【精品】对偶问题的提出精品ppt课件.ppt
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1、对偶问题的提出问题的数学模型为:这就是一个最简单的线性规划模型。这就是一个最简单的线性规划模型。对例1从对偶的角度进行表述。假设该工厂的决策者决定不生产产品、,而将其所有资源出租或外售。这时工厂的决策者就要考虑给每种资源如何定价的问题。设用y1,y2,y3分别表示出租单位设备台时的租金和出让单位原材料A,B的附加额。他在做定价决策时,做如下比较:若用1个单位设备台时和4个单位原材料A可以生产一件产品,可获利2元,那么生产每件产品的设备台时和原材料出租或出让的所有收入应不低于生产一件产品的利润,这就有 y1+4y22第一节对偶问题的提出对例1从对偶的角度进行表述。同理将生产每件产品的设备台时和原
2、材料出租或出让的所有收入应不低于生产一件产品的利润,这就有 2y1+4y33把工厂所有设备台时和资源都出租或出让,其收入为 w=8y1+16y2+12y3从工厂的决策者来看当然w愈大愈好;但受到接受方的制约,从接受者来看他的支付愈少愈好,所以工厂的决策者只能在满足大于等于所有产品的利润条件下,提出一个尽可能低的出租或出让价格,才能实现其原意,为此需解如下的线性规划问题:第一节对偶问题的提出 称这个线性规划问题为例1线性规划问题(这里称为原问题)的对偶问题。这就是从另一角度提出的线性规划问题。min w=8y1+16y2+12y3 y1+4y2 2 2y1 +4y33 yi0,i=1,2,3 (
3、2-8)第一节对偶问题的提出现在讨论这两个条件。(4)从这里可以得到另一个线性规划问题 min w=Yb YAC Y0 称它为原线性规划问题max z=CXAXb,X0的对偶规划问题。第3节对偶问题的提出对偶规划问题第二节线性规划的对偶理论4.1 原问题与对偶问题的关系4.2 对偶问题的基本性质第二节 原问题与对偶问题的关系原问题(LP):第二节 原问题与对偶问题的关系对偶问题(DP)第二节 原问题与对偶问题的关系标准型原问题与对偶问题的关系第二节 原问题与对偶问题的关系例2根据表2-3写出原问题与对偶问题的表达式 x y x1x2x2y1111y2222y3888c444第二节 原问题与对偶
4、问题的关系下列形式的变换关系为对称形式原问题(LP)对偶问题(DP)第二节 原问题与对偶问题的关系非对称形式的变换关系原问题的约束条件中含有等式约束条件时,按以下步骤处理。设等式约束条件的线性规划问题为第二节 原问题与对偶问题的关系非对称形式的变换关系第一步:先将等式约束条件分解为两个不等式约束条件第二节 原问题与对偶问题的关系非对称形式的变换关系第二步:按对称形式变换关系可写出它的对偶问题设yi是对应(2-13)式的对偶变量,yi是对应(2-14)式的对偶变量,i=1,2,,m第二节 原问题与对偶问题的关系将上述规划问题的各式整理后得到第二节 原问题与对偶问题的关系综合上述,线性规划的原问题
5、与对偶问题的关系克表示为:第二节 原问题与对偶问题的关系例3 试求下述线性规划原问题的对偶问题第二节 原问题与对偶问题的关系由表2-4中原问题和对偶问题的对应关系,可以直接写出上述问题的对偶问题,第三节 对偶问题的基本性质(1)对称性:对偶问题的对偶是原问题;(2)弱对偶性:若X是原问题的可行解,Y是对偶问题的可行解。则存在CXYb;(3)无界性:若原问题(对偶问题)为无界解,则其对偶问题(原问题)无可行解;(4)可行解是最优解时的性质;(5)对偶定理:若原问题有最优解,那么对偶问题也有最优解;且目标函数值相等;(6)互补松弛性;(7)原问题检验数与对偶问题解的关系。第三节 对偶问题的基本性质
6、(1)对称性:对偶问题的对偶是原问题。证明:设原问题是max z=CX;AXb;X0根据对偶问题的对称变换关系,可以找到它的对偶问题是min w=Yb;YAC;Y0若将上式两边取负号,又因min w=max(-)可得到max(w)=Yb;YA C;Y0根据对称变换关系,得到上式的对偶问题是min(w)=CX;AX b;X0又因 min(w)=max w,可得Max w=max z=CX;AXb;X0这就是原问题。第三节 对偶问题的基本性质(2)弱对偶性第三节 对偶问题的基本性质(3)无界性若原问题(对偶问题)为无界解,则其对偶问题(原问题)无可行解。证:由性质(2)可知,例:第三节 对偶问题的
