Кириллов Исследование операций / Расчетно-графическая работа №1 по ИО ЛП
.docxФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»
Кафедра экономической информатики
Расчетно-графическая работа №1
По курсу «Исследование операций»
«Линейное программирование»
Студент группы ФБИ-22
Преподаватель: к.т.н., доцент кафедры ЭИ
Кириллов Ю. В.
Новосибирск 2014
Цели задания:
-
Понимать смысл, различать, осознанно использовать следующие понятия:
математическая модель задачи линейного программирования (ЗЛП);
-
формы записи ЗЛП;
-
геометрическая интерпретация ЗЛП;
-
линии уровня функции;
-
градиент функции;
-
двойственные задачи;
-
двойственные оценки;
-
устойчивость решения ЗЛП;
-
устойчивость оценок.
-
получить навыки, уметь:
-
строить математические модели ЗЛП;
-
переходить от одной формы записи ЗЛП к другой;
-
решать графически ЗЛП с двумя переменными;
-
строить модель задачи, двойственной к исходной;
-
находить решение ЗЛП на основе решения задачи, двойственной к ней;
-
интерпретировать полученные результаты в терминах решаемой задачи;
-
проводить анализ устойчивости решения ЗЛП на основе геометрической интерпретации.
Ход работы:
1. Записали математическую модель задачи.
2. Построили модель задачи, двойственной к заданной, и дала ее геометрическую интерпретацию.
3. Решили двойственную задачу графически. Используя полученный результат, нашли
решение исходной задачи.
4. Дали экономическую интерпретацию двойственным оценкам.
5. Произвели анализ устойчивости полученного решения и двойственных оценок на основе геометрической интерпретации двойственной задачи.
6. Решили задачу с помощью Пакета Экономических расчетов (ПЭР) и сравнили результаты решения с результатами, полученными вручную.
7. Решили задачу с помощью электронных таблиц Microsoft Excel и сравнили результаты с результатами, полученными ранее.
Условие задачи : Коммерческая фирма предполагает осуществить оптовую закупку продовольствия, располагая для этого суммой S рублей. Номенклатура продовольствия включает пять наименований. Покупная цена каждого вида продукта равна соответственно s1, s2, s3, s4 и s5 рублей за килограмм. В распоряжении фирмы имеются холодильные камеры общей площадью V кв. метров. Площадь, необходимая для хранения одного килограмма продукта каждого вида, равна соответственно v1, v2, v3, v4 кв. м; при этом продукт пятого вида хранению не подлежит и должен быть реализован 4 немедленно. При своевременной реализации продукта каждого вида прибыль фирмы составит соответственно p1, p2, p3, p4 и p5 рублей за килограмм.
Определить объемы закупки продовольствия каждого вида, при которых фирма может рассчитывать на максимальную прибыль.
Вариант задания:
Таблица 1. Вариант задания
Решение задачи:
Составим математическую модель для данной задачи. Для этого примем количество закупаемого первого товара за x1, второго за x2, третьего за x3, четвертого за x4, пятого за x5.
Целевая функция – это функция, показывающее какое количество прибыли будет получено фирмой от реализации продукции. В нашем случае – от продуктов x1, x2,x3,x4,x5 соответственно.
Поскольку в данной задаче цель фирмы получить максимально возможную прибыль, то целевая функция должна стремится к максимуму. Другими словами: наша цель – максимизация прибыли, а, следовательно, и максимизация целевой функции.
В общем виде функция имеет вид:
)=p1*x1+p2*x2+p3*x3+p4*x4+p5*x5max
Однако, поскольку действия фирмы ограничены запасами имеющихся ресурсов, то для достижения поставленных целей необходимо рационально их использовать.
Необходимо составить ограничения:
-
для запасов денег, выделенных для закупки необходимых объемов продукции;
-
для площадей холодильников, отведенных под хранение продуктов.
Поскольку последний продукт x5 не подлежит хранению, то во второе условие он включен не будет.
В общем случае условия можно представить в виде:
Стоит заметить, что все переменные должны удовлетворять условию:
Таким образом, задача сводится к набору условий.
