DVD在线租赁DVD在线租赁数学建模

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模DVD在线租赁一、问题重述随着信息时代的到来，网络成为人们生活中越来越不可或缺的元素之一。许多网站利用其强大的资源和知名度，面向其会员群提供日益专业化和便捷化的服务。例如，音像制品的在线租赁就是一种可行的服务。这项服务充分发挥了网络的诸多优势，包括传播范围广泛、直达核心消费群、强烈的互动性、感官性强、成本相对低廉等，为顾客提供更为周到的服务。考虑如下的在线DVD租赁问题。顾客缴纳一定数量的月费成为会员，订购DVD租赁服务。会员对哪些DVD有兴趣，只要在线提交订单，网站就会通过快递的方式尽可能满足要求。会员提交的订单包括多张DVD，这些DVD是基于其偏爱程度排序的。网站会根据手头现有的DVD数量和会员的订单进行分发。每个会员每个月租赁次数不得超过2次，每次获得3张DVD。会员看完3张DVD之后，只需要将DVD放进网站提供的信封里寄回（邮费由网站承担），就可以继续下次租赁。请考虑以下问题：1）网站正准备购买一些新的DVD，通过问卷调查1000个会员，得到了愿意观看这些DVD的人数（表1给出了其中5种DVD的数据）。止匕外，历史数据显示，60%的会员每月租赁DVD两次，而另外的40%只租一次。假设网站现有10万个会员，对表1中的每种DVD来说，应该至少准备多少张，才能保证希望看到该DVD的会员中至少50%在一个月内能够看到该DVD？如果要求保证在三个月内至少95%的会员能够看到该DVD呢？2）表2中列出了网站手上100种DVD的现有张数和当前需要处理的1000位会员的在线订单（表2的数据格式示例如下表2,具体数据请从.asp下载），如何对这些DVD进行分配，才能使会员获得最大的满意度？请具体列出前30位会员（即C0001〜C0030）分别获得哪些DVD。3）继续考虑表2,并假设表2中DVD的现有数量全部为0。如果你是网站经营管理人员，你如何决定每种DVD的购买量，以及如何对这些DVD进行分配，才能使一个月内95%的会员得到他想看的DVD，并且满意度最大？4）如果你是网站经营管理人员，你觉得在DVD的需求预测、购买和分配中还有哪些重要问题值得研究？请明确提出你的问题，并尝试建立相应的数学模型。二、模型假设.一个月的天数按30天计算；.1000名会员的样本足以反映10万名会员的特点；.严格按照60%的会员每月租赁两次DVD，40%会员每月租赁一次，且对DVD没有损坏；.会员提交的订单的时间是随机的；.会员连续两次借的DVD没有重复的；.会员每个月必须至少租赁一次；.会员对他所偏爱的DVD的偏爱度不会改变。三、符号说明0/152005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模符号说明四、问题分析五、模型的建立与求解问题一悲观情况估计①一个月的情况假设DVDj其购买量为天「从表1中可以认为是想看DVDj的人数，而会员一个月借1次或借2次是随机的，这就可能出现极端的情况，即第一次分配时正好所有1类会员都分配到了DVDj，我们把这种情况称为悲观情况。则xj的一部分首先被会员总数40%的1类会员借走了,而且在该月不会归还。那么，为了保证至少有50%的会员在一个月内能看到该DVD,则DVDj总的购买量应满足：40%x100000p+(x.-40%x100000p)x2>50%x100000p其中j=1,2,3,4,5计算结果见表3DVD种类12345购买量9000450022501125450表3②三个月的情况从“一月情况”，我们可以推广到“三月情况”。如果KJ40%x100000pj,则每次分配都将只能由每月借一次的会员的到DVD，这样三个月中DVDj的流动量就仅为3%,，为了保证至少有50%的会员在一个月内能看到该DVD，那么此时DVDj总的购买量应该满足：3xx.>95%x100000p其中j=1,2,3,4,5计算结果见表4DVD种类12345购买量633431671584792317表4均值情况估计:1/15

