1. Основные понятия

1.1. Модель динамического программирования

1.2. Принцип оптимальности. Уравнение Беллмана

2. Оптимальное распределение ресурсов

2.1 Постановка задачи

2.2 Двумерная модель распределения ресурсов

2.3 Дискретная динамическая модель оптимального распределения ресурсов

2.4 Учет последействия в задачах оптимального распределения ресурсов

Заключение

Список используемых источников

Приложение 1. Листинг программы для решения задачи оптимального распределения ресурсов с заданными параметрами. Результаты работы программы

Введение

На протяжении всей своей истории люди при необходимости принимать решения прибегали к сложным ритуалам. Они устраивали торжественные церемонии, приносили в жертву животных, гадали по звездам и следили за полетом птиц. Они полагались на народные приметы и старались следовать примитивным правилам, облегчающим им трудную задачу принятия решений. В настоящее время для принятия решения используют новый и, по-видимому, более научный «ритуал», основанный на применении электронно-вычислительной машины. Без современных технических средств человеческий ум, вероятно, не может учесть многочисленные и разнообразные факторы, с которыми сталкиваются при управлении предприятием, конструировании ракеты или регулировании движения транспорта. Существующие в настоящее время многочисленные математические методы оптимизации уже достаточно развиты, что позволяет эффективно использовать возможности цифровых и гибридных вычислительных машин. Одним из этих методов является математическое программирование, включающее в себя как частный случай динамическое программирование.

Большинство практических задач имеет несколько (а некоторые, возможно, даже бесконечное число) решений. Целью оптимизации является нахождение наилучшего решения среди многих потенциально возможных в соответствии с некоторым критерием эффективности или качества. Задача, допускающая лишь одно решение, не требует оптимизации. Оптимизация может быть осуществлена при помощи многих стратегий, начиная с весьма сложных аналитических и численных математических процедур и кончая разумным применением простой арифметики.

Динамическое программирование – метод оптимизации, приспособленный к операциям, в которых процесс принятия решений может быть разбит на отдельные этапы (шаги). Такие операции называются многошаговыми.

Как раздел математического программирования, динамическое программирование (ДП) начало развиваться в 50-х годах XX в. благодаря работам Р. Беллмана и его сотрудников. Впервые этим методом решались задачи оптимального управления запасами, затем класс задач значительно расширился. Как практический метод оптимизации, метод динамического программирования стал возможен лишь при использовании современной вычислительной техники.

В основе метода динамического программирования лежит принцип оптимальности, сформулированный Беллманом. Этот принцип и идея включения конкретной задачи оптимизации в семейство аналогичных многошаговых задач приводят к рекуррентным соотношениям - функциональным уравнениям - относительно оптимального значения целевой функции. Их решение позволяет последовательно получить оптимальное управление для исходной задачи оптимизации.

1. Основные понятия

1.1 Модель динамического программирования

Дадим общее описание модели динамического программирования.

Рассматривается управляемая система, которая под влиянием управления переходит из начального состояния

в конечное состояние . Предположим, что процесс управления системой можно разбить на п шагов. Пусть , ,…, - состояния системы после первого, второго,..., п -го шага. Схематически это показано на рис. 1.

Рисунок 1

Состояние

системы после k-го шага ( k = 1,2 …,n ) характеризуется параметрами , ,…, которые называются фазовыми координатами. Состояние можно изобразить точкой s-мерного пространства называемого фазовым пространством. Последовательное преобразование системы (по шагам) достигается с помощью некоторых мероприятий , ,…, , которые составляют управление системой , где - управление на k -м шаге, переводящее систему из состояния в состояние (рис. 1). Управление на k -ом шаге заключается в выборе значений определенных управляющих переменных .

Предполагаем впредь, что состояние системы в конце k-го шага зависит только от предшествующего состояния системы

и управления на данном шаге (рис. 1). Такое свойство получило название отсутствия последействия. Обозначим эту зависимость в виде , (1.1)

Равенства (1.1) получили название уравнений состояний. Функции

полагаем заданными.

Варьируя управление U , получим различную «эффективность» процесса , которую будем оценивать количественно целевой функцией Z , зависящей от начального состояния системы

и от выбранного управления U : . (1.2)

Показатель эффективности k-го шага процесса управления, который зависит от состояния

в начале этого шага и управления , выбранного на этом шаге, обозначим через рассматриваемой задаче пошаговой оптимизации целевая функция (1.2) должна быть аддитивной, т. е. . (1.3)

Если свойство аддитивности целевой функции Z не выполняется, то этого иногда можно добиться некоторыми преобразованиями функции. Например, если Z- мультипликативная функция, заданная в виде

, то можно рассмотреть функцию , которая является аддитивной.

Обычно условиями процесса на управление на каждом шаге

накладываются некоторые ограничения. Управления, удовлетворяющие этим ограничениям называются допустимыми .

