线性规划问题基本概念和基本理论精选课件.ppt

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1、关于线性规划问题基本概念和基本理论第一页，本课件共有25页第二章第二章 基本概念和理论基础基本概念和理论基础2.1 2.1 数学规划模型的一般形式数学规划模型的一般形式 min min f(x)-目标函数目标函数 s.t.s.t.x S-约束集合，可行集约束集合，可行集其中，其中，S R R n n，f:S R R，x S称（称（f S)的可行解的可行解l最优解最优解:x*S，满足满足f(x*)f(x),x S。则称则称 x*为为(f S)的全局最优解的全局最优解(最优解最优解),),记记 g.opt.(global optimum),),简记简记 opt.l最优值最优值:x*为为(f S)的

2、最优解的最优解,则称则称 f*=f(x*)为为 (f S)的最优值的最优值(最优目标函数值最优目标函数值)(f S)第二页，本课件共有25页2.1 2.1 数学规划模型的一般形式（续）数学规划模型的一般形式（续）l局部最优解局部最优解:x*S，x*的邻域的邻域 N(x*)，使满足，使满足 f(x*)f(x),x S N(x*)。则称则称 x*为为(f S)的局部最的局部最优解优解,记记 l.opt.(local optimum)l在上述定义中，当在上述定义中，当x x*时有严格不等式成立，时有严格不等式成立，则分别则分别称称 x*为为(f S)的严格全局最优解和严格局部最优解。的严格全局最优解

3、和严格局部最优解。严格严格l.opt.严格严格g.opt.l.opt.第三页，本课件共有25页2.1 2.1 数学规划模型的一般形式（续）数学规划模型的一般形式（续）l函数形式函数形式:f(x),gi(x),hj(x):RnR min f(x)(fgh)s.t.gi(x)0 ,i=1,2,m hj(x)=0 ,j=1,2,ll矩阵形式矩阵形式:min f(x)，f(x):RnR(fgh)s.t.g(x)0 ,g(x):RnRm h(x)=0 ,h(x):RnRl 当当 f(x),gi(x),hj(x)均为线性函数时，称线性规均为线性函数时，称线性规划；若其中有非线性函数时，称非线性规划。划；若

4、其中有非线性函数时，称非线性规划。第四页，本课件共有25页2.2 2.2 凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划一、凸集一、凸集1、凸集的概念：、凸集的概念：定义：设集合定义：设集合 S Rn，若若 x(1),x(2)S,0,1，必有，必有 x(1)(1-)x(2)S，则称，则称 S 为凸集。为凸集。规定：单点集规定：单点集 x 为凸集，空集为凸集，空集为凸集。为凸集。注注:x(1)(1-)x(2)=x(2)(x(1)-x(2)是连接是连接 x(1)与与x(2)的线段的线段。凸集凸集非凸集非凸集非凸集非凸集第五页，本课件共有25页2.2 2.2 凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划(续续

5、)一、凸集一、凸集 1、凸集的概念：、凸集的概念：l例例:证明集合证明集合 S=x Ax=b 是凸集。其中，是凸集。其中，A为为 m n矩阵，矩阵，b为为m维向量。维向量。l凸组合：凸组合：设设 x(1),x(2),x(m)R Rn n,j j 0 m m j=1,那么称那么称 j x(j)为为x(1),x(2),x(m)的的 j=1 j=1凸组合。凸组合。m比较比较:z=j x(j)j=1 j R 构成线性组合构成线性组合 线性子空间线性子空间 j0,j 0 构成半正组合构成半正组合 凸锥凸锥 j0,j=0 构成凸组合构成凸组合 凸集凸集第六页，本课件共有25页2.2 2.2 凸集、凸函数和

6、凸规划凸集、凸函数和凸规划(续续)一、凸集一、凸集 1、凸集的概念：、凸集的概念：定理：定理：S是凸集是凸集S中任意有限点的凸组合属于中任意有限点的凸组合属于Sl多胞形多胞形 H(x(1),x(2),x(m)：由由 x(1),x(2),x(m)的所有凸组合构成。的所有凸组合构成。l单纯形：若单纯形：若多胞形多胞形 H(x(1),x(2),x(m)满足，满足，x(2)-x(1),x(3)-x(1),x(m)-x(1)线性无关。线性无关。多胞形多胞形单纯形单纯形单纯形单纯形第七页，本课件共有25页2.2 2.2 凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划(续续)一、凸集一、凸集 2、凸集的性质：、凸

