第二章对偶理念及灵敏度分析精选文档.ppt
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1、第二章对偶理念及灵敏度分析本讲稿第一页,共八十六页一、问 题 的 提 出例一、资源的合理利用问题 已知资料如表所示,问应如何安排生产计划使得既能充分利用现有资源有使总利润最大?本讲稿第二页,共八十六页一、问 题 的 提 出1810单件利润单件利润150(设备)(设备)51C100(煤炭)(煤炭)32B170(钢材)(钢材)25A资源限制资源限制乙乙甲甲单件单件产产消耗消耗品品资源资源本讲稿第三页,共八十六页下面从另一个角度来讨论这个问题:下面从另一个角度来讨论这个问题:假定:该厂的决策者不是考虑自己生产甲、乙两种产假定:该厂的决策者不是考虑自己生产甲、乙两种产品,而是将厂里的现有资源用于接受外
2、来加工任务,只收品,而是将厂里的现有资源用于接受外来加工任务,只收取加工费。试问该决策者应制定怎样的收费标准(收费的取加工费。试问该决策者应制定怎样的收费标准(收费的最底线)?最底线)?本讲稿第四页,共八十六页本讲稿第五页,共八十六页一、问 题 的 提 出该问题的数学模型为:该问题的数学模型为:本讲稿第六页,共八十六页模型对比请总结规律本讲稿第七页,共八十六页1 1、对称型对偶问题:已知、对称型对偶问题:已知P,写出写出 D。(一)、对偶问题的形式(一)、对偶问题的形式二、线性规划的对偶理论本讲稿第八页,共八十六页原问题:max z=2x1+3x2 s.t 2x1+2x212 x1+2x28
3、4x1 16 4x212 x10 x20对偶问题:min w=12y1+8y2+16 y2+12y4 s.t 2y1+1y2+4 y3+0y4 2 2y1+2y2+0 y3+4y4 3 y1,y2,y3,y40 非对称型对偶问题如何求解?非对称型对偶问题如何求解?本讲稿第九页,共八十六页对偶问题的其变换形式归纳如下对偶问题的其变换形式归纳如下原原问题(或(或对偶偶问题)对偶偶问题(或原(或原问题)目目标标函数函数 max目目标标函数函数 min约束束条条件件m个个m个个变量量0000=无无约束束变量量n个个n个个约束束条条件件0000无无约束束=约束条件右端束条件右端项目目标函数函数变量的系数
4、量的系数目目标函数函数变量的系数量的系数约束条件右端束条件右端项变向变向变向变向大约束,小变量大约束,小变量本讲稿第十页,共八十六页例一、写出线性规划问题的对偶问题例一、写出线性规划问题的对偶问题本讲稿第十一页,共八十六页例二、原问题例二、原问题本讲稿第十二页,共八十六页例三:本讲稿第十三页,共八十六页例四、例四、原问题原问题本讲稿第十四页,共八十六页对偶问题对偶问题本讲稿第十五页,共八十六页例五、线性规划问题如下:例五、线性规划问题如下:本讲稿第十六页,共八十六页本讲稿第十七页,共八十六页练习:练习:本讲稿第十八页,共八十六页本讲稿第十九页,共八十六页(二)、对偶问题的性质1 1、对称性定理
5、:对偶问题的对偶是原问题。、对称性定理:对偶问题的对偶是原问题。以下讨论仅就以下讨论仅就“对称形式对称形式”讨论。讨论。因其他形式都可以转化成因其他形式都可以转化成“对称形式对称形式”,故所有结论适用于所有形式。,故所有结论适用于所有形式。本讲稿第二十页,共八十六页2 2、弱对偶原理(弱对偶性):设、弱对偶原理(弱对偶性):设 和和 分别是问题(分别是问题(P)和和(D)的可行解,则必有的可行解,则必有 推论推论.若若 和和 分别是问题(分别是问题(P P)和(和(D D)的可行解,的可行解,则则 是(是(D D)的目标函数最小值的一个下界;的目标函数最小值的一个下界;是是(P P)的目标函数
