Модифицированный симплексный метод решения задач целевого программирования. Модифицированный симплекс-метод решения задач линейного программирования

Рассмотрим метод решения задачи ЦП, использующий идеи симплексного метода. Основная особенность задач ЦП заключается в конструкции целевой функции и в переменных, которые показывают отклонения от желаемого уровня достижения целей. Если учесть эти особенности, то для решения таких задач может быть применён обычный симплексный метод. Проиллюстрируем это на рассмотренном ранее примере. Алгоритм в некоторой степени упрощается из-за того, что исходное базисное решение здесь очевидно. Роль базисных переменных для начального плана здесь играют отрицательные отклонения «d », которые включены в модель с коэффициентами +1. Сложнее со строкой для коэффициентов целевой функции, т.е. с оценочной строкой. Как мы знаем, коэффициентами для отклонений в целевой функции задачи ЦП служат веса, ранжирующие цели по приоритетам. Их численные значения, как правило, не определены. Важно, чтобы коэффициент при отклонении для целевого ограничения с более высоким приоритетом был бы значимо больше коэффициента при отклонении от цели с более низким приоритетом. Поэтому для удобства расчетов оценочная строка разбивается на несколько строк (по числу приоритетов), и вычисления ведутся по каждой строке в отдельности.

Итак, пусть решается задача min Z = P 1 d 1 - + P 2 d 2 - + P 3 d 3 + + P 4 d 4 - ,

при условии, что

7x 1 + 6x 2 + d 1 - – d 1 + = 30;

2x 1 + 3x 2 + d 2 - – d 2 + = 12;

6x 1 + 5x 2 + d 3 - – d 3 + = 30;

x 2 + d 4 - – d 4 + = 7;

x 1 , x 2 , d i - , d i + ³ 0 (i = ).

Составим исходную симплексную таблицу (таблица 5.1.)

Таблица 5.1 – Исходная симплексная таблица

Как известно, элементы оценочной строки (Z j – C j) рассчитываются по правилу: «от суммы произведений элементов столбца «С в » на элементы соответствующего столбца отнимается элемент верхней строки». Например, для столбца «решение» элемент «Z j – C j » равен: Р 1 *30 + Р 2 *12 + 0* 30 + р 4 *7 – 0 = 30Р 1 + 12Р 2 + 7Р 4 и коэффициенты при соответствующих P i (i = ) выписаны в этом столбце в блоке «Z j – C j » (читать снизу вверх). Для столбца «х 1 »: Р 1 *7 + Р 2 *2 + 0 * 6 + Р 4 *0 – 0 = 7Р 1 + 2Р 2 , а это и есть коэффициенты при Р 1 и Р 2 в блоке «Z j – C j » и т.д.

Поскольку задача ЦП всегда решается на минимум, то решение будет оптимальным, если все элементы оценочной строки будут не положительны. В нашем случае две оценки (в столбцах «х 1 » и «х 2 ») положительны, следовательно, план не оптимальный. Для определения переменной, входящей в базис, на первой итерации определяем наибольшую положительную оценку. Определяется она по знаку коэффициента при Р 1 , т.к. P 1 >> P 2 >> P 3 >> P 4 . При равных коэффициентах при Р 1 , «поднимаемся» на строку выше и выбираем наибольший коэффициент там. В случае полного равенства по всем строкам – выбирается любой из них. В нашем случае разрешающим столбцом будет столбец «х 1 » (т.к. 7 > 6). Разрешающая строка выбирается так же как и в симплексном методе – по наименьшему симплексному отношению q (элементы столбца «решение» делим на положительные элементы разрешающего столбца). В таблице 5.1 наименьшее отношение q находится в первой строке. Итак, на следующей итерации в базис вводится переменная «х 1 », выводится «d 1 - ». Пересчитываем таблицу как в обычном симплекс-методе (таблица 5.2.)

Таблица 5.2 – Вторая симплексная таблица

Как видим, на второй итерации из базиса выводится d 2 - , в базис вводится х 2 . И т.д., пока не получим оптимальное решение. После 4-й итерации получим таблицу 5.3.

Таблица 5.3 – Итоговая симплексная таблица

Тот факт, что в строке при P 4 имеется положительный элемент (в столбце d 3 +) означает, что четвёртая цель выполнена не полностью. При этом, целевая функция равна Р 4 , это минимально возможное её значение. В целом оценка переменной d 3 + равна (0,2 Р 4 – Р 3), и поскольку Р 3 >> Р 4 , то в итоге она отрицательна. Все остальные оценки неположительны, следовательно, план с точки зрения симплексного метода оптимален.

Решение этой задачи можно прокомментировать следующим образом. Для выполнения поставленной задачи необходимо выпустить вторую продукцию в объёме 6 ед. (х 2 = 6). Первую продукцию не выпускать. При этом первая и вторая цели перевыполнены на 6 ед. (d 1 + = d 2 + = 6), а четвёртая недовыполнена на 1ед. (d 4 - =1). Таким образом, прибыли получили на 6 ед. больше желаемого уровня, первый ресурс использован сверх нормального лимита на 6 ед., а продукцию 2-го вида выпустить в желаемом объёме не получилось – вместо 7 ед. выпустили 6 (не хватило 2-го ресурса; его «экономия» – цель более высокого приоритета).

