第1章 单纯形法精选文档.ppt
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1、本讲稿第一页,共八十三页线性规划单纯形法线性规划单纯形法 单纯形法(Simplex Method)是美国人丹捷格(G.Dantzig)1947年创建的这种方法简捷、规范,是举世公认的解决线性规划问题行之有效的方法。单纯形法的表现形式:代数法表格法矩阵法本讲稿第二页,共八十三页单纯形法形法线性规划问题的几何意义:凸集:没有凹入部分,内部没有空洞。实习圆、实心球体、实心立方体都是凸集;两个凸集的交集是凸集。若线性规划问题存在可行域,则可行域是凸集。线性规划问题的基可行解对应可行域的顶点。若可行域有界,线性规划问题的目标函数一定可以在其可行域的顶点上达到最优。本讲稿第三页,共八十三页单纯形法的一般原
2、理单纯形法的一般原理考虑线形规划问题:max ZCX AXb X0如果有可行域DXRn|AX=b,X0非空有界,则D上的最优目标函数值ZCX一定可以在D的顶点达到。本讲稿第四页,共八十三页单纯形法的基本思路形法的基本思路根据线性规划问题的标准型,从可行域中某个基可行解一个顶点)开始,转换到另一个基可行解(顶点),并且使目标函数达到最大值时,问题就得到最优解。因此得到5个步骤:初始解判优判无界换基迭代本讲稿第五页,共八十三页确定初始的基本可行解确定初始的基本可行解确定初始的基本可行解确定初始的可行基初始的可行基确定对应初始基本可行解确定本讲稿第六页,共八十三页最优解判别最优解判别不妨假设不妨假设
3、 A=(B,N)(B为一个基为一个基为一个基为一个基)相应地有相应地有 X Xt t=(X=(XB B,X,XN N)t t C=(CB B,CN)由式由式 max ZCX AXb X0 Z=Z=(C(CB,C,CN)(XB,X,XN)t=C=CB B X XB+CN N XN AX AX(B,N)(XB,N)(XB,XN)t=B=B XB+N+N XN=b=b本讲稿第七页,共八十三页因为因为因为因为B B为一个基为一个基为一个基为一个基,det(B)0,det(B)0有有有有 X XB=B=B-1b-Bb-B-1-1N XN N (2.1)Z=CZ=CB B B-1-1b+(C(CN N-C
4、B B B-1N)N)X XN (2.22.2)令令令令X XN N0,则基变量,则基变量XBB-1bX X=(X=(XB B,X,XN N)=)=(B B-1-1b,0)T为基础解,其目标函数值为为基础解,其目标函数值为 Z=C CB B B-1b b只要只要只要只要X XB=B-1b=0,Xb=0,Xt t=(B-1-1b,0b,0)=0=0X为基础可行解为基础可行解,B就是可行基。就是可行基。本讲稿第八页,共八十三页对公式对公式对公式对公式Z=CZ=CB B B-1b+b+(CN N-C-CB B B B-1N)N)XN N (2.2)若满足若满足 C CN-CB B B B-1-1N
5、=0N =0 则对任意的则对任意的 x=0 有有 Z=CX=0 则对应于基则对应于基B的基础可行解的基础可行解x就是基础最优解,就是基础最优解,此时的可行基就是最优基。此时的可行基就是最优基。CB B-1A-C为检验数。为检验数。由于基变量的检验数:由于基变量的检验数:CB B-1B-CB=0CB B-1A-C=(0,CB B-1N-CN)本讲稿第十页,共八十三页单纯形法的求解步形法的求解步骤1、确定初始基可行解 basic feasible solution 先找出初始可行基,确定初始基可行解,建立初始单纯形表 initial simplex tableau。若能从列向量中直接观察到存在个线
6、性无关的单位向量,经过重新安排次序便可得到一个可行基。对约束条件都是,则加入的松驰变量就构成初始基。对约束条件都是,且不存在单位矩阵的等式约束,就要采用人造基的方法:大M法、对偶单纯法。本讲稿第十一页,共八十三页单纯形法的求解步形法的求解步骤 2 2:判:判优2、检验数判别得到初始基可行解后,要检验其是否为最优解:若是,问题解决;否则继续下一步。最优性判别定理:若所有检验数都j0,则找到最优解。本讲稿第十二页,共八十三页单纯形法的求解步形法的求解步骤 3 3:判无界:判无界3、判断是否无界在j 0,j=m+1,n 中,若有某个k 对应 xk 的系数列向量 Pk0,则此问题无界,停止计算;否则转
