Для разрешения выполнения апплета на вашем компьютере надо сделать следующее - нажать кнопку Пуск>Панельуправления>Программы>Java. В окне Java Control Panel выбираем вкладку Security (Безопастность) нажимаем кнопку Edit Site List, кнопку add и вставляем в свободное поле путь к этой страницы из адресной строки браузера. Далее нажимаем кнопки ОК, после этого перезагружаем компьютер.
Для запуска апплета нажмите на кнопку "Simplex". Если над этой строкой не видна кнопка "Simplex", то на компьютере не установлена Java.
После нажатия на кнопку « Simplex » выводится первое окно для ввода числа переменных и числа ограничений задачи на симплекс-метод.
После нажатия на кнопку « ok » выводится окно для ввода остальных данных задачи на симплекс-метод: режима отображения (десятичные дроби или обыкновенные), тип критерия задачи min или max , ввод коэффициентов целевой функции и коэффициентов системы ограничений со знаками « ≤ », « ≥ » или « = », ограничения вида х i ≥ 0 вводить не надо, их учитывает в своем алгоритме.
После нажатия на кнопку «Решить» выводится окно с результатами решения задачи на . Окно состоит из двух частей, в верхней части находится текстовое поле, содержащее описание приведения исходной задачи к канонической форме, которая используется для составления первой симплекс-таблицы. В нижней части окна в панели со вкладками расположены симплекс-таблицы каждой итерации с небольшим текстовым полем внизу с указанием разрешающего столбца, разрешающей строки и другой информации, что делает программу обучающей. Во вкладке с оптимальной (последней) таблицей в текстовом поле приведено полученное оптимальное решение задачи.
Замеченные ошибки и комментарии по работе апплета присылайте на [email protected] или звоните 8 962 700 77 06, за что мы будем Вам очень благодарны.
Программа М-метод
Программа для решения транспортной задачи
Здесь приведено ручное (не апплетом) решение двух задач симплекс-методом (аналогичным решению апплетом) с подробными объяснениями для того, чтобы понять алгоритм решения задач. Первая задача содержит знаки неравенства только " ≤ " (задача с начальным базисом), вторая может содержить знаки " ≥ ", " ≤ " или " = " (задача с искусственным базисом), они решаются по разному.
Симплекс-метод, решение задачи с начальным базисом
1)Симплекс-метод для задачи с начальным базисом (все знаки неравенств-ограничений " ≤ ").
Запишем задачу в канонической форме, т.е. ограничения-неравенства перепишем в виде равенств, добавляя балансовые переменные:
Эта система является системой с базисом (базис s 1 , s 2 , s 3 , каждая из них входит только в одно уравнение системы с коэффициентом 1), x 1 и x 2 - свободные переменные. Задачи, при решении которых применяется симплекс-метод, должны обладать следующими двумя свойствами:
-система ограничений должна быть системой уравнений с базисом;
-свободные члены всех уравнений в системе должны быть неотрицательны.
Полученная система - система с базисом и ее свободные члены неотрицательны, поэтому можно применить симплекс-метод. Составим первую симплекс-таблицу (Итерация 0), т.е. таблицу коэффициентов целевой функции и системы уравнений при соответствующих переменных. Здесь "БП" означает столбец базисных переменных, «Решение» - столбец правых частей уравнений системы. Решение не является оптимальным, т.к. в z – строке есть отрицательные коэффициенты.
итерация 0
БП |
Решение | Отношение | |||||
Для улучшения решения перейдем к следующей итерации, получим следующую симплекс-таблицу. Для этого надо выбрать разрешающий столбец , т.е. переменную, которая войдет в базис на следующей итерации. Он выбирается по наибольшему по модулю отрицательному коэффициенту в z-строке (в задаче на максимум) – в начальной итерации это столбец x 2 (коэффициент -6).
Затем выбирается разрешающая строка , т.е. переменная, которая выйдет из базиса на следующей итерации. Она выбирается по наименьшему отношению столбца "Решение" к соответствующим положительным элементам разрешающего столбца (столбец «Отношение») – в начальной итерации это строка s 3 (коэффициент 20).
Разрешающий элемент находится на пересечении разрешающего столбца и разрешающей строки, его ячейка выделена цветом, он равен 1. Следовательно, на следующей итерации переменная x 2 заменит в базисе s 3 . Заметим, что в z-строке отношение не ищется, там ставится прочерк " - ". В случае если есть одинаковые минимальные отношения, то выбирается любое из них. Если в разрешающем столбце все коэффициенты меньше или равны 0, то решение задачи бесконечно.
Заполним следующую таблицу «Итерация 1». Её мы получим из таблицы «Итерация 0». Цель дальнейших преобразований - превратить разрешающий столбец х 2 в единичный (с единицей вместо разрешающего элемента и нулями вместо остальных элементов).
1)Вычисление строки х 2 таблицы "Итерация 1". Сначала делим все члены разрешающей строки s 3 таблицы "Итерация 0" на разрешающий элемент (он равен 1 в данном случае) этой таблицы, получим строку x 2 в таблице «Итерации 1». Т.к. разрешающий элемент в данном случае равен 1, то строка s 3 таблицы "Итерация 0" будет совпадать со строкой х 2 таблицы "Итерация 1". Строку x 2 таблицы "Итерации 1" мы получили 0 1 0 0 1 20, остальные строки таблицы "Итерация 1" будут получены из этой строки и строк таблицы "Итерация 0" следующим образом:
2) Вычисление z-строки таблицы "Итерация 1". На месте -6 в первой строке (z-строке) в столбце х 2 таблицы "Итерация 0" должен быть 0 в первой строке таблицы "Итерация 1". Для этого все элементы строки х 2 таблицы "Итерация 1" 0 1 0 0 1 20 умножим на 6, получим 0 6 0 0 6 120 и сложим эту строку с первой строкой (z - строкой) таблицы "Итерация 0" -4 -6 0 0 0 0, получим -4 0 0 0 6 120. В столбце x 2 появился ноль 0 , цель достигнута. Элементы разрешающего столбца х 2 выделены красным цветом.
