第八章 数学建模教程——离散模型.pdf
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1、第八章离散模型8层次分析模型8.2 循环比赛的名次8.3 社会经济系统的冲量过程8.4 效益的合理分配(数学模型产离散模型 离散模型:差分方程(第7章)、整数规划(第4章)、图论、对策 论、网络流、.分析社会经济系统的有力工具 只用到代数、集合及图论(少许)的知识8.1层次分析模型背-日常工作、生活中的决策问题景 涉及经济、社会等方面的因素 作比较判断时人的主观选择起相当 大的作用,各因素的重要性难以量化 Sa a t y于1970年代提出层次分析法AHP(Ana lyt ic Hie ra rc hy Proc e ss)AHP一种定性与定量相结合的、系统化、层次化的分析方法数学模型A一.层
2、次分析法的基本步骤“选择旅游地”思维过程的归编决策问题分为3个层次:目标层O,准则层C,方案层P;每层有若干元素,各层元素间的关系 用相连的直线表示。通过相互比较确定各准则对目标的权重,及各方 案对每一准则的权重。将上述两组权重进行综合,确定各方案对目标的 权重。层次分析法将定性分析与定量分析结合起来 完成以上步骤,给出决策问题的定量结果。层次分析法的基本步骤驾:覆 元素之间两两对比,对比采用相对尺度 设要比较各准则CpC”.,孰对目标O的重要性选择旅游地A=C n.J IJA(%)小,a,ij0,。)JI-11/2433-217551/41/711/21/31/31/5211_ 1/31/5
3、311要由A确定Ci,孰对。的权向量aij4是正互反阵1A成对比较阵 成对比较阵和权向量成对比较的不一致情况A=121/21(数学模型个47 y 4=1/2(。:。2)一致比较4=4()%=8(02a)不一致允许不一致,但要确定不一致的允许范围考察完全一致的情况W(=l)n%,明,明 令%=叫/w.=(四,明,町)丁权向量叫 坟2 攻W n坟2n坟2坟22AWnWnW 2w nn成对比较阵和权向量成对比较完全一致的情况AW 1W 1W 2W 1W 1W 2川 2川2满足%,ajk-。汝,,,k 1,2,H 的正互反阵A称一致阵,如W 1W n川 2攻nW n川1W n川2川n川n一致阵A的秩为
4、1,A的唯一非零特征根为性质 A的任一列向量是对应于的特征向量 A的归一化特征向量可作为权向量对于不一致(但在允许范围内)的成对 比较阵4,建议用对应于最大特征根丸 的特征向量作为权向量w,即Aw=2wQ 数学模型成对比较阵和权向量sa a t y等人提出19尺度_-仔取值 比较尺度均 1,2,,9及其互反数1,1/2,.,1/9便于定性到定量的转化:尺度。万1 234 5678 9IJ_G:G的重要性相同 稍强 强 明显强绝对强%=1,1/2,1/9GC的重要性与上面相反心理学家认为成对比较的因素不宜超过9个用 13,15,117,1p9P。=2,3,4,5),d+0.ld+0.9=1,2,
5、3,4)等27种比较尺度对若干实例构造成对比较 阵,算出权向量,与实际对比发现,19尺度较优。学模型产一致性检验对A确定不一致的允许范围已知:阶一致阵的唯一非零特征根为可证:阶正互反阵最大特征根4为,且4=时为一致阵定义一致性指标:ci=4口 C7越大,不一致越严重 721为衡量C7的大小,引入随机一致性指标K/随机模拟得到陶,形成4,计算C/即得K/。Sa a t y的结果如下 12345 6 78 9 iou&|0 0 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49 L51定义一致性比率CR=CI/RI 当CRvO.l时,通过一致性检验数学模型2“选择旅游地
6、”中 准则层对目标的权 向量及一致性检验准则层对目标的成对比较阵1/21/41/7最大特征根2=5.0731/31/51/31/54 3 37 5 51 1/2 1/32 1 13 1 1A=121权向量(特征向量)w=(0.263,0.475,0.055,0.090,0.110尸一致性指标口=罢丁=初8随机一致性指标RI=1.12(查表)一致性比率CK=0.018/L12=0.016v0.l通过一致 性检验方案层对Cl(景色)的成对比较阵B=1/2 1 21/5 1/2 1方案层对CK费用)的成对比较阵1 1/31/8组合权向量 记第2层(准则)对第1层(目标)的权向量为2)=(叱(。,的2