В заключение в качестве примера составления модели задачи ЦП составим модель ещё одной задачи.

Пример 5.2 . Администрация города планирует расширить спортивную базу. На эти цели в городском бюджете выделено 5,4 млн руб. Было запланировано дополнительно построить четыре типа спортивных сооружений: теннисные корты, плавательные бассейны, микростадионы (атлетические площадки) и гимнастические залы. Данные относительно этих проектов следующие (таблица 5.4).

Таблица 5.4 – Информация о строящихся объектах

Решение. В городе для этих целей выделено 20 га свободных площадей, но при необходимости эта площадь может быть увеличена. При реализации этого проекта администрация ставит следующие цели в порядке их важности:

1) уложиться в отведённую бюджетом сумму;

2) построенные спортивные сооружения должны обеспечить не менее 14 000 посещений в неделю;

3) по возможности удовлетворить ожидаемый спрос на спортивные сооружения. При формировании целевой функции для этих целевых ограничений использовать веса, пропорциональные ожидаемому использованию;

4) при осуществлении проекта по возможности не занимать более отведённого свободного пространства в 20 га.

При составлении модели этой задачи будем иметь в виду, что ограничения при формулировке целей не категоричные и могут быть как пере-, так и недовыполнены.

Переменные задачи: х 1 , х 2 , х 3 , х 4 – соответственно количество построенных сооружений: теннисных кортов, плавательных бассейнов, атлетических площадок и гимнастических залов.

Все ограничения будут целевыми, системных ограничений нет.

Первая цель – уложиться в отведённую сумму:

120х 1 + 600х 2 + 480х 3 + 1 200х 4 + d 1 - – d 1 + = 5 400 .

Минимизируем «перерасход»: min Z = P 1 d 1 + .

Вторая цель – не менее 14 000 посещений в неделю:

500 x 1 + 1 000x 2 + 2 000x 3 + 1 500x 4 + d 2 - – d 2 + = 14 000

Минимизируем «недопосещения». С учётом первой цели имеем:

min Z = P 1 d 1 + + P 2 d 2 - .

Реализация третьей цели потребует выполнения 4 ограничений по каждому виду сооружений:

x 1 + d 3 - – d 3 + = 8;

x 2 + d 4 - – d 4 + = 3;

x 3 + d 5 - – d 5 + = 3;

x 4 + d 6 - – d 6 + = 2.

Минимизируем «недовыполнение». Это третья по важности цель, поэтому в целевой функции все 4 слагаемых будут иметь коэффициент Р 3 , но с разными весами:

min Z = P 1 d 1 + + P 2 d 2 - + 0,5P 3 d 3 - + P 3 d 4 - + 2P 3 d 5 - + 1,5P 3 d 6 - .

Четвёртая цель: 0,8x 1 + 5x 2 + 3,2x 3 + 1,6x 4 + d 7 - – d 7 + = 20.

Целевая функция с учётом всех целей:

min Z = P 1 d 1 + + P 2 d 2 - + 0,5P 3 d 3 - + P 3 d 4 - + 2P 3 d 5 - + 1,5P 3 d 6 - + P 4 d 7 + .

Итак, модель задачи примет вид:

Найти min Z = P 1 d 1 + + P 2 d 2 - + 0,5P 3 d 3 - + P 3 d 4 - + 2P 3 d 5 - + 1,5P 3 d 6 - + P 4 d 7 +

при условии, что

120x 1 + 600x 2 + 480x 3 + 1200x 4 + d 1 - – d 1 + = 5 400,

500x 1 + 1 000x 2 + 2 000x 3 + 1 500x 4 + d 2 - – d 2 + = 14 000,

x 1 + d 3 - – d 3 + = 8,

x 2 + d 4 - – d 4 + = 3,

x 3 + d 5 - – d 5 + = 3,

x 4 + d 6 - – d 6 + = 2,

0,8x 1 + 2x 2 + 3,2x 3 + 1,6x 4 + d 7 - – d 7 + = 20.

x j ³ 0 (j = ) ; d i - , d i + ³ 0 (i = ).

Если эту задачу решать обычным симплексным методом, то весам P i надо придавать конкретные значения, но учитывать, что P 1 >> P 2 >>…>> P 7 . Разработаны специальные программы для решения таких задач. Реализуя одну из них (программа QM for Window), получим следующее оптимальное решение (таблица 5.5):

Таблица 5.5 – Решение задачи из примера 5.2.

(Целевое программирование)

x 1 = 8, x 2 = 3, x 3 = 3, x 4 = 1, d 2 + = 500, d 6 - = 1, d 7 + = 3,6. (d 7 + = –653 994 – это закодированное число 3,6 – оно указано в строке Priority 4). Указанное недовыполнение (Nonachievement) в строке Priority 3, равное 1,5 – это с учётом весового коэффициента в целевой функции при ).

Итак, на выделенные средства можно построить 8 теннисных кортов, 3 плавательных бассейна, 3 министадиона и один гимнастический зал. Как видим, четвёртая цель недовыполнена на 1 (d = 1), т.е. вместо двух запланированных будет построен один гимнастический зал. Вторая цель перевыполнена (d 2 + = 500), т.е. вместо 14 000 посещений возможны 14 500. Перевыполнена так же 4-я цель (d 7 + = 3,6), т.е. вместо отведённых 20 га под эти спортивные сооружения потребуется 23,6 га.

