第1讲线性规划及单纯形法课件.ppt
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- 线性规划 单纯 课件
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1、1第第1 1讲讲线性规划及单纯形法线性规划及单纯形法山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院 李彬李彬E-mail:telephone number:13698622129.2运运 筹筹 帷帷 幄幄 之之 中中决决 胜胜 千千 里里 之之 外外线线 性性 规规 划划Linear ProgrammingLinear Programming数学建模数学建模 课课 件件.3 1 1线性规划问题及模型线性规划问题及模型 2 2图解法图解法 3 3单纯形方法单纯形方法 4 4线性规划应用举例分析线性规划应用举例分析.41 1问题的提出问题的提出例例1.1.某工厂在计划期内要安排某工厂在计划期内要安
2、排、两种产品的生产,已知生产单位产两种产品的生产,已知生产单位产品所需的设备台时及品所需的设备台时及A A、B B两种原材料的消耗、资源的限制,如下表两种原材料的消耗、资源的限制,如下表:问题:工厂应分别生产多少单位、产品才能使工厂获利最多?线性规划模型:线性规划模型:目标函数:Max z=50 x1+100 x2 约束条件:s.t.x1+x2 300 2 x1+x2 400 x2 250 x1,x2 0.5线性规划的组成要素线性规划的组成要素:目标函数目标函数 Max F 或 Min F约束条件约束条件 s.t.(subject to)满足于决策变量决策变量 用符号来表示可控制的因素建模步骤
3、建模步骤1.理解要解决的问题,了解解题的目标和条件;2.定义决策变量(x1,x2,xn),每一组值表示一个方案;3.用决策变量的线性函数形式写出目标函数,确定最大化或最小化目标;4.用一组决策变量的等式或不等式表示解决问题过程中必须遵循的约束条件。.6一一 般般 形形 式式目标函数目标函数约束条件约束条件.7 可以看出,线性规划的标准形式有如下四个特点:-目标最大化;目标最大化;-约束为等式;约束为等式;-决策变量均非负;决策变量均非负;-右端项非负。右端项非负。.8注注 释释.9规规 范范 形形 式式.10标标 准准 形形 式式.11概概 念念.12模模 型型 转转 换换令令自自由由变变量量
4、 jjjxxx,其其中中 jjxx,为为非非负负变变量量 求求最最大大可可以以等等价价成成求求负负的的最最小小 xcxc minmax v目标转换目标转换v变量转换变量转换.13约约 束束 转转 换换v不等式变等式不等式变等式v不等式变不等式不等式变不等式ininiibxaxaxa 2211 ininiibxaxaxa 2211 ininiibxaxaxa 2211 v等式变不等式等式变不等式.14不不 等等 式式 变变 等等 式式ininiibxaxaxa 2211 0,2211 iiininiisbsxaxaxa 或或 ininiibxaxaxa 2211 0,2211 iiininiis
5、bsxaxaxa 松弛变量松弛变量剩余变量剩余变量.15不等式变不等式不等式变不等式ininiibxaxaxa 2211 ininiibxaxaxa 2211 或或 ininiibxaxaxa 2211 ininiibxaxaxa 2211 .16 例例1 把问题转化为标准形式把问题转化为标准形式.17对于只有两个决策变量的线性规划问题,可以在平面直角坐标系上作图表示线性规划问题的有关概念,并求解。下面通过例2详细讲解其方法。2 2图图 解解 法法例例2.2.目标函数:Max z=50 x1+100 x2 约束条件:s.t.x1+x2 300 (A)2 x1+x2 400 (B)x2 250
6、(C)x1 0 (D)x2 0 (E).18(1)画出线性规划问题的可行域,如图所示。x1x2x2=0 x1=0 x2=250 x1+x2=3002x1+x2=400图1.19(2)目标函数z=50 x1+100 x2,当z取某一固定值时得到一条直线,直线上的每一点都具有相同的目标函数值,称之为“等值线”。平行移动等值线,当移动到B点时,z在可行域内实现了最大化。得到最优解:x1=50,x2 =250,最优目标值 z =27500 x1x2z=20000=50 x1+100 x2图2z=27500=50 x1+100 x2z=0=50 x1+100 x2z=10000=50 x1+100 x2
