线性规划:建模与应用.ppt
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1、1运筹学运筹学OperationsResearchOperations Research2Chapter4.LinearProgramming:FormulationandApplications第四章第四章.线性规划:建模与应用线性规划:建模与应用Operations Research3n满足以下三个条件的模型称为线性规划模型满足以下三个条件的模型称为线性规划模型u每一个问题都用一组决策变量每一个问题都用一组决策变量(通常非负通常非负)表示表示某一方案,这组决策变量的值就代表一个具体某一方案,这组决策变量的值就代表一个具体方案方案u存在一定的约束条件,这些约束条件可以用一存在一定的约束条件,
2、这些约束条件可以用一组线性等式或线性不等式来表示组线性等式或线性不等式来表示u都有一个要求达到的目标,它可用决策变量的都有一个要求达到的目标,它可用决策变量的线性函数线性函数(称为目标函数称为目标函数)来表示,按照问题的来表示,按照问题的不同,要求目标函数实现最大化或最小化不同,要求目标函数实现最大化或最小化什么是线性规划模型4线性规划模型的一般形式线性规划模型的一般形式什么是线性规划模型5n资源分配问题资源分配问题(resource-allocation):资源资源约束。伟恩德玻璃制品公司产品组合问题约束。伟恩德玻璃制品公司产品组合问题n成本收益平衡问题成本收益平衡问题(cost-benef
3、it-trade-off):收益约束。利博公司广告组合问题,大收益约束。利博公司广告组合问题,大沼泽地金色年代公司的现金流问题沼泽地金色年代公司的现金流问题n网络配送问题网络配送问题(distribution-network):确定需求约束。确定需求约束。n混合问题混合问题(mix):多种约束。多种约束。线性规划问题的分类6nSuperGrainCorp.Advertising-MixProblem(Section4.1)(超级食品公司的广告超级食品公司的广告组合问题组合问题)nResourceAllocationProblems&Think-BigCapitalBudgeting(Secti
4、on4.2)(资源分配问资源分配问题和梦大发展公司的资金预算问题题和梦大发展公司的资金预算问题)nCost-Benefit-Trade-OffProblems&UnionAirways(Section4.3)(成本收益平衡问题和成本收益平衡问题和联合航空公司问题联合航空公司问题)nDistribution-NetworkProblems&BigMCo.(Section4.4)(网络配送问题和大网络配送问题和大M公司公司)主要内容7nContinuingtheSuperGrainCorp.CaseStudy(Section4.5)(超级食品公司案例的超级食品公司案例的再研究再研究)nMixedF
5、ormulations&Save-ItSolidWasteReclamation(Section4.6)(混合问混合问题和赛维特公司固体废弃物回收问题题和赛维特公司固体废弃物回收问题)主要内容8SuperGrainCorp.Advertising-MixProblemGoal:DesignthepromotionalcampaignforCrunchyStart.(目标:为早点谷类食品目标:为早点谷类食品“脆脆始始”设计出具有奖励性的商业计划设计出具有奖励性的商业计划)Thethreemosteffectiveadvertisingmediaforthisproductare(该产品三种最有效
6、的广该产品三种最有效的广告媒介是告媒介是)lTelevisioncommercialsonSaturdaymorningprogramsforchildren.(星期六上午儿童节目星期六上午儿童节目的电视广告的电视广告)lAdvertisementsinfoodandfamily-orientedmagazines.(食品与家庭导向的杂志上的广告食品与家庭导向的杂志上的广告)9lAdvertisementsinSundaysupplementsofmajornewspapers.(主要报纸星期天主要报纸星期天增刊上的广告增刊上的广告)Thelimitedresourcesintheproble
7、mare(该问题的有限资源如下该问题的有限资源如下)lAdvertisingbudget($4million).(广告广告预算预算400万美元万美元做广告做广告)lPlanningbudget($1million).(计划预算计划预算100万美元万美元做广告设计做广告设计)lTVcommercialspotsavailable(5).(可可获得的电视广告时段有获得的电视广告时段有5个单位个单位)SuperGrainCorp.Advertising-MixProblem10CostsCostCategoryEachTVCommercialEachMagazineAdEachSundayAdAd
8、Budget$300,000$150,000$100,000Planning budget90,00030,00040,000Expected number of exposures1,300,000600,000500,000SuperGrainCorp.Advertising-MixProblem11Theobjectivewillbemeasuredintermsoftheexpectednumberofexposures.(广告受广告受众的期望数量作为问题的总绩效测度众的期望数量作为问题的总绩效测度)Question:AtwhatlevelshouldtheyadvertiseCrun
