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文檔簡介
約束非線性規(guī)劃非現(xiàn)性規(guī)劃的基本概念
定義如果目標(biāo)函數(shù)或約束條件中至少有一個是非線性函數(shù)時的最優(yōu)化問題就叫做非線性規(guī)劃問題.
一般形式:
(1)其中,是定義在En上的實值函數(shù),簡記:
其它情況:
求目標(biāo)函數(shù)的最大值或約束條件為小于等于零的情況,都可通過取其相反數(shù)化為上述一般形式.
定義1把滿足問題(1)中條件的解稱為可行解(或可行點),所有可行點的集合稱為可行集(或可行域).記為D.即問題(1)可簡記為.定義2
對于問題(1),設(shè),若存在,使得對一切,且,都有,則稱X*是f(X)在D上的局部極小值點(局部最優(yōu)解).特別地當(dāng)時,若則稱X*是f(X)在D上的嚴(yán)格局部極小值點(嚴(yán)格局部最優(yōu)解).定義3對于問題(1),設(shè),對任意的,都有則稱X*是f(X)在D上的全局極小值點(全局最優(yōu)解).特別地當(dāng)時,若,則稱X*是f(X)在D上的嚴(yán)格全局極小值點(嚴(yán)格全局最優(yōu)解).
返回非線性規(guī)劃的基本解法SUTM外點法SUTM內(nèi)點法(障礙罰函數(shù)法)1、罰函數(shù)法2、近似規(guī)劃法
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罰函數(shù)法
罰函數(shù)法基本思想是通過構(gòu)造罰函數(shù)把約束問題轉(zhuǎn)化為一系列無約束最優(yōu)化問題,進(jìn)而用無約束最優(yōu)化方法去求解.這類方法稱為序列無約束最小化方法(SequentialUnconstrainedMinizationTechnique).簡稱為SUMT法.其一為SUMT外點法,其二為SUMT內(nèi)點法.
其中T(X,M)稱為罰函數(shù),M稱為罰因子,帶M的項稱為罰項,這里的罰函數(shù)只對不滿足約束條件的點實行懲罰:當(dāng)時,滿足各,故罰項=0,不受懲罰.當(dāng)時,必有的約束條件,故罰項>0,要受懲罰.SUTM外點法
罰函數(shù)法的缺點是:每個近似最優(yōu)解Xk往往不是容許解,而只能近似滿足約束,在實際問題中這種結(jié)果可能不能使用;在解一系列無約束問題中,計算量太大,特別是隨著Mk的增大,可能導(dǎo)致錯誤.1、任意給定初始點X0,取M1>1,給定允許誤差,令k=1;2、求無約束極值問題的最優(yōu)解,設(shè)為Xk=X(Mk),即;3、若存在,使,則取Mk>M()令k=k+1返回(2),否則,停止迭代.得最優(yōu)解.計算時也可將收斂性判別準(zhǔn)則改為.SUTM外點法(罰函數(shù)法)的迭代步驟例題.minx2
s.t.x>=1顯然本問題的最優(yōu)解為x*=1用SMT外點法:
T(x,M)=x2+M[min(0,x-1)]2
=求minT(x,M).本題可由
T’(x,M)=2x+2M(x-1)=0,解得:x=M/(1+M),M趨于無窮.可知x從小于1趨于1,罰函數(shù)從外部趨于最優(yōu)解.
SUTM內(nèi)點法(障礙函數(shù)法)
內(nèi)點法的迭代步驟例題.minx2
s.t.x>=1顯然本問題的最優(yōu)解為x*=1用SMT內(nèi)點法:罰函數(shù)I(x,rk)=x2
–rkln(x-1),求其最值.可見,x從大于1趨于1.
近似規(guī)劃法的基本思想:將問題(3)中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件近似為線性函數(shù),并對變量的取值范圍加以限制,從而得到一個近似線性規(guī)劃問題,再用單純形法求解之,把其符合原始條件的最優(yōu)解作為(3)的解的近似.近似規(guī)劃法每得到一個近似解后,都從這點出發(fā),重復(fù)以上步驟.
