经济学图解法与单纯形法.pptx





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1、x1x2O1020304010203040(15,10)最优解X=(15,10)最优值Z=85例题第1页/共122页2.1 线性规划问题的图解法 用图解法求解如下线性规划问题:例题第2页/共122页2.1 线性规划问题的图解法求解Q3点为(3,3),此时z=15第3页/共122页2.1 线性规划问题的图解法本例中我们用图解法得到的问题的最优解是惟一的。但在线性规划问题的计算中,解的情况还可能出现下列几种:1 无穷最优解。如将本例的目标函数改变为 则目标函数的图形恰好与(1)平行。因此该线性规划问题有无穷多个最优解,也称具有多重最优解。第4页/共122页2.1 线性规划问题的图解法2.无界解(有
2、可行解但无有界最优解)。如果本例中约束条件只剩下(2)和(4),其他条件(1)、(3)不再考虑。用图解法求解时,可以看到变量的取值可以无限增大,因而目标函数的值也可以一直增大到无穷。这种情况下称问题具有无界解或无最优解。其原因是由于在建立实际问题的数学模型时遗漏了某些必要的资源约束。第5页/共122页2.1 线性规划问题的图解法3.无可行解。如下述线性规划模型:用图解法求解时找不到满足所有约束条件的公共范围,这时问题无可行解。其原因是模型本身有错误,约束条件之间相互矛盾,应检查修正。第6页/共122页图解法虽然只能用来求解只具有两个变量的线性规划问题图解法虽然只能用来求解只具有两个变量的线性规
3、划问题,但它的解题思路和几何上直观得到的一些概念判断但它的解题思路和几何上直观得到的一些概念判断,对下面对下面要讲的求解一般线性规划问题的单纯形法有很大启示要讲的求解一般线性规划问题的单纯形法有很大启示:线性规划问题求解的基本线性规划问题求解的基本依据是:线性规划问题的依据是:线性规划问题的最优解总可在可行域的顶最优解总可在可行域的顶点中寻找,寻找线性规划点中寻找,寻找线性规划问题的最优解只需比较有问题的最优解只需比较有限个顶点处的目标函数值。限个顶点处的目标函数值。线性规划问题求解时可能线性规划问题求解时可能出现四种结局:出现四种结局:唯一最优解唯一最优解无穷多个最优解无穷多个最优解无有界解
4、无有界解无解或无可行解无解或无可行解如果某一线性规划问题有如果某一线性规划问题有最优解,可以按照以下思最优解,可以按照以下思路求解:先找可行域中的路求解:先找可行域中的一个顶点,计算顶点处的一个顶点,计算顶点处的目标函数值,然后判别是目标函数值,然后判别是否有其他顶点处的目标函否有其他顶点处的目标函数值比这个顶点处的目标数值比这个顶点处的目标函数值更大,如有,转到函数值更大,如有,转到新的顶点,重复上述过程,新的顶点,重复上述过程,直到找不到使目标函数值直到找不到使目标函数值更大的新顶点为止。更大的新顶点为止。第7页/共122页1.通过图解法了解线性规划有几种解的形式2.作图的关键有三点(1)
5、可行解区域要画正确(2)目标函数增加的方向不能画错(3)目标函数的直线怎样平行移动第8页/共122页 从可行域中的一个基可行解出发,判别它是否已经是最优解,如果不是,寻找下一个基可行解,并且同时努力使目标函数得到改进,如此迭代下去,直到找到最优解或判定问题无解为止。基本思想:基本思想:2.2 2.2 线性规划单纯形法的原理与计算步骤线性规划单纯形法的原理与计算步骤3 3 寻找改进寻找改进的基可行解的基可行解2 2 最优性检最优性检验和解的判验和解的判别别1 1 确定初始确定初始基可行解基可行解第9页/共122页【例题】用单纯形法求下列线性规划的最优解第10页/共122页单纯形法的计算步骤:步骤
6、1:求初始基可行解,列出初始单纯形表。对非标准形式的线性规划问题首先要化成标准形式。由于我们总可以设法使约束方程的系数矩阵中包含一个单位矩阵P1,P2,Pm,以此作为基即可求得问题的一个初始基可行解。首先经过变化迭代可将线性规划约束条件变成如下形式:必须是标准形式必须是标准形式第11页/共122页第12页/共122页列出单纯形表单纯形法全过程的计算,可以用列表的方法计算更为简洁,这种表格称为单纯形表。判断一个基可行解是否最优,需计算相应的检验数。检验数等于目标函数价值系数c减去c对应的系数向量分量与基变量价值系数的乘积之和。基变量的检验数一定为0。第13页/共122页【解】首先化为标准型,加入