3) Вычисление строки s 1 таблицы "Итерация 1". На месте 1 в s 1 строке таблицы "Итерация 0" должен быть 0 в таблице "Итерация 1". Для этого все элементы строки х 2 таблицы "Итерация 1" 0 1 0 0 1 20 умножим на -1, получим 0 -1 0 0 -1 -20 и сложим эту строку с s 1 - строкой таблицы "Итерация 0" 2 1 1 0 0 64, получим строку 2 0 1 0 -1 44. В столбце х 2 получен необходимый 0.
4) Вычисление строки s 2 таблицы "Итерация 1". На месте 3 в s 2 строке таблицы "Итерация 0" должен быть 0 в таблице "Итерация 1". Для этого все элементы строки х 2 таблицы "Итерация 1" 0 1 0 0 1 20 умножим на -3, получим 0 -3 0 0 -3 -60 и сложим эту строку с s 2 - строкой таблицы "Итерация 0" 1 3 0 1 0 72, получим строку 1 0 0 1 -3 12. В столбце х 2 получен нужный 0. Столбец х 2 в таблице "Итерация 1" стал единичным, он содержит одну 1 и остальные 0.
Строки таблицы «Итерация 1» получаем по следующему правилу:
Новая строка = Старая строка – (Коэффициент разрешающего столбца старой строки)*(Новая разрешающая строка).
Например для z -строки имеем:
Старая
z-строка (-4 -6
0
0
0
0)
-(-6)*Новая разрешающая строка -(0
-6
0
0
-6
-120)
=Новая z-строка
(-4
0
0
0
6
120)
.
Для следующих таблиц пересчет элементов таблицы делается аналогично, поэтому мы его опускаем.
итерация 1
| Решение | Отношение | ||||||
Разрешающий столбец х 1 , разрешающая строка s 2 , s 2 выходит из базиса, х 1 входит в базис. Совершенно аналогично получим остальные симплекс-таблицы, пока не будет получена таблица со всеми положительными коэффициентами в z-строке. Это признак оптимальной таблицы.
Итерация 2
| Решение | Отношение | ||||||
Разрешающий столбец s 3 , разрешающая строка s 1 , s 1 выходит из базиса, s 3 входит в базис.
Итерация 3
| Решение | Отношение | ||||||
В z-строке все коэффициенты неотрицательны, следовательно, получено оптимальное решение x 1 = 24, x 2 = 16, z max = 192.
Симплекс-метод, решение задачи с искусственным базисом
2) Решим задачу с искусственным базисом (хотя бы один знак неравенств-ограничений " ≥ " или " = ").
Запишем задачу в канонической форме (в виде системы уравнений, что требует симплекс-метод), для этого введем две переменные х 3 ≥ 0 и х 4 ≥ 0 получим:
Система ограничений предлагает только одну допустимую базисную переменную x 4 , только она входит только в одно уравнение в третье с коэффициентом 1, поэтому в первое и второе уравнения добавляем искусственные переменные R 1 ≥ 0 и R 2 ≥ 0 Чтобы можно было примененить симплекс-метод система уравнений-ограничений должна быть системой с базисом, т.е. в каждом уравнении должна быть переменная с коэффициентом 1, которая входит только в одно уравнение системы, в нашем случае это R 1 , R 2 и x 4 . Получили, так называемую, М-задачу:
Данная система является системой с базисом, в которой R 1 , R 2 и x 4 базисные переменные, а x 1 , x 2 и x 3 свободные переменные, свободние члены всех уравнений неотрицательны. Следовательно, для решения задачи можно применить симплекс-метод. Запишем начальную симплекс-таблицу:
итерация 0
| Решение | Отношение | |||||||
| -16 | ||||||||
В таблицу для задач с искусственным базисом добавлена строка «Оценка». Она получается суммированием соответствующих коэффициентов строк с искусственными переменными (R) с обратным знаком. Она будет присутствовать в таблице до тех пор, пока хотя бы одна из искусственных переменных есть в базисе. По наибольшему по модулю отрицательному коэффициенту строки "Оценка" определяется разрешающий столбец пока она есть в таблице. Когда строка "Оценка" выйдет из таблицы (в базисе нет искусственных переменных) разрешающий столбец будет определяться по z-строке, как и в задаче с начальным базисом. В данной таблице разрешающий столбец х 2 , он выбран по наибольшей по модулю отрицательной оценке (-7). Разрешающая строка R 2 выбрана по наименьшему отношению столбца "Решение" к соответствующим положительным элементам разрешающего столбца, как и в задаче без искусственных переменных. Это значит, что на следующей итерации переменная х 2 из свободной перейдет в базисную, а переменная R 2 из базисной – в свободную. Запишем следующую симплекс-таблицу:
Разрешающий столбец х 1 , разрешающая строка R 1 , R 1 выходит из базиса, x 1 входит в базис. После этого в базисе не остается искусственных переменных, поэтому строки «Оценка» в следующей таблице нет:
итерация 2
| Решение | Отношение | |||||||
Далее разрешающий столбец выбирается по z-строке. В z-строке все коэффициенты неотрицательны кроме коэффициента при искусственной переменной R 1 , который не влияет на оптимальность, когда искусственные переменные вышли из базиса. Следовательно, получено оптимальное решение x 1 = 6/5; x 2 = 3/5; z max = 72/5.
Особые случаи применения симплекс-метода
1) Когда прямая (если рассматривается двухмерная задача линейного программирования, а в общем случае гиперплоскость), представляющая целевую функцию параллельна прямой (гиперплоскости), соответствующей одному из неравенств-ограничений (которое в точке оптимума выполняется, как точное равенство) целевая функция принимает одно и тоже оптимальное значение на некотором множестве точек границы области допустимых решений. Эти решения называются альтернативными оптимальными решениями . Наличие альтернативных решений можно определить по оптимальной симплекс-таблице. Если в z-строке оптимальной таблицы есть нулевые коэффициенты небазисных переменных, то есть альтернативные решения.
2) Если в разрешающем столбце симплекс-таблицы все коэффициенты меньше или равны нуль, то нельзя выбрать разрешающую строку, в этом случае решение неограничено.