Z(x)=18x1+20x2+48x3+5x4+12x5→max
Обратимся к построению задачи двойственной к данной.
Поскольку модель исходной задачи имеет лишь 2 ограничения, то модель двойственной задачи будет содержать только две переменные.
Примем в качестве переменных y1 – затраты по первому виду ресурсов и y2 – затраты по второму виду ресурсов.
Поскольку цель фирмы минимизировать свои затраты, то функция будет стремиться к минимизации.
В общем виде модель двойственной задачи имеет вид:
)=S*y1+V*y2min
Что касается ограничений двойственной задачи, то их количество равно числу переменных прямой задачи.
В общем виде ограничения двойственной задачи можно записать в виде системы:
Необходимо учесть, что переменные должны быть неотрицательными:
Модель двойственной задачи:
)=13000*y1+50*y2min
Графическое решение двойственной задачи:
Рисунок 1. Графическое решение двойственной задачи
Можно заметить из графика, что в данном решении существует 10 угловых точек (A,B,C,D,E,F,G,H,I,J). Определить оптимальную точку можно двумя способами:
-
подстановка координат точек пересечения в целевую функцию;
-
нахождение градиента целевой функции.
Воспользуемся вторым способом.
Для исследуемой функции градиент равен:
Представим в более удобном виде(учитывая масштаб графика).
)
К градиенту построим линию нормали. Перемещая линию нормали вдоль линии градиента, получим, что оптимум находится в точке G.
Найдем координаты этой точки.
y2=45 y1=
Таким образом, получаем, что:
y1=0.3 – это оценка относительной стоимости каждого вида продукта;
y2=45 – это оценка относительной стоимости площадей, необходимых для хранения одного килограмма продукта каждого вида.
Найдем значение целевой функции:
)=13000*0.3+50*45=3900+2250=6150
С помощью второй теоремы двойственности найдем решение прямой задачи.
Вторая теорема двойственности гласит: для того, чтобы планы прямой и двойственной задачи были оптимальны необходимо и достаточно выполнение следующих условий:
Т.е.
Таким образом, в оптимальном плане задачи только координаты x1 и x5 отличны от нуля. Составим соотношения по ограничениям задачи.
Так как
Найдем значение целевой функции:
Итак, решение исходной задачи и значение целевой функции прямой и двойственной задачи равны друг другу и равны 6150.
Экономическая интерпретация:
Выпишем все переменные основной и двойственной задачи:
Пользуясь таблицей соответствия и конечной симплекс-таблицей выпишем все переменные двойственной задачи:
Величины показывают, что первого типа товара и третьего, нужно закупить в количестве 250 и 137.5 единиц. Товары второго, четвертого и пятого типов закупать нецелесообразно. Двойственные оценки это подтверждают. Двойственные оценки являются мерой убыточности производства и показывают разницу между себестоимостью товара и доходом, получаемым при его продаже.
Анализ устойчивости полученного решения и двойственных оценок:
Рисунок 2. Анализ устойчивости
b1=13000
b2=50
Очевидно, что при изменении количества ресурсов будет изменяться и общий доход, то есть целевая функция. Это подтверждается третьей теоремой двойственности.
Тогда:
И
Таким образом, если запасы обоих ресурсов изменяются в указанных выше пределах, координаты оптимального плана двойственной задачи = не меняются, и новое значение целевой функции можно найти следующим образом:
Zнов=
Где,
- оптимальное значение, полученное из итоговой таблицы,
ΔZ – изменение целевой функции, найденное по формуле
При этом Δb1 и Δb2 – должны быть в пределах интервала устойчивости.
Представим уравнение линии уровня в следующей форме:
Где отношение показывает тангенс угла наклона прямой, соответствующей уравнению, к оси OY1.
Линия уровня, проходящая через точку G имеет координаты , которые при изменении тангенса угла наклона линии уровня останутся неизменными, поэтому при изменении b1 прямая будет поворачиваться вокруг точки G, причем при увеличении b1 – по часовой стрелке, а при уменьшении b1 – соответственно против. Учитывая свойства параллельных прямых, найдем (верхний предел устойчивости) и (нижний предел устойчивости).
-
Поворот по часовой стрелке (при увеличении b1).