Глава 6. Методы сетевого планирования и управления

Методы сетевого планирования позволяют осуществить анализ комплекса работ, который включает в себя большое число взаимосвязанных операций. Можно определить вероятную продолжительность выполнения всех работ, их стоимость, возможные размеры экономии времени или денежных средств, а также то, выполнение каких операций нельзя отсрочить, не задержав при этом срок выполнения проекта в целом. Немаловажным является и проблема обеспечения ресурсами. Методы сетевого анализа могут быть использованы при составлении календарного плана выполнения операций, удовлетворяющего существующим ограничениям на обеспечение ресурсами.

Анализ любого проекта осуществляется в три этапа:

1. Расчленение проекта на ряд отдельных работ (или операций), из которых затем составляется логическая схема.

2. Оценка продолжительности выполнения каждой операции; составление календарного плана выполнения проекта и выделение работ, которые определяют завершение выполнения проекта в целом.

3. Оценка потребностей каждой операции в ресурсах; пересмотр плана выполнения операций с учётом обеспечения ресурсами либо
перераспределение денежных или других ресурсов, которое улучшит план.

После того как составлен список, логическая последовательность выполнения операций может быть проиллюстрировала с помощью графа. Существуют различные типы графов, но наиболее широкое применение получили, так называемые вершинные и стрелочные графы.

x 1

+x 2

+x 3

x 1

+x 2

+x 3

x 1

+x 2

+x 3

×

Предупреждение

Очистить все ячейки?

Закрыть Очистить

Инструкция ввода данных. Числа вводятся в виде целых чисел (примеры: 487, 5, -7623 и т.д.), десятичных чисел (напр. 67., 102.54 и т.д.) или дробей. Дробь нужно набирать в виде a/b, где a и b (b>0) целые или десятичные числа. Примеры 45/5, 6.6/76.4, -7/6.7 и т.д.

Симплекс метод

Примеры решения ЗЛП симплекс методом

Пример 1. Решить следующую задачу линейного программирования:

Правая часть ограничений системы уравнений имеет вид:

Запишем текущий опорный план:

Данный опорный план не является оптимальным, так как в последней строке есть отрицательные элементы. Самый большой по модулю отрицательный элемент (-3), следовательно в базис входит вектор x при . min (40:6, 28:2)=20/3 соответствует строке 1. Из базиса выходит вектор x 3 . Сделаем исключение Гаусса для столбца x 2 , учитывая, что ведущий элемент соответствует строке 1. Обнулим все элементы этого столбца, кроме ведущего элемента. Для этого сложим строки строки 2, 3, 4 со строкой 1, умноженной на -1/3, 1/6, 1/2, соответственно. Далее делим строку с ведущим элементом на ведущий элемент.

Данный опорный план не является оптимальным, так как в последней строке есть отрицательный элемент (-3), следовательно в базис входит вектор x 1 . Определяем, какой вектор выходит из базиса. Для этого вычисляем при . min(44/3:11/3, 62/3:5/3)=4 соответствует строке 2. Из базиса выходит вектор x 4 . Сделаем исключение Гаусса для столбца x 1 , учитывая, что ведущий элемент соответствует строке 2. Обнулим все элементы этого столбца, кроме ведущего элемента. Для этого сложим строки строки 1, 3, 4 со строкой 2, умноженной на 1/11, -5/11, 9/11, соответственно. Далее делим строку с ведущим элементом на ведущий элемент.

Симплекс таблица примет следующий вид:

Текущий опорный план является оптимальным, так как в строках 4 под переменными нет отрицательных элементов.

Решение можно записать так: .

Значение целевой функции в данной точке: F (X )=.

Пример 2. Найти максимум функции

Р е ш е н и е.

Базисные векторы x 4 , x 3 , следовательно, все элементы в столбцах x 4 , x 3 , ниже горизонтальной линии должны быть нулевыми.

Обнулим все элементы столбца x 4 , кроме ведущего элемента. Для этого сложим строку 3 со строкой 1, умноженной на 4. Обнулим все элементы столбца x 3 , кроме ведущего элемента. Для этого сложим строку 3 со строкой 2, умноженной на 1.

Симплекс таблица примет вид:

Данный опорный план не является оптимальным, так как в последней строке есть отрицательный элемент (-11), следовательно в базис входит вектор x 2 . Определяем, какой вектор выходит из базиса. Для этого вычисляем при . Все следовательно целевая функция неограничена сверху. Т.е. задача линейного программирования неразрешима.

Примеры решения ЗЛП методом искусственного базиса

Пример 1. Найти максимум функции

Р е ш е н и е. Так как количество базисных векторов должен быть 3, то добавляем искусственное переменное, а в целевую функцию добавляем это переменное, умноженное на −M, где M, очень большое число:

Матрица коэффициентов системы уравнений имеет вид:

Базисные векторы следовательно, все элементы в столбцах ниже горизонтальной линии должны быть нулевыми.

Обнулим все элементы столбца кроме ведущего элемента. Для этого сложим строку 5 со строкой 3, умноженной на -1.