這樣,通過求解一系列線性規(guī)劃問題,產(chǎn)生一個由線性規(guī)劃最優(yōu)解組成的序列,經(jīng)驗表明,這樣的序列往往收斂于非線性規(guī)劃問題的解。
近似規(guī)劃法的算法步驟如下
返回例題1、用近似規(guī)劃法求解下列問題。解:第一次迭代:在點x1處將g1(x),g2(x)線性化。步長限制:解(1)(2)(3)(4),得,檢驗,可得x2不滿足原始約束。第二次迭代,減少解(1,2,3,5),得x2=(4,3)T,f(x2)=-11.所以x2為最小值點.用MATLAB軟件求解,其輸入格式如下:
1. x=quadprog(H,C,A,b);2. x=quadprog(H,C,A,b,Aeq,beq);3. x=quadprog(H,C,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB);4. x=quadprog(H,C,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB,X0);5. x=quadprog(H,C,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB,X0,options);6. [x,fval]=quaprog(...);7. [x,fval,exitflag]=quaprog(...);8. [x,fval,exitflag,output]=quaprog(...);1、二次規(guī)劃例1
minf(x1,x2)=-2x1-6x2+x12-2x1x2+2x22
s.t.x1+x2≤2-x1+2x2≤2x1≥0,x2≥01、寫成標(biāo)準(zhǔn)形式:2、輸入命令:
H=[1-1;-12];c=[-2;-6];A=[11;-12];b=[2;2];
Aeq=[];beq=[];VLB=[0;0];VUB=[];[x,z]=quadprog(H,c,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB)3、運(yùn)算結(jié)果為:
x=0.66671.3333z=-8.2222s.t.
1.首先建立M文件fun.m,定義目標(biāo)函數(shù)F(X):functionf=fun(X);f=F(X);2、一般非線性規(guī)劃
其中X為n維變元向量,G(X)與Ceq(X)均為非線性函數(shù)組成的向量,其它變量的含義與線性規(guī)劃、二次規(guī)劃中相同.用Matlab求解上述問題,基本步驟分三步:3.建立主程序.非線性規(guī)劃求解的函數(shù)是fmincon,命令的基本格式如下:
(1)x=fmincon(‘fun’,X0,A,b)
(2)x=fmincon(‘fun’,X0,A,b,Aeq,beq)
(3)x=fmincon(‘fun’,X0,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB)
(4)x=fmincon(‘fun’,X0,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB,’nonlcon’)(5)x=fmincon(‘fun’,X0,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB,’nonlcon’,options)
(6)[x,fval]=
fmincon(...)
(7)[x,fval,exitflag]=
fmincon(...)(8)[x,fval,exitflag,output]=
fmincon(...)輸出極值點M文件迭代的初值參數(shù)說明變量上下限注意:[1]fmincon函數(shù)提供了大型優(yōu)化算法和中型優(yōu)化算法。默認(rèn)時,若在fun函數(shù)中提供了梯度(options參數(shù)的GradObj設(shè)置為’on’),并且只有上下界存在或只有等式約束,fmincon函數(shù)將選擇大型算法。當(dāng)既有等式約束又有梯度約束時,使用中型算法。[2]fmincon函數(shù)的中型算法使用的是序列二次規(guī)劃法。在每一步迭代中求解二次規(guī)劃子問題,并用BFGS法更新拉格朗日Hessian矩陣。[3]fmincon函數(shù)可能會給出局部最優(yōu)解,這與初值X0的選取有關(guān)。1、寫成標(biāo)準(zhǔn)形式:
s.t.