Задачу пошаговой оптимизации можно сформулировать так: определить совокупность допустимых управлении

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Средства X выделенные kому предприятию приносит в конце года прибыль. Функции заданы таблично: X f1X f2X f3X f4X 1 8 6 3 4 2 10 9 4 6 3 11 11 7 8 4 12 13 11 13 5 18 15 18 16 Определить какое количество средств нужно выделить каждому предприятию чтобы суммарная прибыль равная сумме прибылей полученных от каждого предприятия была наибольшей. Пусть количество средств выделенных kому предприятию. Уравнения на м шаге удовлетворяют условию: либо kому предприятию ничего не выделяем: либо не больше того что...

Лабораторная работа 4_2. Решение задачи о распределении ресурсов методом динамического программирования.

Цель работы – изучить возможности табличного процессора MS Excel для решения задачи распределения ограниченных ресурсов методом динамического программирования.

Краткие теоретические сведения

Построение модели динамического программирования (ДП) и применение метода ДП для решения задачи сводится к следующему:

1. выбирают способ деления процесса управления на шаги;
2. определяют параметры состояния и переменные управления X k на каждом шаге;
3. записывают уравнения состояний;
4. вводят целевые функции k -ого шага и суммарную целевую функцию;
5. вводят в рассмотрение условные максимумы (минимумы) и условное оптимальное управление на k -ом шаге: .
6. Записывают основные для вычислительной схемы ДП уравнения Беллмана для и по правилу:

1. Решают последовательно уравнения Беллмана (условная оптимизация) и получают две последовательности функций и.
2. После выполнения условной оптимизации получают оптимальное решение для конкретного состояния:

а) и

б) по цепочке оптимальное управление (решение) .

Постановка задачи динамического программирования в общем виде.

Условие задачи . Планируется деятельность четырех промышленных предприятий на очередной год. Начальные средства: у.е. Размеры вложения в каждое предприятие кратны 1 условной единице. Средства X , выделенные k

	f 1 (X)	f 2 (X)	f 3 (X)	f 4 (X)

Определить, какое количество средств нужно выделить каждому предприятию, чтобы суммарная прибыль (равная сумме прибылей, полученных от каждого предприятия), была наибольшей.

Решение. Пусть - количество средств, выделенных k -ому предприятию. Суммарная прибыль равна. Переменные X удовлетворяют ограничениям: . Требуется найти переменные, удовлетворяющие данным ограничениям и обращающие в максимум функцию Z .

Схема решения задачи методом ДП имеет следующий вид: процесс решения распределения средств можно рассматривать как 4-шаговый, номер шага совпадает с номером предприятия; выбор переменных – уравнения на 1, 2, 3, 4 шагах соответственно; - конечное состояние процесса распределения – равно нулю, т.к. все средства должны быть вложены в производство, =0 .

Уравнения состояний и схему распределения можно представить в виде:

Здесь - параметр состояния – количество средств, оставшихся после k -ого шага, т.е. средства, которые остается распределить между оставшимися (4- k ) предприятиями.

Введем в рассмотрение функцию - условно оптимальную прибыль, полученную от -го, ( k +1 )-го, …, 4-го предприятий, если между ними распределялись оптимальным образом средства). Уравнения на -м шаге удовлетворяют условию: (либо k -ому предприятию ничего не выделяем: , либо не больше того, что имеем к k -ому шагу:).

Уравнения Беллмана имеют вид:

Решение уравнений осуществляется путем последовательной оптимизации каждого шага.

4 шаг. Все средства, оставшиеся к 4-ому шагу, следует вложить в 4-е предприятие, поскольку согласно таблице прибыли монотонно возрастают. При этом для возможных значений получим:

3 шаг . Делаем предположения относительно остатка средств к 3-ему шагу: может принимать значения 0,1,2,3,4,5 (=0, если все средства отданы 1-ому и 2-ому предприятиям и т.д.). В зависимости от этого выбираем и сравниваем для разных при фиксированных значениях значения суммы. Для каждого максимальное из этих значений есть - условная оптимальная прибыль, полученная при оптимальном распределении средств между 3-м и 4-м предприятиями. Полученные значения для приведены в таблице в графах 5 и 6 соответственно.

