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《算法图解》11.10-11.11读书笔记

《算法图解》11.10-11.11读书笔记

作者: 小邱同学_ | 来源:发表于2023-04-05 21:01 被阅读0次

            线性规划,是运筹学中研究较早、发展较快、应用广泛、方法较成熟的一个重要分支,是辅助人们进行科学管理的一种数学方法,是研究线性约束条件下线性目标函数的极值问题的数学理论和方法。

            线性规划是运筹学的一个重要分支,广泛应用于军事作战、经济分析、经营管理和工程技术等方面。为合理地利用有限的人力、物力、财力等资源作出的最优决策,提供科学的依据。


    一.数学模型

    (1)列出约束条件及目标函数

    线性规划步骤

    (2)画出约束条件所表示的可行域

    (3)在可行域内求目标函数的最优解及最优值


    二.标准型

    描述线性规划问题的常用和最直观形式是标准型。标准型包括以下三个部分:

    一个需要极大化的线性函数:

    以下形式的问题约束:

    和非负变量:

    其它类型的问题,例如极小化问题,不同形式的约束问题,和有负变量的问题,都可以改写成其等价问题的标准型。

    模型建立

    从实际问题中建立数学模型一般有以下三个步骤;

    1.根据影响所要达到目的的因素找到决策变量;

    2.由决策变量和所在达到目的之间的函数关系确定目标函数;

    3.由决策变量所受的限制条件确定决策变量所要满足的约束条件。


    三.线性规划难题解法

    所建立的数学模型具有以下特点:

    1、每个模型都有若干个决策变量(x1,x2,x3……,xn),其中n为决策变量个数。决策变量的一组值表示一种方案,同时决策变量一般是非负的。

    2、目标函数是决策变量的线性函数,根据具体问题可以是最大化(max)或最小化(min),二者统称为最优化(opt)。

    3、约束条件也是决策变量的线性函数。

    当我们得到的数学模型的目标函数为线性函数,约束条件为线性等式或不等式时称此数学模型为线性规划模型。

    例:

    生产安排模型:某工厂要安排生产Ⅰ、Ⅱ两种产品,已知生产单位产品所需的设备台时及A、B两种原材料的消耗,如表所示,表中右边一列是每日设备能力及原材料供应的限量,该工厂生产一单位产品Ⅰ可获利2元,生产一单位产品Ⅱ可获利3元,问应如何安排生产,使其获利最多?

    解:

    1、确定决策变量:设x1、x2分别为产品Ⅰ、Ⅱ的生产数量;

    2、明确目标函数:获利最大,即求2x1+3x2最大值;

    3、所满足的约束条件:

    设备限制: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 的简写)代替约束条件,则该模型可记为:

    max z=2x1+3x2

    s.t. x1+2x2≤8

    4x1≤16

    4x2≤12

    x1,x2≥0

    解法

    求解线性规划问题的基本方法是单纯形法,已有单纯形法的标准软件,可在电子计算机上求解约束条件和决策变量数达 10000个以上的线性规划问题。为了提高解题速度,又有改进单纯形法、对偶单纯形法、原始对偶方法、分解算法和各种多项式时间算法。对于只有两个变量的简单的线性规划问题,也可采用图解法求解。这种方法仅适用于只有两个变量的线性规划问题。它的特点是直观而易于理解,但实用价值不大。通过图解法求解可以理解线性规划的一些基本概念。

    对于一般线性规划问题:Min z=CX

    图解法解线性规划问题

    S.T.

    AX =b

    X>=0

    其中A为一个m*n矩阵。

    若A行满秩

    则可以找到基矩阵B,并寻找初始基解。

    用N表示对应于B的非基矩阵。则规划问题1可化为:

    规划问题2:

    Min z=CB XB+CNXN

    S.T.B XB+N XN = b (1)

    线性规划法解题

    XB >= 0, XN >= 0 (2)

    (1)两边同乘B-1,得

    XB + B-1 N XN = B-1 b

    同时,由上式得XB = B-1 b - B-1 N XN,也代入目标函数,问题可以继续化为:

    规划问题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,则上述问题化为规划问题形式4:

    Min z= ζ + σ XN

    S.T.

    XB+ N XN = b (1)

    XB >= 0, XN >= 0 (2)

    在上述变换中,若能找到规划问题形式4,使得b>=0,称该形式为初始基解形式。

    上述的变换相当于对整个扩展矩阵(包含C及A) 乘以增广矩阵 。所以重在选择B,从而找出对应的CB。

    若存在初始基解

    若σ>= 0

    则z >=ζ。同时,令XN = 0,XB = b,这是一个可行解,且此时z=ζ,即达到最优值。所以,此时可以得到最优解。

    若σ >= 0不成立

    可以采用单纯形表变换。

    σ中存在分量<0。这些负分量对应的决策变量编号中,最小的为j。N中与j对应的列向量为Pj。

    若Pj <=0不成立

    则Pj至少存在一个分量ai,j为正。在规划问题4的约束条件(1)的两边乘以矩阵T。

    T=

    则变换后,决策变量xj成为基变量,替换掉原来的那个基变量。为使得T b >= 0,且T Pj=ei(其中,ei表示第i个单位向量),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,则需要βq / aq,j >=βi/ ai,j。因此,要选择i使得βi/ ai,j最小。

    如果这种方法确定了多个下标,选择下标最小的一个。

    转换后得到规划问题4的形式,继续对σ进行判断。由于基解是有限个,因此,一定可以在有限步跳出该循环。

    若对于每一个i,ai,j<=0

    最优值无解。

    若不能寻找到初始基解

    无解。

    若A不是行满秩

    化简直到A行满秩,转到若A行满秩。

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