←предыдущая следующая→
1 2
Математическое программирование
1. Общая задача линейного программирования (ЗЛП):
Здесь (1) называется системой ограничений , ее матрица имеет ранг r £ n, (2) - функцией цели (целевой функцией). Неотрицательное решение (х10, x20, ... , xn0) системы (1) называется допустимым решением (планом) ЗЛП. Допустимое решение называется оптимальным, если оно обращает целевую функцию (2) в min или max (оптимум).
2. Симплексная форма ЗЛП. Для решения ЗЛП симплекс - методом необходимо ее привести к определенной (симплексной) форме:
(2`) f+cr+1xr+1 + ... + csxs + ... + cnxn = b0 ® min
Здесь считаем r < n (система имеет бесчисленное множество решений), случай r = n неинтересен: в этом случае система имеет единственное решение и если оно допустимое, то автоматически становится оптимальным.
В системе (1`) неизвестные х1, х2, ... , хr называются базисными (каждое из них входит в одно и только одно уравнение с коэффициентом +1), остальные хr+1, ... , xn - свободными. Допустимое решение (1`) называется базисным (опорным планом), если все свободные неизвестные равны 0, а соответствующее ему значение целевой функции f(x10, ... , xr0,0, ... ,0) называется базисным.
В силу важности особенностей симплексной формы выразим их и словами:
а) система (1`) удовлетворяет условиям :
1) все ограничения - в виде уравнений;
2) все свободные члены неотрицательны, т.е. bi ³ 0;
3) имеет базисные неизвестные;
б) целевая функция (2`) удовлетворяет условиям :
1) содержит только свободные неизвестные;
2) все члены перенесены влево, кроме свободного члена b0;
3) обязательна минимизация (случай max сводится к min по формуле max f = - min(-f)).
3) Матричная форма симплекс-метода. Симплексной форме ЗЛП соответствует симплекс - матрица :
1 0 ... 0 ... 0 a1,r+1 ... a1s ... a1n b1
0 1 ... 0 ... 0 a2,r+1 ... a2s ... a2n b2
.................................................................
0 0 ... 1 ... 0 ai,r+1 ... ais ... ain bi
.................................................................
0 0 ... 0 ... 1 ar,r+1 ... ars ... arn br
0 0 ... 0 ... 0 cr+1 ... cs ... cn b0
Заметим, что каждому базису (системе базисных неизвестных ) соответствует своя симплекс - матрица , базисное решение х = (b1,b2, ... ,br, 0, ... ,0) и базисное значение целевой функции f(b1,b2, ... ,br, 0, ... ,0) = b0 (см. Последний столбец !).
Критерий оптимальности плана . Если в последней (целевой) строке симплекс-матрицы все элементы неположительны, без учета последнего b0, то соответствующий этой матрице план оптимален,
т.е. сj £ 0 (j = r+1, n) => min f (b1, ... ,b2,0, ... ,0) = b0.
Критерий отсутствия оптимальности. Если в симплекс-матрице имеется столбец (S-й), в котором последний элемент сs > 0, a все остальные элементы неположительны, то ЗЛП не имеет оптимального плана, т.е. сs > 0, ais £ 0 ( i= 1,r ) => min f = -¥.
Если в симплекс-матрице не выполняются оба критерия, то в поисках оптимума надо переходить к следующей матрице с помощью некоторого элемента ais > 0 и следующих преобразований (симплексных):
1) все элементы i-й строки делим на элемент a+is;
2) все элементы S-го столбца, кроме ais=1, заменяем нулями;
3) все остальные элементы матрицы преобразуем по правилу прямоугольника, что схематично показано на фрагменте матрицы и дано в формулах:
akl` = akbais - ailaks = akl - ailaks;
ais ais
bk` = bkais - biaks; cl` = clais - csail
ais ais
Определение. Элемент ais+ называется разрешающим, если преобразование матрицы с его помощью обеспечивает уменьшение (невозрастание) значения, целевой функции; строка и столбец, на пересечении которых находится разрешающий элемент, также называются разрешающими.
Критерий выбора разрешающего элемента. Если элемент ais+ удовлетворяет условию
bi = min bk
ais0 aks0+
где s0 - номер выбранного разрешающего столбца, то он является разрешающим.
4. Алгоритм симплекс-метода (по минимизации).
5) систему ограничений и целевую функцию ЗЛП приводим к симплексной форме;
6) составим симплекс-матрицу из коэффициентов системы и целевой функции в симплексной форме;
7) проверка матрицы на выполнение критерия оптимальности; если он выполняется, то решение закончено;
8) при невыполнении критерия оптимальности проверяем выполнение критерия отсутствия оптимальности; в случае выполнения последнего решение закончено - нет оптимального плана;
9) в случае невыполнения обоих критериев находим разрешающий элемент для перехода к следующей матрице, для чего :
а) выбираем разрешающий столбец по наибольшему из положи тельных элементов целевой строки;
б) выбираем разрешающую строку по критерию выбора разрешающего элемента; на их пересечении находится разрешающий элемент;
6) c помощью разрешающего элемента и симплекс-преобразований переходим к следующей матрице;
7) вновь полученную симплекс-матрицу проверяем описанным выше способом (см. п. 3)
Через конечное число шагов, как правило получаем оптимальный план ЗЛП или его отсутствие
Замечания.
1) Если в разрешающей строке (столбце) имеется нуль, то в соответствующем ему столбце (строке) элементы остаются без изменения при симплекс-преобразованиях.
2) преобразования - вычисления удобно начинать с целевой строки; если при этом окажется, что выполняется критерий оптимальности, то можно ограничиться вычислением элементов последнего столбца.
3) при переходе от одной матрицы к другой свободные члены уравнений остаются неотрицательными; появление отрицательного члена сигнализирует о допущенной ошибке в предыдущих вычислениях.
4) правильность полученного ответа - оптимального плана - проверяется путем подстановки значений базисных неизвестных в целевую функцию; ответы должны совпасть.
5. Геометрическая интерпретация ЗЛП и графический метод решения (при двух неизвестных)
Система ограничений ЗЛП геометрически представляет собой многоугольник или многоугольную область как пересечение полуплоскостей - геометрических образов неравенств системы. Целевая функция f = c1x1 + c2x2 геометрически изображает семейство параллельных прямых, перпендикулярных вектору n (с1,с2).
Теорема. При перемещении прямой целевой функции направлении вектора n значения целевой функции возрастают, в противоположном направлении - убывают.
На этих утверждениях основан графический метод решения ЗЛП.
6. Алгоритм графического метода решения ЗЛП.
7)В системе координат построить прямые по уравнениям, соответствующим каждому неравенству системы ограничений;
8)найти полуплоскости решения каждого неравенства системы (обозначить стрелками);
9)найти многоугольник (многоугольную область) решений системы ограничений как пересечение полуплоскостей;
10)построить вектор n (с1,с2) по коэффициентам целевой функции f = c1x1 + c2x2;
11)в семействе параллельных прямых целевой функции выделить одну, например, через начало координат;
12)перемещать прямую целевой функции параллельно самой себе по
←предыдущая следующая→
1 2