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模现实中，每天都会有订单提交，也有DVD归还，而且都是服从参数为九的泊松分布。考虑平均情况，认为：60%的会员15天归还DVD，40%的会员一个月归还，即对于每张DVD有60%的可能15天流通一次，40%的可能30天流动一次。假设所有会员在每个月的某天（不妨为1号）提交订单，那些2类会员也集中在15号归还并提交下一份订单，则可以发现上述的简化是泊松分布的平均情况。因此，在处理时可以不考虑每个会员的具体租赁、归还的时间，而只考虑每个月两次的分配方案，即1号和15号的分配方案。同时，在DVD租赁出去后，对于某种DVD，是均匀的分布在1类会员和2类会员中，即在15号，该DVD将有60%归还。我们用下图表示租赁情况，每块代表长度为15天的时段，上方的箭头表示该时刻借出的数量，下方表示归还的数量。则初始时刻DVD有册张可用于分配。2 3 4 5 62 3 4 5 6图1①一个月的情况：对于“一月情况”，仅观察上图中的前两段。在分配时，每张DVD都有60%的可能被分配给每月借2次的会员，40%的可能分配给每月借1次的。在初始时刻会将所有DVD借出，因此册表示网站对DVDj的购买量，而问题目标则是要求出品的最小值，以达到效益的最优。因为，第1个月月中有60%x册的DVDj归还，另外40%仍在会员中，这时网站可将60%x册的DVDj借出。则x2=0.6册。这样就可以计算DVDj在一个月中的流通量为x：+x2=1.6x：，即一个月内DVD的流通量为月初购买量的1.6倍，称这个“1.6”为“一月流通系数”。那么DVD一个月最小购买量可通过以下公式来计算：minS=25xi1i=11.6xi>50%x100000xp1 i其中i=1,2,3,4,5由表1的可以算出各种DVD的最少月初购买量见表5DVD种类12345购买量625031251563782313表52/15

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模总的购买量minS=12033。②三个月的情况：由图1可以得到各个时间节点的DVD数量的关系式从而建立模型如下:{‘xj=0.6xj2 1=0.6xj+0.4xj4xj>95%义100000pZ=1其中]■=3,4,5,6j=1,2,3,4,5,6所以，各种DVD的最少月初购买量见表6DVD种类12345购买量423221161058529212表6购买量之和maxS=8147。由xj=0.6xj,xj=0.6xj+0.4xj(i=3,4,5,6)2 1i I-1 I—2y6得到“三月情况”中DVD流通量 x.=4.49xj。1 1i=15.1.3中心极限模型中心极限定理的客观背景：在客观实际中有许多随机变量，它们是由大量的相互独立的随机因素的综合影响所形成的，而其中每一个因素在总的影响中所起的作用都是微小的，这种随机变量是近似地服从正态分布。会员每月借一次的人的概率和借两次的概率服从独立同分布。为使想看该DVD的会员中至少50%在一个月内能够看到，即要X自心50%*100000义pi=1其中j=1,2,3,4,5为使它成立的概率尽可能的大，不妨取：P(X]250%*100000*p)>95%i=1当n充分大时，可以通过①(x)给出其近似分布，这样就可以利用正态分布对X自作理论分析或作实际计算，其好处是明显的。ii=1X5+X5+1.6nP(.i=11nn义■,-0.4义0.650%*100000义p—1.6nnn义可0.4义0.6)>0.953/152005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模将pj的数值依次带入经查表知，均值模型成立。我们把模型推广到范围更广的现实经济生活中。假设通过问卷调查分析推算出任意客户群体的借阅分布情况，Pb为会员每月借两次的人的概率；p.会员喜欢看第j种DVD人的概率;n为所考虑月份数，N为会员总数，则可得到下面更一般的带约束的线性规划模型(这里人设DVD种类为k种)：xjMinS=xjj=1『xj=pxxjxj=pxxj+(1-p)xxj(ibi-1 b i-2Cnxj>Nxp其中i=3,4，…,2nj=1,2,3，…,k5.2问题二问题二是在现有一定数量DVD的前提下，如何分配以使会员总的满意度最大。这与“分配问题”或“指派问题”有很多相同点。我们可以通过一些变化来使求解“分配问题”的模型能运用于该问题。我们把问题二中“1000个会员对DVD的需求”理解为“需要完成的1000项任务”，“100种DVD数量”理解为“有100个人可以承担这些任务”，“会员对于不同DVD的偏爱度”理解为“不同人去完成不同工作的效率”，通过类比就能把分配问题的模型运用到问题二中了。分配问题最常用的方法是0-1型整数规划。在具体使用前，还需要将每个会员对不同DVD的偏爱度转化为满意度。因为我们的目标是总体满意度最大。从表1.2中可以看到：会员的在线订单用数字1,2,…表示，数字越小表示会员的偏爱程度越高，数字0表示对应的DVD当前不在会员的在线订单中。我们想到了，用一个对于9的固定数字减去偏爱数，但存在一定的不合理性。比如，当看到了最想看的DVD时，心理上满足是非常大的，但当仅仅得到了次想看的DVD，那满足感会大打折扣，而如果仅得到了第三想看得DVD，满足感会更低，但与仅获得第二想看的DVD相比，也许失落感并不会如没有获得第一想看的DVD那么大。所以，如果只是简单得把会员订单中的DVD进行了相同差别的处理，无法表示出会员的真实满意度差别。所以我们想到了用偏爱数的倒数来表示会员的满意度，对满意度矩阵F的元素f..来定义：1;f=-：- b牛0ijbijij4/15

