运筹学第1章 5对偶理论与灵敏度分析.ppt
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1、2、对偶理论与灵敏度分析2.1 2.1 线性规划的对偶问题的提出线性规划的对偶问题的提出 及其数学模型及其数学模型例例1 1 生产计划问题(资源利用问题)生产计划问题(资源利用问题)胜利家具厂生产桌子和椅子两种家具。桌子胜利家具厂生产桌子和椅子两种家具。桌子售价售价5050元元/个,椅子销售价格个,椅子销售价格30/30/个,生产桌子个,生产桌子和椅子要求需要木工和油漆工两种工种。生产一和椅子要求需要木工和油漆工两种工种。生产一个桌子需要木工个桌子需要木工4 4小时,油漆工小时,油漆工2 2小时。生产一小时。生产一个椅子需要木工个椅子需要木工3 3小时,油漆工小时,油漆工1 1小时。该厂每个小
2、时。该厂每个月可用木工工时为月可用木工工时为120120小时,油漆工工时为小时,油漆工工时为5050小小时。问该厂如何组织生产才能使每月的销售收入时。问该厂如何组织生产才能使每月的销售收入最大?最大?数学模型数学模型 max S=50 xmax S=50 x1 1+30 x+30 x2 2 s.t.4x s.t.4x1 1+3x+3x2 2 120 (2.1)120 (2.1)2x 2x1 1+x+x2 2 50 50 x x1 1,x,x2 2 0 0 如果我们换一个角度,考虑另外如果我们换一个角度,考虑另外一种经营问题。一种经营问题。假如有一个企业家假如有一个企业家有一批等待加工的订单,有
3、意利用该有一批等待加工的订单,有意利用该家具厂的木工和油漆工资源来加工他家具厂的木工和油漆工资源来加工他的产品。因此,他要同家具厂谈判付的产品。因此,他要同家具厂谈判付给该厂每个工时的价格。可以构造一给该厂每个工时的价格。可以构造一个数学模型来研究如何使自己付的租个数学模型来研究如何使自己付的租金最少,又使家具厂觉得有利可图肯金最少,又使家具厂觉得有利可图肯把资源出租给他?把资源出租给他?假设假设 y y1 1,y,y2 2 分别表示每个木工分别表示每个木工和油漆工工时的租金,则所付租金和油漆工工时的租金,则所付租金最小的目标函数可表示为:最小的目标函数可表示为:min s=120 ymin
4、s=120 y1 1+50 y+50 y2 2目标函数中的系数目标函数中的系数 120120,50 50 分别表分别表示可供出租的木工和油漆工工时数。示可供出租的木工和油漆工工时数。该企业家所付的租金不能太低,该企业家所付的租金不能太低,否则家具厂的管理者觉得无利可图否则家具厂的管理者觉得无利可图而不肯出租给他。因此他付的租金而不肯出租给他。因此他付的租金应不低于家具厂利用这些资源所能应不低于家具厂利用这些资源所能得到的利益:得到的利益:4 y4 y1 1+2y+2y2 2 50 50 3 y 3 y1 1+y+y2 2 30 30 y y1 1,y,y2 2 0 0 于是得到数学模型:于是得
5、到数学模型:min g=120 ymin g=120 y1 1+50 y+50 y2 2 s.t.4 y s.t.4 y1 1+2y+2y2 2 50 (2.2)50 (2.2)3 y 3 y1 1+y+y2 2 30 30 y y1 1,y,y2 2 0 0模型模型(2.1)(2.1)和模型和模型(2.2)(2.2)既有区别又有既有区别又有联系。联系在于它们都是关于家具联系。联系在于它们都是关于家具厂的模型并且使用相同的数据,区厂的模型并且使用相同的数据,区别在于模型反映的内容是不同的。别在于模型反映的内容是不同的。模型模型(2.1)(2.1)是站在家具厂经营者立场是站在家具厂经营者立场追求
6、销售收入最大,模型追求销售收入最大,模型(2.2)(2.2)是是则则站在家具厂对手的立场追求所付的站在家具厂对手的立场追求所付的租金最少。租金最少。如果模型如果模型(2.1)(2.1)称为原问题(称为原问题(P P),),则模型则模型(2.2)(2.2)称为称为对偶问题(对偶问题(D D)。)。任何线性规划问题都有对偶问题。任何线性规划问题都有对偶问题。原问题与对偶问题之间没有严格的原问题与对偶问题之间没有严格的界限,它们互为对偶。界限,它们互为对偶。例例1.1例例1.2(P)(D)原问题与对偶问题:原问题与对偶问题:P P(D D)D D(P P)目标函数系数目标函数系数 c c 右端常数项
