运筹学 --线性规划(02).ppt
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1、Max S =CX Max S =CX s.t.AX=b s.t.AX=b X X 0 0基,基解,基可行解,可行基。基,基解,基可行解,可行基。线性规划问题的可行域线性规划问题的可行域D是凸集。是凸集。顶点与基可行解相对应顶点与基可行解相对应线性规划问题的最优解,必定在线性规划问题的最优解,必定在D的顶点上达到。的顶点上达到。目标函数在多个顶点上达到最优值。这些顶点的目标函数在多个顶点上达到最优值。这些顶点的凸组合也是最优值。(有无穷多最优解)。凸组合也是最优值。(有无穷多最优解)。第三节第三节 线性规划线性规划-单纯形方法单纯形方法单纯形方法基本思路:单纯形方法基本思路:从可行域中某个基础
2、可行解(一个顶点)从可行域中某个基础可行解(一个顶点)开始(称为初始基础可行解)。开始(称为初始基础可行解)。线性规划(线性规划(2 2)-单纯形方法单纯形方法单纯形方法基本思路:单纯形方法基本思路:从可行域中某个基础可行解(一个顶点)从可行域中某个基础可行解(一个顶点)开始(称为初始基础可行解)。开始(称为初始基础可行解)。如可能,从可行域中求出具有更优目标函如可能,从可行域中求出具有更优目标函数值的另一个基础可行解(另一个顶点),数值的另一个基础可行解(另一个顶点),以改进初始解。以改进初始解。线性规划(线性规划(2 2)-单纯形方法单纯形方法单纯形方法基本思路:单纯形方法基本思路:从可行
3、域中某个基础可行解(一个顶点)从可行域中某个基础可行解(一个顶点)开始(称为初始基础可行解)。开始(称为初始基础可行解)。如可能,从可行域中求出具有更优目标函如可能,从可行域中求出具有更优目标函数值的另一个基础可行解(另一个顶点),数值的另一个基础可行解(另一个顶点),以改进初始解。以改进初始解。继续寻找更优的基础可行解,进一步改进继续寻找更优的基础可行解,进一步改进目标函数值。当某一个基础可行解不能再目标函数值。当某一个基础可行解不能再改善时,该解就是最优解。改善时,该解就是最优解。第三节第三节 线性规划线性规划-单纯形方法单纯形方法单纯形方法基本思路:单纯形方法基本思路:1.1.从可行域中
4、某个基础可行解(一个顶点)从可行域中某个基础可行解(一个顶点)开始(称为初始基础可行解)。开始(称为初始基础可行解)。2.2.如可能,从可行域中求出具有更优目标函数值如可能,从可行域中求出具有更优目标函数值的另一个基础可行解(另一个顶点),以改进的另一个基础可行解(另一个顶点),以改进3.3.继续寻找更优的基础可行解,进一步改继续寻找更优的基础可行解,进一步改进目标函数值。当某一个基础可行解不能进目标函数值。当某一个基础可行解不能再改善时,该解就是最优解。再改善时,该解就是最优解。初始解。初始解。一、消去法一、消去法例例1-18:一个企业需要同一两种原:一个企业需要同一两种原材料生产甲乙两种产
5、品,它们的材料生产甲乙两种产品,它们的单位产品所需要的原材料的数量单位产品所需要的原材料的数量及所耗费的加工时间各不相同,及所耗费的加工时间各不相同,从而获得的利润也不相同(如下从而获得的利润也不相同(如下表)。那么,该企业应如何安排表)。那么,该企业应如何安排生产计划,才能使获得的利润达生产计划,才能使获得的利润达到最大?到最大?解:数学模型解:数学模型 max S=2x1+3x2 s.t.x1+2x2 8 4x1 16 4x2 12 x1,x20解:引进松弛变量解:引进松弛变量x3,x4,x5=0数学模型标准形式:数学模型标准形式:max S=2x1+3x2 s.t.x1+2x2+x3 =
6、8 4x1 +x4=16 4x2 +x5=12 x1,x2,x3,x4,x5 0约束条件的增广矩阵为:约束条件的增广矩阵为:1 2 1 0 0 8(A b)=4 0 0 1 0 16 0 4 0 0 1 12显然显然 r(A)=r(Ab)=3=0 (1-19)a a11 11 a a1212 .a .a1n 1n b b1 1 A=a a21 21 a a2222 .a .a2n 2n b =b b2 2 a am1 m1 a am2m2 .a amnmn b bn n c c1 1 x x1 1 0 0 c c2 2 x x2 2 0 0C Ct t=X=0=X=0=.c cn n x xn
