第二章 线性规划(2).ppt
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1、线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)单单 纯纯 形形 方方 法法1线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)单纯形方法是单纯形方法是G.B.Danzig于于1947年首先发明的。近年首先发明的。近50年来,一直是求解线性规划的最有效的方法之一,被广泛应用年来,一直是求解线性规划的最有效的方法之一,被广泛应用于各种线性规划问题的求解。本节讨论单纯形法的基本概念、于各种线性规划问题的求解。本节讨论单纯形法的基本概念、原理及算法。原理及算法。2
2、线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)给定线性规划问题(标准形式)给定线性规划问题(标准形式)max z=c c1 1x x1 1 +c+c2 2x x2 2+c cn nx xn n a a1111x x1 1+a+a1212x x2 2+a+a1n1nx xn n =b b1 1 a a2121x x1 1+a+a2222x x2 2+a+a2n2nx xn n =b b2 2s.t.s.t.a am1m1x x1 1+a+am2m2x x2 2+a amnmnx xn n =b bm m x xj j 0 0
3、 (j=1j=1,2 n2 n)3线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)一、线性规划问题的解的概念一、线性规划问题的解的概念 可行解可行解 最优解最优解 基基 基解(基本解)基解(基本解)基可行解基可行解 可行基可行基4线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)Max Z=3X1+5X2 X1 +X3 =4s.t.2X2 +X4 =12 3X1 +2X2 +X5=18 Xi0 5线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear
4、ProgrammingProgramming(LPLP)X1X2X3X4X5Z004121800640630094-60454001261260-2120184600-64243060272620036*6线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)123456787线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)二、凸集及其顶点二、凸集及其顶点 凸集凸集 顶点(极点)顶点(极点)凸集凸集凹集凹集8线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Lin
5、ear ProgrammingProgramming(LPLP)三、线性规划基本定理三、线性规划基本定理基本定理基本定理 1 线性规划所有可行解组成的集合线性规划所有可行解组成的集合S=X|AX=b,X 0 是是凸集。凸集。基本定理基本定理 2 X是线性规划问题的是线性规划问题的基本可行解的充要条件基本可行解的充要条件为为是是 X 是凸集是凸集S=X|AX=b,X 0 的极点。的极点。基本定理基本定理 3 给定线性规划问题,给定线性规划问题,A是秩为是秩为 m 的的 mn 矩阵,矩阵,(i)若线性规划问题存在若线性规划问题存在可行解,则必可行解,则必存在存在基可行基可行解解 (ii)若线性规划
6、问题存在有界最优解若线性规划问题存在有界最优解,则必,则必存在有存在有界最优界最优基可行解。基可行解。9线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)单纯形法迭代原理及其思路单纯形法迭代原理及其思路单纯形法的初步讨论单纯形法的初步讨论 Max Z=50X1+30X2s.t.4X1+3X2 120 2X1+X2 50 X1,X2 0Max Z=50X1+30X2s.t.4X1+3X2+X3 =120 2X1+X2+X4=50 X1,X2,X3,X4 0化为化为标准型标准型10线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear L
7、inear ProgrammingProgramming(LPLP)此线性规划问题此线性规划问题转化为了一个含有四个变量的转化为了一个含有四个变量的标准形标准形线性线性规划问题,规划问题,X3,X4为松弛变量。为求解上面的为松弛变量。为求解上面的LP问题,问题,我们要考虑满足约束条件我们要考虑满足约束条件s.t.并使并使 Z 取得取得Max的的X1,X2,X3,X4的值,由此分析如下的值,由此分析如下-11线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)确定初始基可行解:确定初始基可行解:通过观察可以发现,松弛变量通过观察可