7、松驰变量x3、x4则标准型为系数矩阵A及可行基B1r(B1)=2,B1是单位矩阵作为初始基,x3、x4为基变量,x1、x2为非基变量,令x1=0、x2=0由约束方程知x3=40、x4=30得到初始基可行解X(1)=(0,0,40,30)T第14页/共122页单纯形法的计算步骤:步骤2 最优性检验在单纯形表中,若所有的检验数 表中的基可行解即为最优解。若存在 并且有 ,则问题无有界解。计算结束。否则转入下一步。步骤3 从一个基可行解转换到相邻的目标函数更大的基可行解,列出新的单纯形表。第15页/共122页步骤4 重复步骤2和3,一直到计算结束。第16页/共122页进基列出基行bi/ai2,ai2
8、0i表1-4(1)XBx1x2x3x4bx3211040 x4130130j3400(2)x3x2j(3)x1x2j基变量110001/301/3105/31-1/3405/30-4/330103/5-1/51801-1/52/5400-1-1将3化为1乘以1/3后得到3018第17页/共122页单纯形算法的计算步骤 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,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 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m
9、ax j j0=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xl为换出变量。建立新的单纯形表,此时基变量中xk取代了xl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。第18页/共122页2.2 线性规划单纯形法的原理与计算步骤单纯形法计算中可能出现以下两种情况:出现两个以上 ,原则上可任取一 个 对应的为换入基的变量;相持。即计算值出现两个以上相同 的最小值。则可任选其中一个基变量作为换出变量。第19页/共122页单纯形法的计算 用单纯形法求解线性规划问题:例题1第2
10、0页/共122页最优解的判别定理定理1 最优解的判别定理 定理2 有无穷多最优解的判别定理第21页/共122页单纯形法的计算 用单纯形法求解线性规划问题:例题2第22页/共122页最优解的判别定理定理3有无界解的判别定理第23页/共122页单纯形法的计算 用单纯形法求解线性规划问题:例题3第24页/共122页XBx1x2x3x3401j230第25页/共122页唯一最优解的判断:最优表中所有非基变量的检验数小于零,则线规划具有唯一最优解。多重最优解的判断:最优表中存在非基变量的检验数为零,则线则性规划具有多重最优解。无界解的判断:某个且aij(i=1,2,m)则线性规划具有无界解第26页/共1
11、22页【例4】用单纯形法求解第27页/共122页Cj12100bCBXBx1x2x3x4x50 x423210150 x51/3150120j121000 x42x2j1x12x2j表151/3150120301713751/30902M2025601017/31/31250128/91/92/335/30098/91/97/3最优解X=(25,35/3,0,0,0)T,最优值Z=145/3第28页/共122页【例5】求解线性规划【解】化为标准型第29页/共122页初始单纯形表为XBx1x2x3x4bx3x43221100114j11002=10,x2为换入变量,而第二列的数字均小于0,因此线
12、性规划的最优解无有界解。由模型可以看出,当固定x1使x2+且满足约束条件,还可以用图解法看出具有无界解。第30页/共122页【例6】求解线性规划【解】:化为标准型后用单纯形法计算如下表所示第31页/共122页XBx1x2x3x4x5b(1)x3x4x5111221100010001410225j24000(2)x2x4x51/221/21001/211/201000126438j40200(3)x2x1x50101001/41/23/41/41/21/40017/235/21410/3j00020(4)x2x1x30101000011/31/31/31/32/34/38/314/310/3j0
13、0020第32页/共122页表(3)中j全部非正,则最优解为:表(3)表明,非基变量x3的检验数3=0,使x3作为换入变量,x5为换入变量继续迭代,得到表(4)的另一基本最优解X(1),X(2)是线性规划的两个最优解,它的凸组合仍是最优解,从而原线性规划有多重最优解。第33页/共122页单纯形法计算的矩阵描述第34页/共122页单纯形法计算的矩阵描述第35页/共122页单纯形法计算的矩阵描述 第36页/共122页单纯形法计算的矩阵描述第37页/共122页单纯形法计算的矩阵描述第38页/共122页单纯形法计算的矩阵描述第39页/共122页单纯形法计算的矩阵描述第40页/共122页人工变量法人工变
