牧羊人的希望汇编.docx
《牧羊人的希望汇编.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《牧羊人的希望汇编.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
牧羊人的希望汇编
牧羊人的希望
班级：
13数学2班学号：
1307022007姓名：
周平平
摘要：
通过对问题的分析，可知本题是需求最优解的问题。
通过有限的牧场资源来限制牧场能牧养的羊群总量，从约束条件来求得目标函数。
我们可以先找出所求的目标函数，再列出约束条件，即通过有限的黑麦草来限制这片牧场能够养的羊群数量，并使黑麦草达到最大利用来建立数学模型。
建立模型后,运用MATLAB和LINGO软件求解，得到最优解，使其能获得最大的利益。
假设这个牧场已经步入正轨，且达到了题目所要求的最佳状态，那么此时，每一种年龄阶段的羊的数量就是一定的，那么目标函数就转化为求母羊数量的最大值。
我们的目标就是维持这种状态，那么，根据假设，以及题中所给的母羊的繁殖比率，各种年龄的羊之间就有一定的数量关系。
每天草的生长量和羊的食量就决定了目标函数的约束条件，模型就建立好了。
再通过LINGO软件，可以求得当牧场面积一定时，牧场的最大饲养容量。
从第一年开始，以后每年按相同的比例保留母羊进行下一年的繁殖，且将每年春季产下的公羊羔和部分母羊卖出，再根据卖出的羊的数目来衡量他所得的利益，可利用MATLAB求得最优解。
关键词：
最优解问题，线性规划
1.问题的提出
一个牧羊人拥有x平方米的牧场，牧场中长着多年生黑麦草，他期望今后几年通过养羊获得满意的收益，请你建立数学模型帮助他解决以下问题：
（1）他应该饲养多少只羊？
（2）夏季应储存多少干草用作冬季饲料？
（3）为了繁殖，每年保留多大比例的母羊？
下面是低洼地的某一类草（多年生黑麦草）的近似平均生长率：
季节
冬季
春季
夏季
秋季
日生长率/g
0
3
7
4
一般母羊的生育期是5~8年,每年产一头,两头或三头.如果每只母羊仅喂养5年就出售,下面是一只母羊在每个年龄段生产的平均羊羔数：
年龄/年
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
生产羊羔/头
0
1.8
2.4
2.0
1.8
在一年里每头羊所需饲料的平均饲养量为：
日需草量/kg
羊羔
母羊
冬季
0
2.10
春季
1.00
2.40
夏季
1.65
1.15
秋季
0
1.35
问题分析：
这是个关于资源分配的优化问题即以固定的资源经过合理分配获得最大利润。
在本问题中，我们的目标是合理分配所拥有的牧场及草料养羊，合理分配养羊羔、母羊的数目和比例及草料存储使牧羊人在今后n年中获得的总利润最大。
而获得的利润受到养羊的成本、卖羊羔和母羊的数量、市场供求关系等因素的影响。
初步分析：
如果每年都获得当年的最大利润，则总利润必达到最大化。
现在考虑养殖达到的稳定状态即草料、场地等正好得到充分利用，则每年获得利润必达到最大，也是养殖追求最大利润的最理想状态。
而合理的配置所拥有的资源，可以提高牧场的产量，增加经济效益；保持年龄结构的稳定，则可以保持整个羊群数量的稳定。
于是我们下面就着手建立模型求解稳定状态的母羊、羊羔数目及比例和夏季的储草情况。
由于原型中有太多的影响因素，为了建立模型求解，必须要删繁从简，留主去次，综合考虑作出以下假设：
2.合理假设与变量说明
（1）仅考虑养殖所需的饲草供给条件，圈舍、配合饲料、给水、饲养费用等其他养殖条件忽略不计。
（2）设全部用于养殖的土地均为生长着多年生黑麦草的低洼地，牧场规模保持不变，不考虑天气等偶然因素对黑麦草生长的影响，且牧场对草的供应是持续可靠的，而不考虑种植问题。
经查资料得知相邻两株黑麦草的种植间距为15-25cm之间，取20cm计算知每平方米可种植36株黑麦草。
这里就考虑每平方米种植36株黑麦草。
（3）除去冬季外均进行野外放牧，因天气不能野外放牧忽略不计，而冬季食用其他季节存储的干草作饲料。
牧羊人预先储备了适量干草Qkg，当春天的鲜草不够时，可以使用上一年剩余的干草。
（4）鲜草与干草均具有相同的喂养效果。
经查资料，得知鲜草向干草的转化率为45%。
（5）母羊仅在春天繁殖，且一年仅繁殖一次。
（6）羊的售出仅在春季繁殖过后进行（即繁殖后立即决定售出情况，这样可保证羊的总数不变，且处理仍在春季），其他季节不售出。
