第三章对偶理论及灵敏度分析优秀PPT.ppt
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1、第三章对偶理论及灵敏度分析现在学习的是第1页,共117页返回返回返回返回继续继续继续继续3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 线性规划的对偶问题线性规划的对偶问题线性规划的对偶问题线性规划的对偶问题一、对偶问题的提出一、对偶问题的提出二、原问题与对偶问题的数学模型二、原问题与对偶问题的数学模型三、原问题与对偶问题的对应关系三、原问题与对偶问题的对应关系现在学习的是第2页,共117页实例:某家电厂家利用现有资源生产两种实例:某家电厂家利用现有资源生产两种 产品,产品,有关数据如下表:有关数据如下表:设备设备A 设备设备B调试工序调试工序利润(元)利润(元)0612521115时时24时
2、时 5时时产品产品产品产品D一、对偶问题的提出一、对偶问题的提出现在学习的是第3页,共117页如何安排生产,如何安排生产,使获利最多使获利最多?厂厂家家设设 产量产量 产量产量现在学习的是第4页,共117页 设:设备设:设备A A 元时元时 设备设备B B 元时元时 调试工序调试工序 元时元时收收购购 付出的代价最小,付出的代价最小,且对方能接受。且对方能接受。出让代价应不低于出让代价应不低于用同等数量的资源用同等数量的资源自己生产的利润。自己生产的利润。现在学习的是第5页,共117页 设备设备A 设备设备B调试工序调试工序利润(元)利润(元)0612521115时时24时时 5时时Dn厂家能
3、接受的条件:厂家能接受的条件:n收购方的意愿:收购方的意愿:单位产品单位产品出租出租收入不低于收入不低于2 2元元单位产品单位产品出租出租收入不低于收入不低于1 1元元出让代价应不低于出让代价应不低于用同等数量的资源用同等数量的资源自己生产的利润。自己生产的利润。现在学习的是第6页,共117页厂厂家家对对偶偶问问题题原原问问题题收收购购厂厂家家一对对偶问题一对对偶问题现在学习的是第7页,共117页3 3个约束个约束2 2个变量个变量2 2个约束个约束 3 3个变量个变量原问题原问题对偶问题对偶问题一般规律现在学习的是第8页,共117页 特点:特点:1 2限定向量限定向量b 价值向量价值向量C
4、(资源向量)资源向量)3一个约束一个约束 一个变量。一个变量。4 的的LP约束约束“”的的 LP是是“”的约束。的约束。5变量都是非负限制。变量都是非负限制。其它形式其它形式的对偶的对偶?现在学习的是第9页,共117页二、原问题与对偶问题的数学模型二、原问题与对偶问题的数学模型n1对称形式的对偶对称形式的对偶 当原问题对偶问题只含有不等式约束时,称当原问题对偶问题只含有不等式约束时,称为对称形式的对偶。为对称形式的对偶。原问题原问题对偶问题对偶问题情形一:情形一:现在学习的是第10页,共117页原问题原问题对偶问题对偶问题化为标准对称型化为标准对称型情形二:情形二:证明证明对偶对偶现在学习的是
5、第11页,共117页n2、非对称形式的对偶非对称形式的对偶 若原问题的约束条件是等式,则若原问题的约束条件是等式,则原问题原问题对偶问题对偶问题现在学习的是第12页,共117页推导推导:原问题原问题现在学习的是第13页,共117页 根据对称形式的对偶模型根据对称形式的对偶模型,可直接写出可直接写出上述问题的对偶问题上述问题的对偶问题:现在学习的是第14页,共117页令令 ,得对偶问题为:,得对偶问题为:证毕。证毕。现在学习的是第15页,共117页三、原问题与对偶问题的对应关系三、原问题与对偶问题的对应关系 原问题(或对偶问题)原问题(或对偶问题)对偶问题(或原问题)对偶问题(或原问题)现在学习
6、的是第16页,共117页n例例:现在学习的是第17页,共117页对偶问题为对偶问题为现在学习的是第18页,共117页返回返回返回返回线性规划的对偶问题线性规划的对偶问题线性规划的对偶问题线性规划的对偶问题现在学习的是第19页,共117页返回返回返回返回继续继续继续继续3.1.2 3.1.2 对偶问题的基本性质对偶问题的基本性质引例引例对称性对称性弱对偶性弱对偶性最优性最优性对偶性(强对偶性)对偶性(强对偶性)互补松弛性互补松弛性现在学习的是第20页,共117页对对偶偶问问题题原原问问题题收收购购厂厂家家n引例引例现在学习的是第21页,共117页()原问题原问题的变量的变量原问题松弛变量原问题松