3) Если ограничения задачи линейного программирования несовместны (т.е. они не могут выполняться одновременно), то задача не имеет допустимых решений. Такая ситуация не может возникнуть, если все неравенства, составляющие систему ограничений, имеют тип " ≤ " с неотрицательными правыми частями, т.к. в этом случае дополнительные переменные могут составить допустимое решение. Для других типов ограничений использются искусственные переменные. Если задача имеет решение, то в оптимальной таблице в базисе нет искусственных переменных (R i). Если они там есть, то задача не имеет решений.
Если в условии задачи есть ограничения со знаком ≥, то их можно привести к виду ∑a ji b j , умножив обе части неравенства на -1. Введем m дополнительных переменных x n+j ≥0(j =1,m ) и преобразуем ограничения к виду равенств
(2)
Предположим, что все исходные переменные задачи x 1 , x 2 ,..., x n – небазисные. Тогда дополнительные переменные будут базисными, и частное решение системы ограничений имеет вид
x 1 = x 2 = ... = x n = 0, x n+ j = b j , j =1,m . (3)
Так как при этом значение функции цели F 0 = 0 , можно представить F(x) следующим образом:
F(x)=∑c i x i +F 0 =0 (4)
Начальная симплекс-таблица (симплекс-табл. 1) составляется на основании уравнений (2) и (4). Если перед дополнительными переменными x n+j стоит знак «+», как в (2), то все коэффициенты перед переменными x i и свободный член b j заносятся в симплекс-таблицу без изменения. Коэффициенты функции цели при ее максимизации заносятся в нижнюю строку симплекс-таблицы с противоположными знаками. Свободные члены в симплекс-таблице определяют решение задачи.
Алгоритм решения задачи следующий:
1-й шаг. Просматриваются элементы столбца свободных членов. Если все они положительные, то допустимое базисное решение найдено и следует перейти к шагу 5 алгоритма, соответствующему нахождению оптимального решения. Если в начальной симплекс-таблице есть отрицательные свободные члены, то решение не является допустимым и следует перейти к шагу 2.
2-й шаг. Для нахождения допустимого решения осуществляется , при этом нужно решать, какую из небазисных переменных включить в базис и какую переменную вывести из базиса.
Таблица 1.
| базисные переменные | Свободные члены в ограничениях | Небазисные переменные | |||||
| x 1 | x 2 | ... | x l | ... | x n|||
| x n+1 | b 1 | a 11 | a 12 | ... | a 1l | ... | a 1n |
| x n+2 | b 2 | a 21 | a 22 | ... | a 2l | ... | a 2n |
| . | . | . | . | . | . | . | . |
| . | . | . | . | . | . | . | . |
| . | . | . | . | . | . | . | . |
| x n+r | b2 | a r1 | a r2 | ... | a rl | ... | a rn |
| . | . | . | . | . | . | . | . |
| . | . | . | . | . | . | . | . |
| . | . | . | . | . | . | . | . |
| x n+m | b m | a m1 | a m2 | ... | a ml | ... | a mn |
| F(x) max | F 0 | -c 1 | -c 2 | ... | -c 1 | ... | -c n |
Для этого выбирают любой из отрицательных элементов столбца свободных членов (пусть это будет b 2 ведущим, или разрешающим. Если в строке с отрицательным свободным членом нет отрицательных элементов, то система ограничений несовместна и задача не имеет решения.
Одновременно из БП исключается та переменная, которая первой изменит знак при увеличении выбранной НП x l . Это будет x n+r , индекс r которой определяется из условия
т.е. та переменная, которой соответствует наименьшее отношение свободного члена к элементу выбранного ведущего столбца. Это отношение называется симплексным отношением. Следует рассматривать только положительные симплексные отношения.
Строка, соответствующая переменной x n+r , называется ведущей, или разрешающей. Элемент симплекс-таблицы a rl , стоящий на пересечении ведущей строки и ведущего столбца, называется ведущим, или разрешающим элементом. Нахождением ведущего элемента заканчивается работа с каждой очередной симплекс-таблицей.
3-й шаг. Рассчитывается новая симплекс-таблица, элементы которой пересчитываются из элементов симплекс-таблицы предыдущего шага и помечаются штрихом, т.е. b" j , a" ji , c" i , F" 0 . Пересчет элементов производится по следующим формулам:
Сначала в новой симплекс-таблице заполнятся строка и столбец, которые в предыдущей симплекс-таблице были ведущими. Выражение (5) означает, что элемент a" rl на месте ведущего равен обратной величине элемента предыдущей симплекс-таблицы. Элементы строки a ri делятся на ведущий элемент, а элементы столбца a jl также делятся на ведущий элемент, но берутся с противоположным знаком. Элементы b" r и c" l рассчитываются по тому же принципу.
Остальные формулы легко записать с помощью .
Прямоугольник строится по старой симплекс-таблице таким образом, что одну из его диагоналей образует пересчитываемый (a ji) и ведущий (a rl) элементы (рис. 1). Вторая диагональ определяется однозначно. Для нахождения нового элемента a" ji из элемента a ji вычитается (на это указывает знак « – » у клетки) произведение элементов противоположной диагонали, деленное на ведущий элемент. Аналогично пересчитываются элементы b" j , (j≠r) и c" i , (i≠l).
4-й шаг. Анализ новой симплекс-таблицы начинается с 1-го шага алгоритма. Действие продолжается, пока не будет найдено допустимое базисное решение, т.е. все элементы столбца свободных членов должны быть положительными.
5-й шаг. Считаем, что допустимое базисное решение найдено. Просматриваем коэффициенты строки функции цели F(x) . Признаком оптимальности симплекс-таблицы является неотрицательность коэффициентов при небазисных переменных в F-строке.