（7）假设稳定态的羊共N只，则春季考虑N只全为母羊的食草量，相邻两代的羊数量在繁殖售出前后的数量变化是连续的，即繁殖售出后i代羊数量为繁殖前i+1代的羊数量（因稳定状态要保持羊数目及比例不变，而在春季一只羊羔平均食草量小于一只母羊的平均食草量，由假设6有：
母羊繁殖后就处理母羊或小羊，因此这样假设就保证了春季草量的充足且由假设可知这样的假设和实际食草量可认为近似吻合）。
（8）草的日生长量（g）是指每株草的日生长量。
（9）该牧民尽量避免近亲繁殖，且只饲养母羊和母羊羔。
（10）需要配种时，可以外配，配种成本忽略不计。
（11）母羊所产羊羔的性别比，从概率角度一般认定为1：
1，根据假设（9），公羊羔全部被卖出。
（12）羊的成长无恙，即不考虑死亡等偶然因素。
（13）0-1年的羊为羊羔,1-2,2-3,3-4,4-5年的羊分别为第一，二，
（14）第一年只购买第一，第二，第三，第四代母羊，并且当年春季就能繁殖出羊羔（羊羔不能繁殖，买的母羊繁殖出的羊羔还要售出一部分，所以羊羔就可不用考虑购买，这样不仅省了一部分资金买母羊繁殖，还省了买的羊羔白吃的草料）。
（15）第四代母羊在春季繁殖后直接就全部售出（因每只母羊仅喂养5年就出售，繁殖后就售出，这样就节省了第四代母羊从繁殖后到第二年春季的草料）。
（16）羊市场稳定，且只关心羊的数量及年代，而不关心它们的重量，每只羊羔价格p元和每只母羊的价格q元都稳定，经查资料知p:
q近似为1:
3，这里认为比例就为1:
3，假定羊的价格仅有这两种。
（17）羊的繁殖率按上述表格中的平均繁殖率，食草量及草的生长率亦按表格给出的平均率计算（由假设4的鲜草向干草的转化折扣以及夏季将有三分之二的鲜草剩余，经计算知仅将夏季的剩余鲜草晒制为干草是不够的，所以秋季的剩余草也要进行干化。
这也说明了从春季开始饲养的合理性）。
3.模型建立
设开始牧羊人购买第一代、第二代、第三代、第四代母羊的数量分别为a1、a2、a3、a4头，为保证羊群的相对稳定，则春季售羊后相应的羊羔、第一代、第二代、第三代数量分别为a1、a2、a3、a4头，且有a1>=a2>=a3>=a4>=0，于是同年春季羊繁殖前及售后有以下关系：
母羊羔第一代第二代第三代第四代
繁殖前0a1a2a3a4
母羊羔第一代第二代第三代第四代
羊售后a1a2a3a40
每年售出羊羔：
1.8a1+2.4a2+2a3+1.8a4-a1=0.8a1+2.4a2+2a3+1.8a4
（注：
公羊羔全售出，保留a1头母羊羔）
第一代：
a1-a2
第二代：
a2-a3
第三代：
a3-a4
第四代：
a4
养羊数量:
N=a1+a2+a3+a4
目标函数：
收益Y=n[（0.8a1+2.4a2+2a3+1.8a4）p+a1q]
且满足：
Q+S春-T春>=0
w1=S夏-T夏>=0
w2=S秋-T秋>=0
Q=k（w1+w2）-T冬>=0
p:
q=1:
3
0.9a1+1.2a2+a3+0.9a4>=a1
a1>=a2>=a3>=a4>=0
其中:
S春=36*3x*0.001*90=9.72xkg春季鲜草产量
T春=2.4（a1+a2+a3+a4）*90kg春季所需草料
S夏=7*36x*0.001*90=22.68xkg夏季鲜草产量
T夏=[1.65a1+1.15（a2+a3+a4）]*90kg夏季所需草料
S秋=4*36x*0.001*90=12.96xkg秋季鲜草产量
T秋=1.35（a2+a3+a4）*90kg秋季所需草料
T冬=2.1（a2+a3+a4）*90kg冬季所需草料
w1为夏季剩余鲜草量，w2为秋季剩余鲜草量
p为每只羊羔的价格，q为每只母羊的价格
Q为牧羊人初始准备的干草量
n为牧羊人计划的年数，x为牧场面积
a1>=a2>=a3>=a4>=0，且均取整数
鲜草向干草的转化率k=0.45
化简整理得:
n年总收益：
Y=n[（0.8a1+2.4a2+a3+1.8a4）p+a1q]
制约条件为：
25.758x-282.825a1-506.25（a2+a3+a4）>=0
w1=22.68x-148.5a1-103.5（a2+a3+a4）>=0
w2=12.96x-121.5（a2+a3+a4）>=0
16.038x-66.825a1-290.25（a2+a3+a4）>=0
0.1a1-1.2a2-a3-0.9a4<=0
a1>=a2>=a3>=a4>=0,且均取整数
各个量含义及其性质如上所述。
由此得到基本模型：
MAXY=n[（0.8a1+2.4a2+a3+1.8a4）p+a1q]...........
