(wù),當(dāng)n=m時(shí),稱此類分配問(wèn)題為平衡分配問(wèn)題.定義10.5.2在平衡分配問(wèn)題中,令設(shè)為第j個(gè)承擔(dān)者完成第i項(xiàng)任務(wù)所需費(fèi)用,i,j=1,2,…,n,則稱為分配問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型.其中約束條件表示一項(xiàng)任務(wù)僅指派一位承擔(dān)者,而約束條件則表示每個(gè)承擔(dān)者只完成一項(xiàng)任務(wù).定義10.5.3稱方陣為效率矩陣
定理10.5.1對(duì)效率矩陣C之各行或各列的元素分別加上或減去一個(gè)常數(shù),新的效率矩陣解得的最優(yōu)分配與從C解得的最優(yōu)分配相同.定義10.5.4當(dāng)效率矩陣中的元素為效率序列的灰色預(yù)測(cè)值或灰色發(fā)展系數(shù)時(shí),稱相應(yīng)的0-1規(guī)劃為灰色0-1規(guī)劃.灰色0-1規(guī)劃的求解步驟如下:第一步:給出效益時(shí)間序列第二步:建立的GM(1,1)模型,設(shè)時(shí)間響應(yīng)式為第三步:寫出效益矩陣C=(cij)
可令,也可令第四步:求第五步:令,于是灰色0-1規(guī)劃模型為第六步:變換效率矩陣
在效率矩陣之各行各列中分別減去其最小元,使得每行每列至少有一個(gè)零元素.若不同行、不同列的零元素個(gè)數(shù)等于效率矩陣的階數(shù)n,則停止變換;否則反復(fù)進(jìn)行上述變換,直到不同行、不同列的零元素個(gè)數(shù)等于效率矩陣的階數(shù)n為止.
第七步:對(duì)不同行、不同列的n個(gè)零元素加上“()”,并稱之為獨(dú)立零,令則即為所求的最優(yōu)解.10.6灰色多目標(biāo)規(guī)劃一般灰色線性規(guī)劃模型能解決資源合理利用與調(diào)配問(wèn)題,但也有局限性,一是目標(biāo)較單一;二是求解困難,一定要形成可行解域,才能得到灰色線性規(guī)劃解.如果目標(biāo)函數(shù)與約束條件有矛盾,不能形成可行解域時(shí),灰色線性規(guī)劃就顯得無(wú)能為力了,這就使一些具體問(wèn)題得不到滿意的結(jié)果.灰色多目標(biāo)規(guī)劃就是針對(duì)灰色線性規(guī)劃存在的問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的.灰色多目標(biāo)規(guī)劃以灰色線性規(guī)劃為基礎(chǔ),是灰色線性規(guī)劃的延伸和發(fā)展.灰色多目標(biāo)規(guī)劃的顯著特征是允許有序解.簡(jiǎn)單地說(shuō),決策者雖不能精確地決定目標(biāo)或子目標(biāo)的數(shù)值或邊際效用,但是能給出每一個(gè)子目標(biāo)規(guī)劃的一個(gè)上限和下限,供決策者選定.定義10.6.1設(shè)滿足稱為目標(biāo)白化的灰色多目標(biāo)規(guī)劃
定義10.6.2設(shè)滿足稱為約束白化的灰色多目標(biāo)規(guī)劃.定義10.6.3設(shè)滿足其中皆為區(qū)間灰數(shù),稱為灰色多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題.
灰色多目標(biāo)規(guī)劃突出之處在于它解決了約束白化的多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題.它不是單純地提出某些折中解或滿意解,而是為決策者更加清楚地展現(xiàn)未來(lái)可能發(fā)生的多種情形,以及不同情形下的對(duì)策.10.7灰色非線性規(guī)劃定義10.7.1設(shè)為決策向量,為灰參數(shù)集,則稱
(10.7.1)為灰色無(wú)約束非線性規(guī)劃問(wèn)題,其中為灰色價(jià)格或消耗泛函.定義10.7.2白化中的灰元,稱所得規(guī)劃問(wèn)題為的白化規(guī)劃,記為.定義10.7.3設(shè)f(X)為可微函數(shù),則稱梯度向量
grad(10.7.2)的解為f(X)的駐點(diǎn).定理10.7.1設(shè)f(X)二階可微,海賽(Hesse)矩陣若X0為f(X)的駐點(diǎn),則當(dāng)
1、H(X0)為正定矩陣時(shí),X0為極小值點(diǎn);
2、H(X0)為負(fù)定矩陣時(shí),X0為極大值點(diǎn);3、H(X0)為半正定矩陣時(shí),若存在X0的鄰域,使對(duì),H(X)為半正定矩陣,則X0為極小值點(diǎn);4、H(X0)為半負(fù)定矩陣時(shí),若存在X0的鄰域,使對(duì),H(X)為半負(fù)定矩陣,則X0為極大值點(diǎn);
5、H(X0)為非定矩陣時(shí),X0不是f(X)的極值點(diǎn);
定義10.7.4設(shè)為決策向量,,,(j=1,2,…m;i=1,2,…,s)皆為灰參數(shù)集,則稱為灰色約束非線性規(guī)劃問(wèn)題,其中為灰色消耗泛函,,為灰色約束泛函.10.8灰色動(dòng)態(tài)規(guī)劃定義10.8.1設(shè)有區(qū)間灰數(shù),定義灰數(shù)運(yùn)算滿足 (10.8.6)稱為灰數(shù)取小運(yùn)算。定義10.8.2設(shè)有一組區(qū)間灰數(shù),其可能度矩陣的排序向量的最小分量為即,則定義稱之為灰數(shù)的取小運(yùn)算。定義10.8.3設(shè)有區(qū)間灰數(shù),定義灰數(shù)取大運(yùn)算滿足
(10.8.7)定義10.8.4設(shè)有一組區(qū)間灰數(shù),其可能度矩陣的排序向量的最大分量為即,則定義稱之為灰數(shù)的取大運(yùn)算。10.9應(yīng)用實(shí)例
例10.9.1科技資源配置規(guī)劃在我國(guó)建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的過(guò)程中,隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的形成和發(fā)展,科技資源的稀缺性日益突出.如何有效地配置十分有限的科技資源,加快科技事業(yè)的發(fā)展,促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)各項(xiàng)事業(yè)的全面振興,
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