ВВЕДЕНИЕ 3
1 Математическое моделирование в экономике 6
2 Понятие оптимизации 11
3 Постановка задачи оптимизации 14
4 Выпуклый анализ функций и критерии оптимальности 16
5 Методы нелинейного программирования 19
5.1 Классификация методов нелинейного программирования 19
5.2 Алгоритмы прямого поиска 19
5.3 Метод Хука-Дживса 20
5.3.1 Метод Хука-Дживса с дискретным шагом 22
5.3.2 Метод Хука-Дживса с использованием одномерной минимизации .... 23
5.4 Преимущества и недостатки методов 26
6 Тестовая задача распределения ресурсов на предприятии 28
6.1 Постановка задачи 28
6.2 Программная реализация решения задачи распределения ресурсов на
предприятии 29
6.3 Результаты работы программ 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 39
ПРИЛОЖЕНИЕ А 41
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 44
Применений математики в современном мире великое множество. С математикой тесно связаны все компьютерные науки, физика, техника, биология, социологические науки и даже гуманитарные. Человеческий быт тоже не обходится без нее. Но особенная связь существует между математикой и экономикой.
Всевозможные математические методы находят применение и для теоретического моделирования экономико-социальных процессов, и для решения реальных задач. Без них не обходится ни один раздел экономической науки.
Модели экономических систем помогают понимать причины происходящих в экономике событий, закономерности их развития, выбирать наилучший план действий и прогнозировать его последствия. Верная постановка и решение задач моделирования реальных экономических ситуаций в микроэкономическом масштабе дает ключ к оптимальному планированию деятельности предприятия [1].
В прошлом веке математическая экономика пережила бурный подъем. Посредством математических моделей был произведен не только подробный теоретический анализ всех сторон экономической деятельности, но и разработаны эффективные модели решения конкретных экономических задач. Важнейшее место среди таких моделей занимают задачи математического программирования, предназначенные для определения наиболее выгодных стратегий экономического поведения.
Экономическое моделирование с помощью математических методов невозможно без вычислительной техники. Ведь моделируемые системы могут быть сложны, иметь большое количество характеристик. Компьютеры позволяют обрабатывать большие массивы информации и в короткие сроки производят затруднительные для человека вычисления.
Подготовка модели к эксплуатации предусматривает разработку специального математического обеспечения, без которого невозможно практическое использование модели: должна быть создана гибкая система программ, обеспечивающая пользователям удобный контакт с компьютером и не требующая при ее эксплуатации высокой математической квалификации пользователей [2].
Математическое программирование составляют теория и методы решения задач о нахождении экстремумов функций на множествах, определяемых линейными и нелинейными ограничениями. Математическое программирование является одним из разделов науки об исследовании операций [2].
Для разработки программ не нужно выдумывать алгоритм самостоятельно. Существует большое количество численных методов решения оптимизационных задач. Нужно лишь определиться, какой использовать. Таким образом, возникает проблема сравнения эффективности различных алгоритмов. К сожалению, эта проблема не допускает простого решения. Дело в том, что для сравнения эффективности необходимо задаться критерием эффективности, а эти критерии могут быть разные. Например, критерием эффективности может быть точность получаемого результата, время счета, объем необходимой памяти вычислительной машины и тому подобное. Иногда требуется оценивать алгоритм по довольно противоречивым критериям [3].
Целями выполнения данной работы являются исследование методов нелинейного программирования и решение конкретной экономической задачи оптимального распределения ресурсов на предприятии.
Задачи стоят следующие:
1. Построение математической модели задачи.
2. Изучение существующих численных методов ее решения.
3. Выбор наиболее подходящего метода.
4. Написание программ для нахождения решения задачи.
5. Сравнение результатов с базовыми и возможное улучшение полученных показателей.
Математика применима во всех областях науки, а ее методы - мощный инструмент для решения многих прикладных задач. Экономическая наука невозможна без математики и ее методов. Именно математическое моделирование лежит в основе экономического планирования. Аппарат экономико-математических методов и наличие современных компьютеров создают почти неограниченные возможности научного решения проблем и задач экономики.
Экономика, неразрывно связанная со всеми сферами жизни человека, не менее других наук нуждается в совершенствовании и развитии. Главное направление развития экономики - повышение эффективности производства. Необходимо внедрять достижения научно-технического прогресса, рационализировать технологии и организацию. Повышение эффективности зависит от улучшения методов планирования и управления.
Развитие промышленного производства сопровождается ростом выпуска продукции, усложнением производственной структуры и связей между предприятиями, строительством новых, расширением и реконструкцией действующих, внедрением новых технологий и т.п. В этих условиях планирование функционирования и развития производства, управление им с помощью традиционных методов не всегда обеспечивает получение обоснованных решений [14].
