《线性规划应用》课件.pptx

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1、线性规划应用 创作者：时间：2024年X月目录第第1 1章章 简介简介第第2 2章章 单纯形法单纯形法第第3 3章章 对偶理论对偶理论第第4 4章章 整数规划整数规划第第5 5章章 网络流问题网络流问题第第6 6章章 总结总结 0101第1章 简介 课程简介本课程旨在介绍线性规划的基本定义、求解方法和应用场景。主要涵盖线性规划的目标函数、约束条件、可行域以及单纯形法、对偶法等求解方法。同时，该课程也重点介绍了线性规划在决策分析和优化中的重要性。线性规划的基本概念线性规划是一种用来求解线性目标函数在一定约束条件下的最优解的数学方法。目标函数是线性的，可行域是线性的，并且所有的约束条件都是线性的不

2、等式或等式。约束条件和可行域的概念约束条件是指限制目标函数变量的取值范围的一组等式或不等式，可行域是指所有可能的目标函数的取值，使其满足所有约束条件的解集。线性规划的求解线性规划的求解方法方法线性规划的常见求解方法包括单纯形法、对偶法等。单纯线性规划的常见求解方法包括单纯形法、对偶法等。单纯形法是求解线性规划问题的一种基本方法，其核心思想是形法是求解线性规划问题的一种基本方法，其核心思想是通过不断的迭代，不断地寻找更优的解。对偶法是一种将通过不断的迭代，不断地寻找更优的解。对偶法是一种将线性规划问题转化为其对偶问题再求解的方法。线性规划问题转化为其对偶问题再求解的方法。优化生产计划，提高生产效

3、率生产计划0103优化资源配置，提高利用效率资源配置02优化运输路线，降低运输成本运输调度检验最优性检验最优性计算各非基变量的价值系数计算各非基变量的价值系数判断是否达到最优解判断是否达到最优解寻找换入变量寻找换入变量计算各基变量的单位利润计算各基变量的单位利润选取单位利润最大的非基变量选取单位利润最大的非基变量作为换入变量作为换入变量计算换出变量计算换出变量计算出各基变量对目标函数的计算出各基变量对目标函数的贡献值贡献值选取贡献值最小的基变量作为选取贡献值最小的基变量作为换出变量换出变量单纯形法的求解过程初始化初始化选取基变量选取基变量计算出目标函数和各约束条件计算出目标函数和各约束条件的系

4、数矩阵的系数矩阵对偶问题的求解过程将原问题转化为对偶问题建立对偶问题使用单纯形法等方法求解对偶问题求解对偶问题检验对偶问题的最优解是否满足原问题的约束条件检验对偶可行性通过检验原问题的最优解是否满足对偶问题的约束条件来判断原问题是否有最优解检验原问题最优性 0202第2章 单纯形法 单纯形法介绍单纯形法是一种解决线性规划问题的有效方法。其基本思路是通过一系列基变量的变化，使得目标函数值逐渐趋向最优值，并且在过程中满足约束条件。单纯性原理和可行解性条件是单纯形法的重要基础理论。单纯形法的具体步骤单纯形法的五个步骤分别是：确定初始可行基、寻找入基变量、计算出基变量对应的离基变量、更新基变量和表、判

5、断是否结束。其中，每个步骤都需要相应的操作方法。在操作中需要注意的是，要保证每次迭代都能找到更优的目标函数值，同时不违反约束条件。单纯形法流程图单纯形法流程图单纯形法的流程图如下所示。通过每一次迭代，将目标函单纯形法的流程图如下所示。通过每一次迭代，将目标函数值优化到最大或最小，并同时满足约束条件。数值优化到最大或最小，并同时满足约束条件。单纯形法的优化策略由于初始基类的不同可能导致单纯形法的迭代次数不同，所以需要选择一个合适的初始基类。初始基类的选择有些线性规划问题本身并不具有可行解，此时可以通过引入人工变量来构造可行解，再通过单纯形法来求解。人工变量的引入当约束条件中包含等式时，可以采用双

