第2章-对偶理论和灵敏度分析课件.ppt
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- 对偶 理论 灵敏度 分析 课件
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1、1对偶理论与灵敏度分析对偶理论与灵敏度分析1 1 单纯形法的矩阵描述单纯形法的矩阵描述 设max z=CX AX=b X 0 A为mn阶矩阵 RankA=m,取B为可行基,N为非基,NBNBCCCNBAXXX ,0,maxNBNBNNBBXXbNXBXXCXCz2bBCbBNBIBN111-1 0 0 :矩阵单纯形表0zXCXCbNXBXNNBBNBbBCzXNBCCXbBNXBBXBBNBNBNB11111)(0bBCzXXbBNXBIXBNNBNB11103bBCzXXbBNXBIXBNNBNB1110NBCCbBCzbBXXBNNBBN111 ,0 得令.,0 !出则最优解直接由上式求若
2、能找到最优为最优基的使注BBNbBCzbBXB11 0 目标函数基可行解4求解步骤:.42 .,.4.,)()(0)()()(min ,)(0)(max .3.,0.2,.111111111步直到求出结果重复的求出此得到新的出基行对应的则若入基则若基变换否则转下一步则得最优解若求取可行基BBBxlPBbBPBPBbBxNBCCBBllklikikiikkNjNjBNN532利润12kg40材料B16kg04材料A8台时 21设备台时限制 2 2 对偶问题的提出对偶问题的提出 eg.1 制定生产计划 M1:max z=2x1+3x2 1x1+2x2 8 4x1 16 4x2 12 x1,x2 0
3、 6 现在出租,设y1为设备单位台时的租金 y2,y3为材料A、B转让附加费(kg-1)则M2为M1的对偶问题,反之亦然。M2:min w=8y1+16y2+12y3 y1+4y2 2 2y1 +4y3 3 y1,y2,y3 032利润12kg40材料B16kg04材料A8台时 21设备台时限制 0,124 16 482 32max 212121211xxxxxxxxzM7 一般的,原问题:max z=CX AX b X 0 对偶问题:min w=Yb YA C Y 0 比较:max z min w 决策变量为n个 约束条件为n个 约束条件为m个 决策变量为m个 “”“”83 3 对偶问题的化
4、法对偶问题的化法 1、典型情况 eg.2 max z=x1+2x2+x3 2x1+x2 6 2x2+x3 8 x1,x2,x3 0对偶:min w=6y1+8y2 2y1 1 y1+2y2 2 y2 1 y1,y2 09 2、含等式的情况 eg.3 max z=x1+2x2+4x3 2x1+x2+3x3=3 x1+2x2+5x3 4 x1,x2,x3 0对偶:min w=3y1-3y1”+4y2 2y1-2y1”+y2 1 y1-y1”+2y2 2 3y1-3y1”+5y2 4 y1,y1”,y2 0令y1=y1-y1”,则:min w=3y1+4y2 2y1+y2 1 y1+2y2 2 3y
5、1+5y2 4 y2 0,y1无约束一般,原问题第i个约束取等式,对偶问题第i个变量无约束。2x1+x2+3x3 3-2x1-x2-3x3-310 3、含“”的max问题 eg.4 max z=x1+2x2+4x3 2x1+x2+3x3 3 x1+2x2+5x3 4 x1,x2,x3 0对偶:min w=-3y1+4y2 -2y1+y2 1 -y1+2y2 2 -3y1+5y2 4 y1,y2 0令y1=-y1,则:min w=3y1+4y2 2y1+y2 1 y1+2y2 2 3y1+5y2 4 y1 0,y2 0-2x1-x2-3x3-311一般:max问题第i个约束取“”,则min问题第
6、i个变量 0;min问题第i个约束取“”,则max问题第i个变量 0;原问题第i个约束取等式,对偶问题第i个变量 无约束;max问题第j个变量 0,则min问题第j个约束取“”;min问题第j个变量 0,则max问题第j个约束取“”;原问题第j个变量无约束,对偶问题第j个约束取等式。约束条件符号判断:约束条件符号判断:max-min相同,min-max相反决策变量符号判断:决策变量符号判断:max-min相反,min-max相同12 eg.5 min z=2x1+3x2-5x3+x4 x1+x2-3x3 +x4 5 2x1 +2x3-x4 4 x2+x3+x4=6 x1 0,x2,x3 0,x