Рис. 1. Правило прямоугольника
Если среди коэффициентов F-строки имеются отрицательные (за исключением свободного члена), то нужно переходить к другому базисному решению. При максимизации функции цели в базис включается та из небазисных переменных (например x l), столбцу которой соответствует максимальное абсолютное значение отрицательного коэффициента c l в нижней строке симплекс-таблицы. Это позволяет выбрать ту переменную, увеличение которой приводит к улучшению функции цели. Столбец, соответствующий переменной x l , называется ведущим. Одновременно из базиса исключается та переменная x n+r , индекс r которой определяется минимальным симплексным отношением:
Строка, соответствующая x n+r , называется ведущей , а элемент симплекс-таблицы a rl , стоящий на пересечении ведущей строки и ведущего столбца, называется ведущим элементом.
6-й шаг. по правилам, изложенным на 3-м шаге. Процедура продолжается до тех пор, пока не будет найдено оптимальное решение или сделан вывод, что оно не существует.
Если в процессе оптимизации решения в ведущем столбце все элементы неположительные, то ведущую строку выбрать невозможно. В этом случае функция в области допустимых решений задачи не ограничена сверху и F max ->&∞.
Если же на очередном шаге поиска экстремума одна из базисных переменных становится равной нулю, то соответствующее базисное решение называется вырожденным. При этом возникает так называемое зацикливание, характеризующееся тем, что с определенной частотой начинает повторяться одинаковая комбинация БП (значение функции F при этом сохраняется) и невозможно перейти к новому допустимому базисному решению. Зацикливание является одним из основных недостатков симплекс-метода, но встречается сравнительно редко. На практике в таких случаях обычно отказываются от ввода в базис той переменной, столбцу которой соответствует максимальное абсолютное значение отрицательного коэффициента в функции цели, и производят случайный выбор нового базисного решения.
Пример 1. Решить задачу
max{F(x) = -2x 1 + 5x 2 | 2x 1 + x 2 ≤7; x 1 + 4x 2 ≥8; x 2 ≤4; x 1,2 ≥0}
Симплексным методом и дать геометрическую интерпретацию процесса решения.
Графическая интерпретация решения задачи представлена на рис. 2. Максимальное значение функции цели достигается в вершине ОДЗП с координатами . Решим задачу с помощью симплекс-таблиц. Умножим второе ограничение на (-1) и введём дополнительные переменные, чтобы неравенства привести к виду равенств, тогда
Исходные переменные x 1 и x 2 принимаем в качестве небазисных, а дополнительные x 3 , x 4 и x 5 считаем базисными и составляем симплекс-таблицу(симплекс-табл. 2). Решение, соответствующее симплекс-табл. 2, не является допустимым; ведущий элемент обведен контуром и выбран в соответствии с шагом 2 приведенного ранее алгоритма. Следующая симплекс-табл. 3 определяет допустимое базисное решение, ему соответствует вершина ОДЗП на рис. 2 Ведущий элемент обведен контуром и выбран в соответствии с 5-м шагом алгоритма решения задачи. Табл. 4 соответствует оптимальному решению задачи, следовательно: x 1 = x 5 = 0; x 2 = 4; x 3 = 3; x 4 = 8; F max = 20.
Рис. 2. Графическое решение задачи
Основные теоремы линейного программирования
Для обоснования методов решения задач линейного программирования сформулируем ряд важнейших теорем, опуская их аналитические доказательства. Уяснить смысл каждой из теорем поможет понятие о геометрической интерпретации решения ЗЛП, данное в предыдущем подразделе.
Однако сначала напомним о некоторых понятиях, важных с точки зрения дальнейшего разговора.
Любые m переменных системы m линейных уравнений с n переменными (m < n) называются основными , если определитель матрицы коэффициентов при них отличен от нуля. Тогда остальные m-n переменных называются неосновными (или свободными) .
Базисным решением системы m линейных уравнений c n переменными (m < n) называется всякое ее решение, в котором все неосновные переменные имеют нулевые значения.
Теорема 1 . Множество всех допустимых решений системы ограничений задачи линейного программирования является выпуклым.
В частном случае, когда в систему ограничений входят только две переменные x 1 и x 2 , это множество можно изобразить на плоскости. Так как речь идет о допустимых решениях (x 1 , x 2 ≥ 0), то соответствующее множество будет располагаться в первой четверти декартовой системы координат. Это множество может быть замкнутым (многоугольник), незамкнутым (неограниченная многогранная область), состоять из единственной точки и, наконец, система ограничений-неравенств может быть противоречивой.
Теорема 2 . Если задача линейного программирования имеет оптимальное решение, то оно совпадает с одной (двумя) из угловых точек множества допустимых решений.
Из теоремы 2 можно сделать вывод о том, что единственность оптимального решения может нарушаться, причем, если решение не единственное, то таких оптимальных решений будет бесчисленное множество (все точки отрезка, соединяющего соответствующие угловые точки).
Теорема 3 . Каждому допустимому базисному решению задачи линейного программирования соответствует угловая точка области допустимых решений, и наоборот.
Следствием из теорем 2 и 3 является утверждение о том, что оптимальное решение (оптимальные решения) задачи линейного программирования, заданной (или приведенной) ограничениями-уравнениями, совпадает с допустимым базисным решением (допустимыми базисными решениями) системы ограничений.
Таким образом, оптимальное решение ЗЛП следует искать среди конечного числа допустимых базисных решений.
Симплекс-метод был разработан и впервые применен для решения задач в 1947 г. американским математиком Дж. Данцигом.
Симплексный метод в отличие от геометрического универсален. С его помощью можно решить любую задачу линейного программирования.
В основу симплексного метода положена идея последовательного улучшения получаемого решения.
Геометрический смысл симплексного метода состоит в последовательном переходе от одной вершины многогранника ограничений к соседней, в которой целевая функция принимает лучшее (или, по крайней мере, не худшее) значение до тех пор, пока не будет найдено оптимальное решение - вершина, где достигается оптимальное значение функции цели (если задача имеет конечный оптимум).
Таким образом, имея систему ограничений, приведенную к канонической форме (все функциональные ограничения имеют вид равенств), находят любое базисное решение этой системы, заботясь только о том, чтобы найти его как можно проще. Если первое же найденное базисное решение оказалось допустимым, то проверяют его на оптимальность. Если оно не оптимально, то осуществляется переход к другому, обязательно допустимому базисному решению. Симплексный метод гарантирует, что при этом новом решении целевая функция, если и не достигнет оптимума, то приблизится к нему (или, по крайней мере, не удалится от него). С новым допустимым базисным решением поступают так же, пока не отыщется решение, которое является оптимальным.