7、基本性质从两图对比可明显看到原问题无界,其对偶问题无可行解y1y2第三节 对偶问题的基本性质(4)可行解是最优解时的性质设是原问题的可行解,是对偶问题的可行解,当时,是最优解。证明证明:第三节 对偶问题的基本性质(5)对偶定理(强对偶性)若原问题有最优解,那么对偶问题也有最优解;且目标函数值相等。第三节 对偶问题的基本性质(6)互补松弛性第三节 对偶问题的基本性质(6)互补松弛性将原问题目标函数中的系数向量C用C=YA-YS代替后,得到 z=(YA YS)X=YAX YSX (2-15)将对偶问题的目标函数中系数列向量b,用b=AX+XS代替后,得到 w=Y(AX+XS)=YAX+YXS (2
8、-16)第三节 对偶问题的基本性质(7)原问题检验数与对偶问题解的关系 设原问题是max z=CX;AX+XS=b;X,XS0 它的对偶问题是min w=Yb;YA YS=C;Y,YS0 则原问题单纯形表的检验数行对应其对偶问题的一个基解,其对应关系见表2-5。第三节 对偶问题的基本性质(7)原问题检验数与对偶问题解的关系YS1是对应原问题中基变量XB的剩余变量,YS2是对应原问题中非基变量XN的剩余变量。第三节 对偶问题的基本性质(7)原问题检验数与对偶问题解的关系 证:设B是原问题的一个可行基,于是A=(B,N);原问题可 改写为max z=CBXB+CNXNBXB+NXN+XS=bXB,
9、XN,XS0相应地对偶问题可表示为 min w=Yb YB YS1=CB (2-17)YN YS2=CN (2-18)Y,YS1,YS20这里YS=(YS1,YS2)。第三节 对偶问题的基本性质(7)原问题检验数与对偶问题解的关系 当求得原问题的一个解:XB=B-1b,其相应的检验数为 CN CBB-1N 与 CBB-1现分析这些检验数与对偶问题的解之间的关系:令Y=CBB-1,将它代入(2-17)式,(2-18)式得 YS1=0,YS2=CN CBB-1N证毕。第三节 对偶问题的基本性质例4 已知线性规划问题max z=x1+x2-x1+x2+x32-2x1+x2-x31x1,x2,x30试
10、用对偶理论证明上述线性规划问题无最优解。第三节 对偶问题的基本性质上述问题的对偶问题为min w=2y1+y2-y1-2y21y1+y21y1-y20y1,y20由第1约束条件及变量非负性约束,可知对偶问题无可行解;原问题虽然有可行解,但无最优解。第三节 对偶问题的基本性质例5 已知线性规划问题min w=2x1+3x2+5x3+2x4+3x5x1+x2+2x3+x4+3x542x1-x2+3x3+x4+x53 xj0,j=1,2,5 已知其对偶问题的最优解为y1*=4/5,y2*=3/5;z=5。试用对偶理论找出原问题的最优解。第三节 对偶问题的基本性质例5 已知线性规划问题 解:先写出它的
11、对偶问题max z=4y1+3y2y1+2y22 y1-y23 2y1+3y25 y1+y22 3y1+y23 y1,y20第三节 对偶问题的基本性质例5 已知线性规划问题 将y1*=4/5,y2*=3/5的值代入约束条件,得=1/53,=17/55,=7/50;原问题的两个相应的约束条件应取等式,故有 x1*+3x5*=4,2x1*+x5*=3求解后得到x1*=1,x5*=1;故原问题的最优解为 X*=(1,0,0,0,1)T;w*=5第四节对偶问题的经济解释影子价格在单纯形法的每步迭代中,目标函数取值z=CBB-1b,和检验数CN CBB-1N中都有乘子Y=CBB-1,那么Y的经济意义是什