7、4无约束对偶:max w=5y1+4y2+6y3 y1+y2 2 y1 +y3 3 -3y1+2y2+y3 -5 y1-y2+y3=1 y1 0,y2 0,y3无约束 13对偶问题的基本性质一、单纯形法计算的矩阵描述Max Z=CX AXb X0其中X(x1,x2xn)TMax Z=CX+0Xs AX+IXs=b X,Xs0其中Xs(xn+1,xn+2xn+m)TI 为mm的单位矩阵14 项目非基变量基变量XBXNXs0XsbBNIcj-zjCBCN0 项目基变量非基变量XBXNXsCBXBB-1 bIB-1NB-1cj-zj0CN-CBB-1N-CBB-1对应初始单纯形表中的单位矩阵I,迭代
8、后的单纯形表中为B-1;初始单纯形表中基变量Xs=b,迭代后的表中为XB=B-1b;约束矩阵(A,I)(B,N,I),迭代后为(B-1B,B-1N,B-1I)(I,B-1N,B-1);初始单纯形表中xj的系数向量为Pj,迭代后为Pj,且Pj=B-1Pj。15maxZ=4.5x1+5x2 s.t.3x1+2x224 4x1+5x240 x1,x20minw=24y1+40y2 s.t.3y1+4y24.5 2y1+5x25 y1,y20y1y2x1x2maxZ=4.5x1+5x2 s.t.3x1+2x2+x3=24 4x1+5x2+x4=40 x1,x2,x3,x4,0minw=24y1+40y
9、2 s.t.3y1+4y2-y3=4.5 2y1+5x2-y4=5 y1,y2,y3,y40y1y2x1x216cj4.5500CBXBbx1x2x3x40 x3243210120 x44045018cj-zj4.55000 x387/501-2/540/75x284/5101/510cj-zj1/200-14.5x140/7105/7-2/75x224/701-4/73/7cj-zj00-5/14-6/7Z=4.540/7524/7=300/7解原问题:17解对偶问题:w=245/14406/7=300/7cj244000CBYBby1y2y3y424y15/1410-5/74/740y26
10、/7012/7-3/7cj-zj0040/724/718cj4.5500CBXBbx1x2x3x44.5x140/7105/7-2/75x224/701-4/73/7cj-zj00-5/14-6/7cj244000CBYBby1y2y3y424y15/1410-5/74/740y26/7012/7-3/7cj-zj0040/724/7(x3,x4)=(0,0)(y3,y4)=(0,0)-y1-y2-y4-y3x1x2x4x3原问题对偶问题19二、对偶问题的基本性质原始问题max z=CXs.t.AXb X 0对偶问题min w=Ybs.t.ATYCY 01.弱对偶性若X为原问题的可行解,Y为对
11、偶问题的可行解,则恒有CXYb20推论:原问题任一可行解的目标函数是其对偶问题目标函数值的下界,反之对偶问题任一可行解的目标函数是其原问题目标函数的上界。如原问题有可行解且目标函数值无界,则其对偶问题无可行解;反之对偶问题有可行解且目标函数无界,则原问题无可行解。(对偶问题无可行解时,其原问题无界解或无可行解。若原问题有可行解而其对偶问题无可行解时,原问题目标函数无界 若对偶问题有可行解而其原问题无可行解时,对偶问题目标函数无界。212.最优性若X为原问题的可行解,Y为对偶问题的可行解,且CXYb则X,Y分别为原问题和对偶问题的最优解。3.强对偶性若原问题和对偶问题均具有可行解,则两者均具有最
12、优解,且他们的最优解的目标值相等。224.互补松弛定理在线性规划问题的最优解中,如果对应某一约束条件的对偶变量值为0,则该约束条件取严格等式,既松弛变量或剩余变量为0;反之如果对应某一约束条件的对偶变量值不为0,则该约束条件取严格不等式,既松弛变量或剩余变量不为0.若yi 0,即xsi=0若yi 0,即xsi0即xsiyi=0同理若xj 0,即ysj=0若xj 0,即ysj0即ysjxj=023maxZ=4.5x1+5x2 s.t.3x1+2x2+x3=24 4x1+5x2+x4=40 x1,x2,x3,x4,0y1y2minw=24y1+40y2 s.t.3y1+4y2-y3=4.5 2y1
13、+5x2-y4=5 y1,y2,y3,y40 x1x2X3=0,3x1+2x2=24,y1=14/5X4=0,4x1+5x2=40,y2=6/7y3=0,3y1+4y2=5,x1=40/7y4=0,2y1+5y2=5,x2=24/724利用互补松弛关系求解线性规划min z=6x1+8x2+3x3s.t.x1+x2 1 x1+2x2+x3-1 x1,x2,x3 0max w=y1-y2s.t.y1+y2 6 y1+2y2 8 y2 3 y1,y20原始问题对偶问题0 1 2 3 4 5 6 7 8654321w1w2y=-1 y=1y=3y=6最优解为(y1,y2)=(6,0)max y=6先
