整数规划模型085课件.ppt
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1、第三章第三章 整数规划整数规划第1页,共38页。3.1 整数规划简介n要求所有要求所有 x xj j 的解为整数,称为纯整数规划的解为整数,称为纯整数规划n要求部分要求部分 x xj j 的解为整数,称为混合整数规划的解为整数,称为混合整数规划n对应没有整数解要求的线性规划称之为松弛问题对应没有整数解要求的线性规划称之为松弛问题n整数规划的解是可数个的,最优解不一定发生在极点整数规划的解是可数个的,最优解不一定发生在极点n整数规划的最优解不会优于其松弛问题的最优解整数规划的最优解不会优于其松弛问题的最优解njxmibxatsxcxfjnjijijnjjj,2,1,0,2,1,),(.)(max
2、(min)11且为整数第2页,共38页。3.2 整数规划问题及其数学模型1 1、生产计划问题、生产计划问题例例3.2.1 3.2.1 某工厂生产某工厂生产A1A1、A2A2两种产品,产品分别由两种产品,产品分别由B1B1、B2B2两种部件组装而成。每件产两种部件组装而成。每件产品所用部件数量和部件的产量限额以及产品利润如下表所示,应如何安排品所用部件数量和部件的产量限额以及产品利润如下表所示,应如何安排A1A1、A2A2的产量,该厂才能获得最大利润?的产量,该厂才能获得最大利润?部件产品B1B2利润(百元)A16115A24320最大产量2510解:设x1、x2分别表示产品A1、A2的产量,则
3、该问题的数学模型为且皆为整数,0,010325462015max21212121xxxxxxxxZ第3页,共38页。3.2 整数规划问题及其数学模型2 2、投资项目选择问题、投资项目选择问题例例3.2.2 3.2.2 某单位有某单位有5 5个拟选择的投资项目,其所需投资额与期望收益如下表所示。由于个拟选择的投资项目,其所需投资额与期望收益如下表所示。由于各项目之间有一定联系,各项目之间有一定联系,A A、C C、E E之间必须选择一项,且仅需选择一项;之间必须选择一项,且仅需选择一项;B B和和D D之间之间需选择且仅需选择一项;需选择且仅需选择一项;C C的实施必须以的实施必须以D D的实施
4、为前提条件。该单位共筹集资金的实施为前提条件。该单位共筹集资金1515万元,应选择哪些项目投资,使期望收益最大?万元,应选择哪些项目投资,使期望收益最大?项目所需投资额(万元)期望收益(万元)A6.010.0B4.08.0C2.07.0D4.06.0E5.09.0第4页,共38页。3.2 整数规划问题及其数学模型解:解:考虑到有的项目有可能被选中,也有可能不被选中,设决策变量考虑到有的项目有可能被选中,也有可能不被选中,设决策变量x xi i(i=1,2,3,4,5)(i=1,2,3,4,5)分分别表示项目别表示项目A A、B B、C C、D D、E E,且定义,且定义)5,4,3,2,1(1
5、0iiixi被选中项目不被选中项目由于A、C、E之间必须且仅需选择一项,故有x1+x3+x5=1与此类似,B、D之间有关系式x2+x4=1由C的实施必须以D的实施为前提,因此,若x4=0(即D不实施),则x3=0(即C一定不实施);若x4=1(即D实施),则x3=0或1(即C可实施,也可不实施),因此有x3x4,即x3-x40对所有项目投资总额的限制条件为6x1+4x2+2x3+4x4+5x515第5页,共38页。3.2 整数规划问题及其数学模型目标函数为期望收益最大,可表示为目标函数为期望收益最大,可表示为max Z=10 xmax Z=10 x1 1+8x+8x2 2+7x+7x3 3+6
6、x+6x4 4+9x+9x5 5因此,此问题的数学模型为因此,此问题的数学模型为)5,4,3,2,1(,101554246011967810max54321434253154321ixxxxxxxxxxxxxxxxxxZi或皆为此问题的所有决策变量只限取0或1,因此,称为0-10-1规划规划对实际问题建立数学模型,常可借助0-1变量,使含“非此即彼”的、相互排斥的决策变量和约束条件寓于同一模型之中。第6页,共38页。3.2 整数规划问题及其数学模型3 3、指派问题、指派问题例例3.2.3 3.2.3 现有现有A1A1、A2A2、A3A3、A4A4四人,每人都能完成工作四人,每人都能完成工作B1
