Вопрос 9:

Основные теоремы линейного программирования

Для обоснования методов решения задач линейного программирования сформулируем ряд важнейших теорем, опуская их аналитические доказательства. Уяснить смысл каждой из теорем поможет понятие о геометрической интерпретации решения ЗЛП, данное в предыдущем подразделе.

Однако сначала напомним о некоторых понятиях, важных с точки зрения дальнейшего разговора.

Любые m переменных системы m линейных уравнений с n переменными (m < n) называются основными, если определитель матрицы коэффициентов при них отличен от нуля. Тогда остальные m-n переменных называются неосновными (или свободными).

Базисным решением системы m линейных уравнений c n переменными (m < n) называется всякое ее решение, в котором все неосновные переменные имеют нулевые значения.

Теорема 1. Множество всех допустимых решений системы ограничений задачи линейного программирования является выпуклым.

В частном случае, когда в систему ограничений входят только две переменные x1 и x2, это множество можно изобразить на плоскости. Так как речь идет о допустимых решениях (x1, x2 ? 0), то соответствующее множество будет располагаться в первой четверти декартовой системы координат. Это множество может быть замкнутым (многоугольник), незамкнутым (неограниченная многогранная область), состоять из единственной точки и, наконец, система ограничений-неравенств может быть противоречивой.

Теорема 2. Если задача линейного программирования имеет оптимальное решение, то оно совпадает с одной (двумя) из угловых точек множества допустимых решений.

Из теоремы 2 можно сделать вывод о том, что единственность оптимального решения может нарушаться, причем, если решение не единственное, то таких оптимальных решений будет бесчисленное множество (все точки отрезка, соединяющего соответствующие угловые точки).

Теорема 3. Каждому допустимому базисному решению задачи линейного программирования соответствует угловая точка области допустимых решений, и наоборот.

Следствием из теорем 2 и 3 является утверждение о том, что оптимальное решение (оптимальные решения) задачи линейного программирования, заданной (или приведенной) ограничениями-уравнениями, совпадает с допустимым базисным решением (допустимыми базисными решениями) системы ограничений.

Таким образом, оптимальное решение ЗЛП следует искать среди конечного числа допустимых базисных решений.

Вопрос 10:Построение исходного плана.

Построение исходного опорного плана (метод северо-западного угла)

Для начала решения транспортной задачи необходимо иметь какой-то исходный опорный план, то есть оказаться в какой-то вершине допустимой области. Приведем конструктивный прием построения такого опорного плана, получивший название "метод северо-западного угла".

Итак, пусть имеется m складов с запасами

и n пунктов

потребления с потребностями .

Пусть запасы и потребности

сбалансированы, то есть .

Представим это в виде таблицы,

			...

где в столбце справа указаны запасы, в строке снизу  потребности, а пустые клетки оставлены для будущего плана перевозок.

Начнем заполнение с клетки, расположенной вверху слева, то есть с "северо-западного угла". Вместо впишем число . Возможны два варианта.

1. , то есть . Тогда, запланировав перевозку из первого склада в первый пункт потребления в объеме мы полностью опустошим первый склад и там ничего не останется. Поэтому все остальные перевозки из первого склада могут быть только нулевые.

Ну, а потребность в первом пункте потребления останется в объеме . Наша таблица примет вид:

	0	0	...	0	0
			...

Обратите внимание на то, что оставшаяся незаполненной часть таблицы вновь по структуре та же, что и исходная таблица, только в ней на одну строку меньше.

 

2. , то есть . Тогда, запланировав перевозку из первого склада в первый пункт потребления в объеме , мы полностью удовлетворим его потребности. Перевозить туда больше будет ничего не надо, поэтому остальные перевозки туда будут равны нулю.

Ну, а в первом складе еще останется запасов продукта. Наша таблица примет вид:

0
0
0
0			...

Обратите внимание на то, что оставшаяся незаполненной часть таблицы вновь по структуре та же, что и исходная таблица, только в ней на один столбец меньше.

Ну, а дальше все можно повторить, продолжая заполнять оставшуюся часть таблицы перевозок начиная с левого верхнего, "северо-западного" угла, пока не будут исчерпаны запасы всех складов и не удовлетворены потребности всех пунктов потребления.

У нас всего в таблице m строк и n столбцов. Каждый раз исчезает, как минимум, либо строка, либо столбец (могут исчезнуть сразу и строка, и столбец, если запасы какого-то подмножества складов полностью удовлетворят потребности какого-то подмножества пунктов потребления). Однако при последней перевозке исчезает сразу и последняя строка, и последний столбец. Поэтому получающийся план перевозок содержит не

более

компонент.

Мы не будем доказывать, что план, полученный методом северо-западного угла, является опорным. Заметим лишь, что если получающийся план содержит ровно компоненту, то он называется невырожденным. Если число положительных компонент плана перевозок меньше , то он называется вырожденным.

Рассмотрим два примера. С целью экономии места, вся таблица не переписывается, а лишь приписываются последние строки и столбцы.

Пример 1 

Пусть

3	3	0	0	6	3	0	0	0	0	0
0	4	4	0	8	8	8	4	0	0	0
0	0	3	6	9	9	9	9	9	6	0
3	7	7	6	В данном случае число
0	7	7	6	складов m =3, число пунктов
0	4	7	6	потребления n =4, так что
0	0	7	6	m+n-1=6. Получившийся
0	0	3	6	опорный план содержит ровно
0	0	0	6	6 компонент, и поэтому являет-
0	0	0	0	ся невырожденным.

Пример 2

Пусть Аналогичная процедура приводит к таблице, изображенной ниже.

В этом случае получившийся опорный план имеет всего 5 компонент, то есть является вырожденным. Это

3	3	0	0	6	3	0	0	0	0
0	4	0	0	4	4	4	0	0	0
0	0	7	6	13	13	13	13	6	0
3	7	7	6	В данном случае число скла-
0	7	7	6	дов m =3, число пунктов потре-
0	4	7	6	бления n =4, так что m+n-1=6.
0	0	7	6	Получившийся опорный план
0	0	0	6	содержит 5 компонент, и поэтому
0	0	0	0	является вырожденным.

произошло потому, что запасы складов и полностью удовлетворили потребности пунктов потребления и и поэтому в тот момент, когда эти сбалансированные потребности удовлетворились ( ), обнулились сразу и строка, и столбец.

Ниже вся теория будет строится для случая, когда все опорные планы невырожденные, то есть все они имеют компоненту. Как бороться с явлением вырождения, которое в транспортных задачах встречается достаточно часто  будет рассказано в самом конце.