7、入下一步。即在单纯形表中的某 xk 检验数k 0,而该列系数全小于0,则无界。本讲稿第十三页,共八十三页单纯形法的求解步形法的求解步骤 4 4:换基基4、确定换入变量和换出变量换入变量=进基变量=Entering Variable根据 max(j 0)=k,确定 xk 为换入变量换出变量=出基变量=Leaving Variable按 规则计算,可确定 xl 为换出变量。本讲稿第十四页,共八十三页单纯形法的求解步形法的求解步骤 5 5:迭代:迭代 5、迭代以 alk 为主元素(pivot number)进行迭代,得到新的单纯形表。迭代又称旋转运算,或高斯消去法。本讲稿第十五页,共八十三页单纯形法
8、的求解步形法的求解步骤重复步骤25,直到终止。判优换基迭代判优换基迭代判优换基迭代判优 最优解本讲稿第十六页,共八十三页换入变量的确定最大增加原则假设检验向量 N N(C(CN N-C-CB B B B-1-1N)=(N)=(m+1m+1,m+2m+2,n n),),若其中有两个以上的检验数为正,选取最大正检验数所对应的若其中有两个以上的检验数为正,选取最大正检验数所对应的非基变量为换入变量。非基变量为换入变量。若:若:maxmax j j|j j0,m+1jn=0,m+1jn=m+Km+K 则选取对应的则选取对应的x xm+km+k为换入变量。为换入变量。基本可行解的改进基本可行解的改进本讲
9、稿第十七页,共八十三页换出变量的确定最小比值原则基本可行解的改进基本可行解的改进本讲稿第十八页,共八十三页例:maxZ=5x1+2x2+3x3-x4+x5 x1+2x2+2x3+x4 =8 3x1+4x2+x3 +x5=7 x1,x2,x3,x4,x50 其中用初等变换求改进了的基本可行解用初等变换求改进了的基本可行解在系数矩阵A中存在一个单位矩阵B(p4,p5)本讲稿第十九页,共八十三页取x4,x5为基变量,x1,x2,x3为非基变量,在这一情况下:(1 1)确定初始基本可行解)确定初始基本可行解本讲稿第二十页,共八十三页令XN=0,XB=B-1b=b=基本可行解X=(0,0,0,8,7)T
10、目标函数值:本讲稿第二十一页,共八十三页(2)检验X=(0,0,0,8,7)T是否最优:由最优解判别定理,非基变量检验数130,340,所以X=(0,0,0,8,7)T不是最优解本讲稿第二十二页,共八十三页 选取换入变量:因为max3,4=4,按最大增加原则,取x3为换入变量 选取换出变量 因为:所以取min(8/2,7/1)=4,由最小取值原则选取x4为换出变量 (3)基本可行解X=(0,0,0,8,7)T的改进本讲稿第二十三页,共八十三页(4)求改进的基本可行解X:本讲稿第二十四页,共八十三页再转向步骤(2)本讲稿第二十五页,共八十三页(2)检验X=(0,0,4,0,3)T是否最优:由最优
11、解判别定理,非基变量检验数110,所以X=(0,0,4,0,3)T不是最优解本讲稿第二十六页,共八十三页 选取换入变量:因为110,按最大增加原则,取x1为换入变量 选取换出变量 因为:所以取min(4/(1/2),3/(5/2)=6/5,由最小取值原则选取x5为换出变量 (3)基本可行解X=(0,0,4,0,3)T的改进本讲稿第二十七页,共八十三页(4)求改进的基本可行解X:本讲稿第二十八页,共八十三页再转向步骤(2)本讲稿第二十九页,共八十三页(2)检验X=(6/5,0,17/5,0,0)T是否最优:由最优解判别定理,非基变量检验数2,4,5 都小于0,所以X=(6/5,0,17/5,0,
12、0)T是最优解本讲稿第三十页,共八十三页表格单纯形法,是对上节讨论的方法步骤进行具体化、规范化、表格化的结果。一、单纯形法表一、单纯形法表CjC1C2CjCn比值CBXBbx1x2xjxnCB1xB1b1a11a12a1ja1n1CB2xB2b2a21a22a2ja2n2CBnxBnbmam1am2amjamnm检验数j-Z12jn表格单纯形法表格单纯形法本讲稿第三十一页,共八十三页将线性规划问题化成标准型。找出或构造一个m阶单位矩阵作为初始可行基,建立初始单纯形表。计算各非基变量xj的检验数j=Cj-CBPj,若所有j0,则问题已得到最优解,停止计算,否则转入下步。在大于0的检验数中,若某个