（1）
s.t.
9.72x+Q-216（a1+a2+a3+a4）>=0.....................
（2）
22.68x-148.5a1-103.5（a2+a3+a4）>=0.............（3）
12.96x-121.5（a2+a3+a4）>=0.....................（4）
Q=16.038x-66.825a1-290.25（a2+a3+a4）>=0..........（5）
0.1a1-1.2a2-a3-0.9a4-a0<=0....................（6）
a1>=a2>=a3>=a4>=0,且均取整数............（7）
4.模型求解
软件实现：
不妨取定x=10000平方米，n=10年，p=200元，q=600元
用LINDO6.1版本软件求解，在其窗口中打开一个新文件，直接输入：
max7600a1+4800a2+2000a3+3600a4
s.t.
1）282.825a1+506.25a2+506.25a3+506.25a4<=2575800
2）148.5a1+103.5a2+103.5a3+103.5a4<=226800
3）121.5a2+121.5a3+121.5a4<=129600
4）66.825a1-290.25a2-290.25a3-290.25a4<=160380
5）10a1-120a2-100a3-90a4<=0
6）a1-a2>=0
7）a2-a3>=0
8）a3-a4>=0
end
gin4
注：
最后一行“gin4”是“4个变量均为整数”的说明语句。
求解得到输出：
LPOPTIMUMFOUNDATSTEP47
OBJECTIVEVALUE=11547494.0
FIXALLVARS.
（2）WITHRC>0.000000E+00
SETA1TO<=1443AT1,BND=0.1155E+08TWIN=-0.1000E+3154
SETA2TO>=121AT2,BND=0.1155E+08TWIN=0.1152E+0857
SETA1TO<=1442AT3,BND=0.1155E+08TWIN=-0.1000E+3161
SETA2TO<=122AT4,BND=0.1154E+08TWIN=0.1155E+0864
NEWINTEGERSOLUTIONOF11544800.0ATBRANCH10PIVOT64
BOUNDONOPTIMUM:
0.1154749E+08
FLIPA2TO>=123AT4WITHBND=11546145.
SETA1TO<=1441AT5,BND=0.1155E+08TWIN=-0.1000E+3167
SETA1TO>=1441AT6,BND=0.1155E+08TWIN=-0.1000E+3167
SETA2TO<=123AT7,BND=0.1154E+08TWIN=-0.1000E+3168
DELETEA2ATLEVEL7
DELETEA1ATLEVEL6
DELETEA1ATLEVEL5
DELETEA2ATLEVEL4
DELETEA1ATLEVEL3
DELETEA2ATLEVEL2
DELETEA1ATLEVEL1
RELEASEFIXEDVARIABLES
ENUMERATIONCOMPLETE.BRANCHES=12PIVOTS=86
LASTINTEGERSOLUTIONISTHEBESTFOUND
RE-INSTALLINGBESTSOLUTION...
OBJECTIVEFUNCTIONVALUE
1）0.1154480E+08
VARIABLEVALUEREDUCEDCOST
A11442.000000-7600.000000
A2122.000000-4800.000000
A30.000000-2000.000000
A40.000000-3600.000000
A00.0000000.000000
ROWSLACKORSURPLUSDUALPRICES
2）2106203.7500000.000000
3）36.0000000.000000
4）114777.0000000.000000
5）99428.8515620.000000
6）220.0000000.000000
7）0.0000000.000000
8）1320.0000000.000000
9）122.0000000.000000
10）0.0000000.000000
NO.ITERATIONS=86
BRANCHES=12DETERM.=1.000E0
IP的最优解为a1=1442,a2=122,a3=a4=0,最优值Y=11547494，即问题中牧羊人应该饲养1564只羊，为了繁殖，每年应饲养母羊8.5%（根据我们的模型求解，应为第一代母羊），计算得知，夏季应储存w1=24.3kg的干草。
结果分析：
根据模型假设及参量的设置，得知牧羊人一开始要存储的干草量为Q=28607.85kg，设置预备存储，是为了使养殖规模达到相对最大化，避免夏季和秋季存储的干草，在冬季被大量剩余、而造成牧场每年的草料大量浪费,从而达到更高的经济效益。
而从现实意义来说，预备存储也是合情合理的。
由于假设羊羔的价格和母羊的价格差不多，而母羊一年中的食草量为羊羔的2.64倍，为了达到最大经济效益，应该全养羊羔，但是考虑到繁殖率和取整的条件限制，我们预想应该养一小部分母羊，再者，由于第三、四代羊按假设知其繁殖率和羊羔差不多，但食草量却大得多，所以应尽量少养，最好不养，这正好和计算得到的结果相吻合。
至于现实中养殖中存在第三、四代羊现象，是因为第三、四代中也有些繁殖率较高的，考虑到繁殖率，保留下来了。
从算法及结果，我们预测：
p与q的比例K影响羊羔和母羊的比例（p与q比例：
0-1），但波动性较小，母羊和羊羔的比例随K增先减后增，最终收敛于1:
1。
这也正与实际情况相符合。
目标函数可知：
年数不影响养羊的分配情况；由算法知：
牧场的规模也与养羊的分配无关（仅使Y增大对应倍数而不影响a1、a2、a3、a4的取值）。
5.模型检验
2）p=200,q=400
OBJECTIVEFUNCTIONVALUE
1）9360000.
