Переход к канонической форме злп. Каноническая форма задачи линейного программирования

Аналитическим методом решения задачи линейного программирования является симплексный метод. Для его применения задачи ЛП, представленные различным образом, должны быть приведены к канонической форме. Задача линейного программирования, записанная в виде (2.1.1)-(2.1.3), представляет собой развернутую форму записи общей задачи линейного программирования (ЗЛП).

Канонической задачей линейного программирования (КЗЛГТ) будем называть следующую задачу:

при ограничениях, имеющих вид равенств,

Если для задачи в форме (2.3.1)-(2.3.4) выполняется условие т = п, то ее решение сводится к решению системы уравнений

• (2.3.2) . При этом задача не будет иметь решений, если условие
• (2.3.3) не выполняется или система уравнений не имеет решения.

условие т

• 1. Для перехода от задачи максимизации целевой функции (2.3.1) к задаче минимизации достаточно взять все коэффициенты Cj целевой функции с обратными знаками и решить полученную задачу на максимум. После нахождения максимума значение целевой функции надо взять с обратным знаком. Оптимальное решение останется прежним.
• 2. Для перехода от ограничения типа «меньше или равно» к равенству в него необходимо со знаком «плюс»:

3. Для перехода от ограничения типа «больше или равно» к равенству в него необходимо ввести дополнительную неотрицательную переменную со знаком «минус»:

При этом в каждое неравенство вводится своя (п + /)-я дополнительная переменная.

• 4. Все равенства, имеющие отрицательные свободные члены, делятся на -1, для того чтобы выполнялось условие (2.3.4).
• 5. Если на некоторую переменнуюXj не накладывается условие неотрицательности , то делают замену переменных Xj=х". - х" x"j > 0, х"> 0. В преобразованной задаче все переменные неотрицательные.

Имеет место утверждение, что любую ЗЛП можно привести к канонической форме.

Пример 2.3.1. Преобразуем задачу, приведенную в примере 2.2.2, в каноническую форму. Целевая функция и система ограничений выглядят следующим образом:

Введем в первое неравенство дополнительную переменную jc 3 > 0 со знаком «плюс», во второе х 4 > 0 со знаком «минус» и в третье х 5 > 0 также со знаком «плюс». В результате получим систему ограничений задачи в канонической форме:

При этих ограничениях нужно найти максимальное значение функции:

Рассмотрим экономический смысл дополнительных переменных в канонической задаче оптимального использования ресурсов.

Пример 2.3.2. Задача оптимального использования ресурсов (задача о коврах) [ 17 J.

В распоряжении фабрики имеется определенное количество ресурсов трех видов: труд (80 человекодней), сырье (480 кг) и оборудование (130 станкочасов). Фабрика может выпускать ковры четырех видов. Информация о количестве единиц каждого ресурса, необходимых для производства одного ковра каждого вида, и о доходах, получаемых предприятием от единицы каждого вида товаров, приведена в табл. 2.3.1.

Требуется найти такой план выпуска продукции, при котором ее общая стоимость будет максимальной.

Экономико-математическая модель задачи Переменные : х х,х 2 , х 3 , х 4 - количество ковров каждого типа. Целевая функция - это общая стоимость продукции, которую необходимо максимизировать:

Ограничения по ресурсам :

Приведем задачу к канонической форме, вводя дополнительные переменные х 5 , х 6 и х 7:

Далее будет показано, что оптимальным планом выпуска продукции является вектор X* = (0; 30; 10; 0), значение целевой функции равно 150, т.е. для максимизации общей стоимости продукции необходимо выпустить 30 ковров второго вида и 10 ковров третьего вида. Подставим оптимальные значения вектора X в ограничения КЗЛП:

Получим, что ресурсы «труд» и «оборудование» используются полностью, ресурс «сырье» имеется в избытке:

В этом случае х в показывает, что сырья осталось 200 кг.

Таким образом, основные переменные x v х 2 , х 3 , х л означают количество ковров каждого типа, а дополнительные переменные х 5 , х 6 их 7 - объем недоиспользованных ресурсов.

Ответ. Оптимальный план выпуска продукции X* = (0; 30;

10; 0).

Планом , или допустимым решением , КЗЛП называется вектор X = (jc p х 2 ,..., х п ), удовлетворяющий условиям (2.3.2)-(2.3.4).

Если все компоненты базисного решения системы ограничений КЗЛП неотрицательны, то такое решение называется опорным решением или опорным планом. Число положительных компонент опорного плана не может превышать т.

Опорный план называется невырожденным, если он содержит т положительных компонент, в противном случае он называется вырожденным.