9、chyStartineachofthethreemedia?确定各种媒介的广确定各种媒介的广告力度以获得最有告力度以获得最有效的广告组合?效的广告组合?SuperGrainCorp.Advertising-MixProblem12AlgebraicFormulation(数学模型数学模型)Let(设定设定)TV=Numberofcommercialsforseparatespotsontelevision(电视上的广告时段数目电视上的广告时段数目)M=Numberofadvertisementsinmagazines.(杂志上的广告数目杂志上的广告数目)SS=Numberofadvertise
10、mentsinSundaysupplements.(星期天增刊上的广告数目星期天增刊上的广告数目)(最大化广告受众量最大化广告受众量)MaximizeExposure=1,300TV+600M+500SS13Subjectto(约束约束)(广告总费用广告总费用)AdSpending:300TV+150M+100SS4,000($thousand)(计划总成本计划总成本)PlanningCost:90TV+30M+30SS1,000($thousand)(电视广告的时段数目电视广告的时段数目)NumberofTVSpots:TV5andTV0,M0,SS0.AlgebraicFormulatio
11、n(数学模型数学模型)14SpreadsheetFormulation(电子表格模型电子表格模型)15超级食品公司问题探讨n假设是否合理?假设是否合理?n数学模型是否和实际问题相吻合?数学模型是否和实际问题相吻合?n可行域的小数问题可行域的小数问题n正比的线性关系是否成立?正比的线性关系是否成立?n不同媒介之间是否相关?不同媒介之间是否相关?n目标函数的选取是否可行?目标函数的选取是否可行?n市场细分的问题市场细分的问题n促销优惠券的问题促销优惠券的问题n模型需要不断完善!模型需要不断完善!16资源分配问题n资源分配问题是将有限的资源分配到各资源分配问题是将有限的资源分配到各种活动中去的线性规
12、划问题。共性在于种活动中去的线性规划问题。共性在于函数约束均可表现为:函数约束均可表现为:使用的资源数量使用的资源数量可用的资源数量可用的资源数量n确定资源、资源可用量、活动、活动水确定资源、资源可用量、活动、活动水平、活动消耗的资源数量以及活动对绩平、活动消耗的资源数量以及活动对绩效测度的贡献等效测度的贡献等n目标就是在满足资源限制的条件下使活目标就是在满足资源限制的条件下使活动水平能够最大化所选择的绩效测度动水平能够最大化所选择的绩效测度17n决策变量是活动水平决策变量是活动水平n活动水平与绩效测度的贡献成正比活动水平与绩效测度的贡献成正比n活动水平与资源使用量成正比活动水平与资源使用量成
13、正比n需要确定三类数据:资源可用量、单位需要确定三类数据:资源可用量、单位活动消耗的资源量和单位活动对绩效测活动消耗的资源量和单位活动对绩效测度的贡献量度的贡献量资源分配问题18Think-BigCapitalBudgetingProblemnThink-BigDevelopmentCo.isamajorinvestorincommercialreal-estatedevelopmentprojects.(梦大发展公司是商务房地产开发项目的主要投梦大发展公司是商务房地产开发项目的主要投资商资商)nTheyareconsideringthreelargeconstructionprojects(
14、他们正在考虑三个大型的建筑项目他们正在考虑三个大型的建筑项目)uConstructahigh-riseofficebuilding.(建造建造高层办公楼高层办公楼)uConstructahotel.(建造宾馆建造宾馆)uConstructashoppingcenter.(建造购物中心建造购物中心)19nEachprojectrequireseachpartnertomakefourinvestments:adownpaymentnow,andadditionalcapitalafterone,two,andthreeyears.(每个项目都要求投资者在每个项目都要求投资者在四个不同时期投资:在
15、当前预付定金,以四个不同时期投资:在当前预付定金,以及一年、二年、三年后分别追加投资及一年、二年、三年后分别追加投资)n公司现有资金公司现有资金2500万美元,预计一年后可万美元,预计一年后可获得获得2000万美元,两年后可获得另外万美元,两年后可获得另外2000万美元,三年后可获得另外万美元,三年后可获得另外1500万美元,万美元,这些新获得的资金可用于后续投资这些新获得的资金可用于后续投资Think-BigCapitalBudgetingProblem20FinancialDatafortheProjectsInvestmentCapitalRequirementsYearOfficeBu
16、ildingHotelShoppingCenter0$40 million$80 million$90 million160 million80 million50 million290 million80 million20 million310 million70 million60 millionNet present value$45 million$70 million$50 million21Question:AtwhatfractionshouldThink-Biginvestineachofthethreeprojects?梦大公司要在每梦大公司要在每个项目中投资多个项目中投资
17、多少百分比,才能少百分比,才能获得最大收益?获得最大收益?Think-BigCapitalBudgetingProblem22AlgebraicFormulationLet(假定假定)OB=Participationshareintheofficebuilding(办公楼项目中的投资比例办公楼项目中的投资比例),H=Participationshareinthehotel(宾馆项宾馆项目中的投资比例目中的投资比例),SC=Participationshareintheshoppingcenter(购物中心项目中的投资比例购物中心项目中的投资比例).(最大化总投资净现值最大化总投资净现值)Max