S k-1			k =3			k =2			k =1
			f 3 (X 3 )+			f 2 (X 2 )+			f 1 (X 1 )+
			0+4=4 3+0=3			0+4=4 6+0=6			0+6=6 8+0=8
			0+6=6 3+4=7 4+0=4			0+7=7 6+4=10 9+0=9			0+10=10 8+6=14 10+0=10
			0+8=8 3+6=9 4+4=8 7+0=7			0+9=9 6+7=13 9+4=13 11+0=11			0+13=13 8+10=18 10+6=16 11+0=11
			0+13=13 3+8=11 4+6=10 7+4=11 11+0=11			0+13=13 6+9=15 9+7=16 11+4=15 13+0=13			0+16=16 8+13=21 10+10=20 11+6=17 12+0=12
			0+16=16 3+13=16 4+8=12 7+6=13 11+4=15 18+0=18			0+18=18 6+13=19 9+9=18 11+7=18 13+4=17 15+0=15			0+19=19 8+16=24 10+13=23 11+10=21 12+6=18 18+0=18

2 шаг k =2. Для всех возможных значений значения и находятся в столбцах 8 и 9 соответственно; первые слагаемые в столбце 7 – значения взяты из условия, вторые слагаемые взяты из столбца 5 при.

1 шаг . Условная оптимизация проведена в таблице при k =1 для.

Если, то=5; прибыль, полученная от четырех предприятий при условии, что =5 средств между оставшимися тремя предприятиями будут распределены оптимально, равна.

Если, то=4; суммарная прибыль при условии, что =4 средств между оставшимися тремя предприятиями будут распределены оптимально, равна.

Аналогично, при, и;

При, и;

При, и;

Сравнивая полученные значения, получим при.

Вычисляя, получим, а по таблице в столбце 9 находим. Далее находим, а в столбце 6 . Наконец, и. Оптимальное решение.

Ответ. Максимум суммарной прибыли равен 24 у.е. при условии, что 1-ому предприятию выделена 1 у.е.; 2-ому предприятию выделено 2 у.е.; 3-ому предприятию - 1 у.е.; 4-ому предприятию - 1 у.е.

Реализация задачи в MS Excel

1. Ввод исходных данных в таблицу показан на Рис.1.

Рис.1. Ввод исходных данных в ячейки рабочего листа MS Excel

2. Порядок заполнения ячеек таблицы:

1). В ячейку E 15 введем формулу ИНДЕКС($B$3:$F$8;ПОИСКПОЗ($C15;$B$3:$B$8);G$12+1) и скопируем формулу в диапазоне ячеек с E 15 до E 35.

2). В ячейку F 15 введем формулу

ИНДЕКС($B$3:$F$8;ПОИСКПОЗ($D15;$B$3:$B$8);5) и скопируем формулу в диапазон ячеек с F 15 до F 35.

3). В ячейку G 15 введем формулу E 15+ F 15 и скопируем формулу в диапазон: G 15 - G 35.

4). Находим максимальное значение для каждого состояния от 0 до 5, для этого в ячейку H 15 введем формулу МАКС(G15); после ввода формулы в ячейку H 16 необходимо изменить диапазон с G 16 на G 16: G 17 и т.д. по всему столбику до ячейки H 30 (Рис.2а).

3. Находим значение управления, которому соответствует максимальное значение функции, для этого в ячейку I 15 введем формулу ИНДЕКС($ C 15: G 15;ПОИСКПОЗ(H 15; G 15;0);1), скопируем формулу в ячейку I 16 и увеличим диапазон, в результате в ячейке I 16 получим: ИНДЕКС($ C 16: G 17;ПОИСКПОЗ(H 16; G 16: G 17;0);1). Далее скопируем формулу в ячейки I 18, I 21, I 25, I 30 , постепенно увеличивая диапазон (Рис.2б)

Рис.2а. Вид рабочего листа с формулами, k =3.

Рис.2б (правая часть рабочего листа с формулами, k =3

В результате получим:

Рис. 3 . Результат выполнения первого шага ( k =3).

4. Выделяем диапазон E 15: I 35, выполняем команду Копировать J 15 и выполняем команду Вставить .

5. Изменим формулу функции. В ячейки K 15, K 16, K 18, K 21, K 25, K 30 введем соответственно максимальные значения предыдущего шага, находящиеся в ячейках H 15, H 16, H 18, H 21, H 25, H 30. В остальные ячейки поместим значения, стоящие в этом же столбце и соответствующие предыдущим S k . :

В ячейку K 17 копируем значения ячейки К15;

в ячейки К19 и К20 – значения К16 и К17;

в К22:К24 – значения К18:К20;

в К26:К29 – значения К21:К24;

в К31:К35 – значения К25:К29;

В результате получим:

Рис.4. Результат выполнения второго шага ( k =2).

6. Выделяем диапазон ячеек J 15: N 35, выполняем команду Копировать , устанавливаем курсор в ячейку O 15, выполняем команду Вставить . В результате получаем заполненную таблицу с решением для k =1 (Рис.5)

7. Объясним полученные результаты: при. Вычисляя, получим, а по таблице в столбце 12 находим. Далее определяем, а из столбца 6 . Наконец, и. Таким образом, оптимальное значение, а значение функции 24 у.е., что согласуется с данными, полученными вручную.

Рис.6. Результат выполнения третьего шага ( k =1).