Симплекс таблица примет вид:

Данный опорный план не является оптимальным, так как в последней строке есть отрицательные элементы. Самый большой по модулю отрицательный элемент (-5), следовательно в базис входит вектор Определяем, какой вектор выходит из базиса. Для этого вычисляем при соответствует строке 3. Из базиса выходит вектор Сделаем исключение Гаусса для столбца учитывая, что ведущий элемент соответствует строке 3. Обнулим все элементы этого столбца, кроме ведущего элемента. Для этого сложим строки строку 5 со строкой 3, умноженной на 1. Далее делим строку с ведущим элементом на ведущий элемент.

Симплекс таблица примет следующий вид:

Данный опорный план не является оптимальным, так как в последней строке есть отрицательные элементы. Самый большой по модулю отрицательный элемент (-3), следовательно в базис входит вектор Определяем, какой вектор выходит из базиса. Для этого вычисляем при соответствует строке 1. Из базиса выходит вектор x 2 . Сделаем исключение Гаусса для столбца x 1 , учитывая, что ведущий элемент соответствует строке 1. Обнулим все элементы этого столбца, кроме ведущего элемента. Для этого сложим строки строки 2, 3, 4 со строкой 1, умноженной на 3/2, -1/10, 3/2, соответственно. Далее делим строку с ведущим элементом на ведущий элемент.

Симплекс таблица примет следующий вид:

Данный опорный план не является оптимальным, так как в последней строке есть отрицательные элементы. Самый большой по модулю отрицательный элемент (-13/2), следовательно в базис входит вектор x 3 . Определяем, какой вектор выходит из базиса. Для этого вычисляем при соответствует строке 3. Из базиса выходит вектор x 5 . Сделаем исключение Гаусса для столбца x 3 , учитывая, что ведущий элемент соответствует строке 3. Обнулим все элементы этого столбца, кроме ведущего элемента. Для этого сложим строки строки 1, 2, 4 со строкой 3, умноженной на 5/3, 25/9, 65/9, соответственно. Далее делим строку с ведущим элементом на ведущий элемент.

Симплекс таблица примет следующий вид:

Текущий опорный план является оптимальным, так как в строках 4−5 под переменными нет отрицательных элементов.

Решение исходной задачи можно записать так:

Пример 2. Найти оптимальный план задачи линейного программирования:

Матрица коэффициентов системы уравнений имеет вид:

Базисные векторы x 4 , x 5 , x 6 , следовательно, все элементы в столбцах x 4 , x 5 , x 6 , ниже горизонтальной линии должны быть нулевыми.

Обнулим все элементы столбца x 4 , кроме ведущего элемента. Для этого сложим строку 4 со строкой 1, умноженной на -1. Обнулим все элементы столбца x 5 , кроме ведущего элемента. Для этого сложим строку 5 со строкой 2, умноженной на -1. Обнулим все элементы столбца x 6 , кроме ведущего элемента. Для этого сложим строку 5 со строкой 3, умноженной на -1.

Симплекс таблица примет вид:

В строке 5 элементы, соответствующие переменным x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 неотрицательны, а число находящийся в пересечении данной строки и столбца x 0 отрицательнo. Тогда исходная задача не имеет опорного плана. Следовательно она неразрешима.

	a k,j
			a i,j

Суть преобразований симплекс-метода рассмотрим на примере 1.4. Давайте вспомним ограничивающие неравенства и целœевую функцию из этого примера и найдем max целœевой функции, пользуясь вышеизложенным методом:

F = 908X 1 + 676X 2 ® max.

X 1 + X 2 14,

X 2 10,

10 X 1 + 8 X 2 120,

7X 1 + 5 X 2 70,

4X 1 + 2X 2 28,

Преобразуем ее в каноническую форму, вводя дополнительные переменные X j 0, и превратив неравенства в равенства. Следует обратить внимание, что если в неравенстве стоит знак "", то при свободной переменной пишут " - ", в противном случае - " + ":

X 1 + X 2 = 14 - X 3 ,

X 2 = 10 - X 4 ,

10 X 1 + 8 X 2 = 120 - X 5 ,

7X 1 + 5 X 2 = 70 - X 6 ,

4X 1 + 2X 2 = 28 - X 7 .

Чтобы приступить к процедуре симплекс-метода, нужно из множества базисных решений полученной системы уравнений сначала найти опорное. С учетом этого в решении задач симплекс-методом различают три этапа:

Нахождение первоначального базисного решения и формирование исходной симплекс-таблицы;

Определœение допустимого решения;

Определœение оптимального решения.

1-й этап

Первоначальное базисное решение систем находим, полагая свободными переменные X 1 и X 2 .

Тогда X 3 = 14 - X 1 - X 2 ,

X 4 = 10 - X 2 ,

X 5 =120 - 10X 1 - 8X 2 ,

X 6 = 70 - 10X 1 - 5X 2 ,

X 7 = 28 - 4X 1 - 2X 2 ,

F = 908X 1 + 676X 2 = 0 .

Преобразуем эти уравнения к нормальному виду:

X 3 = 14 - (X 1 + X 2),

X 4 = 10 - (0X 1 + X 2),

X 5 =120 - (10X 1 + 8X 2),

X 6 = 70 - (7X 1 + 5X 2),

X 7 = 10 - (4X 1 + 2X 2),

F = 0 + 908 X 1 + 676 X 2 .