13、k所对应的系数列向量Pk0,则此问题是无界解,停止计算,否则转入下步。根据maxjj0=k原则,确定xk为换入变量(进基变量),再按规则计算:=minbi/aik|aik0=bl/aik 确定xBl为换出变量。建立新的单纯形表,此时基变量中xk取代了xBl的位置。以aik为主元素进行迭代,把xk所对应的列向量变为单位列向量,即aik变为1,同列中其它元素为0,转第 步。二、单纯形法的计算步骤二、单纯形法的计算步骤 本讲稿第三十二页,共八十三页例例、某航空食品公司利用甲、乙、丙三种原料生产、某航空食品公司利用甲、乙、丙三种原料生产A1A1、A2A2、A3A3和和A4A4四种食品,每月可供应该公司
14、的原料及每种食品可四种食品,每月可供应该公司的原料及每种食品可获利情况如下表所示,试求该食品公司每月应如何安排生获利情况如下表所示,试求该食品公司每月应如何安排生产计划,才能使总利润最大。产计划,才能使总利润最大。15001500300030002500250020002000利润(元利润(元/吨)吨)2002000 01 12 21 1丙丙3003003 31 11 10 0乙乙5005002 22 21 11 1甲甲每月原料供每月原料供应量(吨)应量(吨)A4A3A2A1 消耗消耗 食品食品原料原料本讲稿第三十三页,共八十三页解:此问题的线性规划模型为Max Z=2000 x1+2500
15、x2+3000 x3+1500 x4 (1)x1+x2+2x3+2 x4 500 (2)x2+x3+3 x4 300 (3)x1+2 x2+x3 200 (4)xi0 (i=1,2,3,4)(5)x1+x2+2x3+2 x4+x5 =500 (2)x2+x3+3 x4 +x6 =300 (3)x1+2 x2+x3 +x7=200 (4)xi0 (i=1,2,7)(5)化为标准型:Max Z=2000 x1+2500 x2+3000 x3+1500 x4 (1)s.t.s.t.本讲稿第三十四页,共八十三页cBxBbx1x2x3x4x5x6x72000250030001500000 x5x6x70
16、0050030020010111221123010001000102000250030001500000-z 30002503002002001初始单纯形表0-1-1-11000-3-1-2x330001100重新计算检验数,结果如下页检验数判别换基迭代非基变量检验数为计算本讲稿第三十五页,共八十三页cBxBbx1x2x3x4x5x6x72000250030001500000 x5x600200121230100010-1-1000-3500150000-3000-z 05033.3-1第2单纯形表0-1-11000-3-1-2x3300011001x415001/3-1/3-1/333.30
17、-2/3033.3-1/3-1/3-7/3-4/30-500-2500-500-3000-650000检验数全非正,已经取得最优解,最优解为:X*=(0,0,200,33.3)T Z*=650000计算非基变量检验数为检验数判别最终单纯形表Final Simplex tableau0本讲稿第三十六页,共八十三页 maxZ=3x1+5 x2+0 x3+0 x4+0 x5=0 x1 +x3 =8 2x2 +x4 =12 3x1+4 x2 +x5=36 三、单纯形法计算举例三、单纯形法计算举例Cj比比值值CBXBb检验数检验数 jx1x2x3x4x53500081010012020103634001
18、x3x4x5000035000-12/2=636/4=9本讲稿第三十七页,共八十三页检验数检验数 j81010060101/2012300-21x3x2x5050-30300-5/208-4Cj比比值值CBXBb检验数检验数 jx1x2x3x4x53500081010012020103634001x3x4x5000035000-12/2=636/4=9本讲稿第三十八页,共八十三页Cj比比值值CBXBb检验数检验数 jx1x2x3x4x53500081010060101/2012300-21x3x2x5050-30300-5/208-4检验数检验数 j40012/3-1/360101/20410
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