本書(shū)介紹了運(yùn)籌學(xué)的主要理論和方法, 共分為八章, 包括無(wú)處不在的運(yùn)籌學(xué)、線性規(guī)劃、線性規(guī)劃的對(duì)偶理論、運(yùn)輸問(wèn)題、非線性規(guī)劃、圖與網(wǎng)絡(luò)、整數(shù)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、決策論、博弈論和大數(shù)據(jù)時(shí)代的運(yùn)籌學(xué)。本書(shū)在選材上詳略得當(dāng), 重點(diǎn)突出, 對(duì)專(zhuān)業(yè)詞匯給出了中英文對(duì)照; 注重內(nèi)容闡述的啟發(fā)性和新穎性, 對(duì)經(jīng)典方法的講解由淺入深, 適當(dāng)增加了運(yùn)籌學(xué)的最新研究理論和方法, 拓展讀者的視野;強(qiáng)調(diào)理論闡述的嚴(yán)密性, 給出必要的算法思路和邏輯推演過(guò)程; 引入了具有時(shí)代性的應(yīng)用案例分析; 介紹了如何用Excel 和Gurobi 來(lái)求解模型, 增強(qiáng)了本書(shū)的實(shí)用性。
本書(shū)適合作為普通高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)運(yùn)籌學(xué) 課程的教材或參考書(shū)。
本書(shū)遵循教指委相關(guān)指導(dǎo)文件和高等院校學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律編寫(xiě)而成。踐行四新理念,融入思政元素,注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。
第2 版前言
本書(shū)自2016 年6 月首次出版以來(lái), 得到了廣大讀者的喜愛(ài), 被一些高等院校選作教材和教學(xué)參考書(shū), 總體反映良好。作者團(tuán)隊(duì)在運(yùn)籌學(xué) 課程的教學(xué)中也一直使用本書(shū),收到了比較滿(mǎn)意的效果。結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和讀者反饋, 我們收集了書(shū)中存在的一些問(wèn)題和有待改進(jìn)之處。為更好地提升教材質(zhì)量, 并更進(jìn)一步反映運(yùn)籌學(xué)領(lǐng)域近年來(lái)的新發(fā)展, 在江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材(修訂) 項(xiàng)目的支持下, 我們對(duì)本書(shū)進(jìn)行了再版修訂。
在保持原書(shū)特色的前提下, 本次修訂對(duì)全書(shū)內(nèi)容做了較多增刪, 優(yōu)化了章節(jié)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容編排, 主要的修改和調(diào)整如下。第一, 新增了第1 章無(wú)處不在的運(yùn)籌學(xué), 對(duì)運(yùn)籌學(xué)的起源發(fā)展、應(yīng)用場(chǎng)景、學(xué)科特點(diǎn), 以及運(yùn)籌學(xué)在中國(guó)的發(fā)展與近年來(lái)取得的實(shí)踐進(jìn)展做了介紹。第二, 新增了第11 章大數(shù)據(jù)時(shí)代的運(yùn)籌學(xué), 結(jié)合當(dāng)下運(yùn)籌學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域緊密結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì), 介紹了兩種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策模式; 針對(duì)不同適用場(chǎng)景, 介紹了常用的優(yōu)化求解工具和針對(duì)大規(guī)模問(wèn)題的求解算法設(shè)計(jì)。同時(shí)結(jié)合實(shí)際案例,展示了如何依照數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式開(kāi)展科學(xué)決策。第三, 對(duì)原書(shū)第4 章整數(shù)規(guī)劃 做了較大幅度改寫(xiě), 并調(diào)整了章節(jié)次序; 完善了對(duì)分支定價(jià)和割平面算法的介紹, 增加了對(duì)分支割平面算法和啟發(fā)式算法的介紹, 以及應(yīng)用案例。第四, 在第2 章線性規(guī)劃 部分增加了修正單純形法, 并在應(yīng)用舉例中補(bǔ)充了建模過(guò)程中的線性化轉(zhuǎn)換技巧。此外, 在第8 章動(dòng)態(tài)規(guī)劃 中增加了對(duì)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的簡(jiǎn)要介紹; 在第10 章博弈論 中增加了對(duì)動(dòng)態(tài)博弈的介紹。最后, 考慮到使修訂后的教材更加突出運(yùn)籌學(xué)最核心的基本內(nèi)容, 以一般性建模方法和求解算法為主, 同時(shí)限于篇幅, 我們刪除了原書(shū)最后兩章排隊(duì)論 和存儲(chǔ)論 的內(nèi)容。