Рисунок 3. Графический анализ устойчивости двойственных оценок.
-
Поворот против часовой стрелке (при уменьшении b1).
Рисунок 4. Графический анализ устойчивости двойственных оценок.
При уменьшении (увеличении) b1, а следовательно при повороте линии уровня против часовой стрелки оптимальная точка может изменяться и координаты изменятся.
При совпадении линии уровня
=*+
И прямой
Имеем пропорцию:
Получаем из пропорции b1max=12500, что полностью совпадает с решением полученным в ПЭР.
В случае, когда b1 уменьшается, при совпадении линии уровня и прямой
является выполнение соответствия:
Тогда b1min=7500, что также соответствует алгебраическому решению.
Пусть теперь изменяется b2, а b1 = const.
Очевидно, что эти изменения могут быть проиллюстрированы геометрически как для b1. Только наклон линии к оси OY2. Тогда при увеличении b2, линия уровня будет поворачиваться вокруг G против часовой стрелки, пока не совпадет с прямой а это произойдет при условии:
Откуда b2max=50
Аналогично, уменьшение b2 приведет в конце концов к совпадению с прямой при условии:
b2min=86.6667. Как видно результаты полностью совпадают с решением найденным с помощью ПЭР.
Решение задачи симплекс-методом
Таблица3. Решение задачи симплекс-методом:
Б |
X1 |
X2 |
X3 |
X4 |
X5 |
S1 |
S2 |
В |
S1 |
30 |
50 |
30 |
50 |
40 |
1 |
0 |
13000 |
S2 |
0.2 |
0.2 |
1.6 |
0.1 |
0 |
0 |
1 |
50 |
Δj= |
18 |
20 |
48 |
5 |
12 |
0 |
0 |
|
S1 |
26.25 |
46.25 |
0 |
48.13 |
40 |
1 |
-18.7 |
12063 |
X3 |
0.125 |
0.125 |
1 |
0.063 |
0 |
0 |
0.625 |
31.25 |
Δj= |
12 |
14 |
0 |
2 |
12 |
0 |
-30 |
1500 |
S1 |
-20 |
0 |
-370 |
25 |
40 |
1 |
-250 |
500 |
X2 |
1 |
1 |
8 |
0.5 |
0 |
0 |
5 |
250 |
Δj= |
-2 |
0 |
-112 |
-5 |
12 |
0 |
-100 |
5000 |
X5 |
-0.5 |
0 |
-9.25 |
0.625 |
1 |
0.025 |
-6.25 |
12.50 |
X2 |
1 |
1 |
8 |
0.5 |
0 |
0 |
5 |
250 |
Δj= |
4 |
0 |
-1 |
-12.5 |
0 |
-0.3 |
-25 |
5150 |
X1 |
0 |
0.5 |
-5.25 |
0.875 |
1 |
0.25 |
-3.75 |
137.5 |
X3 |
1 |
1 |
8 |
0.5 |
0 |
0 |
5 |
250 |
Δj= |
0 |
-4 |
-33 |
-14.5 |
0 |
-0.3 |
-45 |
6150 |
Рисунок 5. Решение задачи симплекс-методом
Задача решена верно, так как ответы полученные аналитически и с помощью ПЭР равны.
Автоматизация решения задач линейного программирования с использованием Microsoft Excel:
Рисунок 6. Решение с помощью Microsoft Excel
Вывод:
-
В ходе работы были изучены понятия:
-
формы записи ЗЛП;
-
геометрическая интерпретация ЗЛП;
-
линии уровня функции;
-
градиент функции;
-
двойственные задачи;
-
двойственные оценки;
-
устойчивость решения ЗЛП;
-
устойчивость оценок.
-
И получены навыки по:
-
Построению математические модели ЗЛП;
-
Переходу от одной формы записи ЗЛП к другой;
-
Решению графически ЗЛП с двумя переменными;
-
Построению модель задачи, двойственной к исходной;
-
Нахождению решение ЗЛП на основе решения задачи, двойственной к ней;
-
Интерпретации полученные результаты в терминах решаемой задачи;
-
Проведению анализа устойчивости решения ЗЛП на основе геометрической интерпретации.