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模f=0 尸1）表2中的数字0意义特殊，不直接与满意度产生关系。0代表该DVD没有出现在订单中，即会员不需要看该DVD。从分配费用考虑，避免把该DVD分配给会员。根据a的定义，不妨认为：a4.，则b=0时，aij也就等于0了，从而避免了上述情况的发生。2）于一次最多只能借3张，但，如果会员没被分配到3张DVD，那么他们的需求就没被满足，会导致客源流失，那么就必须有kaj31=1,2,,1000又DVDj分配给各会员的数量肯定不超过现有数量jT,，所以，乙\-1。it1婀%3）有上述可表示所有会员的满意度的总和为.fait1jt1综上，建立的模型如下：maxZtmaxZtit1jTpj--b巴T3ijjT

丽-a-ei=1<aj=0或1其中i=1,2,3,…，1000；j=1,2,3,…，100我们利用Lingo软件进行模型的求解发现，上述模型无解，经分析知，是由aj-aj-bj更j3其中ijT=1,2,3，…，10（约束条件加强了的原因。因为约束条件中规定了不能分配给会员不要的DVD,而会员每次都被分到3张，所以其中会产生矛盾，所以会无解。模型进一步改进得:项项工

maxZ=乙乙于匕iTjT5/15

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模%=3ijj=1沱<'」i=1aj=0或1其中i=1,2,…,1000 j=1,2,…,100前30位会员获得DVD情况统计见表7弋、名称\分配^会员\会员获得的第1张DVD（该张偏爱度）会员获得的第2张DVD（该张偏爱度）会员获得的第3张DVD（该张偏爱度）C0001D008（1）D041（7）D098（3）C0002D006（1）D044（2）D062（4）C0003D032（4）D050（2）D080（1）C0004D007（1）D018（2）D041（3）C0005D011（3）D066（1）D068（2）C0006D019（1）D053（2）D066（4）C0007D008（2）D026（3）D081（1）C0008D031（4）D035（5）D071（1）C0009D053（1）D078（3）D100（2）C0010D055（2）D060（1）D085（3）C0011D059（1）D063（2）D066（4）C0012D002（2）D031（1）D041（7）C0013D021（3）D078（2）D096（1）C0014D023（2）D052（1）D029（6）C0015D013（1）D066（9）D085（3）C0016D055（9）D084（1）D097（2）C0017D047（2）D051（3）D067（1）C0018D044（1）D060（2）D078（3）C0019D066（4）D084（1）D086（2）C0020D045（1）D061（3）D089（2）C0021D045（2）D050（5）D053（1）C0022D038（3）D055（2）D057（1）C0023D029（2）D081（3）D095（1）C0024D037（4）D041（2）D076（1）C0025D009（1）D069（2）D081（4）C0026D022（1）D068（2）D095（3）C0027D050（4）D058（1）D078（7）C0028D008（1）D034（2）D034（0）6/15

