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            線性規劃

            Posted on 2012-05-01 22:48 lenohoo 閱讀(654) 評論(0)  編輯 收藏 引用
              線性規劃是運籌學中研究較早、發展較快、應用廣泛、方法較成熟的一個重要分支,它是輔助人們進行科學管理的一種數學方法.在經濟管理、交通運輸、工農業生產等經濟活動中,提高經濟效果是人們不可缺少的要求,而提高經濟效果一般通過兩種途徑:一是技術方面的改進,例如改善生產工藝,使用新設備和新型原材料.二是生產組織與計劃的改進,即合理安排人力物力資源.線性規劃所研究的是:在一定條件下,合理安排人力物力等資源,使經濟效果達到最好.一般地,求線性目標函數在線性約束條件下的最大值或最小值的問題,統稱為線性規劃問題。滿足線性約束條件的解叫做可行解,由所有可行解組成的集合叫做可行域。決策變量、約束條件、目標函數是線性規劃的三要素.

            數學模型的一般形式

            (1)列出約束條件及目標函數
            (2)畫出約束條件所表示的可行域   
            (3)在可行域內求目標函數的最優解及最優值

            線性規劃的模型建立

            從實際問題中建立數學模型一般有以下三個步驟;
              1.根據影響所要達到目的的因素找到決策變量;
              2.由決策變量和所在達到目的之間的函數關系確定目標函數;
              3.由決策變量所受的限制條件確定決策變量所要滿足的約束條件。
              所建立的數學模型具有以下特點:
              1、每個模型都有若干個決策變量(x1,x2,x3……,xn),其中n為決策變量個數。決策變量的一組值表示一種方案,同時決策變量一般是非負的。
              2、目標函數是決策變量的線性函數,根據具體問題可以是最大化(max)或最小化(min),二者統稱為最優化(opt)。
              3、約束條件也是決策變量的線性函數。
              當我們得到的數學模型的目標函數為線性函數,約束條件為線性等式或不等式時稱此數學模型為線性規劃模型。
              例:
              生產安排模型:某工廠要安排生產Ⅰ、Ⅱ兩種產品,已知生產單位產品所需的設備臺時及A、B兩種原材料的消耗,如表所示,表中右邊一列是每日設備能力及原材料供應的限量,該工廠生產一單位產品Ⅰ可獲利2元,生產一單位產品Ⅱ可獲利3元,問應如何安排生產,使其獲利最多?
              解:
              1、確定決策變量:設x1、x2分別為產品Ⅰ、Ⅱ的生產數量;
              2、明確目標函數:獲利最大,即求2x1+3x2最大值;
              3、所滿足的約束條件:
              設備限制:x1+2x2≤8
              原材料A限制:4x1≤16
              原材料B限制:4x2≤12
              基本要求:x1,x2≥0
              用max代替最大值,s.t.(subject to 的簡寫)代替約束條件,則該模型可記為:
              max z=2x1+3x2
              s.t. x1+2x2≤8
              4x1≤16
              4x2≤12
              x1,x2≥0

            線性規劃的解法

            求解線性規劃問題的基本方法是單純形法,現在已有單純形法的標準軟件,可在電子計算機上求解約束條件和決策變量數達 10000個以上的線性規劃問題。為了提高解題速度,又有改進單純形法、對偶單純形法、原始對偶方法、分解算法和各種多項式時間算法。對于只有兩個變量的簡單的線性規劃問題,也可采用圖解法求解。這種方法僅適用于只有兩個變量的線性規劃問題。它的特點是直觀而易于理解,但實用價值不大。通過圖解法求解可以理解線性規劃的一些基本概念。
              對于一般線性規劃問題:
               [圖解法解線性規劃問題]

            圖解法解線性規劃問題
            Min z=CX
              S.T.
              AX =b
              X>=0
              其中A為一個m*n矩陣。
              若A行滿秩
              則可以找到基矩陣B,并尋找初始基解。
              用N表示對應于B的非基矩陣。則規劃問題1可化為:
              規劃問題2:
              Min z=CB XB+CNXN
              S.T.
               [線性規劃法解題]

            線性規劃法解題
            B XB+N XN = b (1)
              XB >= 0, XN >= 0 (2)
              (1)兩邊同乘于B-1,得
              XB + B-1 N XN = B-1 b
              同時,由上式得XB = B-1 b - B-1 N XN,也代入目標函數,問題可以繼續化為:
              規劃問題3:
              
            Min z=CB B-1 b + ( CN - CB B-1 N ) XN
              S.T.
              XB+B-1N XN = B-1 b (1)
              XB >= 0, XN >= 0 (2)
              令N:=B-1N,b:= B-1 b,ζ= CB B-1b,σ= CN - CB B-1 N,則上述問題化為規劃問題形式4:
              Min z= ζ + σ XN
              S.T.
              XB+ N XN = b (1)
              XB >= 0, XN >= 0 (2)
              在上述變換中,若能找到規劃問題形式4,使得b>=0,稱該形式為初始基解形式。
              上述的變換相當于對整個擴展矩陣(包含C及A) 乘以增廣矩陣 。所以重在選擇B,從而找出對應的CB。
              若存在初始基解
              若σ>= 0
              則z >=ζ。同時,令XN = 0,XB = b,這是一個可行解,且此時z=ζ,即達到最優值。所以,此時可以得到最優解。
              若σ >= 0不成立
              可以采用單純形表變換。
              σ中存在分量<0。這些負分量對應的決策變量編號中,最小的為j。N中與j對應的列向量為Pj。
              若Pj <=0不成立
              則Pj至少存在一個分量ai,j為正。在規劃問題4的約束條件(1)的兩邊乘以矩陣T。
              T=
              則變換后,決策變量xj成為基變量,替換掉原來的那個基變量。為使得T b >= 0,且T Pj=ei(其中,ei表示第i個單位向量),需要:
              l ai,j>0。
              l βq+βi*(-aq,j/ai,j)>=0,其中q!=i。即βq>=βi/ ai,j * aq,j。
              n 若aq,j<=0,上式一定成立。
              n 若aq,j>0,則需要βq / aq,j >=βi/ ai,j。因此,要選擇i使得βi/ ai,j最小。
              如果這種方法確定了多個下標,選擇下標最小的一個。
              轉換后得到規劃問題4的形式,繼續對σ進行判斷。由于基解是有限個,因此,一定可以在有限步跳出該循環。
              若對于每一個i,ai,j<=0
              最優值無界。
              若不能尋找到初始基解
              無解。
              若A不是行滿秩
              化簡直到A行滿秩,轉到若A行滿秩。

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