VARIABLEVALUEREDUCEDCOST
A1900.000000-5600.000000
A2900.000000-4800.000000
A30.000000-2000.000000
A40.000000-3600.000000
A00.0000000.000000
3）p=200,q=300
OBJECTIVEFUNCTIONVALUE
1）8460000.
VARIABLEVALUEREDUCEDCOST
A1900.000000-4600.000000
A2900.000000-4800.000000
A30.000000-2000.000000
A40.000000-3600.000000
A00.0000000.000000
4）p=200,q=200
1）7560000.
VARIABLEVALUEREDUCEDCOST
A1900.000000-3600.000000
A2900.000000-4800.000000
A30.000000-2000.000000
A40.000000-3600.000000
A00.0000000.000000
5）p=100,q=1000
NOBJECTIVEFUNCTIONVALUE
1）9734400.
VARIABLEVALUEREDUCEDCOST
A0900.0000000.000000
A16.00000016931.742188
A20.00000018331.742188
A30.00000017531.742188
6）p=100,q=10000（现实中不可能达到这么小的比例）
OBJECTIVEFUNCTIONVALUE
1）3132000.
VARIABLEVALUEREDUCEDCOST
A1900.000000-1080.000000
A2900.000000-2400.000000
A30.000000-1000.000000
A40.000000-1800.000000
经检验：
模型在假设条件下与预想效果相吻合。
6.模型应用
该模型不仅适应与养羊，对于各类养殖及种植的资源配置以达到最优化问题都适应。
比如：
在固定的田地里种植几种农作物，考虑到它们的价格不同，成长周期不同及产量差异，合理分配种植，使收益最大等之类问题，就可以通过这种模型稍加改进以求解。
又比如：
养鱼问题，考虑鱼的四个年龄组：
1龄组—4龄组，每组每条鱼重量分别为a,b,c,d（kg），自然死亡率平均为1.5年，产卵量分别为每条100000，10000，1000,100,10个，卵孵化到成活率相同为0.001，各年龄组鱼按重量算单价相同。
考虑渔民10年的获益最大该如何捕鱼。
等等类似问题都可通过在这种模型基础上改动必要条件来求解。
7.模型的优缺点分析
该模型提出了合理的假设，依据题目已知要求得到约束条件，得出最优解，牧场面积为500平方米事得出的饲养羊的数量与现实比较符合。
该模型的构造比较简单，创新之处有两点，一是利用所的结论的数据，反过来带入原来的式子进行验证，二是从生态保护和资源节约的角度出发，最大化了牧草的利用率，增大了经济效益。
该模型为牧羊人进行最优决策提供了合理的依据。
然而，该模型也存在着一定的不足之处和缺陷。
如没有考虑出生的羊羔的性别比例，为了计算方便，将仙草向干草转化率设为0.45，将每一季节设为90天等，这些假设虽然比较合理，但是与现实也是有一定的出入，对结果也存在着一定的影响
8.模型的改进
该模型假设羊生长无恙、无死亡，现实中是不太可能的；不考虑除草外的饲料花销、不考虑圈舍成本等，因此这是一个相对理想化的模型，要使模型能更好的反应现实情况、应用于实际，可对模型进行一些必要的改进：
考虑羊的生长过程中生病等的花费及除草外（小麦，玉米等）的饲料供给，另外，假设的模型不考虑羊的重量即价格于羊的重量无关，羊的市场供求稳定不变，价格不变，这与现实之间存在不小差距，属于理想化的，因此可以在这方面作改进：
查资料得羊在不同阶段的生长率及相应阶段的羊价格，将其考虑到模型中。
由于建模过程比较繁琐，这里就不再做出详细介绍。
参考文献:
（1）郭大伟《数学模型》出版社：
安徽教育出版社出版年：
2009年1月
（2）米尔斯切斯《数学建模方法与分析》出版社：
机械工业出版社出版时间：
2008年
（3）张英俊《草地与牧场管理学》出版社：
中国农业大学出版社出版时间：
2009年
（4）网址
升级会员 