除了上述內(nèi)容修改, 本次修訂還對(duì)書(shū)中的部分例題、案例和習(xí)題做了更新和調(diào)整, 剔除了一些問(wèn)題背景描述過(guò)時(shí)的, 重新改寫(xiě)了一些題意表達(dá)不清的, 以使舉例更具時(shí)代感和真實(shí)性。本書(shū)大部分核心章節(jié)的最后都單獨(dú)給出了應(yīng)用舉例小節(jié), 旨在突出運(yùn)籌學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐意義。
同時(shí), 本書(shū)更加注重思政教育的引領(lǐng)作用, 并努力將其有機(jī)融入教學(xué)內(nèi)容之中。以第一章為例, 該章節(jié)緊密結(jié)合運(yùn)籌學(xué)在我國(guó)的發(fā)展歷程和科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略, 展示了中國(guó)企業(yè)近年來(lái)在運(yùn)籌優(yōu)化技術(shù)與業(yè)務(wù)場(chǎng)景深度融合方面的顯著成就, 涵蓋了國(guó)民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域的重大突破。這些內(nèi)容不僅能激發(fā)學(xué)生讀者的愛(ài)國(guó)熱情和民族自豪感, 還能增強(qiáng)他們對(duì)國(guó)家發(fā)展的責(zé)任感和使命感。
本書(shū)為提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)和提高學(xué)習(xí)效率, 還進(jìn)行了新形態(tài)教材的設(shè)計(jì)。在正文中, 針對(duì)一些重難點(diǎn)部分, 我們不僅提供了深入的解析, 還鏈接了書(shū)本外的豐富資料, 讀者只需使用智能手機(jī)掃描相關(guān)處出現(xiàn)的二維碼, 即可輕松訪問(wèn)這些數(shù)字化資源, 實(shí)現(xiàn)跨媒體鏈接。
本書(shū)第2 版由周晶任主編, 徐薇任副主編, 她們負(fù)責(zé)內(nèi)容的選擇和審定。各章節(jié)的編寫(xiě)和修訂任務(wù)具體分工為: 周晶參與編寫(xiě)第4 章、第6 章和第10 章; 徐薇負(fù)責(zé)編寫(xiě)第1章、第2 章、第3 章和第5 章, 并參與第4 章的修訂; 朱振濤負(fù)責(zé)編寫(xiě)第4 章; 伊俊敏負(fù)責(zé)編寫(xiě)第6 章; 胡騫、羅志興負(fù)責(zé)編寫(xiě)第7 章; 安智宇負(fù)責(zé)編寫(xiě)第8 章; 徐紅利負(fù)責(zé)編寫(xiě)第9 章; 占楊負(fù)責(zé)編寫(xiě)第10 章, 并參與第8 章的修訂; 陳彩華負(fù)責(zé)編寫(xiě)第11 章。
在本書(shū)的編寫(xiě)和修訂過(guò)程中, 我們被許多使用本書(shū)的教師和學(xué)生的積極反饋和寶貴建議所鼓舞, 對(duì)于他們的支持我們表示衷心感謝。一本優(yōu)秀的教材是持續(xù)精進(jìn)和打磨的成果。盡管我們不懈努力, 但書(shū)中一定還會(huì)存在疏漏或不妥之處, 懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
編 者第1 版前言
樸素的運(yùn)籌思想古已有之, 在我國(guó)古代文獻(xiàn)中有許多記載, 如戰(zhàn)國(guó)時(shí)期流傳后世的賽馬比賽田忌賽馬, 就是一個(gè)經(jīng)典的博弈案例。田忌賽馬的故事說(shuō)明事前的籌劃安排是十分重要的。在已有的條件下, 經(jīng)過(guò)精心籌劃、安排, 選擇一個(gè)好的方案, 就會(huì)取得滿(mǎn)意的效果。敵我雙方交戰(zhàn), 要克敵制勝就要在了解雙方情況的基礎(chǔ)上, 研究制定最佳的對(duì)付敵人的策略和戰(zhàn)術(shù), 這就是所謂的運(yùn)籌帷幄之中, 決勝千里之外。