7、CBADE.20图解法步骤图解法步骤v在平面上建立直角坐标系;在平面上建立直角坐标系;v图示约束条件;图示约束条件;v找出可行域;找出可行域;v图示目标函数和寻找最优解。图示目标函数和寻找最优解。.21 例例3 3 某公司由于生产需要,共需要A,B两种原料至少350吨(A,B两种材料有一定替代性),其中A原料至少购进125吨。但由于A,B两种原料的规格不同,各自所需的加工时间也是不同的,加工每吨A原料需要2个小时,加工每吨B原料需要1小时,而公司总共有600个加工小时。又知道每吨A原料的价格为2万元,每吨B原料的价格为3万元,试问在满足生产需要的前提下,在公司加工能力的范围内,如何购买A,B两
8、种原料,使得购进成本最低?.22解:目标函数:Min f=2x1+3 x2 约束条件:s.t.x1+x2 350 x1 125 2 x1+x2 600 x1 ,x2 0 采用图解法。如下图:得Q点坐标(250,100)为最优解。100200300 400 500 600100200300400600500 x1=125x1+x2=3502x1+3x2=8002x1+3x2=9002x1+x2=6002x1+3x2=1200 x1 x2 Q.23 重要结论:重要结论:如果线性规划有最优解,则一定有一个可行域的顶点对应一个最优解;无穷多个最优解。若将例1中的目标函数变为max z=50 x1+50
9、 x2,则线段BC上的所有点都代表了最优解;无界解。即可行域的范围延伸到无穷远,目标函数值可以无穷大或无穷小。一般来说,这说明模型有错,忽略了一些必要的约束条件;无可行解。若在例1的数学模型中再增加一个约束条件4x1+3x21200,则可行域为空域,不存在满足约束条件的解,当然也就不存在最优解了。.243 单纯形方法单纯形方法 单纯形法的基本思路和原理 单纯形法的表格形式 求目标函数值最小的线性规划的问题的 单纯形表解法.25可行域的几何结构可行域的几何结构 基本假设基本假设 凸集凸集 可行域的凸性可行域的凸性.26基基 本本 假假 设设.27凸凸 集集.28问问 题题.29线性规划问题解的特
10、点线性规划问题解的特点 若线性规划问题存在唯一的最优解,那么它必定在顶点上(基本可行解)。若线性规划问题存在多个最优解,那么必有几个相邻的顶点是最优解,其它最优解可以表示成这几个顶点的凸组合。若一个顶点的目标函数值比它的相邻定点的目标函数值要好的话,它就是最优解。.301 1单纯形法的基本思路和原理单纯形法的基本思路和原理 单纯形法的基本思路:从可行域中某一个顶点开始,判断此顶点是否是最优解,如不是,则再找另一个使得其目标函数值更优的顶点,称之为迭代,再判断此点是否是最优解。直到找到一个顶点为其最优解,就是使得其目标函数值最优的解,或者能判断出线性规划问题无最优解为止。例1在加上松弛变量之后我
11、们可得到标准型如下:目标函数:max 50 x1+100 x2 约束条件:x1+x2+s1=300,2x1+x2+s2=400,x2+s3=250.xj0(j=1,2),sj0(j=1,2,3).31它的系数矩阵 ,其中pj为系数矩阵A第j列的向量。A的秩为3,A的秩m小于此方程组的变量的个数n,为了找到一个初始基本可行解,先介绍以下几个线性规划的基本概念。基基:已知A是约束条件的mn系数矩阵,其秩为m。若B是A中mm阶非奇异子矩阵(即可逆矩阵),则称B是线性规划问题中的一个基。基向量基向量:基B中的一列即称为一个基向量。基B中共有m个基向量。非基向量非基向量:在A中除了基B之外的一列则称之为
12、基B的非基向量。基变量基变量:与基向量pi相应的变量xi叫基变量,基变量有m个。100100101200111),(54321pppppA.32非基变量非基变量:与非基向量pj相应的变量xj叫非基变量,非基变量有nm个。由线性代数的知识知道,如果我们在约束方程组系数矩阵中找到一个基,令这个基的非基变量为零,再求解这个m元线性方程组就可得到唯一的解了,这个解我们称之为线性规划的基本解。在此例中我们不妨找到了 为A的一个基,令这个基的 非基变量x,s2为零。这时约束方程就变为基变量的约束方程:1010010113B.33 x2+s1300,x2=400,x2+s3=250.求解得到此线性规划的一个
13、基本解:x1=0,x2=400,s1=100,s2=0,s3=150 由于在这个基本解中s1=100,s3=150,不满足该线性规划s10,s30的约束条件,显然不是此线性规划的可行解,一个基本解可以是可行解,也可以是非可行解,它们之间的主要区别在于其所有变量的解是否满足非负的条件。我们把满足非负条件的一个基本解叫做基本可行解,并把这样的基叫做可行基。.34 一般来说判断一个基是否是可行基,只有在求出其基本解以后,当其基本解所有变量的解都是大于等于零,才能断定这个解是基本可行解,这个基是可行基。那么我们能否在求解之前,就找到一个可行基呢?也就是说我们找到的一个基能保证在求解之后得到的解一定是基