12、么?设B是max z=CXAXb,X0的最优基,由(2-12)式可知 z*=CBB-1b=Y*b 对z求偏导数,得 由上式可知,变量yi*的经济意义是在其他条件不变的情况下,单位资源变化所引起的目标函的最优值的变化。第四节对偶问题的经济解释影子价格第1章中例1的影价格及其经济解释。由表1-5可知cj23000CBXBbx1x2x3x4x52x141001/400 x5400-21/213x22011/2-1/80-z-1400-3/2-1/80y1*=1.5,y2*=0.125,y3*=0。第四节对偶问题的经济解释影子价格第1章中例1的影价格及其经济解释。这说明是其他条件不变的情况下,若设备增
13、加一台时,该厂按最优计划安排生产可多获利1.5元;原材料A增加1kg,可多获利0.125元;原材料B增加1kg,对获利无影响。从图2-1可看到,设备增加一台时,代表该约束条件的直线由移至,相应的最优解由(4,2)变为(4,2.5),目标函数z=24+32.5=15.5,即比原来的增大1.5。又若原材料A增加1kg时,代表该约束方程的直线由移至,相应的最优解从(4,2)变 为(4.25,1.875),目 标 函 数 z=4.25+31.875=14.125。比原来的增加0.125。原材料B增加1kg时,该约束方程的直线由移至,这时的最优解不变。第四节对偶问题的经济解释影子价格第1章中例1的影价格
14、及其经济解释。第四节对偶问题的经济解释影子价格yi*的值代表对第i种资源的估价影子价格。这种估价是针对具体工厂的具体产品而存在的一种特殊价格,称它为“影子价格”。在该厂现有资源和现有生产方案的条件下,设备的每小时租费为1.5元,1kg原材料A的出让费为除成本外再附加0.125元,1kg原材料B可按原成本出让,这时该厂的收入与自己组织生产时获利相等。影子价格随具体情况而异,在完全市场经济的条件下,当某种资源的市场价低于影子价格时,企业应买进该资源用于扩大生产;而当某种资源的市场价高于企业影子价格时,则企业的决策者应把已有资源卖掉。可见影子价格对市场有调节作用。第五节对偶单纯形法前节讲到原问题与对
15、偶问题的解之间的对应关系时指出:在单纯形表中进行迭代时,在b列中得到的是原问题的基可行解,而在检验数行得到的是对偶问题的基解。通过逐步迭代,当在检验数行得到对偶问题的解也是基可行解时,根据性质(2)、(3)可知,已得到最优解。即原问题与对偶问题都是最优解。根据对偶问题的对称性,可以这样考虑:若保持对偶问题的解是基可行解,即cjCBB-1Pj0,而原问题在非可行解的基础上,通过逐步迭代达到基可行解,这样也得到了最优解。其优点是原问题的初始解不一定是基可行解,可从非基可行解开始迭代。第五节对偶单纯形法设原问题为 max z=CX AX=b X0又设B是一个基。不失一般性,令B=(P1,P2,Pm)
16、,它对应的变量为 XB=(x1,x2,,xm)。当非基变量都为零时,可以得到XB=B-1b。若在B-1b中至少有一个负分量,设(B-1b)i0,并且在单纯形表的检验数行中的检验数都为非正,即对偶问题保持可行解,它的各分量是 (1)对应基变量x1,x2,,xm的检验数是i=ci zi=ci CBB-1Pj=0,i=1,2,m (2)对应非基变量xm+1,xn的检验数是j=cj zj=cj CBB-1Pj0,j=m+1,n第五节对偶单纯形法每次迭代是将基变量中的负分量xl取出,去替换非基变量中的xk,经基变换,所有检验数仍保持非正。从原问题来看,经过每次迭代,原问题由非可行解往可行解靠近。当原问题
17、得到可行解时,便得到了最优解。第五节对偶单纯形法对偶单纯形法的计算步骤如下:(1)根据线性规划问题,列出初始单纯形表。检查b列的数字,若都为非负,检验数都为非正,则已得到最优解。停止计算。若检查b列的数字时,至少还有一个负分量,检验数保持非正,那么进行以下计算。(2)确定换出变量。按min(B-1b)i(B-1b)i0(B-1b)l对应的基变量xi为换出变量 (3)确定换入变量。在单纯形表中检查xl所在行的各系数lj(j=1,2,,n)。若所有lj0,则无可行解,停止 计算。若存在lj0 (j=1,2,,n),计算 第五节对偶单纯形法对偶单纯形法的计算步骤如下:按规则所对应的列的非基变量xk为
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