6、纯性法来解决单纯形法在处理等式约束时可能出现的问题。双纯性法对偶单纯形法可以通过对原问题的对偶问题求解，来间接地解决原问题。对偶单纯形法单纯形法的实际单纯形法的实际应用应用单纯形法的应用十分广泛，尤其是在生产计划、投资决策单纯形法的应用十分广泛，尤其是在生产计划、投资决策和资源分配等领域。下面通过一个例题来展示单纯形法的和资源分配等领域。下面通过一个例题来展示单纯形法的具体求解过程。具体求解过程。例题分析某工厂生产两种产品，产品A和产品B。生产一件产品A需要消耗2个零件和1个装配工时，生产一件产品B需要消耗1个零件和3个装配工时。每天有40个零件和30个装配工时可供使用，并且A和B的单价分别为

7、5元和7元。如何安排生产计划，使得工厂的利润最大？问题描述我们可以将该问题建模为如下的线性规划模型：max Z 5x1+7x2 s.t.2x1+x2=40 x1+3x2=0,x2=0建立数学模型将模型转化为标准化形式：max Z=5x1+7x2+0 x3+0 x4 s.t.2x1+x2+x3=40 x1+3x2+x4=30 x1,x2,x3,x4=0标准化形式根据单纯形法的具体步骤，我们可以求解出最优解：x1=10,x2=6,Z=68求解过程 0303第3章 对偶理论 对偶理论介绍对偶理论是线性规划领域的重要理论之一，它使得我们可以通过对偶问题来解决原问题，具有广泛的应用价值。对偶理论的基本思

8、想是通过对原线性规划问题的一系列转化得到对偶问题，通过对偶问题的求解得到原问题的最优解。对偶定理和对偶模型对偶定理是对偶理论的核心内容之一，它给出了使用对偶模型来求解原问题最优解的一系列条件。对偶模型是通过对原问题的转化构造出的与原问题等价的问题，对偶模型的求解可以得到原问题的最优解。对偶定理的形式及证明过程对于任意一个线性规划问题，都存在一个对偶问题，并且它们的最优解相等。对偶定理的形式证明过程比较复杂，需要运用一系列的线性代数和优化理论知识，具体可以参考相关文献。证明过程对偶定理可以应用于很多领域，如网络流、整数规划等。应用领域 对偶模型的构造对偶模型的构造方法和求解过程方法和求解过程对偶

9、模型的构造方法和求解过程分为几个步骤，首先需要对偶模型的构造方法和求解过程分为几个步骤，首先需要将原线性规划问题转化为对偶形式，然后构造对偶问题的将原线性规划问题转化为对偶形式，然后构造对偶问题的目标函数和约束条件，最后使用对偶单纯形法求解对偶问目标函数和约束条件，最后使用对偶单纯形法求解对偶问题。题。对偶问题和对偶单纯形法对偶问题是通过对原问题进行一系列转化得到的问题，其最优解可以得到原问题的最优解。对偶问题的求解过程与原问题类似，但需要使用对偶单纯形法进行求解。对偶问题的定义和求解过程对偶单纯形法的基本思路是通过对偶问题的基本可行解进行迭代求解，其步骤包括进行对偶单纯表的初始化、进行对偶单

10、纯表的迭代计算和对偶单纯表的解释。对偶单纯形法的基本思路和步骤对偶问题可以应用于很多领域，如网络流和整数规划等，使用对偶问题求解可以得到原问题的最优解。应用实例 网络流问题是指在一个有向图中，每条边有一个流量上限和一个费用，需要求解从源点到汇点的最大流问题。网络流问题0103生产计划问题是指在有限的资源和时间下，如何安排产品的生产，使得利润最大化。生产计划问题02整数规划问题是指在一个线性规划问题中，要求变量的取值为整数。整数规划问题 0404第4章 整数规划 整数规划概述整数规划的定义和基本概念概念整数规划的应用范围和案例应用场景整数规划与线性规划的比较和整数规划的难点区别和难点 整数规划方