14、本可行解呢?由于在线性规划的标准型中要求bj都大于等于零,如果我们能找到一个基是单位矩阵,或者说一个基是由单位矩阵的各列向量所组成(至于各列向量的前后顺序是无关紧要的事)例如,那么显然所求得的基本解一定是基本可行解,这个单位矩阵或由单位矩阵各列向量组成的基一定是可行基。实际上这个基本可行解中的各个变量或等于某个bj或等于零。010001100.35 在本例题中我们就找到了一个基是单位矩阵。在第一次找可行基时,所找到的基或为单位矩阵或为由单位矩阵的各所找到的基或为单位矩阵或为由单位矩阵的各列向量所组成,称之为初始可行基列向量所组成,称之为初始可行基,其相应的基本可行解叫初始基本可行其相应的基本可
15、行解叫初始基本可行解。解。如果找不到单位矩阵或由单位矩阵的各列向量组成的基作为初始可行基,我们将构造初始可行基,具体做法在以后详细讲述。1000100012B.36基基 本本 可可 行行 解解 定定 义义.37.38二、二、最优性检验最优性检验 所谓最优性检验就是判断已求得的基本可行解是否是最优解。1.最优性检验的依据检验数j 一般来说目标函数中既包括基变量,又包括非基变量。现在我们要求只用非基变量来表示目标函数,这只要在约束等式中通过移项等处理就可以用非基变量来表示基变量,然后用非基变量的表示式代替目标函数中基变量,这样目标函数中只含有非基变量了,或者说目标函数中基变量的系或者说目标函数中基
16、变量的系数都为零了。此时目标函数中所有变量的系数即为各变量的检验数数都为零了。此时目标函数中所有变量的系数即为各变量的检验数,把变量xi的检验数记为i。显然所有基变量的检验数必为零。在本例题中目标函数为50 x1+100 x2。由于初始可行解中x1,x2为非基变量,所以此目标函数已经用非基变量表示了,不需要再代换出基变量了。这样我们可知1=50,2=100,3=0,4=0,5=0。.39 设线性规划模型为nixbAxxptscxxcziniiiniii,3,2,1,0)(.)(max11.40 令基为B,并作相应的矩阵分割,从约束条件得 代入目标函数 得NbNxbBxNbNxBbBx11NNB
17、BxCxCzNBNBNNNBxNBCCbBCxCNxBbBCz)()(1111典式典式.41 令 则目标函数可写成 所以可用 判断是否最优解,它叫做检验数。miiiBbcbBCz110miijijBjBjacPBCNBCz111)(jjjzc nmjjjxzz10j.42 其中:121 12212112,jmjjiijjjmmjmimjmjaazc ac ac ac ac ccac ccp.43 2.最优解判别定理 对于求最大目标函数的问题中,对于某个基本可行解,对于求最大目标函数的问题中,对于某个基本可行解,如果所有检验数如果所有检验数 0,则这个基本可行解是最优解,则这个基本可行解是最优解
18、。下面我们用通俗的说法来解释最优解判别定理。设用非基变量表示的目标函数为如下形式 由于所有的xj的取值范围为大于等于零,当所有的 都小 于等于零时,可知 是一个小于等于零的数,要使z 的值最大,显然 只有为零。我们把这些xj取为非基 变量(即令这些xj的值为零),所求得的基本可行解就使目标函数值最大为z0。*对于求目标函数最小值的情况,只需把 0改为 0j0jjj Jzzxjjjj Jxjjj Jxjj.44三、三、基变换基变换 通过检验,我们知道这个初始基本可行解不是最优解。下面介绍如何进行基变换找到一个新的可行基,具体的做法是从可行基中换一个列向量,得从可行基中换一个列向量,得到一个新的可
19、行基,使得求解得到的新的基本可行解,其目标函数值更优到一个新的可行基,使得求解得到的新的基本可行解,其目标函数值更优。为了换基就要确定换入变量与换出变量。1.入基变量的确定 从最优解判别定理知道,当某个j0时,非基变量xj变为基变量不取零值可以使目标函数值增大,故我们要选基检验数大于0的非基变量换到基变量中去(称之为入基变量)。若有两个以上的j0,则为了使目标函数增加得更大些,一般选其中的一般选其中的j j最大者的非基变量为入基变量最大者的非基变量为入基变量,在本例题中2=100是检验数中最大的正数,故选x2为入基变量。.452.出基变量的确定 在确定了x2为入基变量之后,我们要在原来的3个基
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