Контрольные упражнения. Варианты.

1. Планируется деятельность четырех промышленных предприятий на очередной год. Начальные средства у.е. Размеры вложения в каждое предприятие кратны 1 у.е. Средства X , выделенные k -ому предприятию (), приносит в конце года прибыль. Функции заданы таблично:

	f 1 (X)	f 2 (X)	f 3 (X)	f 4 (X)

Определить, какое количество средств нужно выделить каждому предприятию, чтобы суммарная прибыль была наибольшей.

2. Планируется деятельность трех промышленных предприятий на очередной год. Начальные средства: у.е. Размеры вложения в каждое предприятие кратны 1 у.е. Средства X , выделенные k -ому предприятию (), приносит в конце года прибыль. Функции заданы таблично:

	f 1 (X)	f 2 (X)	f 3 (X)

Определить, какое количество средств нужно выделить каждому предприятию, чтобы суммарная прибыль, была наибольшей.

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать
58796.		Geographical Outlook	977.5 KB
	By the end of the lesson you should be able to recognize and understand new words and word combinations in the text, to read and understand the gist and details despite the natural difficulties.
58797.		Інформація та інформаційні процеси. Обчислювальна система	128 KB
	Загальна характеристика теми. Правила техніки безпеки в кабінеті ПЕОМ. Інформатика. Поняття інформації. Інформація і шум. Інформаційні процеси. Інформація й повідомлення.
58798.		Операційні системи	126 KB
	Робочий стіл. Основні об’єкти Windows. Виділення об’єкта. Операції, властивості та основні команди для роботи з об’єктами. Контекстне меню об’єкта. Ярлики та їх призначення.
58799.		Основи роботи з дисками	144.5 KB
	Загальна характеристика теми. Форматування диска. Діагностика та дефрагментація дисків. Відновлення інформації на диску. Правила записування та зчитування інформації з дискет.
58800.		Текстовий редактор	190 KB
	Системи опрацювання текстiв i їх основнi функцiї. Завантаження текстового редактора. Iнтерфейс редактора. Інформаційний рядок. Режими екрана, використання вікон.
58801.		Графічний редактор	708 KB
	Загальна характеристика теми. Машинна графiка. Графiчний екран. Система опрацювання графiчної інформації. Вказiвки малювання графiчних примiтивiв при роботi з редактором. Типи графічних файлів.
58802.		Електронні таблиці	280.5 KB
	Навчальна. Охарактеризувати нову тему, висвітлити її роль в курсі інформатики. Ввести поняття електронна таблиця. Ознайомити учнів з програмами опрацювання ЕТ, правилами введення та редагування інформації в ЕТ, способами форматування ЕТ.
58803.		Системи управління базами даних (СУБД)	156.5 KB
	Бази даних. Фактографічні й документальні БД. Iєрархiчна, мережева, реляцiйна модель бази даних. Основнi елементи та об’єкти бази даних: поле, запис, файл. СУБД.

Назначение сервиса . Онлайн-калькулятор предназначен для решения задачи оптимального распределения ресурсов заданных в виде функций f(x) . Результаты вычислений оформляются в отчете формата Word (см. ).

Инструкция . Выберите количество предприятий.

Количество предприятий 2 3

Пример №1 . Планируется работа двух предприятий на n лет. Начальные ресурсы равны s0. Средства x, вложенные в 1-е предприятие в начале года, дают в конце года прибыль f1(x), и возвращаются в размере g1(x). Средства y, вложенные в 2-е предприятие в начале года, дают в конце года прибыль f2(y) и возвращаются в размере g2(y). В конце года возвращенные средства заново перераспределяются между отраслями. Определить оптимальный план распределения средств и найти максимальную прибыль.

Задачу решим методом динамического программирования. Операцию управления производственным процессом разобьём на этапы. На каждом из них управление выберем так, чтобы оно приводило к выигрышу как на данном этапе, так и на всех последующих до конца операции. В этом состоит принцип оптимальности , сформулированный американским математиком А. Беллманом.
Разобьём весь период на три этапа по годам и будем нумеровать их, начиная с первого.
Обозначим через x k и y k количество средств выделяемых каждому предприятию на k-ом этапе, а через x k + y k = a k - общее количество средств на этом этапе. Тогда первое предприятие приносит на этом этапе 3 x k , а второе 4 y k единиц дохода. Общий доход на k-ом этапе 3x k + 4y k .
Обозначим через f k (a k) - максимальный доход, который получает отрасль от обоих предприятий на k-ом и всех последующих. Тогда функциональное уравнение, отражающее принцип оптимальности Беллмана, принимает вид:
f k (a k)= max{3 x k + 4 y k + f k +1 (a k +1)}. (1)
Так как x k + y k = a k , то y k = a k - x k и 3x k + 4y k = 3x k + 4(a k - x k) = - x k + 4a k . Поэтому f k (a k) = max{-x k + 4a k + f k+1 (ak+1)} . (2)
0 ≤ x k ≤ a k
Кроме того, ak - это средства выделяемые обои предприятиям на k-ом этапе, и они определяются остатком средств, получаемых на предыдущем (k-1)-ом этапе. Поэтому по условию задачи оптимальное управление на каждом этапе
a k = 0,5 x k -1 + 0,2 y k -1 = 0,5 x k -1 +0,2(a k -1 - x k -1) = 0,3 x k -1 +0,2 a k -1 . (3)