14、量法的基本思路是:若原线性规划问题的系数矩阵中没有单位向量,则在每个约束方程中加入一个人工变量便可在系数矩阵中形成一个单位向量。第41页/共122页线性规划求解的人工变量法第42页/共122页线性规划求解的人工变量法第43页/共122页由于单位阵可以作为基阵,因此,可选加入的人工变量为基变量。然后,再通过基变换,使得基变量中不含非零的人工变量。如果在最终单纯形表中还存在非零的人工变量,这表示无可行解。大大M M法法两阶段法两阶段法第44页/共122页第45页/共122页为了使加入人工变量后线性规划问题的最优目标函数值不受影响,我们赋予人工变量一个很大的负价值系数-M(M为任意大的正数)。线性规
15、划求解的大M法第46页/共122页线性规划求解的大M法第47页/共122页由于人工变量对目标函数有很大的负影响,单纯形法的寻优机制会自动将人工变量赶到基外,从而找到原问题的一个可行基。这种方法我们通常称其为大M法。第48页/共122页【例7】用大M法解下列线性规划线性规划求解的大M法举例第49页/共122页【解】首先将数学模型化为标准形式式中x4为剩余变量,x5为松弛变量,x5可作为一个基变量,第一、三约束中分别加入人工变量x6、x7,目标函数中加入Mx6Mx7一项,得到人工变量单纯形法数学模型用前面介绍的单纯形法求解,见下表。第50页/共122页Cj32100MMbCBXBx1x2x3x4x
16、5x6x7M0Mx6x5x74123121211000101000014101j3-2M2+M-1+2MM000M01x6x5x3632532001100010100381j5-6M5M0M00201x2x5x36/53/52/51000011/53/52/50103/531/511/5j50000231x2x1x301010000111025/32/31331/319/3j0005-25/3第51页/共122页最优解X(31/3,13,19/3,0,0)T;最优值Z152/3注意:M是一个很大的抽象的数,不需要给出具体的数值,可以理解为它能大于给定的任何一个确定数值;第52页/共122页【例
17、8】第53页/共122页线性规划求解的两阶段法第54页/共122页线性规划求解的两阶段法然后用单纯形法求解所构造的新模型,若得到w=0,这时,若基变量中不含人工变量,则说明原问题存在基可行解,可进行第二步计算;否则,原问题无可行解,应停止计算。第二阶段,单纯形法求解原问题第一阶段计算得到的最终单纯形表中除去人工变量,将目标函数行的系数,换成原问题的目标函数后,作为第二阶段计算的初始表,继续求解。第55页/共122页【例2.14】用两阶段单纯形法求解例【7】的线性规划。第56页/共122页【解】标准型为在第一、三约束方程中加入人工变量x6、x7后,第一阶段问题为用单纯形法求解,得到第一阶段问题的
18、计算表如下:第57页/共122页Cj0000011bCBXBx1x2x3x4x5x6x7101x6x5x74123121211000101000014101j2121000100 x6x5x3632532001100010100381j650100000 x2x5x36/53/52/51000011/53/52/50103/531/511/5j00000第58页/共122页最优解为最优值w=0。第一阶段最后一张最优表说明找到了原问题的一组基可行解,将它作为初始基可行解,求原问题的最优解,即第二阶段问题为第59页/共122页Cj32-100bCBXBx1x2x3x4x5201x2x5x31000
19、01010j50000231x2x1x3010100001110213j0005Cj32100bCBXBx1x2x3x4x5201x2x5x36/53/52/51000011/53/52/50103/531/511/5j50000231x2x1x301010000111025/32/31331/319/3j000525/3用单纯形法计算得到下表最优解X(31/3,13,19/3,0,0)T;最优值Z152/3第60页/共122页【例2.15】用两阶段法求解例【2.13】的线性规划。第61页/共122页【解】第一阶段问题为用单纯形法计算如下表:第62页/共122页Cj00001bCBXBx1x2
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