7、集的性质：1)凸集的交集是凸集；凸集的交集是凸集；（并？）（并？）2)凸集的内点集是凸集；凸集的内点集是凸集；（逆命题是否成立？）（逆命题是否成立？）3)凸集的闭包是凸集。凸集的闭包是凸集。（逆命题是否成立？）（逆命题是否成立？）4)分离与支撑：分离与支撑：凸集边界上任意点存在支撑超平面凸集边界上任意点存在支撑超平面 两个互相不交的凸集之间存在分离超平面两个互相不交的凸集之间存在分离超平面支撑支撑强分离强分离分离分离非正常非正常分离分离第八页，本课件共有25页2.2 2.2 凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划(续续)一、凸集一、凸集 3、凸锥：、凸锥：l定义：定义：C Rn,若若 x C

8、,0 有有 x C,则称则称 C 是以是以 0 为顶点的锥。如果为顶点的锥。如果 C 还是凸集，则称还是凸集，则称为凸锥。为凸锥。l集合集合 0、Rn 是凸锥。是凸锥。l命题：命题：C是凸锥是凸锥C中任意有限点的半正组合属于中任意有限点的半正组合属于S0第九页，本课件共有25页2.2 2.2 凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划(续续)二、凸函数二、凸函数 1、凸函数及水平集、凸函数及水平集定义定义:设集合设集合 S Rn 为凸集，函数为凸集，函数 f:SR 若若 x(1),x(2)S,(0,1)，均有，均有 f(x(1)(1-)x(2)f(x(1)+(1-)f(x(2)，则称则称 f(x

9、)为凸集为凸集 S 上的凸函数。上的凸函数。若进一步有上面不等式以严格不等式成立，则称若进一步有上面不等式以严格不等式成立，则称 f(x)为凸集为凸集 S 上的严格凸函数。上的严格凸函数。l当当-f(x)为凸函数（严格凸函数）时，则称为凸函数（严格凸函数）时，则称 f(x)为凹函为凹函数（严格凹函数）。数（严格凹函数）。严格凸函数严格凸函数凸函数凸函数严格凹函数严格凹函数第十页，本课件共有25页2.2 2.2 凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划(续续)二、凸函数二、凸函数 1、凸函数及水平集：、凸函数及水平集：l定理：定理：f(x)为凸集为凸集 S 上的凸函数上的凸函数 S 上任上任意有

10、限点的凸组合的函数值不大于各点函意有限点的凸组合的函数值不大于各点函数值的凸组合。数值的凸组合。l思考：设思考：设f1,f2是凸函数，是凸函数，1)设设 1,2 0,1f1+2f2,1f1-2f2是否凸函是否凸函数？数？2)f(x)=max f1(x),f2(x),g(x)=min f1(x),f2(x)是否凸函数？是否凸函数？第十一页，本课件共有25页2.2 2.2 凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划(续续)二、凸函数二、凸函数 1、凸函数及水平集：、凸函数及水平集：l定义：定义：设集合设集合 S Rn，函数，函数 f:SR，R，称称 S =x S f(x)为为 f(x)在在 S 上上

11、 的的 水平集水平集。l定理：定理：设集合设集合 S Rn 是凸集，函数是凸集，函数 f:SR是凸是凸函数，则对函数，则对 R，S 是凸集是凸集。l注：注：1)水平集的概念相当于在地形图中，海拔高度不高于某一数水平集的概念相当于在地形图中，海拔高度不高于某一数值的区域。值的区域。2)上述定理的逆不真。上述定理的逆不真。考虑分段函数考虑分段函数f(x)=1(x0)或或0(x 0 充分小时有充分小时有 x*+d S,如果如果 lim f(x*+d)-f(x*)/存在（包括存在（包括 ）则称则称 f(x)为在点沿方向的方向导数存在，记为在点沿方向的方向导数存在，记 f(x*;d)=lim f(x*+

12、d)-f(x*)/l若若 f(x)在在 x*可导，则可导，则 f(x*;d)=f(x*)Td .第十三页，本课件共有25页2.2 2.2 凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划(续续)二、凸函数二、凸函数 2、凸函数的性质：、凸函数的性质：以下设以下设 S Rn 为非空凸集，函数为非空凸集，函数 f:SR2）若）若f 凸，则凸，则 f 在在 S 的内点集上连续；的内点集上连续；注：注：f 在在 S 上不一定连续。上不一定连续。例例:f(x)2(当当 x=1)；f(x)x2(当当 x 0,总有总有 x+d S.d(1)=d(2)(0)时，称时，称 d(1)和和d(2)同方向。同方向。4)极方向