14、用图解法求解对偶问题。25min z=6x1+8x2+3x3s.t.x1+x2 1 x1+2x2+x3-1 x1,x2,x3 0max w=y1-y2s.t.y1+y2 6 y1+2y2 8 y2 3 y1,y20max w=y1-y2s.t.y1+y2+y3 =6 y1+2y2 +y4 =8 y2 +y5=3 y1,y2,y3,y4,y50(y1,y2)=(6,0)(y1,y2,y3,y4,y5)=(6,0,0,2,3)min z=6x1+8x2+3x3s.t.x1+x2 -x4 =1 x1+2x2+x3 -x5 =-1 x1,x2,x3,x4,x50(x1,x2,x3|x4,x5)(y1,
15、y2|y3,y4,y5)x2=x3=x4=0 x1=1,x5=2引进剩余变量 求对偶引进松弛变量图解法求解代入约束求出松弛变量互补松弛关系代入约束求解(x1,x2,x3,x4,x5)=(1,0,0,0,2)264 4 对偶问题的性质对偶问题的性质 1、对称性 对偶问题的对偶为原问题.0 )max(0;,min)max(YCYAYbwYCYACYAYbww即0)min(XbAXCXw0 ,min 0 ,maxYCYAYbwXbAXCXz270)min(XbAXCXw证毕令0 max maxmax)min(XbAXCXzwzCXwww28.,:的可行解分别为原问题和对问题设证明YXXCXAYCAY
16、CYAbYXAYbXAbAX证毕bYXCbYXAYXC bYXC 则存在,为对偶问题的可行解Y,为原问题的可行解X设偶性弱2.对29推论:(1)max问题任一可解的目标值为min问题目标值的一个下界;(2)min问题任一可解的目标值为max问题目标值的一个上界。3、无界性 若原问题(对偶问题)为无界解,则对偶问题(原问题)为无可行解。注:该性质的逆不存在。若原(对偶)问题为无可行解,对偶(原问题)问题或为无界解,或为无可行解。30 4、最优性 设X*,Y*分别为原问题和对偶问题可行解,当 CX*=Y*b时,X*,Y*分别为最优解。证毕为最优解即为最优解即由弱对偶性题的任一可行解分别为原问题和对
17、偶问设证明 *)2()1(.,:*YbYbYbYCXbYXCXXCCXbYXCYX31 5、对偶定理 若原问题有最优解,那么对偶问题也有最优解,且目标值相等。*11*1*1*1*11*0)(:,0.:wbYbBCbBCCCXzbBXbBCbYwYBCYCAYCABCABCCXBNBBBBB则其目标值为因原问题最优解则为对偶问题的可行解若其中全部检验数可表示为则其对应的基矩阵存在为原问题的最优解设证明32Y*为对偶问题的最优解,且原问题和对偶问题的目标值相等。证毕6、松弛性 若X*,Y*分别为原问题及对偶问题的可行解,那么Ys*X*=0,Y*Xs*=0,当且仅当X*,Y*分别为 最优解。证明:0
18、,0max:SSSXXbXAXXCXz设原问题为0,0min:SSSYYCYYAYYbw设对偶问题为330,0maxSSSXXbXAXXCXz0,0minSSSYYCYYAYYbwXYYAXXYYACXzSS)(SSYXYAXXAXYYbw)(将b,Cb,C分别代入目标函数:;,0,0,*为最优解时当为可行解若YXzwXYXYYXSS证毕必有则分别为最优解若另一方面0 ,0,*SSXYXYzwYX34TSmSSSTnxxxXxxxX)()(*2*1*2*1*)()(*2*1*2*1*snSSSmyyyYyyyY 其中:用分量表示:mixynjxySiijSj,2,1 ,0;,2,1 ,0*35
19、 7、检验数与解的关系 (1)原问题非最优检验数的负值为对偶问题的一个基解。(2)原问题最优检验数的负值为对偶问题的最优解。分析:max z=CX+0Xs=(C 0)(X Xs)T AX+Xs=b X,Xs 0 min w=Yb+YS0 YA-Ys=C Y,Ys 0 检验数:=(C 0)-CBB-1(A I)=(C-CBB-1A -CBB-1)=(c s)c=C-CBB-1A X对应的检验数 s=-CBB-1 Xs对应的检验数 36 eg.6 已知:min w=20y1+20y2 的最优解为y1*=1.2,y2*=0.2-ys1 y1+2y2 1 试用松弛性求对偶-ys2 2y1+y2 2 问
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