Математические модели простейших экономических задач Задача использования ресурсов

Для изготовления нескольких видов продукции P₁, Р₂ , ..., Р_п используют т видов ресурсов S₁, S₂, ..., S_m. Это могут быть различные материалы, электроэнергия, полуфабрикаты и т.п. Объем каждого вида ресурсов ограничен и известен (b₁, b₂, ..., b_m ). Известно a_ij (i = 1,2, ..., т; j = 1,2, ..., п) — количество каждого i-го вида ресурса, расходуемого на производство единицы j-го вида продукции. Кроме того, известна прибыль, получаемая от реализации единицы каждого вида продукции (с₁, с₂, ..., с_п). Условия задачи можно представить в виде таблице 1.

Таблица 1 – Представление исходных данных в таблице.

Вид ресурсов	Объём ресурсов	aij
		P1	Р2	…	Рп
S1	b1	a11	a12	…	a1n
S2	b2	a21	a22	…	a2n
…	…	…	…	…	…
Sm	bm	am1	am2	…	a m n
Прибыль		с1	с2	…	сп

Пусть х_j (j = 1,2, ..., п) — количество каждого вида продукции, ко­торое необходимо произвести. Для первого ресурса имеет место неравенство-ограничение a₁₁x₁+ a₁₂x₂+…+ a_1n x_n≤ b₁.

Аналогичные неравенства будут и для остальных видов ресурсов. Сле­дует учитывать также, что все значения х_j≥ 0, j=1, 2, ..., п.

Общая прибыль, получаемая от реализации всей продукции, может быть представлена как функция

F(X) = с₁ х₁ + с₂ х₂ + ... + с_п х_п.

Необходимо эту функцию максимизировать.

Таким образом, математическая модель задачи использования ресурсов запишется в виде

F(X) = с₁ х₁ + с₂ х₂ + ... + с_п х_п→max,

В более компактной форме целевую функцию и систему ограничений можно записать, используя знак суммирования,

max,

i=1, 2, ..., m,

Задача о составлении рациона питания

Требуется составить ежедневный рацион питания животного на основе имеющихся видов кормов так, чтобы общая стоимость использованных кормов была минимальной. При этом животное не должно получать менее определённого количества питательных веществ, например, таких, как жиры, углеводы, белки, витамины и т.п.

Каждый вид корма содержит разную комбинацию этих веществ. Известна цена единицы веса каждого корма.

Пусть имеется п различных кормов (продуктов) Р₁, Р₂, ..., Р_п и перечень из т необходимых питательных веществ S₁, S₂, ..., S_m . Обозначим через а_ij содержание (в весовых единицах) i-го питательного вещества в единице j-го корма, а через b_i минимальную суточную потребность животного в i-м веществе. Через х_j обозначим количество каждого вида корма в ежедневном рационе. Очевидно, что х_j ≥0.

Условия задачи можно представить в виде таблице 2.

Таблица 2 – Данные задачи.

Питательное вещество	aij				Суточная потребность
	P1	Р2	…	Рп
S1	a11	a12	…	a1n	b1
S2	a21	a22	…	a2n	b2
…	…	…	…	…	…
Sm	am1	am2	…	a m n	bm
Стоимость 1 кг корма	с1	с2	…	сп	-

Для первого вида питательного вещества неравенство-ограничение примет вид a₁₁x₁+ a₁₂x₂+…+ a_1n x_n≥ b₁.

Аналогичные неравенства будут и для остальных питательных веществ. Сле­дует учитывать также, что все значения х_j≥ 0, j=1, 2, ..., п.

Общие затраты на весь рацион питания животного можно найти на основе линейной функции

F(X) = с₁ х₁ + с₂ х₂ + ... + с_п х_п.

Необходимо эту функцию минимизировать.

Итак, математическая модель задачи составления рациона питания запишется в виде

F(X) = с₁ х₁ + с₂ х₂ + ... + с_п х_п→min,

Рассмотрим варианты составления математической модели для следующих задач.

Задача 1. (Планирование производства.)

Некоторое предприятие выпускает три типа продукции П₁,П₂,П₃ двумя технологическими способами S₁ и S₂. Количество продукции j-гo вида (j = 1,2,3), произведенного i -м способом (i = 1,2) за единицу времени, задано таблице 3.