7、)7同样求第3层(方案)对第2层每一元素(准则)的权向量方案层对C2(费用)c的成对比较阵 n一1 1/3 1/8-B?=3 1 1/3.Bn_8 3 1最大特征根4 为 4n权向量 Wi 昭2 Wn 组合权向量 第3层对第2层的计算结果4 1 2 3 4 50.595 0.082 0.429 0.633 0.166记 3)0.277 0.236 0.429 0.193 0.1660.129 0.682 0.142 0.175 0.668%3.005 3.002 3 3.009 3W(2)0.2630.4750.0550.0900.110CIk 0.003 0.001 0 0.005 0RI=
8、0.58 5=3),CIk均可通过一致性检验方案Pi对目标的组合权重为0.595x 0.263+.=0.300方案层对目标的组合权向量为(0.300,0.246,0.456)T记3)=(崂,记:),左=1,2力构造矩阵 加3)=父.,)则第3层对第1层的组合权向量 W二卬第s层对第1层的组合权向量 其中W。是由第层对第 以=WW(s-1)W12)层权向量组成的矩阵层次分析法的基本步骤1)建立层次分析结构模型深入分析实际问题,将有关因素自上而下分层(目标一 准则或指标一方案或对象),上层受下层影响,而层内 各因素基本上相对独立。2)构造成对比较阵用成对比较法和上9尺度,构造各层对上一层每一因素的
9、 成对比较阵。3)计算权向量并作一致性检验对每一成对比较阵计算最大特征根和特征向量,作一致性 检验,若通过,则特征由量为权向量。4)计算组合权向量(作组合一致性检验*)组合权向量可作为决策的定量依据。二.层次分析法的广泛应用应用领域:经济计划和管理,能源政策和分配,人才选拔和评价,生产决策,交通运输,科研选题,产业结构,教育,医疗,环境,军事等。处理问题类型:决策、评价、分析、预测等。建立层次分析结构模型是关键一步,要有主要决 策层参与。构造成对比较阵是数量依据,应由经验丰富、判 断力强的专家给出。过河的效益A经济效益Bi社会效益 b2环境效益B3例3横渡 江河、海峡 方案的抉择进出方便舒适-
10、I自豪感a交往沟通G 安全可靠 建筑就业当地商业a岸间商业心 收入G_厂节省时间3L(1)过河效益层次结构过河的代价A例3横渡 江河、海峡 方案的抉择对生态的破坏对水的污染L汽车排放物居民搬迁C交通拥挤丁冲击生活方式rv 冲击渡船业操作维护厂投入资金G(2)过河代价层次结构 待评价的科技成果(数学模型产三.层次分析法的若干问题正互反阵的最大特征根是否为正数?特征向量 是否为正向量?一致性指标能否反映正互反阵接 近一致阵的程度?怎样简化计算正互反阵的最大特征根和特征向量?为什么用特征向量作为权向量?当层次结构不完全或成对比较阵有空缺时怎样用 层次分析法?1.正互反阵的最大特征根和特征向量的性质定
11、理1正矩阵4的最大特征根丸是正单根,对应正特征向量w,且lim=w,e=(1,1,1)丁 kg e A eJ 正互反阵的最大特征根是正数,特征向量是正向量。定理2 阶正互反阵A的最大特征根丸2,2=是A为一致阵的充要条件。0 一致性指标ci=y 定义合理2.正互反阵最大特征根和特征向量的简化计算精确计算的复杂和不必要简化计算的思路致阵的任一列向量都是特征向量,一致性尚好的正互反阵的列向量都应近似特征向量,可取 其某种意义下的平均。和法取列向量的算术平均1.769Aw=0.9740.286例A=1 2 61/2 1 41/6 1/4 1_列向量 归一化Aw=2w0.6 0.6150.3 0.30