Процесс применения симплексного метода предполагает реализацию трех его основных элементов:
1) способ определения какого-либо первоначального допустимого базисного решения задачи;
2) правило перехода к лучшему (точнее, не худшему) решению;
3) критерий проверки оптимальности найденного решения.
Симплексный метод включает в себя ряд этапов и может быть сформулирован в виде четкого алгоритма (четкого предписания о выполнении последовательных операций). Это позволяет успешно программировать и реализовывать его на ЭВМ. Задачи с небольшим числом переменных и ограничений могут быть решены симплексным методом вручную.
Реализация симплекс-алгоритма включает восемь шагов. Опишем их, параллельно рассматривая пример выполнения каждого шага в применении к задаче о хоккейных клюках и шахматных наборах.
Шаг 1 . Формулировка ЗЛП (формирование целевой функции и системы ограничений).
Читайте также:
|
Теорема (о выборе разрешающего элемента)
Если в нескольких столбцах z-ой строке есть отрицательные элементы, то разрешающим столбцом нужно выбрать тот столбец у которого максимально произведение абсолютного значения коэффициента в z-ой строке и минимально симплексное отношение данном столбце.
Доказательство:
Пусть разрешающим будет элемент . В результате шага модифицированных жордановых исключений свободным членом в z-строке будет число , равное .Поскольку и ,скобка в этом выражении всегда будет положительной. А так как значение функционала всегда равно свободному члену, эта скобка представляет собой тот добавок к функционалу, который получается в результате сделанного шага.
Чем большее приращение будет получать функционал на каждом шаге, тем меньше потребуется шагов (т.е. вычислений) для достижения оптиума. Величина этого приращения зависит от абсолютной величины коэффициента и от величины наименьшего симплексного отношения . То есть разрешающим столбцом будет столбец, у которого максимально это произведение.
Пример: линейное программирование:
Найдем максимум функции
при ограничениях
Решение: составим жорданову таблицу.
Поскольку в ней свободные члены положительны, план является опорным. Однако он не оптимален, так как коэффициенты z-строки отрицательны. Выбираем из них тот, у которого наибольшее произведение абсолютной величины и наименьшее симплексное отношение. Третий столбец считаем разрешающим, так как он имеет наибольшую абсолютную величину 8 и симплексные отношения: соответственно ( , поэтому элемент 1 в третьим столбце будет разрешающим). Делаем шаг модифицированных жордановых исключений и приходим к следующей таблице.
Судя по коэффициентам z-строки, в полученной таблице оптимальное решение не достигнуто. Берём второй столбец с отрицательным коэффициентом в z-строке за разрешающий (разрешающей строкой может быть только первая). С найденным элементом 5 делаем следующий шаг.
В z-строке все коэффициенты положительны, план, получаемый приравниванием верхних переменных нулю, а боковых – свободным членам, оптимален. Выписываем из таблицы значения основных неизвестных: Максимальное значение функционала считаем в последней клетке таблицы:
В окончательной таблице все определители неотрицательны. Это говорит о том, что при значениях неизвестных функционал достигает максимума
Обычно предполагается, что на множестве планов задачи нет точек, в которых знаменатель целевой функции равен нулю. Без ограничения общности, можно считать, что .
В задаче дробно-линейного программирования экстремум целевой функции достигается в вершине многогранника решений. Это сходство с линейным программированием позволяет решать дробно-линейные задачи методом Штифеля.
Вычисления оформляются в виде жордановых таблиц. При этом для функционала отводятся две нижние строки: в первую из них записываем коэффициенты числителя, а во вторую – знаменателя. Исходной задаче соответствует таблица 1:
| –x 1 | –x 2 | … | –x j | … | –x n | ||
| y 1 | a 11 | a 12 | … | a 1 j | … | a 1 n | a 1 |
| … | ……………………………………… | … | |||||
| y i | a i 1 | a i 2 | … | a ij | … | a in | a i |
| … | ……………………………………… | … | |||||
| y m | a m 1 | a m 2 | … | a mj | … | a mn | a m |
| z 1 | –p 1 | –p 2 | … | –p j | … | –p n | |
| z 2 | –q 1 | –q 2 | … | –q j | … | –q n |
Через y i обозначаются разности между правыми и левыми частями системы ограничений:
y i = a i – a i 1 x 1 – a i 2 x 2 – a i 3 x 3 – … – a in x n ³ 0.
Свободными переменными мы будем называть переменные, расположенные в верхней заглавной строке жордановой таблицы. Придавая свободным переменным нулевые значения, мы получим исходное базисное решение: . Данный вектор не может являться опорным планом, т.к. знаменатель целевого функционала на нем равен нулю (z 2 = 0). Поэтому среди свободных членов системы ограничений a 1 ,…, a m обязательно есть отрицательные числа (иначе базисное решение было бы опорным планом).
Шагами модифицированных жордановых исключений, точно так же, как при решении задачи линейного программирования (см. ), отыскиваем первоначальный план задачи. В результате k шагов мы приходим к таблице 2:
| –y 1 | … | –x j | … | –x n | ||
| x 1 | b 11 | … | b 1 j | … | b 1 n | b 1 |
| .… | ……………………………………… | |||||
| y i | b i 1 | … | b ij | … | b in | b i |
| …. | ……………………………………. | |||||
| y m | b m 1 | … | b mj | … | b mn | b m |
| z 1 | f 1 | … | f j | … | f n | F |
| z 2 | g 1 | … | g j | … | g n | G |
В таблице 2 все свободные члены b i неотрицательны, что обеспечивает неотрицательность базисных переменных x 1 ,…, y m . Кроме того (в силу положительности знаменателя целевой функции z 2 на множестве опорных планов). Первоначальным опорным планом является вектор с координатами . Значение целевой функции на первоначальном опорном плане равно .
Заметим, что если на одном из шагов жордановых исключений какой-либо из свободных членов b i окажется отрицательным, а все остальные элементы i -й строки будут неотрицательными, то задача не будет иметь решения из-за отсутствия планов.