18、imizeNPV=45OB+70H+50SC23Subjectto(约束约束)Totalinvestednow(现期总投资现期总投资):40OB+80H+90SC25($million)Totalinvestedwithin1year(一年后的总投资一年后的总投资):100OB+160H+140SC45($million)Totalinvestedwithin2years(一年后的总投资一年后的总投资):190OB+240H+160SC65($million)Totalinvestedwithin3years(一年后的总投资一年后的总投资):200OB+310H+220SC80($millio
19、n)andOB0,H0,SC0.AlgebraicFormulation24SpreadsheetFormulation25SummarySummaryofFormulationProcedureforResource-AllocationProblems(资源分配问资源分配问题的建模步骤总结题的建模步骤总结):1.Identifytheactivitiesfortheproblemathand.(确定当前问题的活动类型确定当前问题的活动类型)2.Identifyanappropriateoverall measure of performance(commonlyprofit).(确定一个合
20、适确定一个合适的总体绩效测度,通常为利润的总体绩效测度,通常为利润)3.Foreachactivity,estimatethecontribution per unit of the activitytotheoverallmeasureofperformance.(估计每一种活动对于总绩效测估计每一种活动对于总绩效测度的单位贡献度的单位贡献)264.Identifytheresourcesthatmustbeallocated.(明确分配给各种活动的有限资源明确分配给各种活动的有限资源)5.Foreachresource,identifytheamount availableandthent
21、heamount used per unit of each activity.(对于每一种资源,确定可对于每一种资源,确定可获得的数量以及各种活动的单位使用量获得的数量以及各种活动的单位使用量)6.Enterthedatainsteps3and5intodata cells.(把第把第3步和第步和第5步中的数据录入数据单步中的数据录入数据单元格元格)Summary277.Designatechanging cellsfordisplayingthedecisions.(指定可变单元格来显示活动水平的决指定可变单元格来显示活动水平的决策变量策变量)8.Intherowforeachresour
22、ce,useSUMPRODUCTtocalculatethetotal amount used.Enterandtheamount availableintwoadjacentcells.(在表示资在表示资源的每一行中,使用源的每一行中,使用SUMPRODUCT函数计算总函数计算总的资源使用量,在两个连续单元格中输入的资源使用量,在两个连续单元格中输入符号符号和可用资源量和可用资源量)9.Designateatarget cell.UseSUMPRODUCTtocalculatethismeasureofperformance.(指定目标指定目标单元格,使用单元格,使用SUMPRODUCT函数
23、计算绩效测度函数计算绩效测度)Summary28UnionAirwaysPersonnelSchedulingnUnionAirwaysisaddingmoreflightstoandfromitshubairportandsoneedstohireadditionalcustomerserviceagents.(联合航空联合航空公司正准备增加其中心机场的往来航班,因此公司正准备增加其中心机场的往来航班,因此需要雇用更多的客户服务代理商需要雇用更多的客户服务代理商)nThefiveauthorizedeight-hourshiftsare(五个五个审定的审定的8小时轮班如下小时轮班如下)uSh
24、ift1:6:00AMto2:00PMuShift2:8:00AMto4:00PMuShift3:Noonto8:00PMuShift4:4:00PMtomidnightuShift5:10:00PMto6:00AM29ScheduleData(排程数据排程数据)TimePeriodsCoveredbyShiftTimePeriod12345MinimumNumberofAgentsNeeded6AMto8AM488AMto10AM7910AMtonoon65Noonto2PM872PMto4PM644PMto6PM736PMto8PM828PMto10PM4310PMtomidnight52
25、Midnightto6AM15Dailycostperagent$170$160$175$180$19530UnionAirwaysPersonnelSchedulingQuestion:Howmanyagentsshouldbeassignedtoeachshift?每个轮班需要安排每个轮班需要安排多少人才能在满足多少人才能在满足顾客需求的前提下顾客需求的前提下降低成本?降低成本?31AlgebraicFormulationLet(假定假定)Si=Numberworkingshifti(fori=1to5),Minimize(最小化最小化)Cost=$170S1+$160S2+$175S3+
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