19. Приведение задач линейного программирования к каноническому виду. Методы искусственного базиса.

Задача ЛП имеет вид:

(1)

Если в ограничениях с b_i стоят только неравенства, то говорят, что задача задана в стандартной форме.

Если стоят только равенства, то в канонической форме.

Множество всех решений, удовлетворяющих всем ограничениям (1), называется множеством допустимых решений. Это множество с геометрической точки зрения представляет собой некоторый выпуклый многоугольник или выпуклую многоугольную область решений.

Основная теорема ЛП: если задача ЛП имеет решение, то целевая функция достигает экстремального значения хотя бы в одной из угловых точек многоугольника решений.

Множество называется выпуклым, если оно вместе с  2-мя точками содержит их произвольную линейную выпуклую комбинацию.

Точка называется внутренней, если  окрестность этой точки, которая принадлежит целиком данному множеству.

Точка называется граничной, если в  окрестности этой точки содержатся как точки, принадлежащие данному множеству, так и точки, не принадлежащие множеству

Точка называется угловой, если она не является внутренней не для какого отрезка, целиком принадлежащего данному множеству

Если ЦФ достигает ext в более чем в одной точке, то она достигает того же значения в  точке, являющейся их линейной выпуклой комбинацией.

Таким образом, с теоретической точки зрения решение задачи ЛП выглядит следующим образом: можно найти все угловые точки многоугольника решения, высчитать в них значение ЦФ, выбрать наибольшее / наименьшее.

Однако, с практической точки зрения такой способ затруднителен, т.к. процесс нахождения угловых точек сравним по трудности с решением исходной задачи.

Поэтому  способ целенаправленного перебора угловых точек. Суть: в начале находят одну из угловых точек, при этом надо иметь критерий остановки перебора. Если начальная точка не удовлетворяет этому критерию, то надо иметь критерий перехода к нехудшей точке, в которой значение функции не меньше при нахождении max, не больше при min, чем в предыдущей точке.

В этом заключается основная идея СМ, которая предполагает:

1) уметь находить первоначальное базисное решение

2) критерий оптимальности базисного решения

3) критерий переходить к «нехудшему» базисному решению

Пусть имеем канонический вид:

(2)

Канонический вид всегда можно получить из стандартной определенными способами (добавление / вычитание дополнительных переменных).

Система уравнений в (2) в случае ее совместности и ранга = m имеет некоторый базис, содержащий m векторов, через которые можно выразить  другой вектор A_i, составленный из коэффициентов a_ij.

Переменные x_i, соответствующие базисным векторам, называются базисными, остальные (n – m) переменных – свободными.

Базисным решением m линейных уравнений с n переменными называется решение, в котором все свободные = 0, если при этом все x_i  0, то базисное решение называется допустимым

Допустимое базисное решение – решение, в котором все свободные = 0, а базисные равны свободным элементам.

Каждому допустимому базисному решению соответствует одно угловая точка. Поэтому для того чтобы найти первую угловую точку надо уметь находить некоторое допустимое базисное решение.

Ограничение имеет предпочтительный вид, если левая часть ограничения содержит переменную с коэффициентом 1, которая в остальные ограничения вводится коэффициентом 0.

Если каждые ограничения имеют предпочтительный вид, то система ограничений называется предпочтительной.

В этом случае базисные решения находит так: приравниваем к 0 непредпочтительные переменные, тогда предпочтительные переменные будут равны соответствующим значениям правой части, которой по определению 0. Таким образом, получаем допустимое базисное решение. Предпочтительные переменные будут базисными, а непредпочтительные – свободными.

а) Предположим, что система ограничений имеет вид:

(3)

Введем дополнительные неотрицательные переменные так, чтобы неравенства превратились в равенства. (3) имеет предпочтительный вид. В качестве базисных переменных возьмем дополнительные, в качестве свободных – исходные переменные. Допустимое базисное решение в этом случае имеет вид:

б) Предположим, что система ограничений имеет вид:

Если введем дополнительные неотрицательные переменные, то получим систему:

(4)

Пусть система не является непредпочтительной, тогда первоначальное базисное решение является недопустимым:

В этом случае использует один из 2 методов искусственного базиса.