线性规划

Posted on 2012-05-01 22:48 lenohoo 阅读(611) 评论(0)  编辑 收藏 引用
  线性规划是运筹学中研究较早、发展较快、应用广泛、方法较成熟的一个重要分支,它是辅助人们进行科学管理的一种数学方法.在经济管理、交通运输、工农业生产等经济活动中,提高经济效果是人们不可缺少的要求,而提高经济效果一般通过两种途径:一是技术方面的改进,例如改善生产工艺,使用新设备和新型原材料.二是生产组织与计划的改进,即合理安排人力物力资源.线性规划所研究的是:在一定条件下,合理安排人力物力等资源,使经济效果达到最好.一般地,求线性目标函数在线性约束条件下的最大值或最小值的问题,统称为线性规划问题。满足线性约束条件的解叫做可行解,由所有可行解组成的集合叫做可行域。决策变量、约束条件、目标函数是线性规划的三要素.

数学模型的一般形式

(1)列出约束条件及目标函数
(2)画出约束条件所表示的可行域   
(3)在可行域内求目标函数的最优解及最优值

线性规划的模型建立

从实际问题中建立数学模型一般有以下三个步骤;
  1.根据影响所要达到目的的因素找到决策变量;
  2.由决策变量和所在达到目的之间的函数关系确定目标函数;
  3.由决策变量所受的限制条件确定决策变量所要满足的约束条件。
  所建立的数学模型具有以下特点:
  1、每个模型都有若干个决策变量(x1,x2,x3……,xn),其中n为决策变量个数。决策变量的一组值表示一种方案,同时决策变量一般是非负的。
  2、目标函数是决策变量的线性函数,根据具体问题可以是最大化(max)或最小化(min),二者统称为最优化(opt)。
  3、约束条件也是决策变量的线性函数。
  当我们得到的数学模型的目标函数为线性函数,约束条件为线性等式或不等式时称此数学模型为线性规划模型。
  例:
  生产安排模型:某工厂要安排生产Ⅰ、Ⅱ两种产品,已知生产单位产品所需的设备台时及A、B两种原材料的消耗,如表所示,表中右边一列是每日设备能力及原材料供应的限量,该工厂生产一单位产品Ⅰ可获利2元,生产一单位产品Ⅱ可获利3元,问应如何安排生产,使其获利最多?
  解:
  1、确定决策变量:设x1、x2分别为产品Ⅰ、Ⅱ的生产数量;
  2、明确目标函数:获利最大,即求2x1+3x2最大值;
  3、所满足的约束条件:
  设备限制:x1+2x2≤8
  原材料A限制:4x1≤16
  原材料B限制:4x2≤12
  基本要求:x1,x2≥0
  用max代替最大值,s.t.(subject to 的简写)代替约束条件,则该模型可记为:
  max z=2x1+3x2
  s.t. x1+2x2≤8
  4x1≤16
  4x2≤12
  x1,x2≥0

线性规划的解法

求解线性规划问题的基本方法是单纯形法,现在已有单纯形法的标准软件,可在电子计算机上求解约束条件和决策变量数达 10000个以上的线性规划问题。为了提高解题速度,又有改进单纯形法、对偶单纯形法、原始对偶方法、分解算法和各种多项式时间算法。对于只有两个变量的简单的线性规划问题,也可采用图解法求解。这种方法仅适用于只有两个变量的线性规划问题。它的特点是直观而易于理解,但实用价值不大。通过图解法求解可以理解线性规划的一些基本概念。
  对于一般线性规划问题:
   [图解法解线性规划问题]

图解法解线性规划问题
Min z=CX
  S.T.
  AX =b
  X>=0
  其中A为一个m*n矩阵。
  若A行满秩
  则可以找到基矩阵B,并寻找初始基解。
  用N表示对应于B的非基矩阵。则规划问题1可化为:
  规划问题2:
  Min z=CB XB+CNXN
  S.T.
   [线性规划法解题]

线性规划法解题
B XB+N XN = b (1)
  XB >= 0, XN >= 0 (2)
  (1)两边同乘于B-1,得
  XB + B-1 N XN = B-1 b
  同时,由上式得XB = B-1 b - B-1 N XN,也代入目标函数,问题可以继续化为:
  规划问题3:
  
Min z=CB B-1 b + ( CN - CB B-1 N ) XN
  S.T.
  XB+B-1N XN = B-1 b (1)
  XB >= 0, XN >= 0 (2)
  令N:=B-1N,b:= B-1 b,ζ= CB B-1b,σ= CN - CB B-1 N,则上述问题化为规划问题形式4:
  Min z= ζ + σ XN
  S.T.
  XB+ N XN = b (1)
  XB >= 0, XN >= 0 (2)
  在上述变换中,若能找到规划问题形式4,使得b>=0,称该形式为初始基解形式。
  上述的变换相当于对整个扩展矩阵(包含C及A) 乘以增广矩阵 。所以重在选择B,从而找出对应的CB。
  若存在初始基解
  若σ>= 0
  则z >=ζ。同时,令XN = 0,XB = b,这是一个可行解,且此时z=ζ,即达到最优值。所以,此时可以得到最优解。
  若σ >= 0不成立
  可以采用单纯形表变换。
  σ中存在分量<0。这些负分量对应的决策变量编号中,最小的为j。N中与j对应的列向量为Pj。
  若Pj <=0不成立
  则Pj至少存在一个分量ai,j为正。在规划问题4的约束条件(1)的两边乘以矩阵T。
  T=
  则变换后,决策变量xj成为基变量,替换掉原来的那个基变量。为使得T b >= 0,且T Pj=ei(其中,ei表示第i个单位向量),需要:
  l ai,j>0。
  l βq+βi*(-aq,j/ai,j)>=0,其中q!=i。即βq>=βi/ ai,j * aq,j。
  n 若aq,j<=0,上式一定成立。
  n 若aq,j>0,则需要βq / aq,j >=βi/ ai,j。因此,要选择i使得βi/ ai,j最小。
  如果这种方法确定了多个下标,选择下标最小的一个。
  转换后得到规划问题4的形式,继续对σ进行判断。由于基解是有限个,因此,一定可以在有限步跳出该循环。
  若对于每一个i,ai,j<=0
  最优值无界。
  若不能寻找到初始基解
  无解。
  若A不是行满秩
  化简直到A行满秩,转到若A行满秩。

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