8、以发现,松弛变量X3和和X4对应的等式对应的等式约束条约束条件中的系数矩阵为单位矩阵可以作为初始件中的系数矩阵为单位矩阵可以作为初始可行基可行基矩阵。因此矩阵。因此取:取:X3,X4为基变量;为基变量;X1,X2为非基变量。则可变为为非基变量。则可变为 Max Z=50X1+30X2 s.t.X3 =120-4X1-3X2 X4=50-2X1 -X2 X1,X2,X3,X40 12线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)典式典式 关于基的关于基的典式典式 1、等式等式约束条件中显含约束条件中显含基可行解基可行解 2、
9、目标函数中不、目标函数中不含含基基变量变量Max Z=50X1+30X2s.t.4X1+3X2+X3 =120 2X1+X2+X4=50 X1,X2,X3,X4 0Max Z=50X1+30X2s.t.X3 =120-4X1-3X2 X4=50-2X1 -X2 X1,X2,X3,X4013线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)在典式中令:在典式中令:X1=X2=0 0,我们得到一个我们得到一个基本可行解基本可行解 X1=(X1,X2,X3,X4)T=(0,0,120,50)T,其对应的目标函数值其对应的目标函数值
10、Z1=50X1+30X2=0Max Z=50X1+30X2s.t.X3 =120-4X1-3X2 X4=50-2X1 -X2 X1,X2,X3,X4014线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)最优性检验:最优性检验:基本可行解基本可行解 X1是最优解吗?是最优解吗?显然不是。应寻找更好的解。显然不是。应寻找更好的解。从问题的数学角度分析,在典式的目标函数中,从问题的数学角度分析,在典式的目标函数中,非基非基变量变量X1,X2前的系数都为正,表明前的系数都为正,表明目标函数值有增加的可能。目标函数值有增加的可能。只要
11、将目标函数中只要将目标函数中系数为正的某系数为正的某非基变量非基变量与某一基变量地与某一基变量地位对换。位对换。15线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)换基迭代:换基迭代:进行进行换基就是要从非基变量中选一个变量换基就是要从非基变量中选一个变量入基入基,再从,再从基变量中选一个变量基变量中选一个变量出基出基。并且换基后仍需满足:。并且换基后仍需满足:1 1、新的解仍是基本新的解仍是基本可行解;可行解;2 2、目标函数值将得到改善。目标函数值将得到改善。16线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linea
12、r ProgrammingProgramming(LPLP)选择入基变量:选择入基变量:由于在目标函数由于在目标函数Z1=50X1+30X2 中中X1,X2的系数都为正,哪一个入的系数都为正,哪一个入基都可使目标函数值得到改善。对于求目标函数极大化的问题,我基都可使目标函数值得到改善。对于求目标函数极大化的问题,我们希望目标值增加得越快越好,因此系数最大的们希望目标值增加得越快越好,因此系数最大的X1入基。入基。选择出基变量:选择出基变量:X1入基后,其值从零增加并由于入基后,其值从零增加并由于约束条件的原因会引起其他变量的约束条件的原因会引起其他变量的变化。由变化。由典式典式以及变量必须取正
13、值的条件,我们可以得到下列不等以及变量必须取正值的条件,我们可以得到下列不等式关系:式关系:X3 =120-4X1-3X2 0 X4=50-2X1-X2 017线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)因为迭代后因为迭代后X2仍为仍为非基变量非基变量(仍会令其取值为零仍会令其取值为零),则上式可简化为:,则上式可简化为:120-4X1 0 50-2X1 0 由此可以看出,虽然我们希望由此可以看出,虽然我们希望X1入基后取正值,且取值越大目标值增加入基后取正值,且取值越大目标值增加越大,但是,越大,但是,X1又得受到又得
14、受到约束。约束。显然,只有显然,只有取取X1=min(120/4,50/2)=25时,才能使上述不等式成立时,才能使上述不等式成立并且恰使并且恰使基变量基变量X4变为零,这正好满足非基变量必须取变为零,这正好满足非基变量必须取值值零的条件,所零的条件,所以可以可令令X4 出基,出基,方程变为:方程变为:4X1+X3 =120-3X2 2X1 =50-X2 -X4化简后得化简后得新的新的典式典式方程方程:X3 =20-X2 +2X4 X1 =25-0.5X2 -0.5X418线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)代入
