清华大学运筹学课件(完整课件).ppt
《清华大学运筹学课件(完整课件).ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《清华大学运筹学课件(完整课件).ppt(211页珍藏版)》请在课桌文档上搜索。
1、1,第一章线性规划与单纯形法,1 线性规划问题及其数学模型1.1 问题的提出 eg.1 生产计划问题 问:产品、各生产多少件,使利润最大?,2,eg.2污水处理问题 环保要求河水含污低于2,河水可自身净化20%。问:化工厂1、2每天各处理多少污水,使总费用最少?,分析:化工厂1处理污水x1万m3,化工厂2处理污水x2万m3。min z=1000 x1+800 x2(2-x1)/500 2/1000(1-0.2)(2-x1)+1.4-x2/(500+200)2/1000 x1 2 x2 1.4 x1,x2 0 这里min z:表示求z的最小值。,3,线性规划的数学模型:max(min)z=c1x
2、1+c2x2+cnxn a11x1+a12x2+a1nxn(=,)b1 a21x1+a22x2+a2nxn(=,)b2 am1x1+am2x2+amnxn(=,)bm x1,x2,xn 0,4,说明:,(1)决策变量:x1,x2,xn。一组决策变量表示为问题的一个方案;(2)目标函数:max(min)z z为决策变量的线性函数;(3)约束条件 一组线性不等式。cj为价值系数,bi为资源,aij为技术系数(i=1,m;j=1,n).,5,1.2 图解法 eg.3用图解法求eg.1。max z=2x1+3x2 1x1+2x2 8 4x1 16 4x2 12 x1,x2 0,解:(1)建立x1-x2
3、坐标;,(2)约束条件的几何表示;,(3)目标函数的几何表示;,z=2x1+3x2,o,4,3,6,首先取z=0,然后,使z逐渐增大,直至找到最优解所对应的点。,可见,在Q2点z取到最大值。因此,Q2点所对应的解为最优解。Q2点坐标为(4,2)。即:x1=4,x2=2 由此求得最优解:x1*=4 x2*=2 最大值:max z=z*=2x1+3x2=14(元),4,3,7,讨论:(1)唯一最优解 max z=z*时,解唯一,如上例。,(2)无穷多最优解 eg.4 对eg.1,若目标函数 z=2x1+4x2,此时表示 目标函数的直线与表示 条件的直线平行,最优点在线段Q3Q2上。即存在无穷多最优
4、解。,8,(3)无界解 eg.5 max z=2x1+3x2 4x1 16 x1,x2 0 则x2,z。即存在无界解。在实际问题中,可能 是缺少约束条件。,9,(4)无可行解 eg.6 max z=2x1+3x2 2x1+4x2 8 x1+x2 1 x1,x2 0 无公共部分,无可行域。即无可行解。在实际问题中,可能是关系错。,10,1.3 线性规划的标准型 1、标准型 max z=c1x1+c2x2+cnxn a11x1+a12x2+a1nxn=b1 a21x1+a22x2+a2nxn=b2 am1x1+am2x2+amnxn=bm x1,x2,xn 0,11,用向量表示,12,用矩阵描述为
5、:max z=CX AX=b X 0 其中:X=(x1,x2,xn)T C=(c1,c2,cn)b=(b1,b2,bm)T,13,2、标准型的化法(1)minmax min z=cx=-max(-z)max(-z)=-min z=-cx 令z=-z 则max z=-cx,(2)不等式(,)对于“”情况:在“”左边加上一个松弛变量(非负),变为等式;对于“”情况:在“”左边减去一个剩余变量(非负),变为等式。注意:松弛变量、剩余变量在目标函数中的价值系数为0。,(3)无约束变量 令xk=xk-xk”,xk,xk”0,代入即可。,14,eg.7将下述问题化为标准型 min z=-x1+2x2-3x
6、3 x1+x2+x3 7 x1-x2+x3 2-3x1+x2+2x3=5 x1,x2 0,x3无约束,解:令x3=x3-x3”,x3,x3”0;式加上一个松弛变量x4;式减去一个剩余变量x5;令z=-z max z=x1-2x2+3(x3-x3”)+0 x4+0 x5 x1+x2+(x3-x3”)+x4=7 x1-x2+(x3-x3”)-x5=2-3x1+x2+2(x3-x3”)=5 x1,x2,x3,x3”,x4,x5 0,15,1.4 线性规划解的概念 设线性规划为 max z=CX AX=b X 0 A为m n矩阵,n m,Rank A=m(A为行满秩矩阵),1、可行解:满足条件、的X;