運(yùn)籌學(xué)這個(gè)名詞最早出現(xiàn)于1938 年, 當(dāng)時(shí)的英國(guó)為了研究整個(gè)防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的合理運(yùn)行, 以便有效地防備德國(guó)飛機(jī)入侵, 成立了由來(lái)自物理、數(shù)學(xué)等不同學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家組成的研究小組, 他們的研究工作在有效打擊敵人和減少盟軍的損失方面發(fā)揮了重要作用。他們?cè)谝环菅芯繄?bào)告中首次使用了Operation Reseach 一詞。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,運(yùn)籌學(xué)研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域, 并獲得成功。1947 年, 美國(guó)數(shù)學(xué)家G.B.Dantzig 提出了求解線性規(guī)劃模型的有效方法單純形法, 并于20 世紀(jì)50 年代初應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)求解線性規(guī)劃問(wèn)題獲得成功。到20 世紀(jì)50 年代末, 學(xué)者們對(duì)企業(yè)中的一些普遍性?xún)?yōu)化問(wèn)題,如庫(kù)存、資源分配、設(shè)備更新和任務(wù)分派等問(wèn)題進(jìn)行研究, 并成功地應(yīng)用到建筑、紡織、鋼鐵、煤炭、石油、電力和農(nóng)業(yè)等諸多行業(yè)。20 世紀(jì)60 年代, 運(yùn)籌學(xué)方法又廣泛應(yīng)用到了服務(wù)性行業(yè)和社會(huì)公共事業(yè)。
運(yùn)籌學(xué)一詞在英國(guó)稱(chēng)為Operational Research, 在美國(guó)稱(chēng)為Operations Research, 縮寫(xiě)為O.R.!洞笥倏迫珪(shū)》中闡明: 運(yùn)籌學(xué)是一門(mén)應(yīng)用于管理有組織系統(tǒng)的科學(xué), 運(yùn)籌學(xué)為掌握這類(lèi)系統(tǒng)的人提供決策目標(biāo)和數(shù)量分析工具。運(yùn)籌學(xué)最早主要研究經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和軍事活動(dòng)中能用數(shù)量來(lái)表達(dá)的有關(guān)策劃、管理方面的問(wèn)題。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 運(yùn)籌學(xué)的應(yīng)用更為廣泛, 而且解決問(wèn)題的規(guī)模也越來(lái)越大、越來(lái)越復(fù)雜,F(xiàn)實(shí)中的優(yōu)化問(wèn)題雖然千差萬(wàn)別, 但用運(yùn)籌學(xué)來(lái)分析和處理時(shí), 一般都遵循以下幾個(gè)工作步驟: 確定目標(biāo)、制訂方案、建立模型、提出解法。不同類(lèi)型的問(wèn)題可歸結(jié)為多類(lèi)不同的數(shù)學(xué)模型, 從而形成了不同的運(yùn)籌學(xué)學(xué)科分支, 如數(shù)學(xué)規(guī)劃(包含線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等)、圖論與網(wǎng)絡(luò)流、決策論、對(duì)策論、排隊(duì)論、存儲(chǔ)論, 等等。
數(shù)學(xué)規(guī)劃的研究對(duì)象是最為一般的優(yōu)化問(wèn)題, 即在給定的限制條件下, 按某一衡量指標(biāo)來(lái)尋找最優(yōu)方案。它可以表示為求函數(shù)在滿(mǎn)足約束條件下的極大或極小值問(wèn)題。數(shù)學(xué)規(guī)劃中最簡(jiǎn)單的一種問(wèn)題就是線性規(guī)劃。線性規(guī)劃及其單純形法對(duì)運(yùn)籌學(xué)的發(fā)展起到了重大的推動(dòng)作用。許多實(shí)際問(wèn)題都可以轉(zhuǎn)化成線性規(guī)劃來(lái)解決, 單純形法是解決線性規(guī)劃的一個(gè)行之有效的算法, 而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 使一些大型復(fù)雜的實(shí)際優(yōu)化問(wèn)題的解決成為現(xiàn)實(shí)。
圖論是一種用直觀的圖形來(lái)表述和解決一類(lèi)優(yōu)化問(wèn)題的運(yùn)籌學(xué)分支。最小支撐樹(shù)、最短路和最大流等問(wèn)題是圖論中經(jīng)典的最優(yōu)化問(wèn)題。一些不具有圖形特征的優(yōu)化問(wèn)題也可以用圖形來(lái)表述和求解, 并且更為直觀和簡(jiǎn)便, 如匹配問(wèn)題、設(shè)備更新問(wèn)題等。網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)則利用圖形來(lái)描述一個(gè)工程項(xiàng)目中各項(xiàng)活動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)和時(shí)間進(jìn)度, 從而可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行控制和優(yōu)化。