12、80.1 0.0770.5450.3640.091算术 平均-0.5870.324=w0.0892=1 1769+0274+0268 0093 0.587 0.324 0.089精确结果:w=(0588,0322,0.090)T,X=3.010简4 根法一一取列向量的几何平均 计算塞法一一迭代算法1)任取初始向量W(。),抬=0,设置精度 2)计算归口=正心)n3)归一化)=力)/访1+D4)若ma x叱(1)一叱 IJ is sj Vaisasr G通过C与G的比较 更能反映C,.对Cj的强度J J/=(球),球)左步强度 体现多步累积效应/iJ,3k.,kka(k)2或L V(s=l,)0
13、7 0 7 IS JS IS JS 7/=当左足够大,a峰,行元素反映Ci的权重n求邓的行和Ake定理1 lim=w 特征向量体现多步累积效应e-zA.e 4.不完全层次结构中组合权向量的计算完全层次结构:上层每一元素与下层所有元素相关联不完全层次结构设第2层对第1层权向量(2)=(%(2)/2)丁已定第3层对第2层权向量w J3)=(Wn,/2,叫3,0),刈2(3)=(0,0卅23/24(3尸已得 讨论由wQ)M(3)=(wJ3),叫)计算第3层对第1层权向量W。)的方法P1,P2只作教学,只作科研,P3兼作教学、科研。Ci,C2支配元素的数目不等 考察一个特例:若C1,C2重要性相同,w
14、=(1/2,1/2区 PP4 能力相同,p1=(l/34/34/3,0)2(3)=(0,04/24/2)r 公正的评价应为:P1:P2:P3:P4=1:1:2:1不考虑支配元素数目不等的影响仍用攻二卬计算 口 w(3)=(l/6,1/6,5/12,1/4)7支配元素越多权重越大 教学、科研任务由上级安排 用支配元素数目如则2对w加权修正 勺=3,%=2,w(2)=w f2),n2w()T 记=(3/5,2/5y再用二卬常2)计算 0 w(3)=(1/5,1/5,2/5,1/5)t1支配元素越多权重越小 教学、科研靠个人积极性5.残缺成对比较阵的处理11 2 e例 A=1/2 1 2e i/2
15、i辅助矩阵1/2%/叫2 吗/吗1 21/2 1e为残缺元素Cw=2w,2=3,w=(0.5714,0.2857,0.1429)rXXAw=Aw一2 2 0A=1/2 1 20 1/2 2a;,i w j,a;,w 0 ij j ij。万二4 0,,w j,a=0ij j ijm;+1,/=/j i 股广4第i行 中弼个数 6.更复杂的层次结构递阶层次结构:层内各元素独立,无相互影响和 支配;层间自上而下、逐层传递,无反馈和循环。更复杂的层次结构:层内各元素间存在相互影响 或支配;层间存在反馈或循环。层次分析法的优点 系统性-将对象视作系统,按照分解、比较、判断、综合的思维方式进行决策一一系统
16、分析(与机理分析、测试分析并列);实用性定性与定量相结合,能处理传统的优化方 法不能解决的问题;简洁性一一计算简便,结果明确,便于决策者 直接了解和掌握。层次分析法的局限 囿旧只能从原方案中选优,不能产生新方案;粗略-定性化为定量,结果粗糙;主观主观因素作用大,结果可能难以服人。8.2循环比赛的名次支球队循环赛,每场比赛 只计胜负,没有平局。根据比赛结果排出各队名次模型产6支球队比赛结果方法1:寻找按箭头方向通过全部顶点的路径。312456 146325c 4口无法排名方法2:计算得分:1队胜4场,2,3队各胜3场,4,5 队各胜2场,6队胜1场。2,3队,4,5队无法排名3.2,4.5。排名
17、132456合理吗循环比赛的结果一一竞赛图 每对顶点间都有边相连的有向图3个顶点 的竞赛图(1,2,3)3(1,2,3)并歹(J3(2)4个顶点 的竞赛图名次2223(1)名次1,2,3,44 3 4 3 4(2)(3)2,(1,3,4)(1,3,4),2)23(4)(1,2),(3,4)(1,2,3,4?具有唯一的完全路径,如(1);竞赛图的-双向连通图一任一对顶点存在两条有3种形式 向路径相互连通,如(4);其他,如,(3)o竞赛图 的性质 必存在完全路径;若存在唯一的完全路径,则由它确定的顶 点顺序与按得分排列的顺序一致,如(1)o双向连通竞赛图G=(M)的名次排序人IX v v E邻接
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