6、最大值的一个上界。的目标函数最大值的一个上界。本讲稿第二十一页,共八十六页推论推论.在一对对偶问题(在一对对偶问题(P)和(和(D)中,若其中,若其中一个问题可行但目标函数无界,则另一个问题不中一个问题可行但目标函数无界,则另一个问题不可行;反之不成立。这也是对偶问题的无界性。可行;反之不成立。这也是对偶问题的无界性。关于无界性有如下结论:关于无界性有如下结论:问题无界问题无界无可无可行解行解无可无可行解行解问题无界问题无界对偶问题对偶问题原问题原问题本讲稿第二十二页,共八十六页 3 3、最优性判别定理:、最优性判别定理:若若 X*和和Y*分别是分别是 P和和D 的可行解且的可行解且 CX*=
7、Y*b,则则X*.Y*分别是问题分别是问题 P和和D 的最优解。的最优解。下面来求原问题和对偶问题的最优解:下面来求原问题和对偶问题的最优解:本讲稿第二十三页,共八十六页CjCBCN0系数系数基基XBXNXSCBXBB-1bIB-1NB-1Z=CBB-1b0CN-CBB-1N-CBB-1C-CBB-1A0最优解的判定条件是:最优解的判定条件是:-CBB-10CBB-10令令Y=CBB-1-CBB-10由由C-CBB-1A0则则CBB-1AC即即YAC即即AYCW=Yb=CBB-1b=CBX=Z则则Y0则则Y0本讲稿第二十四页,共八十六页4 4、对偶定理(强对偶性):、对偶定理(强对偶性):若一
8、对对偶问题若一对对偶问题 P和和D 都有可行解,则它们都都有可行解,则它们都有最优解,且目标函数的最优值必相等。有最优解,且目标函数的最优值必相等。推论(推论(3 3).若若 P和和D的任意一个有最优解,则的任意一个有最优解,则另一个也有最优解,且目标函数的最优值相等。另一个也有最优解,且目标函数的最优值相等。推论(推论(4).在一对对偶问题(在一对对偶问题(P)和(和(D)中,若中,若一个可行一个可行,而另一个不可行而另一个不可行,则该可行的问题无界。则该可行的问题无界。原问题有最优解,则对偶问题只少有一个可行解原问题有最优解,则对偶问题只少有一个可行解。并且这一解即为对偶问题的最优解。并且
9、这一解即为对偶问题的最优解。本讲稿第二十五页,共八十六页综上所述,一对对偶问题的关系,只能有下面综上所述,一对对偶问题的关系,只能有下面三种情况之一出现:三种情况之一出现:.都有可行解,都有最优解,分别设为都有可行解,都有最优解,分别设为X*和和Y*,则必有则必有CX*=Y*b;.一个问题无界,则另一个问题无可行解;一个问题无界,则另一个问题无可行解;.两个都无可行解。两个都无可行解。本讲稿第二十六页,共八十六页 5 5、互补松弛定理:、互补松弛定理:在线性规划问题的最优解中,在线性规划问题的最优解中,如果对应某一约束条件的对偶变量值为非零,如果对应某一约束条件的对偶变量值为非零,则该约束条件
10、取严格等式;则该约束条件取严格等式;如果约束条件取严格不等式,则其对应的对偶如果约束条件取严格不等式,则其对应的对偶变量一定为零。变量一定为零。严格不等式约束称为松约束,严格不等式约束称为松约束,而把严格等式约束称为紧约束。而把严格等式约束称为紧约束。本讲稿第二十七页,共八十六页例例4、已知、已知试通过求对偶问题的最优解来求解原问题的最优解。试通过求对偶问题的最优解来求解原问题的最优解。解:对偶问题为解:对偶问题为本讲稿第二十八页,共八十六页用图解法求出:用图解法求出:Y*=(1.3),),W=11。将将y*1=1,y*2=3代入对偶约束条件,代入对偶约束条件,(1)()(2)()(5)式为紧
11、约束,()式为紧约束,(3)()(4)为松约束。)为松约束。令原问题的最优解为令原问题的最优解为X*=(x1.x2.x3.x4.x5),),则根据互补松则根据互补松弛条件,必有弛条件,必有x3=x4=0(1.3)(1)(2)(3)(4)(5)本讲稿第二十九页,共八十六页又由于又由于y*10,y*20,原问题的约束必为等式,即原问题的约束必为等式,即化简为化简为此方程组为无穷多解此方程组为无穷多解 令令x5=0,得到得到x1=1,x2=2即即X*1=(1.2.0.0.0)为原问题的为原问题的一个最优解,一个最优解,Z=11。再令再令x5=2/3,得到得到x1=5/3,x2=0即即X*2(5/3.