I.Условия оптимизации
Планирование начинаем с последнего третьего этапа

При k = 3 получаем из (2)
f 3 (a 3) = max {- x 3 + 4a 3 + f 4 (a 4)}
0 ≤ x 3 ≤ a 3
Так как четвёртого этапа нет, то f 4 (a 4)=0 и
f 3 (a 3) = max {- x 3 + 4a 3 }=4a 3
0 ≤ x 3 ≤ a 3
(максимум выражения (- x 3 + 4 a 3 ) будет при x 3 =0)).

Итак, для третьего последнего этапа имеем: f 3 (a 3) = 4 a 3 , x 3 = 0, y 3 = a 3 - x 3 = a 3 ,
где a 3 = 0,3x 2 + 0,2a 2 , что следует из формулы (3).

При k = 2 из (2) и (3) получаем:
f(a 2) = max {-x 2 + 4a 2 + f 3 (a 3)}=
0 ≤ x ≤ a 2
= max {-x 2 + 4a 2 + 4a 3 }= max {-x 2 + 4a 2 + 4( 0,3x 2 + 0,2a 2)} max{0,2x 2 + 4,8a 2 } 5a
0 ≤ x ≤ a 2
т. к. максимум выражения (0,2 x 2 + 4,8 a 2 ) будет при x 2 = a 2 .
То для второго этапа имеем: f 2 (a 2) = 5a 2 , x 2 = a 2 , y 2 = a 2 x 2 = 0 , при этом
a 2 = 0,3x 1 + 0,2a 1 с учетом (3).
При k = 1 с учетом (2) и (3) получаем:
f 1 (a 1) = max {-x 1 + 4a 1 + f 2 (a 2)}=
0 ≤ x ≤ a 1
= max {-x 1 + 4a 1 + 5a 2 }= max {-x 1 + 4a 2 + 5(0,3x 1 + 0,2a 2)}= max {0,5x 1 + 5a 1 }=5,5a 1
0 ≤ x ≤ a 1
при x 1 = a 1 .
Итак, для первого этапа f 1 (a 1) = 5,5 a 1 , x 1 = a 1 , y 1 = 0.
Процесс закончен. На первом этапе общее количество распределяемых средств известно -a 1 = 900 ед. Тогда максимальный доход, получаемый обоими предприятиями за три года составит f 1 (a 1) = 5,5*900 = 4950 ден. ед.

II. Безусловная оптимизация
Выясним, каким должно быть оптимальное управление процессом выделения средств между первым и вторым предприятиями для получения максимального дохода в количестве 4950 ден. ед.
1-й год. Так как x 1 = a 1 и , y 1 = 0, то все средства в количестве 900 ден. ед. отдаются первому предприятию.
2-й год. Выделяются средства a 2 = 0,3x 1 + 0,2a 1 = 0,5 a 1 =450 ед., x 2 = a 2 , y 2 = 0.
Все они передаются первому предприятию.
3-й год . Выделяются средства a 3 = 0,3x 2 + 0,2a 2 = 0,5 a 2 = 225 ед., x 3 = 0, y 3 = a 3 . Все они передаются второму предприятию.
Результаты решения представим в виде таблицы.

Период	Средства	Предприятие №1	Предприятие №2	Остаток	Доход
1	900	900	0	450	2700
2	450	450	0	225	1350
3	225	0	225	45	900
					4950

Пример №2 . Оптимальное поэтапное распределение средств между предприятиями в течении планового периода.
Руководство фирмы, имеющей договор о сотрудничестве с тремя малыми предприятия, на плановый годовой период выделила для них оборотные средства в объеме 100000 у.е. Для каждого предприятия известны функции поквартального дохода и поквартального остатка оборотных средств в зависимости от выделенной на квартал суммы x. В начале квартала средства распределяются полностью между тремя предприятиями (из этих вложенных средств и вычисляется доход), а по окончанию квартала остатки средств аккамулируются у руководства фирмы и снова распределяются полностью между предприятиями.
Составить план поквартального распределения средств на год (4 квартала), позволяющего достичь максимальный общий доход за год.
f 1 (x)=1,2x, f 2 (x)=1.5x, f 3 (x)=2x; g 1 (x)=0.7x, g 2 (x)=0.6x, g 3 (x)=0.1x - 1.03 Мб