2x1+3x26
s.tx1+4x25x1,x20例22、先建立M-文件fun3.m:
functionf=fun3(x);f=-x(1)-2*x(2)+(1/2)*x(1)^2+(1/2)*x(2)^23、再建立主程序youh2.m:
x0=[1;1];A=[23;14];b=[6;5];
Aeq=[];beq=[];VLB=[0;0];VUB=[];[x,fval]=fmincon('fun3',x0,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB)4、運(yùn)算結(jié)果為:
x=0.76471.0588
fval=-2.02941.先建立M文件fun4.m,定義目標(biāo)函數(shù):
functionf=fun4(x);f=exp(x(1))*(4*x(1)^2+2*x(2)^2+4*x(1)*x(2)+2*x(2)+1);例32.再建立M文件mycon.m定義非線性約束:
function[g,ceq]=mycon(x)g=x(1)+x(2);
ceq=[1.5+x(1)*x(2)-x(1)-x(2);-x(1)*x(2)-10];3.主程序youh3.m為:x0=[-1;1];A=[];b=[];Aeq=[11];beq=[0];vlb=[];vub=[];[x,fval]=fmincon('fun4',x0,A,b,Aeq,beq,vlb,vub,'mycon')3.運(yùn)算結(jié)果為:
x=-1.22501.2250
fval=1.8951
例4
1.先建立M-文件fun.m定義目標(biāo)函數(shù):functionf=fun(x);f=-2*x(1)-x(2);2.再建立M文件mycon2.m定義非線性約束:
function[g,ceq]=mycon2(x)g=[x(1)^2+x(2)^2-25;x(1)^2-x(2)^2-7];
3.主程序fxx.m為:x0=[3;2.5];VLB=[00];VUB=[510];[x,fval,exitflag,output]=fmincon('fun',x0,[],[],[],[],VLB,VUB,'mycon2')4.運(yùn)算結(jié)果為:x=4.00003.0000fval=-11.0000exitflag=1output=iterations:4
funcCount:17
stepsize:1algorithm:[1x44char]
firstorderopt:[]
cgiterations:[]應(yīng)用實例:供應(yīng)與選址
某公司有6個建筑工地要開工,每個工地的位置(用平面坐標(biāo)系a,b表示,距離單位:千米)及水泥日用量d(噸)由下表給出。目前有兩個臨時料場位于A(5,1),B(2,7),日儲量各有20噸。假設(shè)從料場到工地之間均有直線道路相連。(1)試制定每天的供應(yīng)計劃,即從A,B兩料場分別向各工地運(yùn)送多少噸水泥,使總的噸千米數(shù)最小。(2)為了進(jìn)一步減少噸千米數(shù),打算舍棄兩個臨時料場,改建兩個新的,日儲量各為20噸,問應(yīng)建在何處,節(jié)省的噸千米數(shù)有多大?(一)、建立模型
記工地的位置為(ai,bi),水泥日用量為di,i=1,…,6;料場位置為(xj,yj),日儲量為ej,j=1,2;從料場j向工地i的運(yùn)送量為Xij。當(dāng)用臨時料場時決策變量為:Xij,當(dāng)不用臨時料場時決策變量為:Xij,xj,yj。(二)使用臨時料場的情形
使用兩個臨時料場A(5,1),B(2,7).求從料場j向工地i的運(yùn)送量為Xij,在各工地用量必須滿足和各料場運(yùn)送量不超過日儲量的條件下,使總的噸千米數(shù)最小,這是線性規(guī)劃問題.線性規(guī)劃模型為:設(shè)X11=X1,X21=X2,,X31=X3,X41=X4,X51=X5,,X61=X6X12=X7,X22=X8,,X32=X9,X42=X10,X52=X11,,X62=X12
編寫程序gying1.mgying1.mcleara=[1.258.750.55.7537.25];b=[1.250.754.7556.57.75];d=[3547611];x=[52];y=[17];e=[2020];fori=1:6forj=1:2
aa(i,j)=sqrt((x(j)-a(i))^2+(y(j)-b(i))^2);endendCC=[aa(:,1);aa(:,2)]';A=[111111000000;000000111111];B=[20;20];Aeq=[100000100000%從第一\二料場運(yùn)到工地一的料
010000010000001000001000000100000100
000010000010000001000001];beq=[d(1);d(2);d(3);d(4);d(5);d(6)];VLB=[000000000000];VUB=[];x0=[123010010101];[xx,fval]=linprog(CC,A,B,Aeq,beq,VLB,VUB,x0)計算結(jié)果為:x=[3.00005.00000.00007.00000.00001.00000.00000.00004.00000.00006.000010.0000]’fval=136.2275(三)改建兩個新料場的情形