Полученную систему уравнений запишем в виде исходной симплекс-таблицы (табл. 1.9). В табл. 1.9 нет отрицательных свободных членов. Следовательно, нами получено опорное (допустимое) решение, так как допустимым решением является любое неотрицательное решение (при котором > 0 ), но оно не является оптимальным.

Очевидно, что если бы при всœех неизвестных в целœевой функции F стояли положительные коэффициенты, то было бы достигнуто максимальное значение F . Отсюда вытекает признак оптимальности допустимого решения: в F - строке симплекс-таблицы не должно быть отрицательных коэффициентов.

Таблица 1.9

2-й этап

Напомним, что основная операция симплекс-метода состоит по сути в том, что некоторая базисная переменная замещается на свободную переменную . При этом операция замещения выполняется при соблюдении следующих условий:

Значение целœевой функции F в новом опорном (допустимом) решении должно быть больше, чем в предыдущем;

Новое решение системы должно быть также опорным (допустимым).

В нашем примере первое условие выполняется, в случае если разрешающий элемент положительный и выбран в столбце отрицательного коэффициента F -строки.

Второе условие выполняется, в случае если разрешающий элемент находится как минимальное положительное отношение элементов столбца свободных членов к соответствующим элементам разрешающего столбца.

По выше изложенному правилу для нахождения допустимого решения меняют местами базисные и свободные переменные. Для этого находят разрешающий элемент (в табл. 1.9 он взят в рамку). В нашем случае разрешающим должна быть как столбец X 1 , так и X 2 . Деля свободные переменные на соответствующие значения X 1 иX 2 (кроме строки F ), находим наименьшее положительное значение. Важно заметить, что для столбца X 1 :

Важно заметить, что для столбца X 2 :

Наименьшее отношение 28/4 определяет разрешающую строку и разрешающий столбец, а пересечение разрешающего столбца и разрешающей строки - разрешающий элемент a ks = 4. В табл. 1.9 разрешающий столбец и разрешающую строку отмечаем стрелками (®). Определивa ks , строят следующую таблицу, в которой меняют местами переменные, входящие в строку и столбец разрешающего элемента͵ ᴛ.ᴇ. переводят базисные переменные в свободные, а свободные - в базисные.

В нашем примере меняем местами переменные Х 7 и Х 1 , отмеченные в табл. 1.9 стрелками. Коэффициенты новой табл. 1.10 находят по коэффициентам старой табл. 1.9, используя выражения, приведенные в табл. 1.8 и “правило прямоугольника”. В табл. 1.10 снова не имеем оптимального решения.

Таблица 1.10

По вышеописанным правилам в табл. 1.10 находим разрешающий элемент 1 и строим новую табл. 1.11 сделав замещение базиса (Х 4 и Х 2 ). Особо подчеркнем, что для нахождения разрешающего элемента мы должны выбирать наименьшее положительное значение, ᴛ.ᴇ. отрицательные отношения свободных членов к коэффициентам разрешающего столбца мы не рассматриваем.

3-й этап

Проверим, является ли найденное решение оптимальным, а для нашего примера - максимальным. Для этого сделаем анализ целœевой функции F : F = 8576 + 227 X 7 + 222 X 4 .

Целœевая функция не содержит отрицательных коэффициентов и имеет наибольшее значение в последней таблице, нами получено оптимальное решение:

X 3 = 2; X 2 = 10; X 5 = 20; X 6 = 6; X 1 = 2; X 7 = X 4 = 0;

F max = 8576.

Обратите внимание, что результаты решения симплекс методом и графическим совпадают.

В соответствии с рассмотренной последовательностью, алгоритм симплекс-метода должен иметь следующие блоки:

1. Нахождения первоначального базисного (опорного) решения и формирование исходной таблицы.

2. Отыскание разрешающего элемента a ks (нахождение отрицательного свободного члена - b i < 0 и минимального отношенияb i / a ij ; если в строке отрицательного свободного члена нет отрицательных коэффициентов, то задача неразрешима).

3. Перерасчет новой таблицы по формулам табл. 1.8.

4. Проверка наличия отрицательного свободного члена. В случае если он есть, то переходим к п. 2. Отсутствие отрицательного свободного члена означает, что получено опорное (допустимое) решение.

5. Аналогично п. 2 - 4 выполняется перерасчет таблицы при поиске оптимального решения.

Решение задачи ЛП симплекс-методом в матричной форме

Требуется минимизировать ,

при ограничениях

при "x ³ 0.

Введем векторы:

C = (C 1 , ... , C n) - вектор оценок,

X = (X 1 , ... , X n) - вектор переменных,

b = (B 1 , ... , B m) - вектор ограничений

и матрицу

A =

размером (mn) - матрицу коэффициентов ограничений.

Тогда задача ЛП будет иметь следующую трактовку:

минимизировать F=CX

при условиях AX = b, X 0.

Эту задачу можно записать в матричной форме:

Введем обозначение:

А * = - здесь матрица A * размером (m+1)(n+1).

Согласно выше приведенной методике находят разрешающий элемент a ks .

Следующий шаг симплекс-метода - процедура исключения Гаусса, которая позволяет сделать всœе коэффициенты в s - м столбце, кроме a ks , нулевыми, a ks - равным единице.