Проследим за тем, как меняется целевая функция при переходе от одного опорного плана задачи к другому. Оказывается, знак разности между новым и старым значениями функции совпадает со знаком определителя . Если. Т.к. многогранник решений содержит лишь конечное число опорных планов, то за конечное число шагов мы придем к оптимальному опорному плану.
Этому процессу может помешать только неограниченность многогранника решений. В этом случае целевая функция может иметь так называемый асимптотический экстремум (в данном случае – максимум). Асимптотическим максимумом задачи дробно-линейного программирования называется точная верхняя грань целевой функции на множестве планов, которая не достигается ни на одном из планов. В том случае, когда задача имеет асимптотический максимум, в области планов всегда можно найти такой план (не опорный), на котором целевая функция принимает значение сколь угодно близкое к асимптотическому максимуму.
Метод Штифеля позволяет находить не только максимум, но и асимптотический максимум задачи дробно-линейного программирования. Рассмотрим более подробно переход от плана к плану и выясним. Выбирая разрешающий элемент в j -м столбце, мы должны руководствоваться принципом минимального симплексного отношения. Т.е. разрешающий элемент в j -м столбце должен попасть в ту строку, для которой симплексное отношение положительно и минимально.
Т.к. после нахождения первоначального опорного плана все правые части b i стали неотрицательными, то разрешающим элементом j -го столбца может быть один из его положительных элементов (). Если на каждом шаге этапа поиска оптимального опорного плана в выбранном разрешающем столбце присутствует (хотя бы один) положительный элемент , то такая задача имеет максимум (возможно, что не один).
Однако, если на одном из шагов некоторая оценка меньше нуля, и при этом все элементы j -го столбца . Тогда в данном столбце, руководствуясь принципом минимального симплексного отношения, разрешающий элемент выбирать нельзя. Увеличивая значения свободной переменной x j от 0 и до (см. Табл. 2), мы все время остаемся в области планов. Это связано с тем, что увеличение переменной x j не вызывает изменения знака на минус ни у одной из базисных переменных.
Обозначим через М предел, к которому, монотонно возрастая, стремится целевая функция при : . Это число является асимптотическим максимумом.
| 2 |
Рассмотрим решение ЗЛП симплекс-методом и изложим ее применительно к задаче максимизации.
1. По условию задачи составляется ее математическая модель.
2. Составленная модель преобразовывается к канонической форме. При этом может выделиться базис с начальным опорным планом.
3. Каноническая модель задачи записывается в форме симплекс-таблицы так, чтобы все свободные члены были неотрицательными. Если начальный опорный план выделен, то переходят к пункту 5.
Симплекс таблица: вписывается система ограничительных уравнений и целевая функция в виде выражений, разрешенных относительно начального базиса. Строку, в которую вписаны коэффициенты целевой функции F, называют F-строкой или строкой целевой функции.
4. Находят начальный опорный план, производя симплексные преобразования с положительными разрешающими элементами, отвечающими минимальным симплексным отношениям, и не принимая во внимание знаки элементов F-строки. Если в ходе преобразований встретится 0-строка, все элементы которой, кроме свободного члена, нули, то система ограничительных уравнений задачи несовместна. Если же встретится 0-строка, в которой, кроме свободного члена, других положительных элементов нет, то система ограничительных уравнений не имеет неотрицательных решений.
Приведение системы (2.55), (2.56) к новому базису будем называть симплексным преобразованием. Если симплексное преобразование рассматривать как формальную алгебраическую операцию, то можно заметить, что в результате этой операции происходит перераспределение ролей между двумя переменными, входящими в некоторую систему линейных функций: одна переменная из зависимых переходит в независимые, а другая наоборот - из независимых в зависимые. Такая операция известна в алгебре под названием шага жорданова исключения.
5. Найденный начальный опорный план исследуется на оптимальность:
а) если в F-строке нет отрицательных элементов (не считая свободного члена), то план оптимален. Если при этом нет и нулевых, то оптимальный план единственный; если же есть хотя бы один нулевой, то оптимальных планов бесконечное множество;
б) если в F-строке есть хотя бы один отрицательный элемент, которому соответствует столбец неположительных элементов, то <
в) если в F-строке есть хотя бы один отрицательный элемент, а в его столбце есть хотя бы один положительный, то можно перейти к новому опорному плану, более близкому к оптимальному. Для этого указанный столбец надо назначить разрешающим, по минимальному симплексному отношению найти разрешающую строку и выполнить симплексное преобразование. Полученный опорный план вновь исследовать на оптимальность. Описанный процесс повторяется до получения оптимального плана либо до установления неразрешимости задачи.
Столбец коэффициентов при переменной, включаемой в базис, называют разрешающим. Таким образом, выбирая переменную, вводимую в базис (или выбирая разрешающий столбец) по отрицательному элементу F-строки, мы обеспечиваем возрастание функции F.
Немного сложней определяется переменная, подлежащая исключению из базиса. Для этого составляют отношения свободных членов к положительным элементам разрешающего столбца (такие отношения называют симплексными) и находят среди них наименьшее, которое и определяет строку (разрешающую), содержащую исключаемую переменную. Выбор переменной, исключаемой из базиса (или выбор разрешающей строки), по минимальному симплексному отношению гарантирует, как уже установлено, положительность базисных компонент в новом опорном плане.
В пункте 3 алгоритма предполагается, что все элементы столбца свободных членов неотрицательны. Это требование не обязательно, но если оно выполнено, то все последующие симплексные преобразования производятся только с положительными разрешающими элементами, что удобно при расчетах. Если в столбце свободных членов есть отрицательные числа, то разрешающий элемент выбирают следующим образом:
1) просматривают строку, отвечающую какому-либо отрицательному свободному члену, например t-строку, и выбирают в ней какой-либо отрицательный элемент, а соответствующий ему столбец принимают за разрешающий (предполагаем, что ограничения задачи совместны);
2) составляют отношения элементов столбца свободных членов к соответствующим элементам разрешающего столбца, имеющим одинаковые знаки (симплексные отношения);
3) из симплексных отношений выбирают наименьшее. Оно и определит разрешающую строку. Пусть ею будет, например, р -строка;
4) на пересечении разрешающих столбца и строки находят разрешающий элемент. Если разрешающим оказался элемент y-строки, то после симплексного преобразования свободный член этой строки станет положительным. В противном случае на следующем шаге вновь обращаются к t-строке. Если задача разрешима, то через некоторое число шагов в столбце свободных членов не останется отрицательных элементов.