7、,2、最优解:满足条件的可行解;,3、基:取B为A中的m m子矩阵,Rank B=m,则称B为线性规 划问题的一个基。取B=(p1,p2,pm)pj=(a1j,a2j,amj)T 则称x1,x2,xm为基变量,其它为非基变量。,16,4、基解:取B=(p1,p2,pm)a11,a1m x1 a1m+1,a1n xm+1 b1+=am1,amm xm amm+1,amn xn bm 基 基变量 非基 非基变量 令 xm+1=xn=0(非基变量为0)则 BXB=b,17,5、基可行解 满足式要求的基解。如右图所示,各边交点O,Q1,Q2,Q3,Q4均为基可行解;而其延长线的交点Q5为基解,但不是基
8、可行解。,O(0,0),Q1(4,0),Q2(4,2),Q4(0,3),Q3(2,3),Q5(4,3),6、可行基 基可行解对应的B为可行基。,18,2 线性规划问题的几何意义2.1 基本概念 1、凸集:设K为En(n维欧式空间)的一点集,X(1)K,X(2)K。若X(1)+(1-)X(2)K,则称K为凸集。(01),19,2、顶点:XK,X(1)K,X(2)K(任意两点)。若X不能用X(1)+(1-)X(2)表示,则称X为K的一个顶点。(01)注:顶点所对应的解是基可行解。3、凸组合:设X(i)En,若存在0i1,i=1,2,k,使,则称X为X(i)(i=1,2,k)的凸组合。,2.2 基本
9、定理 1、定理1 若线性规划存在可行域,则:可行域 D=X|AX=b,X 0为凸集。,20,证明:设 X(1)=(x1(1),x2(1),xn(1)T D;X(2)=(x1(2),x2(2),xn(2)T D;(X(1)X(2)有 AX(1)=b,AX(2)=b 令 X=X(1)+(1-)X(2)(0 0 1 0 X 0,即D为凸集,2、定理2 线性规划的基可行解对应于可行域的顶点。,3、定理3 若线性规划有解,则一定存在基可行解为最优解。,21,3 单纯形法 基本思路:从可行域的一个顶点到另一个顶点迭代求最优解。,3.1 初始基可行解的确定 1、松弛基(松弛变量对应的B)eg.8max z=
10、x1+3x2 x1+2x2 3 2x1+3x2 4 x1,x2 0,max z=x1+3x2+0 x3+0 x4 x1+2x2+x3=3 2x1+3x2+x4=4 x1,x2,x3,x4 0,取x3、x4为基变量,令非基变量x1=x2=0 初始基可行解:X(0)=(0 0 3 4)T,22,2、观察法 eg.9max z=x1+3x2+2x3+x4 x1+2x2+3x3=3 3x2+x3+x4=4 x1,x2,x3,x4 0,选 XB=(x1 x4)T 令x2=x3=0 则 初始基可行解:X(0)=(3 0 0 4)T,23,3、人工基 eg.10max z=x1+2x2+3x3 x1+3x2
11、+2x3=3 2x1+x2+x3=4 x1,x2,x3 0,分析:A=1 3 2 2 1 1 找不到单位矩阵基 引入人工变量为初始基变量(2个),24,3.2 最优性的检验与解的判别,25,则,26,解的判别:1.若,则此时的基可行解为最优解;2.若存在某个非基变量 的检验数,且,则该线性规划问题具有无界解(或称无最优解);3.若所有,又,对于某个非基变量 有,则该线性规划问题具有无穷多最优解。,27,3.3 基变换,28,3.4 旋转运算(消元运算)a1k 0 al-1k 0 pk=(alk)(1)al+1k 0 amk 0 得到基可行解,重复3.23.4,求出最优解。,29,3.5 单纯形