Важно заметить, что для симплекс-метода в матричной форме итерация симплекс-метода эквивалентна умножению матричного уравнения слева на следующую квадратную матрицу:

В случае если всœе столбцы матрицы A разделить на базисные B и небазисные N, то задачу ЛП можно записать так:

,

где C b и C N - соответствующие компоненты вектора C, X b , X N - базисные и небазисные переменные.

Для выбора начальных базисных переменных x b следует умножить уравнение слева на матрицу:

где R= C b B -1 .

В результате получим

,

гдеI - единичная матрица.

Отсюда следует, что относительные оценки при небазисных переменных

c j = c j - C b B -1 a j = c j - Ra j .

Базис будет допустимым, в случае если свободные члены при базисных переменных будут неотрицательными, ᴛ.ᴇ. B -1 b ³ 0.

В случае если c j ³ 0 для , то базис является оптимальным решением задачи. Вектор называют вектором текущих цен. Каждая строка умножается на вектор R и вычитается из строки коэффициентов стоимости, для того чтобы исключить коэффициенты стоимости при базисных переменных.

В случае если задача ЛП задана не в канонической форме, ᴛ.ᴇ.

минимизировать F=CX

при условиях AX b , X 0,

то, вводя слабые переменные, их можно записать в виде

Метод исключения по строкам для матрицы эквивалентен умножению этой матрицы слева на B -1 , где B - базис подматрицы A , тогда

,

ᴛ.ᴇ. матрица, получаемая на месте единичной I , будет матрицей, обратной для текущего базиса. Относительные оценки, расположенные над единичной матрицей, будут

,

поскольку - единичные векторы.

Так как F= C b B -1 b = Rb, текущее значение целœевой функции равно произведению вектора текущих цен матрицы A на исходный вектор b .

Пример.
Размещено на реф.рф
F= 5X 1 + 6X 2 + 3X 3 + 4X 4 + 5X 5 ® min

при ограничениях

2X 1 + 3X 3 + 4X 4 + 2X 5 = 10,

3X 2 + 3X 4 + 6X 5 = 9,

Для данного примера матрицаA * будет иметь вид

.

Пусть X 1 и X 2 - базисные переменные.

Матрица B имеет вид

.

Тогда обратная матрица B -1 имеет следующий вид

.

Напомним, что , где присоединœенная матрица, составленная из алгебраических дополнений элементов b ik определителя матрицы B .

Определитель равен:

= .

Следовательно, матрица B неособенная.

Алгебраические дополнения элементов определителя имеют следующие значения:

b 11 = 3, b 12 = 0, b 12 = 0, b 22 = 2 ; т.е. .

Умножив на , находим обратную матрицу:

.

Вектор текущих цен будет

R = C b B -1 = = .

Напомним, что C b - базисные компоненты вектора C :

Тогда = .

Для выбора начального базиса нужно матрицу A * умножить слева на матрицу

=

.

Разрешающий элемент находится в квадрате.

Итерация симплекс-метода эквивалентна полученной таблице, умноженной слева на следующую матрицу:

.

Эта матрица получена из матрицы (1.23)

Здесь a ks = 2 ;

a 11 = 1; a 12 = - a 0s / a ks = - 12/2 = - 6;

a 13 = 0 ; a 21 = 0 ; a 22 = 1/ a ks = 1/2 ; a 23 = 0;

a 31 = 0 ; a 32 = - a ms / a ks = -1/2 ; a 33 = 1.

Тогда имеем

=

(1.24)

Разрешающий элемент помещен в квадрат.

Следующая итерация симплекс-метода равносильна умножению слева на матрицу

.

=

.

Следовательно, F min =11; X 4 =7/3; X 5 =1/3; X 1 =X 2 =X 3 =0.

Модифицированный симплекс-метод(МСМ ) отличается от обычного симплекс-метода(СМ ) тем, что в СМ всœе элементы симплекс-таблиц пересчитываются на каждой итерации и при получении очередной таблицы, всœе предыдущие таблицы, включая исходную, не сохраняются. В МСМ сохраняется исходная таблица, а на каждой итерации определяются: строка относительных оценок C , вводимых в базис , и текущее значение вектора правых частей ограничений . Для того чтобы определить всœе элементы таблицы после j- й итерации СМ , достаточно знать матрицу B -1 , соответствующую этой таблице, исходную матрицу и индексы текущих базисных переменных. Тогда текущий вектор R = C b B -1 (индексы текущих базисных переменных определяют, какие элементы вектора оценок из исходной таблицы входят в вектор С b ); =B -1 b , где b берется из исходной таблицы, а любой столбец новой таблицы=B -1 a j , гдеa j - столбец исходной таблицы.

Пусть задана теперь исходная таблица B -1 , соответствующая таблице i -й итерации. Для того чтобы получить матрицуB -1 , соответствующую (i+1)- й итерации, нужно определить небазисный столбец i -й таблицы , который должен быть введен в базис. ИзСМ следует, что должна быть введен в базис, в случае если C j <0. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, крайне важно вычислить С j для i -ой таблицы, выбрать среди них <0, а затем вычислить

a S = B -1 и =B -1 b (= C j - Ra j ).