11、法割平面法的原理和实现步骤割平面法分支定界法的原理和实现步骤分支定界法 如何使用整数规划优化旅行商的路径和成本旅行商问题0103 02如何使用整数规划优化生产计划和资源利用生产调度问题舍入舍入将实数解舍入为整数解将实数解舍入为整数解改进搜索改进搜索改进分支定界法的搜索策略改进分支定界法的搜索策略启发式算法启发式算法使用启发式算法求解复杂问题使用启发式算法求解复杂问题整数规划的求解技巧松弛松弛将整数规划转化为线性规划求将整数规划转化为线性规划求解解整数规划的意义整数规划的意义和价值和价值整数规划在许多领域中有重要的应用，如工程优化、运输整数规划在许多领域中有重要的应用，如工程优化、运输调度、资源

12、分配、生产计划等。使用整数规划可以优化方调度、资源分配、生产计划等。使用整数规划可以优化方案，减少成本，提高效率，提高企业和社会的竞争力。案，减少成本，提高效率，提高企业和社会的竞争力。0505第5章 网络流问题 网络流问题概述网络流问题是指在一个有向图中，给出每条边的容量和每个源点（有向图中只有一个源点，即只有一点的入度为0）和汇点（有向图中只有一个汇点，即只有一点的出度为0）后，求从源点到汇点的最大流或最小成本流的问题。在实际生活和工程应用中，网络流问题具有较广的应用。网络流问题的应用场景求解最小成本的运输方案运输问题如何使得网络传输效率最大网络优化问题分析电力网络的最大输电能力电力网络分

13、析 网络流问题与最大流问题的关系网络流问题是最大流问题的一种推广，最大流问题是指在一个有向图G(V,E)中，给出每条边的容量后，从源点s到汇点t的最大流量，这里的定义可以推广到一个有n个源点，m个汇点的多源汇问题上。最大流问题的求解方法不断寻找增广路，更新最大流的值Ford-Fulkerson算法寻找最短增广路，更新最大流的值Edmonds-Karp算法将原图分层，寻找增广路，更新最大流的值Dinic算法 增广路定理和最大流最小割定理增广路定理：如果在一个网络流问题中，对于一个流，存在一条s-t路径，使得这条路径上所有的边都没有饱和（即还有剩余容量），那么这条路径上的最小容量就是这个流的增广量

14、。最大流最小割定理：对于一个网络流问题，最大流的值等于最小割的容量，也就是说，可以通过找到最小割来求解最大流。网络流问题的扩展网络流问题还有很多扩展，比如多源汇最大流问题和费用流问题等。多源汇最大流问题是指在一个有向图中，给出多个源点和多个汇点后，求多对源汇之间的最大流。费用流问题是指在一个有向图中，给出每条边的容量和费用后，求从源点到汇点的最小费用流。网络流问题的应用实例使用网络流算法求解最小成本的运输方案运输问题使用网络流算法使得网络传输效率最大网络优化问题使用网络流算法分析电力网络的最大输电能力电力网络分析使用费用流算法优化物流成本最小费用流问题Ford-Ford-FulkersonFu

15、lkerson算算法法Ford-FulkersonFord-Fulkerson算法是最经典的网络流算法之一，工作算法是最经典的网络流算法之一，工作原理是不断寻找增广路，更新最大流的值。具体来说，首原理是不断寻找增广路，更新最大流的值。具体来说，首先初始化流为先初始化流为0 0，然后在残留网络中寻找一条增广路，更，然后在残留网络中寻找一条增广路，更新流的值，直到找不到增广路为止。新流的值，直到找不到增广路为止。空间复杂度空间复杂度存储残留网络的空间复杂度为存储残留网络的空间复杂度为O(E)O(E)存储流量的空间复杂度为存储流量的空间复杂度为O(V2)O(V2)优化优化启发式选择增广路优化启发式选

16、择增广路优化预处理最短路优化预处理最短路优化最大流最小割定理优化最大流最小割定理优化适用范围适用范围适用于稠密图适用于稠密图不适用于稀疏图，可以使用不适用于稀疏图，可以使用DinicDinic算法算法Ford-Fulkerson算法的复杂度分析时间复杂度时间复杂度遍历残留网络的时间复杂度为遍历残留网络的时间复杂度为O(E)O(E)最大流的值是整数，每次增广最大流的值是整数，每次增广的流量至少为的流量至少为1 1，因此增广次数，因此增广次数不超过最大流的值，即不超过最大流的值，即O(V)O(V)对于一个网络流问题，最大流的值等于最小割的容量定理描述0103寻找网络传输效率最大的路径应用场景02证