7、 n 0 0并且并且并且并且 r(A)=mn.r(A)=m=0,X=(B-1b,0)T=0X为基础可行解为基础可行解,B就是可行基。就是可行基。另外,若满足另外,若满足 CN-CB B-1N 0或或 CB B-1N-CN 0则对任意的则对任意的 x=0 有有 S=CX CB B-1b 即对应可行基即对应可行基B的可行解的可行解x为最优解。为最优解。定理(最优解判别准则)定理(最优解判别准则)对于可行基对于可行基B,若若 C-CB B-1A 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就是就是基础最基础最优解,此时的可行基就是最优基。优解,此时的可行基就是最优基。=C-CB B-1A为检
8、验数。为检验数。基变量的检验数:基变量的检验数:CB-CB B-1B=0C-CB B-1A=(0,CN-CB B-1N)换入基变量中,得到基可行解换入基变量中,得到基可行解换入基变量中,得到基可行解换入基变量中,得到基可行解定理:若检验数全小于等于零,且某一个非基变量定理:若检验数全小于等于零,且某一个非基变量定理:若检验数全小于等于零,且某一个非基变量定理:若检验数全小于等于零,且某一个非基变量的检验数为的检验数为的检验数为的检验数为0 0,则线性规划问题有无穷多最优解。,则线性规划问题有无穷多最优解。,则线性规划问题有无穷多最优解。,则线性规划问题有无穷多最优解。(无穷多最优解情况)(无穷
9、多最优解情况)(无穷多最优解情况)(无穷多最优解情况)证明:证明:证明:证明:某个非基变量某个非基变量某个非基变量某个非基变量为为为为最优解。故线性规划问题有无最优解。故线性规划问题有无最优解。故线性规划问题有无最优解。故线性规划问题有无穷多最优解。穷多最优解。穷多最优解。穷多最优解。为一基可行解,有一个变量为一基可行解,有一个变量为一基可行解,有一个变量为一基可行解,有一个变量X Xm+km+k对应对应对应对应因因因因为可行解。为可行解。为可行解。为可行解。定理:定理:若存在检验数大于零,但所对应的换入变量若存在检验数大于零,但所对应的换入变量若存在检验数大于零,但所对应的换入变量若存在检验
10、数大于零,但所对应的换入变量X Xm+km+k的系数向量的系数向量的系数向量的系数向量P Pm+km+k0,0,则原问题无最优解。(则原问题无最优解。(则原问题无最优解。(则原问题无最优解。(无界解的情况)无界解的情况)无界解的情况)无界解的情况)证明:证明:证明:证明:构造一个新的解构造一个新的解构造一个新的解构造一个新的解 ,分量为,分量为,分量为,分量为定理定理:若非基变量检验数严格小于零,则线:若非基变量检验数严格小于零,则线性规划问题有唯一最优解。性规划问题有唯一最优解。定理定理定理定理:若检验数全小于等于零,且某一个非基变量:若检验数全小于等于零,且某一个非基变量:若检验数全小于等
11、于零,且某一个非基变量:若检验数全小于等于零,且某一个非基变量的检验数为的检验数为的检验数为的检验数为0 0,则线性规划问题有无穷多最优解。,则线性规划问题有无穷多最优解。,则线性规划问题有无穷多最优解。,则线性规划问题有无穷多最优解。定理:定理:若某一个非基变量的检验数大于若某一个非基变量的检验数大于若某一个非基变量的检验数大于若某一个非基变量的检验数大于0 0,其系数列向,其系数列向,其系数列向,其系数列向量量量量P Pm+km+k0,0,则原问题无最优解。(则原问题无最优解。(则原问题无最优解。(则原问题无最优解。(无界解的情况)无界解的情况)无界解的情况)无界解的情况)线性规划为求最大
12、化的标准型:线性规划为求最大化的标准型:线性规划为求最小化的标准型时,相应的结线性规划为求最小化的标准型时,相应的结果?果?单纯形表:单纯形表:T T(B B)=B=B-1-1b Bb B-1-1A A C CB B B B-1-1b C-Cb C-CB B B B-1-1A A =B =B-1-1b I Bb I B-1-1N N C CB B B B-1-1b 0 Cb 0 CN N-C-CB B B B-1-1N N注意:注意:A=(B,N)检验数检验数=C-CB B-1A=(0,CN-CB B-1N)非基变量检验数非基变量检验数=CN-CB B-1N时时,达到最优。达到最优。单纯形表格