7、右端常数项 b b 系数矩阵系数矩阵 A A 系数矩阵系数矩阵 A A约束条件约束条件 变量变量T(个数)(个数)(符号)(符号)对称形式的对偶关系对称形式的对偶关系(1)若原问题是)若原问题是 这两个式子的变换关系称为这两个式子的变换关系称为“对称形式的对偶关系对称形式的对偶关系对称形式的对偶关系对称形式的对偶关系”。(2)其对偶问题为其对偶问题为(P)(P)(D)(D)怎样写出非对称形式的对偶问题?怎样写出非对称形式的对偶问题?根根据据对对应应规规律律(参参见见对对偶偶关关系系表表)直直接接写出写出;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)目标函数目
8、标函数 MaxZ目标函数目标函数 MinW约束条件数:约束条件数:约束条件数:约束条件数:mm个个个个第第第第 i i个个个个 约约约约 束束束束 条条条条 件件件件 类类类类 型型型型 为为为为“”第第第第 i i个个个个 约约约约 束束束束 条条条条 件件件件 类类类类 型型型型 为为为为“”第第第第i i个约束条件类型为个约束条件类型为个约束条件类型为个约束条件类型为“=”对偶变量数:对偶变量数:对偶变量数:对偶变量数:mm个个个个第第第第i i个变量个变量个变量个变量 0 0第第第第i i个变量个变量个变量个变量 0 0第第第第i i个变量是自由变量个变量是自由变量个变量是自由变量个变
9、量是自由变量 决策变量数:决策变量数:决策变量数:决策变量数:n n个个个个第第第第j j个变量个变量个变量个变量 0 0第第第第j j个变量个变量个变量个变量 0 0第第第第j j个变量是自由变量个变量是自由变量个变量是自由变量个变量是自由变量 约束条件数:约束条件数:约束条件数:约束条件数:n n个个个个第第第第 i i个个个个 约约约约 束束束束 条条条条 件件件件 类类类类 型型型型 为为为为“”第第第第 i i个个个个 约约约约 束束束束 条条条条 件件件件 类类类类 型型型型 为为为为“”第第第第i i个约束条件类型为个约束条件类型为个约束条件类型为个约束条件类型为“=”例例1 1
10、:写出下列线性规划问题的对:写出下列线性规划问题的对偶问题偶问题 min S=xmin S=x1 1+2x+2x2 2+3x+3x3 3s.t.2xs.t.2x1 1+3x+3x2 2+5x+5x3 3 2 2 3x3x1 1+x+x2 2+7x+7x3 3 3 3 x x1 1,x x2 2,x x3 3 0 0该问题的对偶问题:该问题的对偶问题:max z=2 ymax z=2 y1 1+3y+3y2 2 s.t.2y s.t.2y1 1+3y+3y2 2 1 1 3y 3y1 1+y+y2 2 2 2 5y 5y1 1+7y+7y2 2 3 3 y y1 1 0 0,y y2 2 0例例
11、2 2:写出下列线性规划问题的对:写出下列线性规划问题的对偶问题偶问题 min S=2xmin S=2x1 1+3x+3x2 2-5x-5x3 3s.t.xs.t.x1 1+x+x2 2-x-x3 3 5 5 2x 2x1 1 +x+x3 3 =4 =4 x x1 1,x x2 2,x x3 3 0 0该问题的对偶问题为:该问题的对偶问题为:max z=5 ymax z=5 y1 1+4y+4y2 2 s.t.y s.t.y1 1+2y+2y2 2 2 2 y y1 1 3 3 -y -y1 1+y+y2 2 -5-5 y y1 1 0 0,y y2 2 无非负约束无非负约束练习练习1 1:写