17、明思路是将最大流问题转化为最小割问题，再证明两者结果相等证明思路 0606第6章 总结 课程总结本课程主要介绍了线性规划及其相关问题的数学建模、求解方法和理论研究。通过学习，我们了解了线性规划问题在生产、运输、金融、医疗等领域的广泛应用，并学会了用单纯形法、对偶理论、整数规划、网络流等方法求解实际问题。知识回顾线性规划是在约束条件下优化目标函数的数学建模方法，单纯形法是一种高效的线性规划求解算法，对偶理论是分析线性规划问题的重要工具，整数规划是线性规划问题的扩展形式，网络流问题是图论中的经典问题。线性规划、单纯形法、对偶理论、整数规划和网络流问题的知识点众多，每个知识点都有其具体的应用场景和算

18、法特点。线性规划的应用场景如何安排生产任务、优化产品组合、规划生产流程生产计划与调度如何优化货物运输路线、车辆调度、库存管理运输与配送如何控制贷款风险、优化投资组合、制定资金调配方案金融风险管理如何合理分配医疗资源、优化医院运营、制定疾病防控方案医疗卫生服务单纯形法单纯形法迭代求解、可行解、无界解、迭代求解、可行解、无界解、结束条件结束条件大规模线性规划、灵活、可扩大规模线性规划、灵活、可扩展展对偶理论对偶理论对偶问题、对偶定理、对偶解对偶问题、对偶定理、对偶解最优性检验、灵敏度分析、解最优性检验、灵敏度分析、解决特殊线性规划决特殊线性规划整数规划整数规划整数变量、混合整数规划、整数变量、混合

19、整数规划、0-10-1规划规划生产排程、交通运输、电力调生产排程、交通运输、电力调度、排队系统度、排队系统算法特点与应用场景线性规划线性规划线性约束、线性目标、最优解线性约束、线性目标、最优解唯一唯一生产、运输、金融、医疗、环生产、运输、金融、医疗、环保等领域保等领域线性规划的应用线性规划的应用举例举例生产计划与调度是线性规划的一个重要应用领域。比如，生产计划与调度是线性规划的一个重要应用领域。比如，某家厂商生产两种型号的电视机，一种为彩色电视机，每某家厂商生产两种型号的电视机，一种为彩色电视机，每台利润为台利润为100100元，另一种为黑白电视机，每台利润为元，另一种为黑白电视机，每台利润为

20、8080元。元。该厂商可用的资源是该厂商可用的资源是350350个电视管、个电视管、210210个显像管和个显像管和450450个塑料外壳，彩色电视机的生产需要个塑料外壳，彩色电视机的生产需要3 3个电视管、个电视管、1 1个显个显像管和像管和2 2个塑料外壳，黑白电视机的生产需要个塑料外壳，黑白电视机的生产需要1 1个电视管、个电视管、2 2个显像管和个显像管和1 1个塑料外壳。该厂商想最大化总利润，该个塑料外壳。该厂商想最大化总利润，该如何安排生产任务？如何安排生产任务？技能提升理解算法思想、熟悉算法流程、掌握算法步骤、提高算法效率深入理解线性规划算法挖掘更多应用场景、扩大应用范围、拓展解

21、决问题的思路拓展应用领域学好高等数学、线性代数、概率论等数学课程、提升数学建模和分析能力加强数学基础从多个角度分析问题、发现问题本质、提出切实可行的解决方案多角度思考问题线性规划的未来线性规划的未来发展趋势发展趋势线性规划作为一种优化理论和方法，具有广泛的应用前景。线性规划作为一种优化理论和方法，具有广泛的应用前景。未来，线性规划将在自动化控制、智能物流、数据分析等未来，线性规划将在自动化控制、智能物流、数据分析等领域得到更加广泛的应用。同时，基于线性规划的混合整领域得到更加广泛的应用。同时，基于线性规划的混合整数规划、非线性规划等问题也将得到更为深入的研究和应数规划、非线性规划等问题也将得到更为深入的研究和应用。用。谢谢观看！下次再见