Дадим математическую формулировку принципа оптимальности. Для простоты будем считать, что начальное x 0 и конечное x T состояния системы заданы. Обозначим через z 1 (х 0 , u 1) значение функции цели на первом этапе при начальном состоянии системы x 0 и при управлении u 1 , через z 2 (х 1 ,u 2) – соответствующее значение функции цели только на втором этапе, ..., через
z i (х i -1 ,u i) – на i-м этапе, ..., через z N (х N -1 , u N) -на N-м этапе. Очевидно, что

Надо найти оптимальное управление u*= (; ;...;), такое, что доставляет экстремум целевой функции (1) при ограничениях.

Для решения этой задачи погружаем ее в семейство подобных. Введем обозначения. Пусть – соответственно области

определения для подобных задач на последнем этапе, двух последних и т. д.;
– область определения исходной задачи. Обозначим через F 1 (x N -1), F 2 (x N -2), …, F k (x N -k), …, F N (x 0) соответственно условно-оптимальные значения функции цели на последнем этапе, двух последних и т. д., на k последних и т. д., на всех N этапах.

Начинаем с последнего этапа. Пусть х N-1 – возможные состояния системы на начало N-го этапа. Находим:

F 1 (x N -1) = z N (x N -1 , u N). (2)

Для двух последних этапов получаем

F 2 (x N -2) = (Z N -1 (x N -2 , u N -1) + F 1 (x N -1)). (3)

Аналогично:

F 3 (x N -3) = (Z N -2 (x N -3 , u N -2) + F 2 (x N -2)). (4)

………………………………………………….

F k (x N -k) = (z N-k +1 (x N -k , u N-k +1) + F k- 1 (x N-k +1)). (5)

…………………………………………………..

F N (x 0) = (z 1 (x 0 , u 1) + F N -1 (x 1)). (6)

Выражение (6) представляет собой математическую запись принципа оптимальности. Выражение (5) – общая форма записи условно-оптимального значения функции цели для k оставшихся этапов. Выражения (2) – (6) называются функциональными уравнениями Беллмана. Отчетливо просматривается их рекуррентный (возвратный) характер, т. е. для нахождения оптимального управления на N шагах нужно знать условно-оптимальное управление на предшествующих N – 1 этапах и т. д. Поэтому функциональные уравнения часто называют рекуррентными (возвратными) соотношениями Беллмана.

1. Особенности задач динамического программирования

На основании выше сказанного можно выделить следующие особенности задач динамического программирования.

• Рассматривается система, состояние которой на каждом шаге определяется вектором x t . Дальнейшее изменение ее состояния зависит только от данного состояния x t и не зависит от того, каким путем система пришла в это состояние. Такие процессы называются процессами без последействия.
• На каждом шаге выбирается одно решение u t , под действием которого система переходит из предыдущего состояния x t -1 в новое х t . Это новое состояние является функцией состояния на начало интервала x t -1 и принятого в начале интервала решения u t , т. е. x t = x t (x t -1 ,u t).
• Действие на каждом шаге связано с определенным выигрышем (доходом, прибылью) или потерей (издержками), которые зависят от состояния на начало шага (этапа) и принятого решения.
• На векторы состояния и управления могут быть наложены ограничения, объединение которых составляет область допустимых решений.
• Требуется найти такое допустимое управление u t для каждого шага t, чтобы получить экстремальное значение функции цели за все Т шагов.

Любую допустимую последовательность действий для каждого шага, переводящую систему из начального состояния в конечное, называют стратегией управления. Стратегия управления, в результате которой можно получить экстремальное значение функции цели, называется оптимальной.

Геометрическая интерпретация задачи динамического программирования состоит в следующем. Пусть n – размерность пространства состояний. В каждый момент времени координаты системы имеют вполне определенное значение. С изменением времени t могут изменяться значения координат вектора состояния. Назовем переход системы из одного состояния в другое траекторией ее движения в пространстве состояний. Такой переход осуществляется воздействием на координаты состояния. Пространство, в котором координатами служат состояния системы, называется фазовым. Особенно наглядно задачу динамического программирования можно интерпретировать в случае, если пространство состояний двухмерно. Область возможных состояний в этом случае изобразится некоторой фигурой, начальное и конечное состояния системы – точками х 0 , (рис. 1). Управление – это воздействие, переводящее систему из начального состояния в конечное. Для многих экономических задач не известно начальное либо конечное состояние, а известна область X 0 или X T , которой эти точки принадлежат.

Рисунок 1

Тогда допустимые управления переводят точки из области Х 0 в X T . Задача динамического программирования геометрически может быть сформулирована следующим образом: найти такую фазовую траекторию, начинающуюся в области Х 0 и оканчивающуюся в области Х T , для которой функция цели достигает экстремального значения. Если в задаче динамического программирования известны начальное и конечное состояния, то говорят о задаче с закрепленными концами. Если известны начальные и конечные области, то говорят о задаче со свободными концами.