7、弛变量对偶问题对偶问题剩余变量剩余变量对偶问题的变量对偶问题的变量化为极小问题原问题化为极小问题,最终单纯形表:原问题化为极小问题,最终单纯形表:现在学习的是第22页,共117页原问题的变量原问题的变量原问题松弛变量原问题松弛变量对偶问题剩余变量对偶问题剩余变量对偶问题的变量对偶问题的变量对偶问题用两阶段法求解的最终的单纯形表对偶问题用两阶段法求解的最终的单纯形表现在学习的是第23页,共117页()原问题原问题的变量的变量原问题松弛变量原问题松弛变量对偶问题对偶问题剩余变量剩余变量对偶问题的变量对偶问题的变量化为极小问题化为极小问题原问题原问题最优解最优解对偶问题对偶问题最优解最优解原问题化为
8、极小问题,最终单纯形表:原问题化为极小问题,最终单纯形表:现在学习的是第24页,共117页n两个问题作一比较两个问题作一比较:1.两者的最优值相同两者的最优值相同2.变量的解在两个单纯形表中互相包含变量的解在两个单纯形表中互相包含原问题最优解原问题最优解(决策变量)(决策变量)对偶问题最优解对偶问题最优解(决策变量)(决策变量)对偶问题的松弛变量对偶问题的松弛变量原问题的松弛变量原问题的松弛变量现在学习的是第25页,共117页从引例中可见:从引例中可见:原问题与对偶问题在某种意义上来说,实原问题与对偶问题在某种意义上来说,实质上是一样的,因为第二个问题仅仅在第一个质上是一样的,因为第二个问题仅
9、仅在第一个问题的另一种表达而已。问题的另一种表达而已。理论证明:理论证明:原问题与对偶问题解的关系原问题与对偶问题解的关系现在学习的是第26页,共117页对偶问题的基本性质对偶问题的基本性质一、对称定理:一、对称定理:定理:定理:对偶问题的对偶是原问题对偶问题的对偶是原问题。设原问题(设原问题(1 1)对偶问题(对偶问题(2 2)现在学习的是第27页,共117页二、弱对偶性定理:二、弱对偶性定理:若若 和和 分别是原问题(分别是原问题(1 1)及)及对偶问题(对偶问题(2 2)的可行解,则有)的可行解,则有 证明:证明:对偶问题的基本性质对偶问题的基本性质现在学习的是第28页,共117页n(1
10、 1)极大化问题(原问题)的任一可行解所对应的目)极大化问题(原问题)的任一可行解所对应的目标函数值是对偶问题最优目标函数值的下界。标函数值是对偶问题最优目标函数值的下界。n(2 2)极小化问题(对偶问题)的任一可行解所对应的)极小化问题(对偶问题)的任一可行解所对应的目标函数值是原问题最优目标函数值的上界。目标函数值是原问题最优目标函数值的上界。n(3 3)若原问题可行,但其目标函数值无界,则对偶)若原问题可行,但其目标函数值无界,则对偶问题无可行解。问题无可行解。现在学习的是第29页,共117页n(4 4)若对偶问题可行,但其目标函数值无界,)若对偶问题可行,但其目标函数值无界,则原问题无
11、可行解。则原问题无可行解。n(5 5)若原问题有可行解而其对偶问题无可行解,则原)若原问题有可行解而其对偶问题无可行解,则原问题目标函数值无界。问题目标函数值无界。n(6 6)对偶问题有可行解而其原问题无可行解,则对偶)对偶问题有可行解而其原问题无可行解,则对偶问题的目标函数值无界。问题的目标函数值无界。原问题原问题对偶问题对偶问题现在学习的是第30页,共117页三、最优性定理:三、最优性定理:若若 和和 分别是(分别是(1 1)和()和(2 2)的)的 可行解,且有可行解,且有 则则 分别是分别是(1 1)和()和(2 2)的最优解)的最优解 。则则 为(为(1 1)的最优解,)的最优解,反
12、过来可知:反过来可知:也是(也是(2 2)的最优解。)的最优解。证明:因为(证明:因为(1)的任一可行解)的任一可行解 均满足均满足对偶问题的基本性质对偶问题的基本性质现在学习的是第31页,共117页证明:证明:原问题与对偶问题的解一般有三种情况原问题与对偶问题的解一般有三种情况:n一个有有限最优解一个有有限最优解 另一个有有限最优解。另一个有有限最优解。n一个有无界解一个有无界解 另一个无可行解。另一个无可行解。n两个均无可行解。两个均无可行解。四、对偶定理(强对偶性):四、对偶定理(强对偶性):若原问题及其对偶问题均具有可行解,则若原问题及其对偶问题均具有可行解,则两者均具有最优解,且它们
13、最优解的目标函数值两者均具有最优解,且它们最优解的目标函数值相等相等。对偶问题的基本性质对偶问题的基本性质现在学习的是第32页,共117页五、互补松弛性:五、互补松弛性:若若 分别是原问题(分别是原问题(1 1)与对偶问题)与对偶问题(2 2)的可行解,)的可行解,分别为(分别为(1 1)、()、(2 2)的)的松弛变量,则:松弛变量,则:即:即:为最优解为最优解原问题第原问题第i条约束条约束 A的第的第i行行现在学习的是第33页,共117页 说明:在线性规划问题的最优解中,如果对应说明: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,则该约束某一约束条件的对偶变量值为非零,