12、出下列线性规划问题的对:写出下列线性规划问题的对偶问题偶问题 min S=3xmin S=3x1 1-2x-2x2 2+x+x3 3s.t.xs.t.x1 1+2x+2x2 2 =1 =1 2x 2x2 2 -x-x3 3 -2 -2 2x 2x1 1 +x+x3 3 3 3 x x1 1-2x-2x2 2+3x+3x3 3 4 4 x x1 1,x x2 2 0 0 ,x x3 3 无非负限制无非负限制练习练习2 2、已知下表为求解某线性规划问题的最终单纯形表,表中、已知下表为求解某线性规划问题的最终单纯形表,表中x4x4、x5x5为松弛变量。试:为松弛变量。试:(1 1)写出线性规划原问题
13、。)写出线性规划原问题。(2 2)写出对偶问题。)写出对偶问题。(3 3)求对偶问题的最优解。)求对偶问题的最优解。XBXBx1x1x2x2x3x3x4x4x5x5b bx3x30 01/21 11/21/20 05/25/2x1x11 1-1/2-1/20 0-1/6-1/61/31/35/25/2 j j0 0-4-40 0-4-4-2-2练习练习1 1答案答案 解解:对偶问题为:对偶问题为:maxmax z =y z =y1 1-2y-2y2 2+3y+3y3 3+4y+4y4 4 s.t.y s.t.y1 1+2y+2y3 3+y+y4 4 3 3 2y 2y1 1+2y+2y2 2
14、-2y-2y4 4 -2-2 -y -y2 2+y+y3 3+3y+3y4 4 =1=1 y y2 2 0,y y3,3,y y4 4 0 0,y y1 1 无非负约束无非负约束练习练习2答案:答案:(1)先求出)先求出C1=6,C2=-2,C3=10;再求出初始单纯形表再求出初始单纯形表(A|b)矩阵矩阵.于是原问题为:于是原问题为:2.2 2.2 对偶问题的基本定理对偶问题的基本定理定理定理1 1、对称性定理:、对称性定理:对偶问题的对偶是原问题。对偶问题的对偶是原问题。定理定理2 2、弱对偶定理(弱对偶性):设、弱对偶定理(弱对偶性):设 和和 分别是分别是问题(问题(P)和(和(D)的
15、可行解,则必有的可行解,则必有例例1、试验证弱对偶性原理。试验证弱对偶性原理。(P)解:解:(D)由观察可知:由观察可知:=(1.1.1.1),),=(1.1),分别是),分别是(P)和(和(D)的可行解。的可行解。=10,=40,故有故有 ,弱对偶定理成立。,弱对偶定理成立。推论推论:若若 和和 分别是问题(分别是问题(P P)和(和(D D)的)的可行解,则可行解,则 是(是(D D)的目标函数最小值的一个下的目标函数最小值的一个下界;界;是(是(P P)的目标函数最大值的一个上界。的目标函数最大值的一个上界。定理定理2 2 由观察可知:由观察可知:=(1.1.1.1),),=(1.1),
16、分别是),分别是(P)和(和(D)的可行解。的可行解。CX=10,Yb=40。由推论可知,由推论可知,W 的最小值不能小于的最小值不能小于10,Z 的最大值不的最大值不能超过能超过40。定理定理5 5、对偶性、对偶性.P P有最优解的充要条件是有最优解的充要条件是D D有最优解。有最优解。.若若 X X*和和 Y Y*分别是分别是 P P 和和 D D 的可行解,则的可行解,则它们分别是它们分别是P P和和D D 的最优解的充要条件是的最优解的充要条件是 CXCX*=Y Y*b b。若原问题和对偶问题都有可行解若原问题和对偶问题都有可行解若原问题和对偶问题都有可行解若原问题和对偶问题都有可行解
17、,则它们都有最优解。则它们都有最优解。则它们都有最优解。则它们都有最优解。最优性判别定理:最优性判别定理:若若 X X*和和 Y Y*分别是分别是 P P 和和 D D 的可行解且的可行解且 CXCX*=Y=Y*b b,则则X X*、Y Y*分别是问题分别是问题 P P和和D D 的最优解。的最优解。定理定理4 4、最优性、最优性若原问题有最优解若原问题有最优解若原问题有最优解若原问题有最优解,则对偶问题也一定有最优解,且目则对偶问题也一定有最优解,且目则对偶问题也一定有最优解,且目则对偶问题也一定有最优解,且目标函数值相等。标函数值相等。标函数值相等。标函数值相等。思考:根据定理思考:根据定
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