Оптимальным планом или оптимальным решением ЗЛП называется план, доставляющий наибольшее (наименьшее) значение линейной функции (2.3.1).

Множество всех планов ЗЛП (если они существуют) является выпуклым многогранником. Каждой угловой (крайней) точке многогранника решений соответствует опорный план (неотрицательные базисные решения системы уравнений КЗЛП). Каждый опорный план определяется системой т линейно независимых векторов, содержащихся в данной системе из п векторов Д, Д,..., А п. Если существует оптимальный план, то существует такая угловая точка многогранника решений, в которой линейная функция достигает своего наибольшего (наименьшего) значения.

Для отыскания оптимального плана достаточно исследовать только опорные планы. Верхняя граница количества опорных планов, содержащихся в задаче, определяется числом сочетаний С т п (см. параграф 1.4).

Пример 2.3.3. Получить решение задачи об оптимальном использовании ограниченных ресурсов (решить ЗЛ П):

Решение. Приведем задачу к каноническому виду путем введения дополнительных переменныхх 3 , х 4 и х 5:

Найдем все опорные планы системы ограничений данной КЗЛП (л? - 5; /77 - 3); их количество не превышает 10:

Используя метод Жордана - Гаусса (см. параграф 1.4), выписываем все базисные решения системы уравнений (табл. 2.3.2).

Среди десяти базисных решений пять опорных:

Указанным опорным планам на рис. 2.3.1 отвечают соответственно следующие угловые точки и значения ЦФ в них:

Рис. 2.3.1.

Согласно теории ЛП оптимальное решение содержится среди опорных планов.

Таким образом, максимальное значение, равное 2300, целевая функция достигает в точке В на опорном плане Х 5 = (70; 80; 0; 60; 0).

Ответ. Оптимальный план задачи: х { = 70, х 2 = 80, значение целевой функции f(x v х 2) = 2300.

Задачи МП

Общей ЗЛП называют <,=,>=}bi (i=1,n) (2) при условии xj>

Симметрической < либо = и не отрицательных переменных и задача минимизации функции (1) при линейных ограничениях в неравенствах со знаком > Канонической смешенной .

min f(x) = -max(-f(x))

<=b (5)соответствует вполне определенное решение х1…хn, xn+1 уравненияa1x1+…+anxn+xn+1=b (6) при условии что хn+1>

Геометрическая интерпретация целевой функции и ограничения ЗЛП. Геометрическая формулировка ЗЛП.

Пусть дана задача f=c1x1+c2x2-max (1)

a11x1+a12x2<=b1 }

am1x1+am2x2<=bm}

x1>=0, x2>=0 (3)

План задачи (х1,х2) – точка на плоскости. Каждое неравенство с-мы 2 предст. собой полуплоскость. Полуплоскость –выпуклое множество. Выпуклым наз-ся множество в которым точки отрезка соединяющие (х1 и х2) принадлежащие этому множеству то же принадлежат множеству. С-ма 2 представляет собой пересечение полуплоскостей. При пересечении могут получиться:

1)выпуклая многоугольная замкнутая область.

2) выпуклая открытая многоугольная область

3) единственная точка

4) пустое множество

5) луч и отрезок

Геометрическая интерпретация целевой функции: ф-ция 1 представляет собой семейство параллельных прямых, которые наз-ют линиями уровня(линиями постоянного значения целевой функции). Частные производные функции по х1 и х2 показывают скорость возрастания целевой функции вдоль координат осей. Вектор-градиент показывает направление найскорейшего возрастания целевой функции.Для задачи 1-3 вектор-градиент = (с1;с2) Выходит из точки (0,0) и направлен в точку с координатами (с1;с2). Вектор-градиент перпендикулярен линиям уровня. Пересечение полуплоскастей принято наз-ть областью допустимых рещений(ОДР) .

Основная теорема ЛП. Принципиальная схема решения ЗЛП, вытекающая из этой теоремы.

Если ЗЛП имеет решение, то целевая функция достигает экстремального значения хотя бы в одной из крайних точек многогранника плана. Если целевая функция достигает экстремального значения более чем в одной крайней точке то она достигает одно и то, являющейся их выпуклой линейной комбинацией.же значения в любой точке. При решении ЗЛП в ручную удобно использовать табличную запись.

Алгоритм симплекс-метода.