Найдя разрешающий элемент и используя элементы векторов и , находим матрицу B -1 для следующей таблицы.

Пример. Модифицированным симплекс-методом минимизировать

F = 5X 1 + 6X 2 + 3X 3 + 4X 4 + 5X 5 ® min

при ограничениях:

2X 1 + 3X 3 + 4X 4 + 2X 5 = 10,

3X 2 + 3X 4 + 6X 5 = 9,

Выбрав в качестве базисных переменных X 1 и Х 2 , получили следующую задачу: F = 43 - 9/2X 3 - 12X 4 - 12X 5

МОДИФИЦИРОВАННЫЙ СИМПЛЕКС МЕТОДСимплекс-метод – не самая эффективная
компьютерная процедура, так как она вычисляет и
хранит информацию, которая не нужна для текущей
итерации и может вообще не использоваться для
принятия решений при последующих итерациях. Для
коэффициентов неосновных переменных в уравнении
(0), коэффициентов введенных основных переменных
в других уравнениях и правых частях уравнений при
каждой итерации используется только релевантная
информация. Поэтому нужна процедура, которая
может получать эту информацию эффективно, без
вычислений и хранения всех других коэффициентов
(это и есть модифицированный симплекс-метод).

10.

11.

12. Матричная форма для текущего множества уравнений

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19. Краткий обзор модифицированного симплекс метода

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский государственный технический университет

Лысьвенский филиал

Кафедра ЕН

Курсовая работа

по дисциплине «Системный анализ и исследование операций»

по теме: «Симплекс метод в форме презентации»

Выполнил студент группы ВИВТ-06-1:

Старцева Н. С.

Проверил преподаватель:

Мухаметьянов И.Т.

Лысьва 2010г.

Введение. 3

Математическое программирование. 5

Графический метод. 6

Табличный симплекс – метод. 6

Метод искусственного базиса. 7

Модифицированный симплекс – метод. 7

Двойственный симплекс – метод. 7

Общий вид задачи линейного программирования. 9

Решение задачи линейного программирования симплекс-методом. 11

Вычислительные процедуры симплекс – метода. 11

Теорема 1: 13

Теорема 2: 14

Теорема 3: 15

Теорема 4: 15

Теорема 5: 15

Переход к новому опорному плану. 15

Двойственная задача. 17

Теорема 1 (первая теорема двойственности) 18

Теорема 2(вторая теорема двойственности) 18

Заключение. 20

Оптимальное решение задачи линейного программирования находиться среди опорных решений. Идея симплекс метода состоит в том, что определенному правилу перебираются опорные решения до нахождения оптимального среди них, перебирая опорные решения, по существу, мы перебираем различные базисные переменные, то есть на очередном шаге некоторая переменная переводится из числа базисных, а вместо нее некоторая переменная из числа свободных в число базисных.

7x 1 +5x 2 →max

x 3 =19-2x 1 -3x 2 (0;0;19;13;15;18)

x 4 =13-2x 1 -x 2 первоначальный опорный план

x 6 =18-3x 1 F(x 1 , x 2)=7*0+5*0=0

x i ≥0, (i=1,…n)

На интуитивном уровне понятно, что естественным будет увеличение x 1 , так как коэффициент при нем больше чем при x 2 . Оставляя x 2 =0, мы можем увеличивать до тех пор, пока x 3 , x 4 , x 5 , x 6 будут оставаться неотрицательными.

x 1 =min{19/2;13/2;∞;18/3}=6

Это означает что при x 1 =6, x 6 =0, то есть x 1 -переходит в число базисных, а x 6 -в число свободных.

x 3 =19-2(6-1/3 x 6)-3 x 2 =19-12+2/3 x 6 -3 x 2 =7+2/3 x 6 -3 x 2

x 4 =13-2(6-1/3 x 6)- x 2 =1+2/3 x 6 - x 2

F(x 2 ; x 6) =42-7/3 x 6 +5 x 2

При данном опорном плане (6;0;7;1;15;0) x 2 переводиться из свободных в базисные переменные:

x 2 =min{∞;7/3;1/11;15/3}=1

Выражаем x 2 через x 4

x 2 =1+2/3 x 6 - x 4

Выражаем неизвестные переменные и целевую функцию через свободные переменные:

x 3 =7+2/3 x 6 -3(1+2/3x 6 –x 4)= 7+2/3 x 6 -3-2x 6 +3x 4 =4-4/3x 6 +3 x 4

x 5 = 12-2x 6 +3x 4 -

F=42-7/3 x 6 +5(1+2/3x 2 - x 4) =47-7/3x 6 +10/3x 6 -5x 4 =47+x 6 -5x 4

x 6 положительное, следовательно можно увеличивать

x 6 =min{18;∞;3;6}=1

x 4 =4/3-4/9 x 6 - 1/3x 3

F=47+x 6 -5(4/3-4/9-1/3x 3)

В целевой функции все коэффициенты при переменных отрицательны, значение функции увеличивать нельзя, аналогично преобразовываем остальные переменные, находим опорный план, из которого определяем x 1 ,x 2 .

1. Пересечение замкнутых множеств, множество нетривиальных ограничений.

2. Множество решений системы линейных нестрогих неравенств и уравнений является замкнутым.