1. ЗАДАЧА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ

2.1 Общая постановка задачи

Рассмотрим применение метода динамического программирования на примере распределения средств между шестью объектами реконструкции предприятия горводоканала:

1. Центральная насосно- фильтровальная станция;

2. Восточная насосно- фильтровальная станция;

3. Водопроводная насосная станции перекачки;

4. Центральная станция аэрации;

5. Восточная станция аэрации;

6. Загородная станция аэрации.

Общая сумма средств, предоставленная на развитие составляет не более 195 тысяч гривен. На основе технико-экономических расчетов установлено, что в результате реконструкции в зависимости от количества потраченных средств объекты будут иметь производительность, приведенную в таблице 1.1. Необходимо определить оптимальное распределение средств между объектами реконструкции, которая обеспечит максимальное увеличение производительности этих объектов. Таким образом, в этой задаче используется критерий оптимизации - суммарная производительность предприятий объектов реконструкции.

Таблица 1.1 Входные данные продуктивности объектов реконструкции

Порядковый номер объекта

Объем ресурсов, выданных на развитие объектов (тыс. грн.)

Продуктивность объектов результате развития (тыс. м3)

1. Блок схема программы

Рисунок 1. Основная программа

QtObj – количество объектов

QtRes – количество ресурсов

effMatrix - матрица производительности объектов,

distVector – вектор выделенных ресурсов

Шаг 1. Условная оптимизация

Шаг 2. Безусловная оптимизация

I = QtObj-1,0 формируем вектор результат

Рисунок 2. Ввод данных

distVector – вектор дистанций, effMatrix = матрица производительности

если все элементы матрицы введены

если вектор производительности- не

отрицательный

Рисунок 3. Условная оптимизация,

формируем мартицу выхода (максимум функции цели)

outMatrix – матрица максимума цели

QtObj – количество объектов

QtRes – количество ресурсов

Matrix – матрица производительности

distVect – вектор дистанций (вектор ресурсов)

нет да Если первое предприятие

Поиск максимума

да maxItem = temp; outMatrix[i][j] = maxItem

1. Структура алгоритма программы

1. Ввод данных – класс DataDlg.

Переменные члены класса.

//вектор для хранения объема ресурсов

std::vector distVector;

//матрица производительности объектов

int** effMatrix;

//функция перевода строки в число

int StringToInt(CString);

//функция проверки корректности введенных данных

BOOL FillMatrix();

//функция очистки ресурсов, после закрытия окна

virtual BOOL DestroyWindow();

//функция инициализации диалога

virtual BOOL OnInitDialog();

1. Вычисление результатов – основ ной класс программы courseWorkDlg

Переменные члены класса

int Value; //значение производительности

int MaxIndex;// максимальный индекс в векторе ресурсов

int Facility;//предприятие

int Recource;//выделенный ресурс

Item ** outMatrix; //матрица максимума цели

std::vector resVector; //вектор результатов

void BuildOutMatrix(int **,std::vector);//функция формирования матрицы цели (условная оптимизация)

afx_msg void OnBnClickedButton1();// обработчик нажатия на кнопку «Вычислить», который запускает процесс вычислений.

virtual BOOL DestroyWindow();//очистка ресурсов программы

1. Вывод результатов класс Report

Назначение данного класса – это вывод вектора результата в табличной форме.

2.4 Результаты работы программы

Начальный ввод данных

1. Ввод данных о продуктивности объектов реконструкции

1. Если не все поля заполнены

1. Если введен неправильный символ

Корректный ввод данных

Показ результата

1. Ввод данных

Результат работы программы

Начальный ввод данных

Ввод продуктивности объектов

Приложение.

Листинг программы

int DataDlg::StringToInt(CString str)

const wchar_t* s = T2CW(str);

int val = _wtoi(s);

// все поля заполнены?

BOOL DataDlg::FillMatrix()

bool flag = true;

for (int i = 0; i < Cells.GetSize(); i ++){

for (int j = 0 ; j < Cells.GetAt(i)->Edits.GetSize(); j ++){

CEdit * temp = Cells.GetAt(i)->Edits.GetAt(j) ;

if (temp->m_hWnd != NULL){

temp->GetWindowText(str);

if (str.IsEmpty()){

MessageBox(L"Нужно заполнить все поля", L"Ошибка", MB_ICONERROR | MB_OK);

Описание работы

Целью данной работы является реализация на ЭВМ решения задачи оптимального распределения средств на расширение производства.
Задачи курсовой работы:
Рассмотреть теоретические аспекты решения задач динамического программирования; рекуррентность природы задач данного типа; принципы оптимальности Беллмана.
Разработка алгоритма. Блок - схемы. Структура алгоритма.
Реализация на ЭВМ разработанного алгоритма на выбранном языке программирования.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………2
Динамическое программирование
Основные понятия …………………4
Принципы динамического программирования. Функциональные уравнения Беллмана …………………….5
Особенности задач динамического программирования……………….10
Задача распределения ресурсов……………………12
Общая постановка задачи ………………………….13
Блок схема программы
Структура алгоритма программы
Результат работы программы
Заключение
Список используемой литературы

План урока

Учебная дисциплина МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И МОДЕЛИ В ЭКОНОМИКЕ

Тема урока Решение различных практических задач ДП с применением математических методов.