Нахождение исходного опорного плана, канонический вид ЗЛП
Идея последовательного улучшения решения легла в основу универсального метода решения задач линейного программирования - симплексного метода или метода последовательного улучшения плана.
Геометрический смысл симплексного метода состоит в последовательном переходе от одной вершины многогранника ограничений (называемой первоначальной) к соседней, в которой линейная функция принимает лучшее (по крайней мере, не худшее) значение по отношению к цели задачи; до тех пор, пока не будет найдено оптимальное решение - вершина, где достигается оптимальное значение функции цели (если задача имеет конечный оптимум).
Впервые симплексный метод был предложен американским ученым Дж. Данцигом в 1949 г., однако еще в 1939 г. идеи метода были разработаны российским ученым Л.В. Канторовичем.
Симплексный метод, позволяющий решить любую задачу линейного программирования, универсален. В настоящее время он используется для компьютерных расчетов, однако несложные примеры с применением симплексного метода можно решать и вручную.
Для реализации симплексного метода - последовательного улучшения решения - необходимо освоить три основных элемента:
Способ определения какого-либо первоначального допустимого базисного решения задачи;
Правило перехода к лучшему (точнее, не худшему) решению;
Критерий проверки оптимальности найденного решения.
Для использования симплексного метода задача линейного программирования должна быть приведена к каноническому виду, т.е. система ограничений должна быть представлена в виде уравнений.
В литературе достаточно подробно описываются: нахождение начального опорного плана (первоначального допустимого базисного решения), тоже - методом искусственного базиса, нахождение оптимального опорного плана, решение задач с помощью симплексных таблиц.
58. Основная теорема симплекс метода.
???????????????????????????????????????????????????????????????????????
59. Альтернативный оптимум в ЗЛП, вырожденность в ЗЛП.
Вырожденность в задачах линейного программирования
Рассматривая симплекс-метод, мы предполагали, что задача линейного программирования является невырожденной, т.е. каждый опорный план содержит ровно m положительных компонент, где m - число ограничений в задаче. В вырожденном опорном плане число положительных компонент оказывается меньше числа ограничений: некоторые базисные переменные, соответствующие данному опорному плану, принимают нулевые значения. Используя геометрическую интерпретацию для простейшего случая, когда n - m = 2 (число небазисных переменных равно 2), легко отличить вырожденную задачу от невырожденной. В вырожденной задаче в одной вершине многогранника условий пересекается более двух прямых, описываемых уравнениями вида xi = 0. Это значит, что одна или несколько сторон многоугольника условий стягиваются в точку. Аналогично при n - m = 3 в вырожденной задаче в одной вершине пересекается более 3-х плоскостей xi = 0. В предположении о невырожденности задачи
находилось только одно значение, по которому определялся индекс выводимого из базиса вектора условий (выводимой из числа базисных переменной). В
вырожденной задаче может достигаться на нескольких индексах сразу (для нескольких строк). В этом случае в находимом опорном плане несколько базисных переменных будут нулевыми. Если задача линейного программирования оказывается вырожденной, то при плохом выборе вектора условий, выводимого из базиса, может возникнуть бесконечное движение по базисам одного и того же опорного плана. Это - так называемое явление зацикливания. Хотя в практических задачах линейного программирования зацикливание явлеется довольно редким, возможность его не исключена. Один из приемов борьбы с вырожденностью состоит в преобразовании задачи путем "незначительного" изменения вектора правых частей системы ограничений на величины таким образом, чтобы задача стала невырожденной, и, в то же время, чтобы это изменение не повлияло реально на оптимальный план задачи. Чаще реализуемые алгоритмы включают в себя некоторые простые правила, снижающие вероятность возникновения зацикливания или его преодоления. Пусть переменную xj необходимо сделать базисной. Рассмотрим
множество индексов E0, состоящее из тех i, для которых достигается. Множество индексов i, для которых выполняется данное условие обозначим через E0,. Если E0, состоит из одного элемента, то из базиса исключается вектор условий Ai (переменная xi делается небазисной). Если E0 состоит более чем из одного элемента, то составляется множество E1, которое состоит из , на которых достигается . Если E1 состоит из одного индекса k, то из базиса выводится переменная xk. В противном случае составляется множество E2 и т.д. Практически правилом надо пользоваться, если зацикливание уже обнаружено.
Альтернативный оптимум в ЗЛП???????????????????????????
60. Метод искусственного базиса. М-задача. Теорема о связи между решениями исходной задачи и М-задачи.
Метод искусственного базиса.
Метод искусственного базиса используется для нахождения допустимого базисного решения задачи линейного программирования, когда в условии присутствуют ограничения типа равенств. Рассмотрим задачу:
max{F(x)=∑cixi|∑ajixi=bj, j=1,m; xi≥0}.
В ограничения и в функцию цели вводят так называемые «искусственные переменные» Rj следующим образом:
∑ajix+Rj=bj, j=1,m;F(x)=∑cixi-M∑Rj
При введении искусственных переменных в методе искусственного базиса в функцию цели им приписывается достаточно большой коэффициент M, который имеет смысл штрафа за введение искусственных переменных. В случае минимизации искусственные переменные прибавляются к функции цели с коэффициентом M. Введение искусственных переменных допустимо в том случае, если в процессе решения задачи они последовательно обращаются в нуль.
Симплекс-таблица, которая составляется в процессе решения, используя метод искусственного базиса, называется расширенной. Она отличается от обычной тем, что содержит две строки для функции цели: одна – для составляющей F = ∑cixi, а другая – для составляющей M ∑Rj Рассмотрим процедуру решения задачи на конкретном примере.