1. привести модель задачи к канонической форме;

2. найти начальный опорный план;

3. записать задачу в симпл. таблицу;

5. перейти к новому опорному плану, к новой симп. таблице. Для того чтобы перейти к новому опорному плану достаточно заменить одну базисную переменную свободной. Переменную, включаемую в базис и соответствующей ей разрешающий столбец определяют по наибольшему по модулю отрицательному элементу f-строки. Переменную, исключающую из базиса и соответствующую ей разрешающую строку определяют по наименьшему симплексному отношению, т.е. отношению элементов единичного столбца к соответствующему элементу разрешающего столбца. Симплексное отношение – величина неотрицательная. На пересечении разрешающей строки и разрешающего столбца расположен разрешающий элемент, относительно которого выполняется симплексное преобразование по след. правилу: 1. элементы разрешающей строки делятся на разрешающий элемент; 2. элементы разрешающего столбца делятся на разрешающий элемент и меняют знак на противоположный; 3. остальные элементы таблицы перещитываются по правилу прямоугольника.:

bij bis bkj=(bkj*bis-bij*bks)/bi

Ая теорема двойственности.

если одна из двойственных задач имеет оптим план, то и другая решима, т.е. имеет опт.план. При этом экстремальные значен.целевых функций совпадают (j=от 1 до n) Σcjxj*= (i=от 1 до m)Σbiyi* если в исходн. задаче целевая функция неограничена на множестве планов, то в двойственной задаче система ограничений несовместна.

Теорема о ранге матрицы ТЗ.

Ранг матрицы А трансп.задачи на единицу меньше числа уравнений: r(A)=m+n-1.

39. Алгоритм построения начального опорного плана ЗЛП.

Для нахождения начального опорного плана можно предложить следующий алгоритм:

1. записать задачу в форме жордановой таблицы так, чтобы все элементы столбца свободных членов были неотрицательными, т.е. выполнялось неравенство аio>=0 (i=1,m). Те уравнения с-мы, в которых свободные члены отрицательны, предварительно умножаются на -1.

Таблицу преобразовывать шагами жордановых исключений, замещая нули в левом столбце соответствующими х. При этом на каждом шаге разрешающим может быть выбран любой столбец, содержащий хотя бы один положительный элемент. Разрешающая строка определяется по наименьшему из отношений свободных членов к соответствующем положительным элементам разрешающего столбца. Если в процессе исключений встретится 0-строка, все элементы которой- нули, а свободный член отличен от нуля, то с-ма ограничительных уравнений решений не имеет. Если же встретится 0-строка, в которой, кроме свободного члена, других положительных элементов нет, то с-ма ограничительных уравнений не имеет неотрицательных решений Если с-ма ограничительных уравнений совместна , то через некоторое число шагов все нули в левом столбце будут замещены х и тем самым получен некоторый базис, а следовательно, и отвечающий ему опорный план.

40. Алгоритм построения оптимального опорного плана ЗЛП.

Начальный опорный план Хо исследуется на оптимальность.

Если в f-строке нет отрицательных элементов (не считая свободного члена), -план оптимален. Если в f- строке нет также и нулевых элементов, то оптимальный план единственный; если же среди элементов есть хотя бы один нулевой, то оптимальных планов бесконечное множество. Если в f-строке есть хотя бы один отрицательный элемент, а в соответствующем ему столбце нет положительных, то целевая функция не ограничена в допустимой области. Задача не разрешима. Если в f- строке есть хотя бы один отрицательный элемент, а в каждом столбце с таким элементом есть хотя бы один положительный, то можно перейти к новому опорному плану, более близкому к оптимальному. Для этого столбец с отриц-ом элементом в f-строке берут за разрешающий ; опред-ют по минимальному симплексному отношению разрешающую строку и делают шаг жорданова исключения. Полученный опорный план вновь исследуется на оптимальность. Это повторяется до тех пор, пока не будет найден оптимальный опорный план либо установлена неразрешимость задачи.

Алгоритм метода Гомори.

1.Симплекс-методом находят оптимальный план задачи. Если все компоненты оптимального плана целые, то он –оптимальный. В противном случае переходят к пункту 2

2.Среди нецелых компонент следует выбрать ту, у которой дробная часть является наибольшей и по соответствующей этой строке симплексной таблицы сформулировать правильное отсечение по формуле

(n-m,s=1)∑ {αkm+1}Xm+1≥{βk}

3.Сформулированное неравенство преобразовать в эквивалентное нулевое равенство и включить в симплексную таблицу с нецелочисленным оптимальным планом

4.Полученную расширенную задачу решают симплекс-методом. Если полученный план не является целочисленным нова переходят к пункту 2.

Если в процессе решения появится строка с нецелым свободным членом и целыми остальными коэффициентами, то соответствующее уравнение не имеет решения в целых числах. В таком случае и исходная задача неразрешима в целых числах.Метод Гомори имеет ограниченое применение. С его помощью целесообразно решать небольшие задачи, т.к. число интераций может быть очень большим.