15、目标函数可得:代入目标函数可得:Z2=1250+5X2-25X4 令令非基变量非基变量X2 =X4=0,即可得一个新的即可得一个新的基本可行解基本可行解 X2=(25,0,20,0)T,其对应的目标函数值其对应的目标函数值Z2=1250,并完成了第一次并完成了第一次迭代。迭代。由于由于目标函数目标函数 Z2=1250+5X2-25X4中中X2的系数仍为正,该的系数仍为正,该解解X2仍不是最优解。重复上述仍不是最优解。重复上述迭代过程得到:迭代过程得到:X2入基,入基,X3出基,则新的出基,则新的典式典式方程变为:方程变为:X1 =15+0.5X3-1.5X4 X2 =20-X3+2X4 Z3=
16、1350-5X3-15X419线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)第三个第三个基本可行解基本可行解 X3=(15,20,0,0)T,其对应其对应的目标函数值的目标函数值Z3=1350。此时松弛变量都是此时松弛变量都是非基变量非基变量(取值为零取值为零),这表明资,这表明资源已用源已用 尽;并且目标函数值尽;并且目标函数值Z3=1350-5X3-15X4中中非非基变量基变量X3,X4的系数全为负值,说明目标函数已无法进的系数全为负值,说明目标函数已无法进一步改善,因此该解已是最优解。一步改善,因此该解已是最优解。2
17、0线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)单纯形法小结:单纯形法小结:单纯形法是这样一种单纯形法是这样一种迭代算法迭代算法如下图如下图X1Z1保持保持单调增单调增保持保持可行可行性性保持保持可行可行性性保持保持可行可行性性保持保持可行可行性性保持保持单调增单调增保持保持单调增单调增保持保持单调增单调增X2X3.XkZ2Z3.Zk当当Zk 中中非基变量非基变量的系数的系数全为负值时,这时的的系数的系数全为负值时,这时的基本可行解基本可行解Xk 即即是线性规划问题的最优解,是线性规划问题的最优解,迭代结束。迭代结束。21
18、线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)单纯形表单纯形表对于给定的线性规划问题:对于给定的线性规划问题:max Z=c c1 1x x1 1 +c+c2 2x x2 2+c cn nx xn n a a1111x x1 1+a+a1212x x2 2+a+a1n1nx xn n b b1 1 a a2121x x1 1+a+a2222x x2 2+a+a2n2nx xn n b b2 2s.t.s.t.a am1m1x x1 1+a+am2m2x x2 2+a amnmnx xn n b bm m x xj j 0
19、0 (j=1j=1,2 n2 n)对此问题添加对此问题添加m个松弛变量后,可得下面线性规划问题并且是个松弛变量后,可得下面线性规划问题并且是典式的形式。典式的形式。22线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)线性规划的典式线性规划的典式max Z=c c1 1x x1 1 +c+c2 2x x2 2+c cn nx xn n a a1111x x1 1+a+a1212x x2 2+a+a1n1nx xn n+x+xn+1 n+1 =b=b1 1 a a2121x x1 1+a+a2222x x2 2+a+a2n2nx
20、 xn n +x xn+2 n+2 =b=b2 2s.t.s.t.a am1m1x x1 1+a+am2m2x x2 2+a amnmnx xn n +x xn+mn+m =b bm m x xj j 0 0 (j=1j=1,2 n2 n,n+1n+1,n+2n+2,n+mn+m)23线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)将上面将上面典式中各变量及系数填写在一张表格中就形成下面的典式中各变量及系数填写在一张表格中就形成下面的单纯形表单纯形表cj c1 c2 cn cn+1 cn+mCB基解 x1 x2 xn xn+
21、1 xn+10000 xn+1xn+2xn+m b1 b2 bm a11 a12 a1n 1 a21 a22 a2n am1 am2 amn 112mj=cj zj c1 c2 cn 0 0j=cj zj 1 2 n n+1 n+m 24线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Linear ProgrammingProgramming(LPLP)上面上面的的单纯形表还可以表示成矩阵的形式单纯形表还可以表示成矩阵的形式基基解解 X XS XSb A I j C 0基基解解 XB XN XS XSb B N I j CB CN 025线性规划线性规划线性规划线性规划 Linear Line
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