13、：方向极方向：方向 d 不能表示为两个不同方向不能表示为两个不同方向的组合的组合(d=d(1)+d(2).第十八页，本课件共有25页2.3 2.3 多面体、极点、极方向多面体、极点、极方向多面体多面体 S=x Rn Ax=b,x0 的极点和极方向的极点和极方向定理定理1（极点特征）设（极点特征）设 A 满秩，满秩，x 是是 S 极点的极点的充分必要条件是充分必要条件是:存在分解存在分解 A=B,N，其中，其中B为为m阶阶非奇异矩阵，使非奇异矩阵，使 xT=xBT,xNT,这里这里 xB=B-1b0,xN=0.lS中必存在有限多个极点。中必存在有限多个极点。(Cnm)第十九页，本课件共有25页2

14、.3 2.3 多面体、极点、极方向多面体、极点、极方向多面体多面体 S=x Rn Ax=b,x0 的极点和极方向的极点和极方向定理定理2（极方向特征）（极方向特征）设设 A=p1,p2,pn满秩，满秩，d 是是 S 极方向的极方向的充分必要条件是充分必要条件是:存在分解存在分解 A=B,N，其中，其中B为为m阶非奇异矩阵，对于阶非奇异矩阵，对于N中的中的列向量列向量 pj 使使 B-1pj0,dT=dBT,dNT,这里这里 j dB=-B-1pj,dN=(0,.,1,0)TlS中必存在有限多个极方向。中必存在有限多个极方向。(n-m)Cnm)第二十页，本课件共有25页考虑多面体考虑多面体 S=

15、x Rn Ax=b,x0，其中，其中 3 2 1 0 0 65 A=2 1 0 1 0 b=40 0 3 0 0 1 75 即即 3 x1+2 x2+x3 =65 2 x1+x2 +x4 =40 3 x2 +x5 =75 x1,x2,x3,x4,x5 0 例题例题第二十一页，本课件共有25页 3 2 1 0 0A=P1,P2,P3,P4,P5 =2 1 0 1 0 0 3 0 0 1 A A矩阵包含以下10个33的子矩阵：B B1 1=p p1 1，p p2 2，p p3 3 B B2 2=p p1 1，p p2 2，p p4 4 B B3 3=p p1 1，p p2 2，p p5 5 B B

16、4 4=p p1 1，p p3 3，p p4 4 B B5 5=p p1 1，p p3 3，p p5 5 B B6 6=p p1 1，p p4 4，p p5 5 B B7 7=p p2 2，p p3 3，p p4 4 B B8 8=p p2 2，p p3 3，p p5 5 B B9 9=p p2 2，p p4 4，p p5 5 B B1010=p p3 3，p p4 4，p p5 5 例题例题 第二十二页，本课件共有25页 其其中中 B B4 4=0 0，因因而而B B4 4不不能能构构成成极极点点和和极极方方向向。其其余余均均为为非非奇奇异异方方阵阵，因因此此该该问问题题共共有有9 9个个可

17、可构构成成极极点点、极极方方向的子矩阵，我们称之为基。向的子矩阵，我们称之为基。对对于于基基B B3 3=p p1 1，p p2 2，p p5 5，令令x x3 3 =0 0，x x4 4=0 0，在在等等式式约约束中令束中令x x3 3=0=0，x x4 4 =0=0，解线性方程组：，解线性方程组：3 3 x x1 1 +2+2 x x2 2 +0+0 x x5 5 =65=65 2 2 x x1 1 +x x2 2 +0+0 x x5 5 =40=40 0 0 x x1 1 +3+3 x x2 2 +x x5 5 =75=75 得到得到x x1 1 =15=15，x x2 2 =10=10

18、，x x5 5=45=45，对应的极点：，对应的极点：x x=(=(x x1 1，x x2 2，x x3 3，x x4 4，x x5 5)T T =(15 =(15，1010，0 0，0 0，45)45)T T例题例题 第二十三页，本课件共有25页 类似可得到极点类似可得到极点 x(2)=(5,25,0,5,0)T （对应（对应B2）x(7)=(20,0,5,0,75)T （对应（对应B5）x(8)=(0,25,15,15,0)T（对应（对应B7）x(9)=(0,0,65,40,75)T（对应（对应B10）而而 x(3)=(0,32.5,0,7.5,-22.5)T（对应（对应B9）x(4)=(65/3,0,0,-10/3,75)T（对应（对应B6）x(5)=(7.5,25,-7.5,0,0)T （对应（对应B1）x(6)=(0,40,-15,0,-45)T （对应（对应B8）不是极点不是极点例题例题 第二十四页，本课件共有25页感感谢谢大大家家观观看看第二十五页，本课件共有25页