現(xiàn)實(shí)生活中, 人們常常需要在一些可選方案中進(jìn)行選擇, 而選擇的情景可能是不確定的或有風(fēng)險(xiǎn)的, 或者是評(píng)價(jià)方案的目標(biāo)有多個(gè)。如何進(jìn)行選擇或決策, 就是決策論要解決的問(wèn)題。而如果決策者面對(duì)一個(gè)與他有競(jìng)爭(zhēng)的決策者時(shí), 決策問(wèn)題就變成了一個(gè)博弈問(wèn)題, 前面提到的田忌賽馬就是典型的博弈案例。研究博弈問(wèn)題的理論和方法就是博弈論(也叫作對(duì)策論)。
排隊(duì)論是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)重要分支, 它又叫作隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)理論。它的研究目的是要回答如何改進(jìn)服務(wù)機(jī)構(gòu)或如何組織被服務(wù)的對(duì)象, 使得某種指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的問(wèn)題。比如一個(gè)港口應(yīng)該有多少個(gè)碼頭, 銀行營(yíng)業(yè)廳應(yīng)設(shè)置多少服務(wù)窗口等。排隊(duì)是一個(gè)隨機(jī)現(xiàn)象, 因此在研究排隊(duì)問(wèn)題時(shí), 需要以概率論作為分析工具。
存儲(chǔ)論是研究如何平衡供給與需求之間矛盾的理論與方法。其基本的數(shù)學(xué)問(wèn)題就是在特定的需求假設(shè)下, 確定最優(yōu)的訂貨量或生產(chǎn)量。
和所有的其他數(shù)學(xué)分支一樣, 運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容有其經(jīng)典不變的一面, 但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的變革, 其應(yīng)用對(duì)象所呈現(xiàn)出的豐富性和復(fù)雜性也與日俱增。因此, 運(yùn)籌學(xué)的理論研究和應(yīng)用前景都面臨更大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。比如, 隨著人們對(duì)決策行為的關(guān)注, 已經(jīng)提出行為運(yùn)籌學(xué)的概念。此外, 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展, 可獲得海量的實(shí)際數(shù)據(jù), 這些為運(yùn)籌學(xué)的應(yīng)用提供了更為廣闊的空間, 使其能夠發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。迪士尼游樂(lè)場(chǎng)的Fastpass 系統(tǒng)中就運(yùn)用了排隊(duì)論方法。又如目前交通出行的叫車(chē)App 應(yīng)用軟件, 其中也包含了最優(yōu)匹配等優(yōu)化算法。
本書(shū)著重介紹運(yùn)籌學(xué)的主要分支內(nèi)容, 在選材上詳略得當(dāng), 重點(diǎn)突出, 對(duì)專(zhuān)業(yè)詞匯給出了中英文對(duì)照; 注重內(nèi)容闡述的啟發(fā)性和新穎性, 對(duì)經(jīng)典方法的講解由淺入深, 適當(dāng)增加了運(yùn)籌學(xué)的最新研究理論和方法, 拓展讀者視野; 注重內(nèi)容理論闡述的嚴(yán)密性, 給出必要的理論性證明和推理; 注重案例的時(shí)代性, 教材中引入了一些新的應(yīng)用案例, 由案例問(wèn)題引出理論分析方法, 再回到實(shí)際問(wèn)題的解決過(guò)程; 案例及附件中介紹了如何用Excel 來(lái)求解模型, 增強(qiáng)了本書(shū)的實(shí)用性。
本書(shū)由周晶擔(dān)任主編, 徐薇擔(dān)任副主編, 她們負(fù)責(zé)內(nèi)容的選擇和審定。其中周晶參與編寫(xiě)了第7 章、第9 章、第10 章和第11 章; 徐薇負(fù)責(zé)編寫(xiě)第1 章、第2 章和第5 章; 朱振濤、魯濤負(fù)責(zé)編寫(xiě)第3 章和第4 章; 安智宇負(fù)責(zé)編寫(xiě)第6 章; 伊俊敏負(fù)責(zé)編寫(xiě)第7 章;徐紅利負(fù)責(zé)編寫(xiě)第8 章; 吳孝靈負(fù)責(zé)編寫(xiě)第9 章; 王虹負(fù)責(zé)編寫(xiě)第10 章; 孫玉玲負(fù)責(zé)編寫(xiě)第11 章。
編 者
1983年?yáng)|南大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科,1986年?yáng)|南大學(xué)控制理論與應(yīng)用專(zhuān)業(yè)碩士,2000年獲東南大學(xué)系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位。1986年至2000年12月在東南大學(xué)任教,2001年1月起至今在南京大學(xué)任教,F(xiàn)為南京大學(xué)工程管理學(xué)院副院長(zhǎng),教授、博士生導(dǎo)師。中國(guó)管理科學(xué)與工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事。
