机械优化设计复习题答案

1、机械优化设计 复 习题解答一、填空题1用最速下降法求f(X)=100(x 2- x i2)2+(1- x 1) 2的最优解时，设X(T,第一步 迭代的搜索方向为-47,-50 T。2、 机械优化设计采用数学规划法，其核心一是寻找搜索方向，二是计算最优步长。3、当优化问题是凸规划的情况下，任何局部最优解就是全域最优解。4、应用进退法来确定搜索区间时，最后得到的三点，即为搜索区间的始点、中间点和终点，它们的函数值形成 高一低一高趋势。5、 包含n个设计变量的优化问题，称为 n维优化问题。16、 函数XtHX BtX C的梯度为B。2 -7、 设G为nXn对称正定矩阵，若n维空间中有两个非零向量d,

2、 d1,满足(d)TGd=0, 则d0、d1之间存在共轭关系。& 设计变量、 目标函数 、约束条件是优化设计问题数学模型的基本要素。9、 对于无约束二元函数 f(X1,X2)，若在X(X10,X20)点处取得极小值，其必要条件是 ?f(X10,X20)= 0 ，充分条件是? f (X10,X20) = 0正定。10、 K-T 条件可以叙述为在极值点处目标函数的梯度为起作用的各约束函数梯度的非负线性组合。11、用黄金分割法求一元函数f (x) x2 10x 36的极小点，初始搜索区间a,b 10,10，经第一次区间消去后得到的新区间为 _ 10_。12、 优化设计问题的数学模型的基本要素有设计变

3、量、目标函数_、约束条件。113、 牛顿法的搜索方向dk=H k gk ，其计算量大_，且要求初始点在极小点 附近位 置。14、 将函数 f(X)=x 12+X22-x 1X10x1-4x2+60 表示成XtHX BtX C 的形式21, r 2- 1 X1X12X1 X2；_+-4； + 60。15、存在矩阵H,向量d 1，向量d 2，当满足d1THd=0,向量d 1和向量d 2是关于H共轭。16、采用外点法求解约束优化问题时，将约束优化问题转化为外点形式时引入的惩罚 因子r数列，具有单调递增特点。17、采用数学规划法求解多元函数极值点时，根据迭代公式需要进行一维搜索，即求 最优步长。二、选

4、择题1下面C方法需要求海赛矩阵。A. 最速下降法B共轭梯度法C牛顿型法D DFP法2、对于约束问题根据目标函数等值线和约束曲线，判断X 1 1,1T为，X 2 -,1T2 2为。DA内点；内点B. 外点；外点C. 内点；外点D. 外点；内点3、内点惩罚函数法可用于求解 B优化问题。A无约束优化问题B只含有不等式约束的优化问题C只含有等式的优化问题D含有不等式和等式约束的优化问题4、对于一维搜索，搜索区间为a ,b，中间插入两个点ai、bi,aibi，计算出f(a i)f(b 1)， 则缩短后的搜索区间为DoA a i, biB b i, bC a i, bD a , bi5、D不是优化设计问题

5、数学模型的基本要素。A设计变量B约束条件C目标函数D最佳步长6、 变尺度法的迭代公式为xk+i=xk- a 屮f(x k)，下列不属于H必须满足的条件的是C。A. Hk之间有简单的迭代形式B. 拟牛顿条件C. 与海塞矩阵正交D. 对称正定7、函数f(X)在某点的梯度方向为函数在该点的 A。A、最速上升方向B上升方向C最速下降方向D下降方向8下面四种无约束优化方法中，D在构成搜索方向时没有使用到目标函数的一阶或二 阶导数。A梯度法B牛顿法C变尺度法D坐标轮换法9、设f(X)为定义在凸集R上且具有连续二阶导数的函数，则f (X)在R上为凸函数的 充分必要条件是海塞矩阵G(X)在R上处处B。A正定B

6、半正定C负定D半负定10、 下列关于最常用的一维搜索试探方法一一黄金分割法的叙述，错误的是D,假设要 求在区间a , b插入两点 a i、a 2,且a i ,因此继续进行迭代。第一迭代步完成。2、试用牛顿法求f( X )=(x1-2) 2+(X1-2x2)2的最优解，设初始点x(0)=2,1 To解1：(注：题目出题不当，初始点已经是最优点，解 2是修改题目后解法。)牛顿法的搜索方向为S (k) = -?2(f)-1?(f),因此首先求出当前迭代点x(0) 的梯度向量、海色矩阵及其逆矩阵?(f) = 4?x1L 8?x2 -?(f(x)=九)=-44?2(f)-14?x2 - 44?x10-8

7、41 2 1411S(k) = -?2(f)-1?(f) = 0不用搜索，当前点就是最优点。解2:上述解法不是典型的牛顿方法，原因在于题目的初始点选择不当。 以下修改求解题目的初始点，以体现牛顿方法的典型步骤。以非最优点x(0)=1,2 T作为初始点，重新采用牛顿法计算牛顿法的搜索方向为S (k) = -?2(f)-1?(f),因此首先求出当前迭代点x 的梯度向量、以及海色矩阵及其逆矩阵梯度函数：?(f) = 4?x1 -4?x2 -428?x2 - 4?x1初始点梯度向量：?(f (x(0)=为海色矩阵：九)-44 -84海色矩阵逆矩阵：?2(f)-1 = 4f ；当前步的搜索方向为：Sk)