Пример 1. Найти максимум функции F(x) = -x1 + 2x2 - x3 при ограничениях:
x1≥0, x2≥0, x3≥0 .
Применим метод искусственного базиса. Введем искусственные переменные в ограничения задачи
2x1 + 3x2 + x3 + R1 = 3;
x1 + 3x3 + R2 = 2 ;
Функция цели F(x)-M ∑Rj= -x1 + 2x2 - x3 - M(R1+R2).
Выразим сумму R1 + R2 из системы ограничений: R1 + R2 = 5 - 3x1 - 3x2 - 4x3, тогда F(x) = -x1 + 2x2 - x3 - M(5 - 3x1 - 3x2 - 4x3) .
При составлении первой симплекс-таблицы (табл. 1) будем полагать, что исходные переменные x1, x2 , x3 являются небазисными, а введенные искусственные переменные – базисными. В задачах максимизации знак коэффициентов при небазисных переменных в F- и M-строках изменяется на противоположный. Знак постоянной величины в M-строке не изменяется. Оптимизация проводится сначала по M-строке. Выбор ведущих столбца и строки, все симплексные преобразования при испльзовании метода искусственного базиса осуществляются как в обычном симплекс-методе.
Максимальный по абсолютному значению отрицательный коэффициент (-4) определяет ведущий столбец и переменную x3, которая перейдет в базис. Минимальное симплексное отношение (2/3) соответствует второй строке таблицы, следовательно, переменная R2 должна быть из базиса исключена. Ведущий элемент обведен контуром.
В методе искусственного базиса искусственные переменные, исключенные из базиса, в него больше не возвращаются, поэтому столбцы элементов таких переменных опускаются. Табл. 2. сократилась на 1 столбец. Осуществляя пересчет этой таблицы, переходим к табл. 3., в которой строка M обнулилась, ее можно убрать. После исключения из базиса всех искусственных переменных получаем допустимое базисное решение исходной задачи, которое в рассматриваемом примере является оптимальным:
x1=0; x2=7/9; Fmax=8/9.
Если при устранении M-строки решение не является оптимальным, то процедура оптимизации продолжается и выполняется обычным симплекс-методом. Рассмотрим пример, в котором присутствуют ограничения всех типов:≤,=,≥
Условие задачи
Найти оптимальные величины производства продукции видов А, Б и В. Затраты сырья на единицу продукции: А – 5, Б – 2, В – 4. Объем сырья – 2000 единиц. Затраты оборудования на единицу продукции: А – 4, Б – 5, В – 4. Объем оборудования – 1000 единиц. Прибыль от реализации единицы продукции: А – 10, Б – 8, В – 12. Критерий – максимум прибыли предприятия. Производство продукции А должно быть не менее 100 ед. Производство продукции Б должно быть не менее 50 ед.
Решение задачи симплекс М методом
1) Определение оптимального плана производства
Пусть x1, x2, x3 - количество произведенной продукции вида А, Б, В, соответственно. Тогда математическая модель задачи имеет вид:
F = 10·x1 + 8·x2 + 12·x3 –>max
Вводим дополнительные переменные x4 ≥ 0, x5 ≥ 0, x6 ≥ 0, x7 ≥ 0, чтобы неравенства преобразовать в равенства.
Чтобы выбрать начальный базис, вводим искусственные переменные x8 ≥ 0, x9 ≥ 0 и очень большое число M (M –> ∞). Решаем М методом.
F = 10·x1 + 8·x2 + 12·x3 + 0·x4 + 0·x5 + 0·x6 + 0·x7– M·x8– M·x9 –>max
В качестве базиса возьмем x4 = 2000; x5 = 1000; x8 = 100; x9 = 50.
Данные заносим в симплекс таблицу
Симплекс таблица № 1
0 · 2000 + 0 · 1000 + (– M) · 100 + (– M) · 50 = – 150M
Вычисляем оценки по формуле:
Δ1 = 0 · 5 + 0 · 4 + (– M) · 1 + (– M) · 0 – 10 = – M – 10
Δ2 = 0 · 2 + 0 · 5 + (– M) · 0 + (– M) · 1 – 8 = – M – 8
Δ3 = 0 · 4 + 0 · 4 + (– M) · 0 + (– M) · 0 – 12 = – 12
Δ4 = 0 · 1 + 0 · 0 + (– M) · 0 + (– M) · 0 – 0 = 0
Δ5 = 0 · 0 + 0 · 1 + (– M) · 0 + (– M) · 0 – 0 = 0
Δ6 = 0 · 0 + 0 · 0 + (– M) · (–1) + (– M) · 0 – 0 = M
Δ7 = 0 · 0 + 0 · 0 + (– M) · 0 + (– M) · (–1) – 0 = M
Δ2 = 0 · 0 + 12 · 0 + 10 · 0 + 8 · 1 – 8 = 0
Δ3 = 0 · 0 + 12 · 1 + 10 · 0 + 8 · 0 – 12 = 0
Δ4 = 0 · 1 + 12 · 0 + 10 · 0 + 8 · 0 – 0 = 0
Δ5 = 0 · (–1) + 12 · 1/4 + 10 · 0 + 8 · 0 – 0 = 3
Δ6 = 0 · 1 + 12 · 1 + 10 · (–1) + 8 · 0 – 0 = 2
Δ7 = 0 · (–3) + 12 · 5/4 + 10 · 0 + 8 · (–1) – 0 = 7
Поскольку отрицательных оценок нет, то план оптимален.
Решение задачи: x1 = 100; x2 = 50; x3 = 175/2 = 87.5; x4 = 1050; x5 = 0; x6 = 0; x7 = 0; Fmax = 2450
Ответ: x1 = 100; x2 = 50; x3 = 175/2 = 87.5; x4 = 1050; x5 = 0; x6 = 0; x7 = 0; Fmax = 2450То есть необходимо произвести x1 = 100 единиц продукции вида А, x2 = 50 единиц продукции вида Б и x3 = 87,5 единиц продукции вида В. Максимальная прибыль при этом составит Fmax = 2450 единиц.
Теорема о связи между решениями исходной задачи и М-задачи.
???????????????????????