目 錄
第2 版前言
第1 版前言
第1 章
無(wú)處不在的
運(yùn)籌學(xué)
1.1 運(yùn)籌學(xué)的起源與發(fā) 001
1.2 運(yùn)籌學(xué)的應(yīng)用場(chǎng) 003
1.3 運(yùn)籌學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)和研究分 005
1.4 運(yùn)籌學(xué)解決問(wèn)題的步 007
1.5 運(yùn)籌學(xué)在中國(guó)的發(fā)展與實(shí) 009
第2 章
線性規(guī)劃
2.1 線性規(guī)劃建 011
2.2 線性規(guī)劃的圖解 016
2.3 線性規(guī)劃解的特征與基本定 020
2.4 單純形 022
2.5 單純形法的進(jìn)一步討 028
2.6 修正單純形 038
2.7 應(yīng)用舉 043
第3 章
線性規(guī)劃的
對(duì)偶理論
3.1 線性規(guī)劃的對(duì)偶問(wèn) 052
3.2 對(duì)偶理 057
3.3 對(duì)偶理論的應(yīng) 062
3.4 對(duì)偶單純形 065
3.5 靈敏度分 067
第4 章
運(yùn)輸問(wèn)題
4.1 運(yùn)輸問(wèn)題的數(shù)學(xué)模 076
4.2 運(yùn)輸單純形法(表上作業(yè)法) 082
4.3 運(yùn)輸問(wèn)題的擴(kuò) 089
4.4 應(yīng)用舉 095
第5 章
非線性規(guī)劃
5.1 非線性規(guī)劃模型及解的定 105
5.2 凸函數(shù)和凸規(guī) 110
5.3 下降迭代算法框 113
5.4 一維搜 114
5.5 無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題的求解算 120
5.6 約束極值問(wèn)題的最優(yōu)性條 128
5.7 約束優(yōu)化問(wèn)題的求解算 132
5.8 應(yīng)用舉 138
第6 章
圖與網(wǎng)絡(luò)
6.1 圖與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)概 144
6.2 148
6.3 最短路問(wèn) 152
6.4 最大流問(wèn) 157
6.5 最小費(fèi)用流問(wèn) 161
6.6 中國(guó)郵遞員問(wèn) 165
6.7 網(wǎng)絡(luò)計(jì) 168
第7 章
整數(shù)規(guī)劃
7.1 整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題及模 179
7.2 整數(shù)規(guī)劃的集合與幾何特 183
7.3 割平面 185
7.4 分支定界 190
7.5 0 -1 整數(shù)規(guī) 194
7.6 啟發(fā)式算 199
7.7 應(yīng)用案例配送系統(tǒng)設(shè) 201
第8 章
動(dòng)態(tài)規(guī)劃
8.1 多階段決策問(wèn) 208
8.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃的基本概念和基本方 211
8.3 最優(yōu)化原理與最優(yōu)性定 217
8.4 動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題的求 219
8.5 應(yīng)用舉 224
第9 章
決策論
9.1 決策的概念與分 241
9.2 確定型決策分 244
9.3 不確定型決策分 244
9.4 風(fēng)險(xiǎn)型決策分 247
9.5 多準(zhǔn)則決策分 254
9.6 效用函 263
9.7 行為決策理 266
第10 章
博弈論
10.1 博弈的基本概念與分 275
10.2 完全信息靜態(tài)博 277
10.3 零和博 286
10.4 完全信息動(dòng)態(tài)博 289第11 章
第11 章
大數(shù)據(jù)時(shí)代
的運(yùn)籌學(xué)
11.1 大數(shù)據(jù)時(shí)代的決策模式和運(yùn)籌建 296
11.2 大數(shù)據(jù)背景下的運(yùn)籌優(yōu)化問(wèn)題求 302
11.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)籌優(yōu)化案 308
11.4 材料來(lái) 312
附 錄
附錄A 線性規(guī)劃問(wèn)題的Excel 求 314
附錄B 線性規(guī)劃問(wèn)題的Gurobi 求 327
附錄C 名詞術(shù)語(yǔ)中英文對(duì) 337
參考文 341