8、 =-?2(f)-1?(f)= -1】为二叮新的迭代点位于当前的搜索方向上：X(k+1) =X(k) + aS(k)=X(0) + aS(0)111 - a= 2 + ajF+a 把新的迭代点带入目标函数，目标函数将成为一个关于单变量a的函数Ff(X(k+1) = f (1 - a2+a )+ 1)2 +(3 a + 3)2=F( a )令 护 =20 a + 20 = 0，可以求出当前搜索方向上的最优步长a= - 1新的迭代点为 乂1)=+ aS(0)= ； -11 = j当前梯度向量的长度ll?f = #2x12+ 8x8 = 14.4222 ,因此继续进行迭代。第二迭代步：( ) 4?x

9、1 - 4?x2 - 4?(f) F 8?x2 - 4?x1?(f(x(1) = 00l?f = 0 02 2|22 42| =8 4=4 0因此?2 (f )正定, X?= 【xx12= 【42是极小点，极值为 f(X*)=84、求目标函数f( X )=x ：+XiX2+2x2 +4xi+6x2+10的极值和极值点。解法同上5、 试证明函数 f( X )=2xi+5x2 +X3+2x3X2+2x3Xi-6x2+3 在点【1，1,-2处具有极小值。 解： 必要条件：4?x1 + 2?x3?(f)= 【10?x2 + 2?x3 - 6 2?x1 + 2?x2 + 2?x3将点 【1 , 1 ,

10、-2 T 带入上式,可得充分条件4|020102?2(f)正定。因此函数在点 1 ，1，-26、给定约束优化问题min f(X)=(x0?(f)二004?2(f) = 02I4U401022220|4 10= 40022| = 80- 40- 16 = 24 02T处具有极小值1-3) 2+(x2-2) 222g i(X)= Xi X2 + 50g2 (X)= Xi 2x2 + 40 g3(X)= x i0g4(X)=X 2 0验证在点 X 2， 1 T Kuhn-Tucker 条件成立。解：首先，找出在点X 2,1T起作用约束:g1(X)g2(X)g3(X)g4(X)因此起作用约束为 g1(

11、X) 、g2(X) 。然后，计算目标函数、起作用约束函数的梯度，检查目标函数梯度是否可以表示 为起作用约束函数梯度的非负线性组合。?(fA i?x2:=【-彳?(gi)=-2?X2=-4，心)二匚；求解线性组合系数？(f)=入l?(g1)+入2?(g2)-2】=入l-+ “J1 2得到 入1= 3,入2 = 3,均大于0因此在点X 2,iTKuhn-Tucker条件成立7、设非线性规划问题用K-T条件验证X*1,0 T为其约束最优点。解法同上8已知目标函数为f(X)= x 1+X2，受约束于：2g1(X)=-x 1 +X20g2(X)=x 1 0写出内点罚函数。解：内点罚函数的一般公式为其中：

12、rrr(3)r(k0 是一个递减的正值数列r(k)= Cr(k-1) ,0 v Cv 1因此罚函数为：1 1?(X,r(k) = x1 + x2 + r(k)(2+ )-x12+ x29、已知目标函数为f(X)=( x 1-1) 2+区+2)2受约束于：g*X)=-x 2-x 1-1 0g2(X)=2-x 1-X2 0g3(X)=x 10g4(X)=x 20试写出内点罚函数。解法同上10、 如图，有一块边长为6m的正方形铝板，四角截去相等的边长为x的方块并折转, 造一个无盖的箱子，问如何截法(x取何值)才能获得最大容器的箱子。试写出这一优 化问题的数学模型以及用MATLAB件求解的程序。11、

13、某厂生产一个容积为8000cm的平底无盖的圆柱形容器，要求设计此容器消耗原材料最少，试写出这一优化问题的数学模型以及用MATLAB件求解的程序。12、一根长I的铅丝截成两段，一段弯成圆圈，另一段弯折成方形，问应以怎样的比 例截断铅丝，才能使圆和方形的面积之和为最大，试写出这一优化设计问题的数学模 型以及用MATLA软件求解的程序。13、求表面积为300吊的体积最大的圆柱体体积。试写出这一优化设计问题的数学模型 以及用MATLA软件求解的程序。14、 薄铁板宽20cm折成梯形槽丨，求梯形侧边多长及底角多大，才会使槽的断面 积最大。写出这一优化设计问题的数学模型，并用 matlab软件的优化工具箱求解（写 出M文件和求解命令）。15、 已知梯形截面管道的参数是：底边长度为 c,高度为h,面积A=64516mn，斜边与 底边的夹角为见图1。管道内液体的流速与管道截面的周长 s的倒数成比例关系（s只包括底边和两侧边，不计顶边）。试按照使液体流速最大确定该管道的参数。写 出这一优化设计问题的数学模型。并用 matl