7、B1、B2B2、B3B3、B4B4四项中的一项。四项中的一项。下表列出了他们完成各项工作所需的时间。如果每项工作需安排且仅需安排一人完下表列出了他们完成各项工作所需的时间。如果每项工作需安排且仅需安排一人完成。问如何安排四人可使完成四项任务所花费的总时间最少?成。问如何安排四人可使完成四项任务所花费的总时间最少?工作人B1B2B3B4A1314105A21041210A39141513A478119第7页,共38页。3.2 整数规划问题及其数学模型解:由于每项工作需安排一人且仅需一人去完成,所以,设解:由于每项工作需安排一人且仅需一人去完成,所以,设x xijij表示表示AiAi去做去做BjB
8、j工作工作(i,j=1,2,3,4i,j=1,2,3,4),且),且工作不被安排做当工作被安排做当BjAiBjAixij01则该问题的数学模型是)4,3,2,1,(,10111111119118713151491012410510143min443424144333231342322212413121114443424134333231242322211413121144434241343332312423222114131211jixBjxxxxxxxxxxxxxxxxAixxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxZji或工作只有一人去做表示只做一项工作表示第8页,共3
9、8页。3.3 分枝定界法3.3.1 3.3.1 思路与解题步骤思路与解题步骤n只解松弛问题只解松弛问题,通过分枝,通过分枝,逐步缩小目标函数的上逐步缩小目标函数的上下界之差下界之差1、在全部可行性域上解松弛问题、在全部可行性域上解松弛问题n若松弛问题最优解为整数解,则其也是整数规划的最优解若松弛问题最优解为整数解,则其也是整数规划的最优解2、分枝过程、分枝过程n若松弛问题最优解中某个若松弛问题最优解中某个 xk=bk 不是整数,令不是整数,令 bk 为为 bk 的整数部分的整数部分n构造两个新的约束条件构造两个新的约束条件 xk bk 和和 xk bk +1,分别加于原松弛问题,分别加于原松弛
10、问题,形成两个新的整数规划形成两个新的整数规划3、求解分枝的松弛问题、求解分枝的松弛问题 定界过程定界过程n设两个分枝的松弛问题分别为问题设两个分枝的松弛问题分别为问题 1 和问题和问题 2,它们的最优解有如,它们的最优解有如下情况下情况第9页,共38页。表3.3.1 分枝问题解可能出现的情况序序号号 问问题题 1 1 问问题题 2 2 说说 明明 1 无无可可行行解解 无无可可行行解解 整整数数规规划划无无可可行行解解 2 无无可可行行解解 整整数数解解 此此整整数数解解即即最最优优解解 3 无无可可行行解解 非非整整数数解解 对对问问题题 2 继继续续分分枝枝 4 整整数数解解 整整数数解
11、解 较较优优的的一一个个为为最最优优解解 5 整整数数解解,目目标标函函数数优优于于问问题题 2 非非整整数数解解 问问题题 1 的的解解即即最最优优解解 6 整整数数解解 非非整整数数解解,目目标标函函数数优优于于问问题题 1 问问题题 1 1 停停止止分分枝枝(剪剪枝枝),其其整整数数解解为为界界,对对问问题题 2 继继续续分分枝枝 7 非非整整数数解解 非非整整数数解解 对对目目标标函函数数较较优优的的一一个个继继续续分分枝枝 情况情况 2,4,5:对该分枝,找到最优解对该分枝,找到最优解情况情况 3,7:在缩减的域上继续分枝定界法在缩减的域上继续分枝定界法情况情况 6:问题问题 1 的
12、整数解作为界被保留,用于以后与问题的整数解作为界被保留,用于以后与问题 2 的后的后续分枝所得到的解进行比较,结论如情况续分枝所得到的解进行比较,结论如情况 4 或或 5第10页,共38页。3.3.2 分枝定界法举例例例3.3.13.3.1 且为整数 0,01 3 25462015max21212121xxxxxxxxZ解解 1.松弛问题的最优解为 x1=2.5,x2=2.5,Z=87.5 为上 界,令下界为Z=02.由 于x1=2.5不为整数,分别增加新的约束条件x1 2和 x1 3 得到两个分枝,它们的松弛问题如下:0,2 01 3 2546)1(2015max211212121xxxxx