12、0.0.0.2/3)也是原问题的一个最优解,也是原问题的一个最优解,Z=11。本讲稿第三十页,共八十六页例例5、已知原问题的最优解、已知原问题的最优解为为X*=(0.0.4)试求对试求对偶问题的最优解。偶问题的最优解。(最优解与最优值的区别)最优解与最优值的区别)解:解:(1)(2)(3)本讲稿第三十一页,共八十六页将将X*=(0.0.4)代入原问题中,有下式:代入原问题中,有下式:所以,根据互补松弛条件,必有所以,根据互补松弛条件,必有y*1=y*2=0,代入对偶问题代入对偶问题(3 3)式,)式,y3=3。因此,对偶问题的最优解为因此,对偶问题的最优解为 Y*=(0.0.3),),W=12
13、。本讲稿第三十二页,共八十六页6 6、对偶问题的解、对偶问题的解利用原问题的最优单纯形表利用原问题的最优单纯形表和改进单纯形表求解对偶问和改进单纯形表求解对偶问题的最优解。题的最优解。设原问题为:设原问题为:maxZ=CXAXbX0引入引入xs,构建初始基变量,然后,用单纯形法求解。当检验数满构建初始基变量,然后,用单纯形法求解。当检验数满足足j0,则求得最优解。此时,则求得最优解。此时,xs对应的对应的js为为-Y*,故求对故求对偶偶Y*,只要将最优单纯形表上只要将最优单纯形表上xs对应的检验数反号即可。对应的检验数反号即可。CCBCN0CBXBbXBXNXSCBXBB-1bIB-1NB-1
14、ZCBB-1b0CNCBB-1NCBB-1本讲稿第三十三页,共八十六页例一、例一、本讲稿第三十四页,共八十六页cj1018000cBxBbx1x2x3x4x50 x3170521000 x4100230100 x515015001-Z01018000cj1018000cBxBbx1x2x3x4x50 x3540/7001-23/711/710 x150/71005/7-3/718x2200/7010-1/72/7-Z-4100/7000-32/7-6/7初初始始表表最最终终表表本讲稿第三十五页,共八十六页由上表可知:由上表可知:X*=(50/7.200/7),),Z=4100/7对偶问题的最优
15、解:对偶问题的最优解:Y*=(0.32/7.6/7),),W=4100/7本讲稿第三十六页,共八十六页例二、例二、本讲稿第三十七页,共八十六页cj3-1-100-M-McBxBbx1x2x3x4x5x6x73x141001/3-2/32/3-5/3-1x210100-11-2-1x390012/3-4/34/3-7/3-Z-2000-1/3-1/31/3-M2/3-Mcj3-1-100-M-McBxBbx1x2x3x4x5x6x70 x4111-211000-Mx63-4120-110-Mx71-2010001-Z3-6M-1+M-1+3M0-M00本讲稿第三十八页,共八十六页所以,所以,X*
16、=(4.1.9),),Z=2y*1=(04)=1/3y*2=(M6)=M(1/3M)=1/3y*3=(M7)=M(2/3M)=2/3Y*=(1/3.1/3.2/3)W=2初始基变量的检验数初始基变量的检验数4=1/3,6=1/3M,7=2/3M本讲稿第三十九页,共八十六页定义:在一对定义:在一对P和和D中,若中,若P的某个约束条件的右端项常的某个约束条件的右端项常数数bi增加一个单位时,所引起的目标函数最优值增加一个单位时,所引起的目标函数最优值Z*的改变量的改变量y*i称为第称为第i个约束条件的影子价格,又称为边际价格。个约束条件的影子价格,又称为边际价格。三、对偶问题的经济解释三、对偶问题
17、的经济解释影子价格影子价格本讲稿第四十页,共八十六页设:设:B是问题是问题P的最优基,由前式可知,的最优基,由前式可知,Z*=CBB-1b=Y*b=y*1b1+y*2b2+y*Ibi+y*mbmCCBCN0CBXBbXBXNXSCBXBB-1bIB-1NB-1ZCBB-1b0CNCBB-1NCBB-1即即y*i表示表示Z*对对bi的变化率。的变化率。本讲稿第四十一页,共八十六页其经济意义是:在其它条件不变的情况下,其经济意义是:在其它条件不变的情况下,单位资源变化所引起的目标函数的最优值的变单位资源变化所引起的目标函数的最优值的变化。即对偶变量化。即对偶变量yi就是第就是第i个约束条件的影子个
18、约束条件的影子价格。价格。本讲稿第四十二页,共八十六页若第若第i种资源的单位市场价格为种资源的单位市场价格为mi。当当yimi时,企业愿意购进这种资源,单位时,企业愿意购进这种资源,单位纯利为纯利为yimi,则有利可图;则有利可图;如果如果yimi,则企业有偿转让这种资源,则企业有偿转让这种资源,可获单位纯利可获单位纯利miyi,否则,企业无利可图,否则,企业无利可图,甚至亏损。甚至亏损。本讲稿第四十三页,共八十六页01 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 x2 x1(4 2)X*=(4.2.0.0.0.4)Y*=(0.3/2.1/8.0)最优值为最优值为14最优值没有发生变化
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