改建兩個新料場,要同時確定料場的位置(xj,yj)和運(yùn)送量Xij,在同樣條件下使總噸千米數(shù)最小。這是非線性規(guī)劃問題。非線性規(guī)劃模型為:
用lingo解此題MODEL:設(shè)X11=X1,X21=X2,,X31=X3,X41=X4,X51=X5,,X61=X6X12=X7,X22=X8,,X32=X9,X42=X10,X52=X11,,X62=X12
x1=X13,y1=X14,x2=X15,y2=X16
(1)先編寫M文件liaoch.m定義目標(biāo)函數(shù)。(2)取初值為線性規(guī)劃的計算結(jié)果及臨時料場的坐標(biāo):x0=[35070100406105127]';編寫主程序gying2.m.functionf=liaoch(x)
a=[1.258.750.55.7537.25];
b=[1.250.754.7556.57.75];
d=[3547611];
e=[2020];
f1=0;
fori=1:6
s(i)=sqrt((x(13)-a(i))^2+(x(14)-b(i))^2);
f1=s(i)*x(i)+f1;
end
f2=0;
fori=7:12
s(i)=sqrt((x(15)-a(i-6))^2+(x(16)-b(i-6))^2);
f2=s(i)*x(i)+f2;
end
f=f1+f2;
clear%x0=[35070100406105127]';%x0=[3.00005.00000.07077.000000.9293003.929306.000010.07076.38754.39435.75117.1867]';%x0=[3.00005.00000.30947.00000.01080.6798003.690605.989210.32025.53694.91945.82917.2852]';x0=[35471000005115.63484.86877.24797.7499]';A=[11111100000000000000001111110000];B=[20;20];原程序gying2.mAeq=[100000100000000001000001000000000010000010000000000100000100000000001000001000000000010000010000];beq=[3547611]';vlb=[zeros(12,1);-inf;-inf;-inf;-inf];vub=[];[x,fval,exitflag]=fmincon('liaoch',x0,A,B,Aeq,beq,vlb,vub)(3)計算結(jié)果為:x=[3.00005.00000.07077.000000.9293003.929306.000010.07076.38754.39435.75117.1867]’fval=105.4626exitflag=1(4)若修改主程序gying2.m,取初值為上面的計算結(jié)果:x0=[3.00005.00000.07077.000000.9293003.929306.000010.07076.38754.39435.75117.1867]’得結(jié)果為:x=[3.00005.00000.30947.00000.01080.6798003.690605.989210.32025.53694.91945.82917.2852]’fval=103.4760exitflag=1總的噸千米數(shù)比上面結(jié)果略優(yōu).(5)若再取剛得出的結(jié)果為初值,卻計算不出最優(yōu)解.(6)若取初值為:x0=[35471000005115.63484.86877.24797.7499]',
則計算結(jié)果為:x=[3.00005.00004.00007.00001.0000000005.000011.00005.69594.92857.25007.7500]’fval=89.8835exitflag=1總的噸千米數(shù)89.8835比上面結(jié)果更好.
gying2.m通過此例可看出fmincon函數(shù)在選取初值上的重要性.用lingo解此題的方法:Lingo的使用--數(shù)學(xué)函數(shù)LINGO提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)函數(shù):@abs(x)返回x的絕對值@sin(x)返回x的正弦值,x采用弧度制@cos(x)返回x的余弦值@tan(x)返回x的正切值@exp(x)返回常數(shù)e的x次方@log(x)返回x的自然對數(shù)@lgm(x)返回x的gamma函數(shù)的自然對數(shù)@sign(x)如果x<0返回-1;否則,返回1@floor(x)返回x的整數(shù)部分。當(dāng)x>=0時,返回不超過x的最大整數(shù);當(dāng)x<0時,返回不低于x的最大整數(shù)。@smax(x1,x2,…,xn)返回x1,x2,…,xn中的最大值@smin(x1,x2,…,xn)返回x1,x2,…,xn中的最小值例4.3