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模C0029D026（4）D030（2）D055（1）C0030D037（2）D062（1）D098（5）问题三由表(2)中数据可统计得到20种DVD下不为0的订单数字分别对应的会员人数，由假设得出即为愿意观看这种DVD的人数,如下：n1:84;n2=92;n3=87;n4=99;n5=78;n6=87;n7=87;n8=100;n9=93;n0=90........n=60;n=48;n=51对于解决DVD购买量的问题，我们用均值情况估计法，即与问题一中的方法2相同，所以模型及求解方法也相同。通过问题一中的均值模型：d(2*60%+40%)=nx95%求得在满足可靠度为95%条件下每种DVD的购买量d,如下表。表3.1每种DVD购买量统计表DVDDVD1DVD2DVD3DVD4DVD5DVD6DVD7DVD8DVD9DVD10购买量50555259465252595553DVDDVD11DVD12DVD13DVD14DVD15DVD16DVD17DVD18DVD19DVD20购买量56585061505661545969DVDDVD21DVD22DVD23DVD24DVD25DVD26DVD27DVD28DVD29DVD30购买量57606555536052495858DVDDVD31DVD32DVD33DVD34DVD35DVD36DVD37DVD38DVD39DVD40购买量59525449655854565252DVDDVD41DVD42DVD43DVD44DVD45DVD46DVD47DVD48DVD49DVD50购买量71625553635656525456DVDDVD51DVD52DVD53DVD54DVD55DVD56DVD57DVD58DVD59DVD60购买量64545855585964465061DVDDVD61DVD62DVD63DVD64DVD65DVD66DVD67DVD68DVD69DVD70购买量56616264586253576260DVDDVD71DVD72DVD73DVD74DVD75DVD76DVD77DVD78DVD79DVD80购买量56635049535152594958DVDDVD81DVD82DVD83DVD84DVD85DVD86DVD87DVD88DVD89DVD90购买量59464350534656435658DVDDVD91DVD92DVD93DVD94DVD95DVD96DVD97DVD98DVD99DVD100购买量64565553614656604851同样处理分配问题我们可参考第二问的方法全局求其最优，会员得到DVD的分配情况矩阵为：7/15

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模xxx1,11,21,100xx・・・xX=2」2,22,100:xx…x1000,11000,21000,100由表2中的已知数据，可以得到各会员对100种DVD的偏爱程度矩为:a a …a1,1 1,2 1,100a a …aA=2,1 2,2 2,100a a …a1000,1 1000,2 1000,100会员的满意度矩阵为：b b…b1,1 1,2 1,100b b…bB=21 2,2 . 2,100• • • •・・・・卜hhb b …bL1000,1 1000,2 1000,100」[1aW0其中 b=<aij，ijij0,a=0ij为使会员获得最大满意度，我们可列一个规划模型如下:,1000100 ,min乙乙xbijij

iTjT1000x<d,j=1,2,•••,100st.0x=3,i=1,2,…,1000

i月x=0或1ij其中i=1,2,…1000;j=1,2,…,100用Lingo求解前三十位会员的分配情况如下表。表3.2前30位会员所得DVD统计表弋、名称\分配、会员\会员获得的第1张DVD会员获得的第2张DVD会员获得的第3张DVDC0001D008D082D098C0002D006D042D0448/15