Цели урока

Развить навык решения задач динамического программирования.

Развитие качества ума, внимания, умений учебного труда студентов.

Воспитание дисциплинированности, целеустремленности студентов.

Оснащение урока конспект лекций, В.П.Агальцов «Математические методы в программировании».

Ход урока:

Организационный момент:

проверка отсутствующих, заполнение журнала.

Актуализация опорных знаний : ответы на контрольные вопросы

Какие задачи называются многошаговыми?

При помощи какого математического аппарата решаются многошаговые задачи?

Что такое оптимальное управление u*?

Каков алгоритм метода последовательных приближений в два круга?

Приведите примеры задач оптимального распределения ресурсов.

Изучение нового материала:

Классические задачи динамического программирования

• Задача о наибольшей общей подпоследовательности: даны две последовательности, требуется найти самую длинную общую подпоследовательность.

• Задача поиска наибольшей увеличивающейся подпоследовательности: дана последовательность, требуется найти самую длинную возрастающую подпоследовательность.

• Задача о редакционном расстоянии (расстояние Левенштейна): даны две строки, требуется найти минимальное количество стираний, замен и добавлений символов, преобразующих одну строку в другую.

• Задача о вычислении чисел Фибоначчи

• Задача о порядке перемножения матриц: даны матрицы, …, требуется минимизировать количество скалярных операций для их перемножения.

• Задача о выборе траектории

• Задача последовательного принятия решения

• Задача об использовании рабочей силы

• Задача управления запасами

• Задача о ранце: из неограниченного множества предметов со свойствами «стоимость» и «вес» требуется отобрать некое число предметов таким образом, чтобы получить максимальную суммарную стоимость при ограниченном суммарном весе.

• Алгоритм Флойда - Уоршелла: найти кратчайшие расстояния между всеми вершинами взвешенного ориентированного графа.

• Алгоритм Беллмана - Форда: найти кратчайший путь во взвешенном графе между двумя заданными вершинами.

• Максимальное независимое множество вершин в дереве: дано дерево, найти максимальное множество вершин, никакие две из которых не связаны ребром.

Пример: Оптимальное распределение ресурсов

Капитал 40 млн.руб. инвестор должен вложить в четыре инвестиционных проекта так, чтобы получить максимальный доход. Доходность проектов дана в таблице (вложения кратны 8 млн. руб.)

u

Прибыль от внедрения

f4 (u )

f3 (u )

f2 (u )

f1 (u )

55

39

120

115

10 0

120

135

134

14 0

145

158

147

Решение:

Это задача динамического программирования. Решение состоит из двух этапов. На первом этапе (от конца к началу) ищем условное оптимальное решение, на втором (от начала к концу) – ищем оптимальное решение задачи.

1 этап.

Распределяем капитал между четырьмя проектами и считаем получаемую прибыль L (i ), i = 8,16,24,32,40.

1 шаг : Денежные средства вкладываются в четвертый проект.

L (8)=55

L (16)=58

L (24)=90

L (32)=100

L (40)=140

2 шаг : Денежные средства вкладываются в четвертый и третий проекты.

u

Прибыль от внедрения

1 шаг

f3 (u )

55

39

10 0

120

14 0

145

3 шаг : Денежные средства вкладываются в четвертый, третий (2 шаг) и второй проекты.

u

Прибыль от внедрения

2 шаг

f 2(u )

94

108

120

135

135

175

158

175

134

214

147

2 этап:

На четвертом шаге выбираем максимальное из полученных значений прибыли L (40)=214.

И возвращаясь в обратном порядке от таблицы к таблице (от 4 шага к 1) выбираем такие значения доходов, при которых и получено значение 214.

Максимальный доход 214 млн. руб. от вложенных средств может быть получен при следующем распределении средств:

1 проект – 0 млн. руб.

2 проект – 24 млн. руб.

3 проект – 8 млн. руб.

4 проект – 8 млн. руб.

Закрепление нового материала:

5. Подведение итогов урока: выводы, оценки, домашнее задание:

(2) п.5.1

Ср12: формирование и усвоение содержания теоретического материала

Подпись преподавателя