13、xxxxZ问题 0,3 01 3 2546)2(2015max211212121xxxxxxxxxZ问题第11页,共38页。3.解问题(1)的松弛问题,问题(2)暂时记录下来.问题(问题(1 1)的松弛问题最优解为)的松弛问题最优解为 x1=2,x2=2.67,Z=83.3x1=2,x2=2.67,Z=83.3 由于由于x x2 2不为不为整数,对整数,对问题(问题(1 1)分别增加)分别增加新的约束条件新的约束条件x x2 2 2.2.x x2 2 3 3,分枝为两个分枝为两个子子问题,它们的松弛问题如下:问题,它们的松弛问题如下:0,32 01 3 2546)4(2015max212121
14、2121xxxxxxxxxxZ问题 0,2 201 3 2546)3(2015max2121212121xxxxxxxxxxZ问题第12页,共38页。4.解问题(3)的松弛问题,问题(4)暂时记录下来.问题(问题(3 3)的松弛问题最优解为)的松弛问题最优解为 x x1 1=2,=2,x x2 2=2,Z=70=2,Z=70 由于解为由于解为整数,整数,问题(问题(3 3)不再分枝,目标函数新的)不再分枝,目标函数新的下界为下界为Z Z=max0,70=70.=max0,70=70.5.5.对对记录下来的问题,记录下来的问题,依依“后进先出后进先出”的原则进行求解的原则进行求解.对对问题(问题
15、(4 4)进行求解,最优解为)进行求解,最优解为 x x1 1=1,=1,x x2 2=3,Z=75=3,Z=75 由于解为由于解为整数,整数,问题(问题(4 4)不再分枝,目标函数新的)不再分枝,目标函数新的下界为下界为Z Z=max70,75=75.=max70,75=75.X3=3X3=3X1 Z=75.对问题(2)进行分枝,增加新的约束条件 x2 1.x2 2,分枝为两个子问题,它们的松弛问题如下:0,1 301 3 2546)5(2015max2121212121xxxxxxxxxxZ问题 0,23 01 3 2546)6(2015max2121212121xxxxxxxxxxZ问题
16、第14页,共38页。7.7.对问题(5)进行求解,最优解为 x1=3.5,x2=1,Z=72.5 由于Z=72.5=4X3=6X10,则令yi=1-xi替换xi,于是yi在目标函数中的系数变为负,且yi也为0-1变量;(3)如果约束条件为“”,则可两边乘以-1,改为“”型(4)如果有k个等式约束,则可用以下(k+1)个“”约束代替。kjjkjniiijniiiijnijiijbxakjbxakjbxa11111),2,1(),2,1(第20页,共38页。3.4.2 隐枚举法基本思路:(1)首先令全部变量取0,如果此解可行,则为最优解,最优值为0,计算终止;否则,(2)有选择地指定某个变量为0或
17、1,并把它们固定下来(称为固定变量),其他变量为自由变量,将原问题分枝成两个子问题.对每个子问题,取自由变量均为0,继续分别检验;(3)对某个子问题,如果其有解,则停止分枝,返回;如果其目标函数值优于下界(初始设为-Inf),则以其目标函数值为原问题的一个下界;否则不对界作修改。(4)如果无解,且取自由变量均为0时的目标函数值大于界,则继续步骤(2)进行分枝;否则,停止分枝,返回(5)以上分枝、定界的过程至所有子问题停止分枝,或没有自由变量为止(6)问题的最优解为最大下界值对应的可行解。(7)在第(2)步中,选择变量为固定变量的原则是:能使所有的约束到可行情况的总距离最小,所谓到可行情况的距离
18、,是指将约束变为可行情况,应在约束的左端所必须减少的数值第21页,共38页。例3.4.2用隐枚举法求解如下0-1规划问题)3,2,1(1073257324625624.161017max32132132132321jxxxxxxxxxxxxtsxxxZj或解:(1)令x1=1-y1,x2=1-y2,x3=1-y3,代入原问题,将其化为规范型)4()3()2()1()3,2,1(1033252324225024.)161017(max43max32132132132321jyyyyyyyyyyyytsyyySZj或第22页,共38页。例3.4.2(2)(2)目标函数值的下界设为目标函数值的下界设
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