14、则该约束条件去严格等式;反之如果约束条件取严格不条件去严格等式;反之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。等式,则其对应的对偶变量一定为零。另一方面:另一方面:对偶问题的第对偶问题的第j条约束条约束现在学习的是第34页,共117页n n互补松弛定理应用:互补松弛定理应用:n(1)从已知的最优对偶解,求原问题最优解,)从已知的最优对偶解,求原问题最优解,反之亦然。反之亦然。n(2)证实原问题可行解是否为最优解。)证实原问题可行解是否为最优解。n(3)从不同假设来进行试算,从而研究原)从不同假设来进行试算,从而研究原始、对偶问题最优解的一般性质。始、对偶问题最优解的一般性质。n(4
15、)非线性的方面的应用。)非线性的方面的应用。以上性质同样适用于非对称形式。以上性质同样适用于非对称形式。现在学习的是第35页,共117页返回返回返回返回对偶问题的基本性质对偶问题的基本性质现在学习的是第36页,共117页返回返回返回返回继续继续继续继续3.1.3 3.1.3 影子价格影子价格在单纯形法的每步迭代中,目标函数取值 ,和检验数 中都有乘子 ,那么Y的经济意义是什么?现在学习的是第37页,共117页n 当线性规划原问题求得最优解时,其对偶问题也得到最优解 ,且代入各自的目标函数后有:是线性规划原问题约束条件的右端项,它代表第 种资源的拥有量;(3)现在学习的是第38页,共117页 对
16、偶变量 的意义代表在资源最优利用条件下对单位第 种资源的估价,这种估价不是资源的市场价格,而是根据资源在生产中作出的贡献而作的估价,为区别起见,称为影子价格(shadow price)。影子价格的定义影子价格的定义现在学习的是第39页,共117页n1资源的市场价格是已知数,相对比较稳定,而它的影子价格则有赖于资源的利用情况,是未知数。由于企业生产任务、产品结构等情况发生变化,资源的影子价格也随之改变。影子价格的经济意义影子价格的经济意义市场价格影子价格市场企业现在学习的是第40页,共117页影子价格的经济意义影子价格的经济意义n2影子价格是一种边际价格。在(3)式中,。说明 的值相当于在资源得
17、到最优利用的生产条件下,每增加一个单位时目标函数 的增量。现在学习的是第41页,共117页n几何解释:引例图解法分析几何解释:引例图解法分析。(3,3)(15/4,5/4),z=8.75(7/2,3/2),z=8.5现在学习的是第42页,共117页影子价格的经济意义影子价格的经济意义3资源的影子价格实际上又是一种机会成本.在纯市场经济条件下,当第2种资源的市场价格低于1/4时,可以买进这种资源;相反当市场价格高于影子价格时,就会卖出这种资源。随着资源的买进卖出,它的影子价格也将随之发生变化,一直到影子价格与市场价格保持同等水平时,才处于平衡状态。现在学习的是第43页,共117页n4在对偶问题的
18、互补松弛性质中有 这表明生产过程中如果某种资源 未得到充分利用时,该种资源的影子价格为零;又当资源的影子价格不为零时,表明该种资源在生产中已耗费完毕。现在学习的是第44页,共117页n5从影子价格的含义上考察单纯形表的 检验数的经济意义。(4)第j种产品的产值生产第j中产品所消耗各项资源的影子价格的总和。(即隐含成本)可见,产品产值可见,产品产值隐含成本隐含成本 可生产该产品;可生产该产品;否则,不安排生产。否则,不安排生产。检验数的经济意义检验数的经济意义现在学习的是第45页,共117页影子价格的经济意义影子价格的经济意义n6一般说对线性规划问题的求解是确定资源的最优分配方案,而对于对偶问题
19、的求解则是确定对资源的恰当估价,这种估价直接涉及到资源的最有效利用。经济学研究如何管理自己的稀缺资源现在学习的是第46页,共117页返回返回返回返回影子价格影子价格现在学习的是第47页,共117页3.1.4 3.1.4 对偶单纯形法对偶单纯形法n 对偶单纯形法的基本思路对偶单纯形法的基本思路n 对偶单纯形法的计算步骤对偶单纯形法的计算步骤返回返回返回返回继续继续继续继续现在学习的是第48页,共117页对偶单纯形法的基本思路对偶单纯形法的基本思路对偶单纯形法的基本思路对偶单纯形法的基本思路单纯形法的基本思路:单纯形法的基本思路:原问题基可行解原问题基可行解 最优解判断最优解判断对偶问题的可行解对
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