Для развития в области увеличения эффективности производства необходимо повышение научного уровня экономических решений. Именно математические методы являются основным инструментом повышения научного уровня, позволяют добиться максимальной эффективности планирования и управления.
Экономико-математическая модель имитирует реальный экономический процесс, при этом обладая сравнительно низкой стоимостью, может применяться многократно и учитывать разные условия его осуществления.
Благодаря симбиозу математического моделирования, численных методов оптимизации и их грамотной программной реализации можно добиться требуемого практического результата - оптимально распределить ресурсы предприятия для получения максимальной выгоды и улучшения показателей производства в целом. В этом заключается огромная польза математики - возможность ее широкого приложения на практике для улучшения жизни.
В представленной работе изучена теория математического моделирования и оптимизации. Построена математическая модель и поставлена реальная задача оптимизации производства. Для решения задачи оптимизации был выбран метод Хука-Дживса поиска оптимальной точки ввиду его простоты, нетребовательности к начальным условиям и отсутствия требований к предварительной подготовке исходных данных.
Подробно изучено два варианта алгоритма Хука-Дживса и произведена их модификация для решения конкретной экономической задачи поиска точки максимума. Алгоритмы учитывают и ограничения.
Для обоих методов написаны программы на языке C++, решающие тестовую задачу.
Проведен сравнительный анализ методов, выявлены зависимости между параметрами, приведен вывод о наилучшем их соотношении для получения оптимального результата.
Кроме этого, в результате решения тестовой задачи оптимального распределения ресурсов на предприятии удалось получить показатели, превосходящие базовые. Вследствие этого можно рекомендовать предприятию пересмотреть план распределения ресурсов для получения большей прибыли.
Поставленные в работе цели достигнуты, стоявшие задачи выполнены. Построена соответствующая математическая модель, поставлена оптимизационная задача. В качестве наиболее подходящего метода выбран метод Хука-Дживса, рассмотрены две его модификации. Разработаны
программы на языке программирования C++, учитывающие ограничения
37
задачи. Сравнение полученного результата с имеющимся базовым не только позволяет сделать вывод о правильной работе алгоритмов, но даже демонстрирует улучшение показателей. Помимо этого, выявленные зависимости позволяют сделать вывод о существующих между параметрами алгоритма связях, что может помочь в дальнейшем при разработке алгоритмов решения других задач на основе этих методов.
1. Печерских И. Математические модели в экономике: учеб.пособие / И. Печерских, А. Семенов. - Кемерово : КемТИПП, 2011. - 191 с.
2. Карманов В. Г. Математическое программирование: учеб.пособие / В. Г. Карманов. - 5-е изд., стереотип. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 264 с.
3. Пшеничный Б. Численные методы в экстремальных задачах / Б. Пшеничный, Ю. Данилин. - М. : Наука, 1975. -320 с.
4. Лопатников Л. И. Экономико-математический словарь / Л. И. Лопатников. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Дело, 2003. - 20 с.
5. Каменева С. Математическое моделирование в экономике / С. Каменева, И. Борискина // Вестн. Волжск.ун-та. - 2016. - Т. 2. - № 2. - С. 25-29.
6. Аттетков А. В. Методы оптимизации: учеб.для вузов / А. В. Аттетков, С. В. Галкин, В. С. Зарубин ; под ред. В. С. Зарубина, А. П. Крищенко. - 2-е изд., стереотип. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 440 с.
7. Базара М. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы : пер. с англ. / М. Базара, К. Шетти. - М. : Мир, 1982. - 583 с.
8. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование : пер. с англ. / Д. Химмельблау. - М. : Мир, 1975. - 536 с.
9. Гончаров В. А. Методы оптимизации : учебное пособие / В. А. Гончаров. - М. : Высшее образование, 2009. - 191 с.
10. Гилл Ф. Численные методы условной оптимизации : пер. с англ. / Ф. Гилл, У. Мюррей. - М. : Мир, 1977. - 296 с.
11. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс : пер. с англ. / Б. Банди. - М. : Радио и связь, 1988. - 128 с. : ил.
12. Верник А. Н. Математические методы и модели в экономике: учебно-практическое пособие / А. Н. Верник, А. Е. Эткин, Г. П. Эткина. - Ульяновск : УлГТУ, 2008. - 208 с.
13. Конюховский П. Математические методы исследования операций в экономике. - СПб. : Питер, 2000. - 208 с.
14. Коробов П. Математическое программирование и моделирование экономических процессов. - СПб. : СПбГЛТА, 2002. - 364 с.