13、:单纯形表格:单纯形解题步骤:单纯形解题步骤:(已知初始可行基)(已知初始可行基)求最大化时求最大化时一、作对应一、作对应B的单纯形表的单纯形表:T T(B B)=B=B-1-1b Bb B-1-1A A C CB B B B-1-1b C-Cb C-CB B B B-1-1A A =B =B-1-1b I Bb I B-1-1N N C CB B B B-1-1b 0 Cb 0 CN N-C-CB B B B-1-1N N单纯形解题步骤:单纯形解题步骤:二、判别二、判别若检验数全小于等于零,则基若检验数全小于等于零,则基B所对应所对应的基础可行解的基础可行解X就是最优解,终止。就是最优解,终
14、止。若存在检验数大于零,但所对应的换若存在检验数大于零,但所对应的换入变量入变量Xk的系数向量的系数向量Pk0,则原问题无则原问题无最优解,终止。最优解,终止。若存在检验数大于零,且对应的系数若存在检验数大于零,且对应的系数列有大于零的分量,则需要换基迭代。列有大于零的分量,则需要换基迭代。三、换基迭代三、换基迭代确定换入变量确定换入变量Xk,其中其中max(j 0)=k,xk为换入变量为换入变量 j=1,2,m确定换出基变量确定换出基变量Xr,根据最小比值原则根据最小比值原则min(bi/aik,aik 0,1im)=bl/blkalk为主元素为主元素,Xl为为换出基变量。换出基变量。对单纯
15、形表对单纯形表T(B)进行初等行变换进行初等行变换(主元运算)得到新的单纯形表。(主元运算)得到新的单纯形表。经过上述有限次的换基迭代,就可得到经过上述有限次的换基迭代,就可得到原问题的最优解,或判定无最优解。原问题的最优解,或判定无最优解。例例1-19 求线性规划问题:求线性规划问题:max S=2x1+3x2 s.t.x1+2x2=8 4x1 =16 4x2=0解:解:对目标函数标准化对目标函数标准化max S=2x1+3x2 s.t.x1+2x2+x3 =8 4x1 +x4=16 4x2 +x5=12 x1,x2,x3,x4,x5=0 1 2 1 0 0 A=4 0 0 1 0 0 4
16、0 0 1 (x1 x2 x3 x4 x5)=(N B )解:解:1 0 0B=0 1 0 =I b=(8,16,12)T 0 0 1x3 x4,x5为基变量,为基变量,CB=(0,0,0)x1,x2为非基变量。为非基变量。有有B-1=I,B-1b=b,B-1A=A,单纯性表如下:单纯性表如下:初始单纯性表初始单纯性表TAB(1)为:为:x2换入换入,x5 换出换出;得;得TAB(2)为:为:x1换入换入,x3换出换出;得;得TAB(3)为:为:x5换入换入,x4 换出换出;得;得TAB(4)为:为:此时所有的检验数此时所有的检验数小于等于零小于等于零,此时,此时的基础可行解的基础可行解X=(
17、4,2,0,0,4)T就是最优解,对应的目标函数值:就是最优解,对应的目标函数值:S=14就是最优值,对应的就是最优值,对应的B4就是最优基。就是最优基。求最大化求最大化LP问题单纯形表解题步骤:问题单纯形表解题步骤:一一.LP问题化成标准型问题化成标准型,列初始单纯形表列初始单纯形表二二.判别判别1.若检验数全小于等于零,则基若检验数全小于等于零,则基B所对所对应的基础可行解应的基础可行解X就是最优解,终止。就是最优解,终止。2.若存在检验数大于零,但所对应的换若存在检验数大于零,但所对应的换入变量入变量Xk的系数向量的系数向量Pk0,则原问题无则原问题无最优解,终止。最优解,终止。3.若存
18、在检验数大于零,且对应的系数若存在检验数大于零,且对应的系数列有大于零的分量,则需要换基迭代。列有大于零的分量,则需要换基迭代。三三.换基迭代换基迭代1.确定换入变量确定换入变量Xk,其中其中max(j 0)=k,xk为换入变量为换入变量 j=1,2,m2.确定换出基变量确定换出基变量Xr,根据最小比值原则根据最小比值原则min(bi/aik,aik 0,1im)=bl/blkalk为主元素为主元素,Xl为为换出基变量。换出基变量。对单纯形表对单纯形表T(B)进行初等行变换进行初等行变换(主元运算)得到新的单纯形表。(主元运算)得到新的单纯形表。经过上述有限次的换基迭代,就可得到经过上述有限次
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