αX=(αx 1 ,x 2 ,…, αx n)

X+Y=(x 1 +y 1 , x 2 +y 2 ,… x n +y n)

Линейные координаты X 1 ,X 2 ,…X n называется точка P=λ 1 x 1 + λ 2 x 2 +…+ λ k x k

Множество P={λ 1 x 1 + λ 2 x 2 +…+ λ k x k } 0≤ h i ≤1 для i= 1,…k n åR i =1, 1≤ i ≤k выпуклая линейная комбинация точек x 1 ,x 2 ,…x n . Если k=2, то это множество называется отрезком. X 1 ,X 2 – концы отрезка. Угловой точкой замкнутого множества называется точка, которая не является нетривиальной линейной комбинацией точек множества (угловая точка).

Нетривиальность означает, что хотя бы одна из λ отлична от 0 или 1.

Любое опорное решение задачи линейного программирования является угловой точкой области допустимых решений.

Если задача линейного программирования имеет единственное решение, то оно лежит среди угловых точек ОДР. А если решение не одно, то среди решений имеется несколько угловых, таких что множество всех решений является их выпуклой линейной комбинацией.

Симплекс метод заключается в том, что сначала находится некоторое опорное решение задачи (первоначальный опорный план), а затем, целенаправленно переходя от одного опорного плана к другому, ищется оптимальный план. Если таковых несколько, то находятся все угловые, а множество решений представляется как их линейная комбинация.

Переход к новому опорному плану

F 1 =F(x 1); F 2 =F(x 2) F 2 -F 1 =-υ k Δ k =F 2 можно доказать, где υ k рассмотренный выше минимум, который определяется при введении k-ой переменной в базис, а Δ k =åс j x j (1) -С k , где n ≤ j ≤1, X 1 =(x 1 (1) ;x 2 (1) ;…x n (1))- оценка k-ой переменной, поэтому если решается задача на максимум, то величина ΔF 2 положительной должна быть, Δk – отрицательная. При решении задач на минимум ΔF 2 -отрицательная, Δ k - положительная. Эти величины вычисляются и если среди ΔF 2 все значения не положительны, то при решении задач на минимум наоборот. Если при решении на максимум среди ΔF 2 несколько положительных, то вводим в базис тот вектор, при котором эта величина достигает максимум, а если задача решается на минимум и среди ΔF 2 несколько отрицательных, то в число базисных включается вектор с наименьшим значением ΔF 2 , то есть с наибольшим по абсолютной величине. При выполнении этих условий гарантируется наибольшее возможное изменении значения функции.

Решение задачи будет единственным, если для любых векторов x k не входящих в базис, оценки Δ k ≠0, если хотя бы одно из таких Δ k =0, то решение не является единственным, для нахождения другого решения переходим к другому опорному плану, включая в базис x k , где Δ k =0. Перебор все такие опорные решений составляют их в линейную комбинацию, которая и будет решением задачи.

Если для любого некоторого Δ k противоречащих условию оптимальности коэффициенты при переменной x k ≤ 0, то система ограничений не ограничена, то есть оптимального плана не существует.

Двойственная задача

Двойственная задача (ДЗ) – это вспомогательная задача линейного программирования, формулируемая с помощью определённых правил непосредственно из условий прямой задачи. Заинтересованность в определении оптимального решения прямой задачи путём решения двойственной к ней задачи обусловлена тем, что вычисления при решении ДЗ могут оказаться менее сложными, чем при прямой задачи (ПЗ). Трудоёмкость вычислений при решении ЗЛП в большей степени зависит от числа ограничений, а не от количества переменных. Для перехода к ДЗ необходимо, чтобы ПЗ была записана в стандартной канонической форме. При представлении ПЗ в стандартной форме в состав переменных x j включаются также избыточные и остаточные переменные.

Двойственная задача имеет:

1. m переменных, соответствующих числу ограничений прямой задачи;

2. n ограничений, соответствующих числу переменных прямой задачи.

Двойственная задача получается путём симметричного структурного преобразования условий прямой задачи по следующим правилам:

· Каждому ограничению b i ПЗ соответствует переменная y i ДЗ;

· Каждой переменной x j ПЗ соответствует ограничение C j ДЗ;

· Коэффициенты при x j в ограничениях ПЗ становятся коэффициентами левой части соответствующего ограничения ДЗ;

· Коэффициенты C j при x j в целевой функции ПЗ становятся постоянными правой части ограничения ДЗ;

· Постоянные ограничений b i ПЗ становятся коэффициентами целевой функции ДЗ.

Рассмотрим следующие две задачи:

F = С 1 х 1 +С 2 х 2 +... +С n x n →max

a 21 x 1 + a 22 x 2 + ... + a 2m x n ≤b 2

a m1 x 1 + a m2 x 2 + ... + a mn x n ≤b m

x j ≥0 j=1,…,n

Z = b 1 х 1 +b 2 х 2 +... +b n x n →min

a 12 y 1 + a 22 y 2 + ... + a m 2 y 2 ≤C 2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a 1 n y n + a 2 m y n + ... + a nm y n ≤C n

В данной курсовой работе были заложены основы математических методов решения задач линейного программирования. Поэтому большее внимание уделялась следующим разделам:

1. Основы математических методов и их применение;

2. Решение задач с помощью симплекс – метода.