給定一個直角三角形,求包含該三角形的最小正方形。
LINGO代碼如下:model:Titletrangle;sets:object/1..3/:f;endsetsdata:a,b=3,4;!兩個直角邊長,修改很方便;Enddataf(1)=a*@sin(x);f(2)=b*@cos(x);f(3)=a*@cos(x)+b*@sin(x);min=@smax(f(1),f(2),f(3));@bnd(0,x,1.57);end例題:
一奶制品加工廠用牛奶生產(chǎn)A1,A2兩種奶制品,1桶牛奶可以在甲車間用12小時加工成3公斤A1,或者在乙車間用8小時加工成4公斤A2。根據(jù)市場需求,生產(chǎn)的A1,A2全部能售出,且每公斤A1獲利24元,每公斤A2獲利16元。現(xiàn)在加工廠每天能得到50桶牛奶的供應(yīng),每天正式工人總的勞動時間480小時,并且甲車間每天至多能加工100公斤A1,乙車間的加工能力沒有限制。試為該廠制訂一個生產(chǎn)計劃,使每天獲利最大,并進(jìn)一步討論以下3個附加問題:1)若用35元可以買到1桶牛奶,應(yīng)否作這項投資?若投資,每天最多購買多少桶牛奶?2)若可以聘用臨時工人以增加勞動時間,付給臨時工人的工資最多是每小時幾元?3)由于市場需求變化,每公斤A1的獲利增加到30元,應(yīng)否改變生產(chǎn)計劃?模型代碼如下:max=72*x1+64*x2;x1+x2<=50;12*x1+8*x2<=480;3*x1<=100;求解這個模型,結(jié)果如下:Globaloptimalsolutionfoundatiteration:0Objectivevalue:3360.000
VariableValueReducedCostX120.000000.000000X230.000000.000000RowSlackorSurplusDualPrice13360.0001.00000020.00000048.0000030.0000002.000000440.000000.000000Rangesinwhichthebasisisunchanged:
ObjectiveCoefficientRanges
CurrentAllowableAllowable
VariableCoefficientIncreaseDecrease
X172.0000024.000008.000000
X264.000008.00000016.00000
RighthandSideRanges
RowCurrentAllowableAllowable
RHSIncreaseDecrease
250.0000010.000006.666667
3480.000053.3333380.00000
4100.0000INFINITY40.00000做靈敏性分析,結(jié)果如下:用lingo解此題
MODEL:
TitleLocationProblem;
sets:
demand/1..6/:a,b,d;
supply/1..2/:x,y,e;
link(demand,supply):c;
endsets
data:
!locationsforthedemand(需求點的位置);
a=1.25,8.75,0.5,5.75,3,7.25;
b=1.25,0.75,4.75,5,6.5,7.75;
!quantitiesofthedemandandsupply(供需量);
d=3,5,4,7,6,11;e=20,20;
enddata
init:
!initiallocationsforthesupply(初始點);
x,y=5,1,2,7;
endinit
!Objectivefunction(目標(biāo));
[OBJ]min=@sum(link(i,j):c(i,j)*((x(j)-a(i))^2+(y(j)-b(i))^2)^(1/2));
!demandconstraints(需求約束);
@for(demand(i):[DEMAND_CON]@sum(supply(j):c(i,j))=d(i););
!supplyconstraints(供應(yīng)約束);
@for(supply(i):[SUPPLY_CON]@sum(demand(j):c(j,i))<=e(i););
@for(supply:@bnd(0.5,X,8.75);@bnd(0.75,Y,7.75););
END
運(yùn)行的結(jié)果為:X(1)5.695967X(2)7.249997Y(1)4.928560Y(2)7.750000Feasiblesolutionfound.Objectivevalue:89.88349Totalsolveriterations:81
1.3應(yīng)用舉例(二)---整數(shù)規(guī)化解先看有多少種裁料方案,再進(jìn)行組合和選擇。方案:
例1合理利用線材問題現(xiàn)要做一百套鋼管,每套要長為2.9m、2.1m和1.5m的鋼管各一根。已知原料長7.4m,問應(yīng)如何下料,使用的原料最省。
設(shè)用方案Ⅰ,Ⅱ,…,Ⅷ分別裁原料鋼管x1,x2,…,x8根,則:Minz=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x82x1+x2+x3+x4≥