Различные формы записи ЗЛП (общая, каноническая, симметрическая)

Задачи МП : определение оптимального плана, опред-е оптимального объема выпуска продукции, опред-е оптим-го сочитания посевов с/хоз-ых культур, формир-е оптим-го пакета активов, максимиз-щий прибыль банка и т.д.

Общей ЗЛП называют задачу максимизации (минимизации) линейной функции f=Σcj*xj-max(min) (1) при линейных ограничениях ∑aij *xj{=<,=,>=}bi (i=1,n) (2) при условии xj>=0(j=1,n1), xj-произвольное (j=n1+1,n)(3) где cj,aij, bi-постоянные числа.

Симметрической формой записи ЗЛП наз-ся задача максимизации функции (1) при линейных ограничениях в неравенствах со знаком < либо = и не отрицательных переменных и задача минимизации функции (1) при линейных ограничениях в неравенствах со знаком > либо = и неотрицательных переменных. Канонической формой записи ЗЛП наз-ся задача максимальной функции (1) при линейных ограничениях равенствах и неотрицательных переменных. Любая другая форма называется смешенной .

min f(x) = -max(-f(x))

Преобразование нерав-ва в уравнение и наоборот осущ-ся на основе Леммы: всякому решению х1…хn нерав-ва a1x1+…+anxn<=b (5)соответствует вполне определенное решение х1…хn, xn+1 уравненияa1x1+…+anxn+xn+1=b (6) при условии что хn+1>=0(7) и наоборот. Всякому решению x1…xn,xn+1 уравнения 6 и неравенства 7 соответствует решение x1…xn неравенства 5.

Чтобы от зад сим формы перейти к зад канонич вида, необходимо ввести балансовые (выравнивающие) переменные. Это основано на теореме о неравенстве: любое нерав-во можно представить в виде ур-я или простейшего нерав-ва.

Задача линейного программирования вида ax = b где a - матрица коэффициентов, b - вектор ограничений.
Пример :

В каждой задаче ЛП ищутся значения переменных при условии, чтобы:

• эти значения удовлетворяли некоторой системе линейных уравнений или неравенств;
• при этих значениях целевая функция обращалась бы в минимум или максимум.

Инструкция . Выберите количество переменных и количество строк (количество ограничений). Полученное решение сохраняется в файле Word .

Одним из универсальных методов ЛП является симплексный метод, который, однако, можно применять, если задача ЛП имеет каноническую форму.

Определение . Задача ЛП имеет каноническую форму, если все ограничения системы состоят только из уравнений (кроме неравенств, выражающих неотрицательность переменных) и целевую функцию необходимо минимизировать.
Примером такой задачи ЛП в канонической форме является задача 1 – сбалансированная транспортная задача с системой ограничений (1) и целевой функцией (2).
Однако в большинстве экономических задач чаще всего в систему ограничений первоначально входят не только уравнения, а и неравенства.

Утверждение. Любая общая задача ЛП может быть приведена к канонической форме.
Приведение общей задачи ЛП к канонической форме достигается путем введения новых (их называют дополнительными) переменных.
Система ограничений (3) этой задачи состоит из четырех неравенств. Введя дополнительные переменные y 1 ≥ 0, y 2 ≥ 0, y 3 ≥ 0, y 4 ≥ 0, можно перейти к системе ограничений:

Эти дополнительные переменные y i имеют абсолютно ясный экономический смысл, а именно означают величину неиспользованного времени работы (простоя машины i -го вида).
Например, если бы машины первого вида работали все 18 ч, то x + y = 18, следовательно, y 1 = 0. Но мы допускаем возможность неполного использования времени работы первой машины x + y <18. В этом случае y 1 приобретает положительное значение и может рассматриваться как неиспользованный лимит времени. Например, зная решение этой задачи из пункта 3.3.2, x = 12, y = 6, мы можем из системы ограничений (3.9) сделать вывод, что y 1 = y 2 = y 3 = 0, а y 4 = 12 – 6 = 6. Т. е. машины первого, второго, третьего вида используют свое рабочее время полностью. А вот четвертая машина загружена лишь наполовину, 6 часов, и при заданном оптимальном плане простаивает. Возможно, после таких выводов руководителю предприятия захочется загрузить ее другой работой, сдать в аренду на это время и т.д.
Итак, введением дополнительных переменных мы можем любое ограничение типа неравенства привести к уравнению.