Необходимо так организовывать производство, чтобы получить наибольшую прибыль при реализации продукции по указанной стоимости.

Таблица 3 – Данные задачи.

Продукции Т.способ	П1	П2	П3	Лимит времени
S1	20	25	30	10
S2	30	20	15	8
Стоимость 1 ед. продукции	5	3	6

Математическая модель задачи

Обозначим через х_{i j} — время, затраченное на изготовление продукции Пj (j = 1,2,3) i -м способом. Тогда план производства будет иметь вид:

S1	х11	х12	х13
S2	х21	х22	х23

При этом продукции 1-го вида будет выпущено 20х₁₁+ 30х₂₁, 2-го вида 25х₁₂+20х₂₂, 3-го вида 30х₁₃+ 15х₂₃. Стоимость всей продукции (обозначим ее за F) равна 5(20х₁₁+ 30х₂₁)+3(25х₁₂+20х₂₂)+6(30х₁₃+ 15х₂₃) и она должна быть максимальной. Но при этом есть ограничения по времени: х₁₁+ х₁₂ + х₁₃ ≤10, х₂₁+ х₂₂ + х₂₃ ≤8 и очевидно, все х_{i j} ≥ 0.

Окончательно получаем математическую модель задачи

F=5(20х₁₁+ 30х₂₁)+3(25х₁₂+20х₂₂)+6(30х₁₃+ 15х₂₃) → max,

Задача 2. (Задача о смеси.)

Известно, что при правильном питании человек должен получать в день не менее 20 единиц витамина А, не менее 15 единиц витамина В. Содержание этих витаминов в одной единице каждого из продуктов П₁, П₂, П₃ задано таблицей 4. Составить наиболее дешевый рацион питания. Все данные занесены в таблицу 4.

Таблица 4 – данные исходной задачи.

В итамины Продукты	А	В	Стоимость одной единицы Пi
П1	4	5	25
П2	5	2	30
П3	2	6	20
	≥20	≥15

Математическая модель задачи

Пусть х_i — количество продукта П_i, потребляемого в день (i=1,2,3), тогда стоимость всех продуктов (обозначим F) будет равна F=25х₁ +30x₂ + +20х₃. При этом количество витамина А равно 4x₁ + 5х₂ + 2х₃ , витамина В — 5x₁ + 2х₂ + 6х₃, получаем математическую модель:

F=25х₁ +30x₂ +20х₃ → min,

Задача 3. (О раскрое материала.)

Для изготовления некоторого изделия требуется 2 планки по 2 м, 3 — по 2,5 м и одна трехметровая. Для этого используют 100 досок по 7 м длиной. Как распилить доски, чтобы получить возможно большее число комплектов?

Математическая модель задачи

Рассмотрим возможные варианты распиливания досок.

Таблица 5 – Варианты распиливания досок.

№ варианта Длина планки	1	2	3	4	5	6
2 м	3	2	2	1	0	0
2,5 м	0	1	0	2	1	0
3 м	0	0	1	0	1	2

Обозначим через х_i— количество досок, распиленных i-м способом, тогда заготовок по 2 м получится 3x₁+ 2х₂ + 2х₃ + х₄, по 2,5 м — x₂ + 2x₄ + х₅; по 3 м — х ₃ + x₅ + 2x₆. Обозначим через к — число полученных изделий, тогда

3x₁+ 2х₂ + 2х₃ + х₄ = или 2(3x₁+ 2х₂ + 2х₃ + х₄ )=к,

x₂ + 2x₄ + х₅ = или 3(x₂ + 2x₄ + х₅ )=к,

х ₃ + x₅ + 2x₆=к. Исключим к.

2(3x₁+ 2х₂ + 2х₃ + х₄ )= 3(x₂ + 2x₄ + х₅ ) или 6x₁+ х₂ + 4х₃ -4х₄ -3х₅ =0,

2(3x₁+ 2х₂ + 2х₃ + х₄ )= х ₃ + x₅ + 2x₆ или 6x₁+ 4х₂ + 3х₃ +2х₄ -х₅-2х₆=0.

Окончательно получим математическую модель

к=х ₃ + x₅ + 2x₆→ max,

все х_i ≥0.

Мы видим, что различные экономические задачи приводят к одному и тому же типу математических задач. Задачи такого типа решаются методами линейного программирования.