1002x2+x3+3x5+2x6+x7≥100x1+x3+3x4+2x6+3x7+4x8≥100x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8≥0
上題中,如果每套1.8m的鋼管要70根,要求使用的切割模式不超過3種.問應(yīng)如何下料,使用的原料最省。
解:設(shè)xi—按第i種模式切割的原料鋼管根數(shù)(i=1,2,3)r1i,r2i,r3i,r4i—第i種切割模式下,每根原料生產(chǎn)2.9m、2.1m和1.5m,1.8m的鋼管的數(shù)量.目標(biāo)函數(shù)(總根數(shù))
(套數(shù)約束)按第i種切割模式下,每根鋼管的長度限制:這是一個整數(shù)非線性規(guī)劃模型,用LINGO要運(yùn)行很長時間也難以得到最優(yōu)解。因三種切割模式的排列順序無關(guān)緊要,所以不妨增加以下約束:又鋼管的總根數(shù)有明顯的上界和下界。首先,原料鋼管的總根數(shù)不可能少于其次,考慮第一種切割模式下只生產(chǎn)2.9m鋼管,一根原料鋼管切割成2根2.9m鋼管,100套鋼管需要50根原料;如此可計算出鋼管的上界:
所以可以增加以下約束:Lingo源程序model:title鋼管下料;min=x1+x2+x3;x1*r11+x2*r12+x3*r13>=100;x1*r21+x2*r22+x3*r23>=100;x1*r31+x2*r32+x3*r33>=100;x1*r41+x2*r42+x3*r43>=70;x1+x2+x3>=105;x1+x2+x3<=152;2.9*r11+2.1*r21+1.5*r31+1.8*r41>=5.9;2.9*r12+2.1*r22+1.5*r32+1.8*r42>=5.9;2.9*r13+2.1*r23+1.5*r33+1.8*r43>=5.9;2.9*r11+2.1*r21+1.5*r31+1.8*r41<=7.4;2.9*r12+2.1*r22+1.5*r32+1.8*r42<=7.4;2.9*r13+2.1*r23+1.5*r33+1.8*r43<=7.4;x1>=x2;x2>=x3;@gin(x1);@gin(x2);@gin(x3);@gin(r11);@gin(r21);@gin(r31);@gin(r41);@gin(r12);@gin(r22);@gin(r32);@gin(r42);@gin(r13);@gin(r23);@gin(r33);@gin(r43);end運(yùn)行結(jié)果如下:Feasiblesolutionfoundatiteration:26565
ModelTitle:鋼管下料;
VariableValue
X172.00000
R111.000000
X229.00000
R120.000000
X314.00000
R132.000000
R211.000000
R221.000000
R230.000000
R310.000000
R323.000000
R331.000000
R411.000000
R420.000000
R430.000000Lingo源程序二model:Title鋼管下料-最小化鋼管根數(shù)的LINGO模型;SETS:NEEDS/1..4/:LENGTH,NUM; !定義基本集合NEEDS及其屬性LENGTH,NUM;CUTS/1..3/:X; !定義基本集合CUTS及其屬性X;PATTERNS(NEEDS,CUTS):R;!定義派生集合PATTERNS(這是一個稠密集合)及其屬性R;ENDSETSDATA: LENGTH=2.92.11.51.8; NUM=100100
10070; CAPACITY=7.4;ENDDATAmin=@SUM(CUTS(I):X(I)); !目標(biāo)函數(shù);Lingo源程序二@FOR(NEEDS(I):@SUM(CUTS(J):X(J)*R(I,J))>NUM(I));!滿足需求約束;@FOR(CUTS(J):@SUM(NEEDS(I):LENGTH(I)*R(I,J))<CAPACITY);!合理切割模式約束;@FOR(CUTS(J):@SUM(NEEDS(I):LENGTH(I)*R(I,J))>CAPACITY-@MIN(NEEDS(I):LENGTH(I))); !合理切割模式約束;@SUM(CUTS(I):X(I))>105;@SUM(CUTS(I):X(I))<115;!人為增加約束;@FOR(CUTS(I)|I#LT#@SIZE(CUTS):X(I)>X(I+1)); !人為增加約束;@FOR(CUTS(J):@GIN(X(J)));@FOR(PATTERNS(I,J):@GIN(R(I,J)));end運(yùn)行結(jié)果如下:Localoptimalsolutionfoundatiteration:64408
Objectivevalue:113.0000
ModelTitle:鋼管下料-最小化鋼管根數(shù)的LINGO模型
VariableValueReducedCost
CAPACITY
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