Рассмотрим задачу о смеси. Система ограничений имеет вид:
Неравенства были обращены в сторону «больше», поэтому вводя дополнительные переменные y 1 , y 2 , y 3 ≥ 0, их необходимо вычесть из левой части, чтобы уравнять ее с правой. Получим систему ограничений в канонической форме:
Переменные y i также будут иметь экономический смысл. Если вы вспомните практическое содержание задачи, то переменная y 1 будет означать количество излишнего вещества А в смеси, y 2 –количество излишков вещества В в смеси, y 3 – излишки С в смеси.
Задача нахождения максимального значения целевой функции может быть сведена к нахождению минимума для функции –F ввиду очевидности утверждения max F = –min (– F). Посмотрите на рисунок: если в какой-то точке x = x 0 функция y = F (x ) достигает своего максимума, то функция y = –F (x ), симметричная ей относительно оси OX , в этой же точке x 0 достигнет минимума, причем F max = – (–F min) при x = x 0 .

Вывод. Для представления задачи ЛП в канонической форме необходимо:

• неравенства, входящие в систему ограничений задачи, преобразовать в уравнения с помощью введения дополнительных переменных;
• если целевая функция F →max (максимизируется), она заменяется на функцию –F → min (которая минимизируется).

Cтраница 1

Каноническая форма задачи характеризуется следующими тремя признаками: 1) однородная система ограничений в виде системы уравнений; 2) однородные условия неотрицательности, распространяющиеся на все переменные, участвующие в задаче, и 3) максимизация, линейной функции. В данной задаче нарушены все эти три признака.  

Каноническая форма задачи характеризуется следующими тремя признаками: 1) однородная система ограничений в виде системы уравнений; 2) однородные условия неотрицательности, распространяющиеся на все переменные, участвующие в задаче, и 3) максимизация линейной функции. В данной задаче нарушены все эти три признака.  

Каноническая форма задачи линейного программирования удобна тем, что легко находится начальная вершина допустимой области.  

Рассмотрим каноническую форму задачи линейного программирования и метод исключения Жордана - Гаусса.  

Часто оказывается удобной каноническая форма задачи линейного программирования.  

При преобразовании системы ограничений к канонической форме задачи линейного программирования неравенства (12) и (13) должны быть заменены равенствами. Для этого вводят дополнительные неотрицательные переменные.  

Доказать, что попарно коммутирующие вещественные матрицы одновременно приводятся к канонической форме задачи 1128 преобразованием подобия посредством ортогональной матрицы.  

По существу (4) - (5) можно рассматривать как каноническую форму задачи нелинейного программирования, поскольку методы, изложенные в гл. Обычно в задачах нелинейного программирования не выдвигается требование целочисленности переменных.  

Каноническая форма задачи характеризуется однородностью системы ограничений в виде системы уравнений; максимизацией целевой функции; условием неотрицательности всех переменных, участвующих в задаче.  

Никаких дополнительных особенностей каноническая форма задач в рассматриваемую вычислительную схему не добавляет.  

Рассмотрим сначала вторую каноническую форму задачи на минимум.  

Алгоритм симплекс-мете да гложно разбить на два этапа. На первом этапе исключением переменных находят базисное решение. Если оно найдено, то мы имеем каноническую форму задачи для перехода ко второму этапу. На втором этапе проверяют, есть ли ограниченный оптимум. Если он существует то определяются допус - тимые базисные решанпя ив которых выбирается оптимальное.  

Если решается задача в канонической форме, то используется лишь часть введенных во втором параграфе операций. Так, для канонической задачи на минимум реализуется только случай пункта 3.4.1, и нужны лишь операции циклической перестановки столбцов, прогонки столбца через зону вертикального окаймления, исправления структурных нарушений и часть операции усечения. Симметрично, при решении канонической задачи на максимум реализуется только случай пункта 3.4.2, и нужны операции циклической перестановки строк, прогонки строки через зону горизонтального окаймления, исправления структурных нарушений и другая часть операции усечения. В остальном никакой дополнительной специфики каноническая форма задачи не добавляет.  

В первом параграфе введения было показано, как общую задачу линейного программирования можно свести к одной из канонических форм. Для канонически (же задач описание метода последовательного улучшения формально упрощается, так как отпадает необходимость рассматривать два варианта нарушения условий оптимальности и два варианта выхода в следующую вершину. Однако при этом увеличиваются размеры базисной матрицы А [ /, J ], которые в основном и определяют трудоемкость одного шата. Тем не менее, во многих случаях применение метода к каноническим формам задачи оказывается предпочтительным, и в этом параграфе мы остановимся на вариантах метода, получающихся для частных задач линейного программирования.  

Страницы:      1