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模C0003D004D050D080C0004D007D018D041C0005D011D066D068C0006D016D019D053C0007D008D026D081C0008D015D071D099C0009D053D078D100C0010D055D060D085C0011D019D059DO63C0012D002D007D031C0013D021D078D096C0014D023D043D052C0015D013D085D088C0016D006D084D097C0017D047D051D067C0018D041D060D078C0019D067D084D086C0020D045D061D089C0021D045D053D065C0022D038D055D057C0023D029D081D095C0024D041D076D079C0025D009D069D094C0026D022D068D095C0027D022D042D058C0028D008D034D082C0029D030D044D055C0030D001D037D062问题四5.4.1.1灰关联分析对于DVD需求预测的分析：考虑影响DVD需求量及购买量的各因素不光包括会员总数，偏爱程度，保留数，库存DVD总量，流通DVD总量，还应包括每种DVD的价格，DVD的损率等各因素。这些因素的影响有些是明确的，有些是不明确的，因此可以把它成是一个灰色系统，利用灰色系统理论和方法来解释和预测。1)数据变换以前若干月DVD需求总量组成参考序列，x0(k) k=123，…月，由各影响因素组成参考序列x•(k)k=L2,3，…兀i=L2,3，...m，数为了保证建模的质量i与系统分析的正确结果，对收集来的原始数据必须进行数据变换处理，使其消除量纲和具有可比性。将其进行均值变换9/152005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模-1kx=—^~^x•(k) k=1,2,3,...nnik=12)灰关联度模型建立r(X(k),X(k))=△min+P—max0iA(k)+pA0i max,A=minminA(k)为两极minik 01,A=minminA(k)为两极minik 01最小差，A=maxmaxA(k)为两极最大差，pe(0,1)为分辨系数。max i k 0i实际应用时，采用求关联系数平均值的方法，其表达式R(x(k),x(k))=1£r(x(k),x(k))式中i=123・・・m0in0ik=1R(x0(k)，Xi(k))为比较序列xi(k)对参考数列x0(k)的关联度，关联度越大，表示两个数列的关联性越大，即比较数列对参考数列的影响越大。5.4.1.2灰色模型建立灰色系统理论的实质是将无规律的原始数据进行累加生成，得到规律性较强的生成数列后再重新建模。由生成模型得到的数据再通过累加生成的逆运算一一累减生成得到还原模型，再还原模型作为预测模型。灰色模型是预测工作的基础模型。记x(0)=(x(0)(1),x(0)(2)，…x(0)(n))为原始序列，x(1)=(x(1)(1),x⑴(2)，…x(1)(n))为由x(0)经过一次累加生成的序列，其中x(1)(k)=Wx(0)(i),k=1,2,…n,i=1z(1)=(z(1)(1),z(1)(2)，…z(1)(n))表示x(1)的均值生成序列，八、1，z(1)(k)=—(x(1)(k-1)+x(1)(k)),k=2,3，…n2命题1：序列x(0)的GM(1,1)模型定义为x(0)(k)+az(1)(k)=bk=2,3，…n则参数a,b的表达式为(a)=(BtB)-1BtYIb)10/15

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁―数学建模'-z(d(2)'x(0)(2)'B=-z⑴(3)1，y=x(0©(—z(?(n)1J[x(0):(n)J若令C=£z(1)(k),D=Zx(0)(k),E=Zz(1)(k若令C=£z(1)(k),D=Zx(0)(k),k=2 k=2 k=2数a数a力的表达式为a=CD^E7DF—CEb= (n-1)F-C2x(0)(k)= DF-CE -CD-(n-1)Ez(1)(k)(n-1)F-C2 (n-1)F-C2最后，进行精度检验，修正模型。5.4.2在需求预测，购买和分配中需要进一步研究的在实际的网站的会员往往是等级制度，VIP会员与普通的会员相比，贡献更大，利于网站的生存，网站应当给予更多的优惠的政策。在问题二的分配中往往会在会员没有差别的情况下，牺牲一部分会员的利益，对于会员不同的资质同等的对待是不科学的，在实际的操作过程中是不允许出现这种问题的。不利于取得最大利益。在资源分配过程中引入VIP会员后的模型将VIP机制引入到问题二建立的优化模型，从而解决在会员等级制度的情况下DVD的分配问题。对现有的资源最大化的利用，带来更多的经济效益，和维护会员的利益。假设我们将会员分为3个级别，VIP*会员、VIP会员、普通会员。我们按照会员租赁的次数从大到小依次编号，假如前r的会员为VIP*会员，前r+1到t名的会员为VIP会员，t+1到最后的为普通会员。我们对优惠是：VIP*会员的每次都可以组到喜欢的前4种DVD；VIP会员每次都可租到喜欢的前6种DVD。将问题二模型改为maxZK+Z-b/j1-%bjxj)

i=1j=1 i=r+1j=1 i=t+1j=111/15

2005年DVD在线租赁DVD在线租赁—数学建模()爱xj<N,j=1,2,...,100

s.t.< 电x=3,i=1,2,…,1000()1尸1jb>-,i=1,2,3,ij4b>i,i=r+1,r+2,r+3,...,tj6xj=0或1,i=1,2,…1000,j=1,2,…,100就可得到会员的跟好的分配。六、模型评价优点(1)综合运用Lingo11.0、Matlab7.0和Excel三个软件，大大提高了求解的速度及效率；(2)模型的分析和求解的结果能够比较准确的解决这个实际问题；(3)本文采用了合理的模型使问题得到简化缺点(1)由于题目所给的数据有限，本文一些运算都是在假设的条件下进行的，必然会带来偏差。(2)在模型的建立过程中忽略了一些次要影响而且主要影响由于人为的原因势必考虑不甚完善，对结果也造成