12、表 展开如下:a11x1+a12x2+a1nxn+xn+1=b1-cn+1 a21x1+a22x2+a2nxn+xn+2=b2-cn+2 am1x1+am2x2+amnxn+xn+m=bm-cn+m c1x1+c2x2+cnxn+cn+1xn+1+cn+mxn+m-z=0 1x1+2x2+nxn+0 xn+1+0 xn+m-z=Z0,30,建立单纯形表,eg.11用单纯形法求解 max z=x1+3x2 x1+2x2 8 4x1 16 4x2 12 x1,x2 0,31,解:标准化,建立单纯形表 引入松弛变量x3,x4,x5为初始基变量 max z=x1+3x2+0 x3+0 x4+0 x5
13、x1+2x2+x3=8 4x1+x4=16 4x2+x5=12 x1,x2,x3,x4,x5 0,此时的解:x(0)=(0 0 8 16 12)Tz(0)=0,32,解的判别,1=1 2=3 0 x(0)非最优解,基变换 max1,2=3=2 x2入基 min8/2,-,12/4=12/4 x5出基,33,此时的解:x(1)=(0 3 2 16 0)Tz(1)=9x(1)非最优x1入基 x3出基,此时的解:x(2)=(2 3 0 8 0)Tz(2)=11x(2)为最优解,即:最优解:x*=(2 3 0 8 0)T 最大值:z*=11,34,X(0)=(0 0 8 16 12)T O(0,0)X
14、(1)=(0 3 2 16 0)T Q4(0,3)X(2)=(2 3 0 8 0)T Q3(2,3),35,4 单纯形法的进一步讨论4.1 人工变量法 1、大M法(M为很大的正数)法则:对于max问题,人工变量在目标函数中的价值系数为-M;对于min问题,人工变量在目标函数中的价值系数为M。eg.12min z=x1+5x2+0 x3+0 x4 2x1+3x2+x3=6 2x1+x2 x4=1 x1,x2,x3,x4 0 解:min z=x1+5x2+0 x3+0 x4+Mx5:x5为人工变量 2x1+3x2+x3=6 2x1+x2 x4+x5=1 x1,x2,x3,x4,x5 0 列单纯形表
15、求解。,36,min z=x1+5x2+0 x3+0 x4+Mx5 2x1+3x2+x3=6 2x1+x2 x4+x5=1 x1,x2,x3,x4,x5 0对于min问题,若 minj0=k,则xk为入基变量。这里:x1为入基变量,x5为出基变量,a21=2为主元。,37,进一步迭代,38,因为所有j0,于是得问题的最优解:最优解:X*=(x1 x2 x3 x4 x5)T=(1/2 0 5 0 0)T目标函数最小值:Z*=1/22.两阶段法 由于大M不是一个确定的数,所以大M法适宜于手工计算,而不适合求解。为此,引入两阶段法。第一阶段:给线性规划加入人工变量,并构造辅助规划。辅助规划的目标函数
16、为 min w=xn+1+xn+m 这里 xn+1,xn+m为人工变量。,39,以人工变量为初始基变量,列表计算。若本阶段无最优解,表示原线性规划无解,停止计算;若有最优解,则转第二阶段。第二阶段:在第一阶段最优表中,去掉人工变量,换上原问题目标函数,作为本阶段初始表,以此用单纯形法进行迭代运算,求出结果。,40,例13 用两阶段法求解min z=x1+5x2 2x1+3x2 6 2x1+x2 1 x1,x2 0解:第一阶段:将问题化为等式约束 引进人工变量x5得辅助规划:min z=x1+5x2+0 x3+0 x4 min w=x5 2x1+3x2+x3=6 2x1+3x2+x3=6 2x1
17、+x2 x4=1 2x1+x2 x4+x5=1 x1,x2,x3,x4 0 x1,x2,x3,x4,x5 0,41,min w=x5 2x1+3x2+x3=6 2x1+x2 x4+x5=1 x1,x2,x3,x4,x5 0,42,第一阶段有最优解。第二阶段:去掉人工变量,换上原线性规划目标函数(见下表)。最优解:X*=(1/2 0 5 0)T Z*=1/2,43,4.2 几个问题 若存在两个以上相同的最小比值,就会出现退化解。理论上讲,退化解可能使计算出现循环,从而得不到最优解。然而,实际问题中很少出现这种情况。,44,当计算中出现最小比值相同的情况时,可按Bland规则来计算。Bland 规
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 清华大学 运筹学 课件 完整

链接地址:https://www.desk33.com/p-233295.html