Этапы решения графического метода задач линейного программирования

Пусть задача линейного программирования задана в двумерном пространстве, т. е. ограничения содержат две переменные, т.е. она может быть решена графически. Графический метод решения ЗЛП состоит из следующих этапов.

Этап 1

Сначала на координатной плоскости x₁Ox₂ строится допустимая многоугольная область (область допустимых решений, область определения), соответствующая ограничениям.

При этом могут быть получены следующие области:

1. Основной случай – получающаяся область имеет вид ограниченного выпуклого многоугольника (рис. 2.2, а).

2. Неосновной случай – получается неограниченный выпуклый многоугольник, имеющий вид, подобный изображенному на рис. 2.2, б.

3. Возможен случай, когда неравенства противоречат друг другу и допустимая область вообще пуста.

Рис. 2.2. Области определения решения:

а – основной случай, б – неосновной случай

Этап 2

Строится вектор , показывающий направление целевой функции. Этот вектор показывает направление наискорейшего изменения целевой функции. Прямая , перпендикулярная вектору–градиенту, является линией уровня целевой функции. В любой точке линии уровня целевая функция принимает одно и то же значение.

Приравняем целевую функцию постоянной величине “a”. Меняя значение “a”, получим семейство параллельных прямых, каждая из которых является линией уровня.

Важное свойство линии уровня линейной функции состоит в том, что при параллельном смещении линии в одну сторону уровень только возрастает, а при смещении в другую сторону – убывает.

Этап 3

При поиске максимума ЦФ необходимо передвигать целевую прямую в направлении вектора , при поиске минимума ЦФ – против направления вектора . Последняя по ходу движения вершина ОДР будет точкой максимума или минимума ЦФ.

Вычисляют координаты точки и значение целевой функции в этой точке. Для нахождения ее координат достаточно решить два уравнения прямых, получаемых из соответствующих ограничений и дающих в пересечении точку максимума.

Если такой точки (точек) не существует, то можно сделать вывод о неограниченности ЦФ на множестве планов сверху (при поиске максимума) или снизу (при поиске минимум).

Пример. Решить задачу линейного программирования графическим способом.

Вернемся к целевой функции: . Допустим, значение функции L = 1 (абсолютно произвольно выбранное число), тогда . Данное уравнение является уравнением прямой на плоскости. Известно, что данная прямая перпендикулярна вектору, координатами которого являются коэффициенты функции, а именно вектору .

Следовательно, с геометрической точки зрения, исходная функция L изображается как множество прямых, перпендикулярных вектору .

Рис. 2.3. Допустимая область решения

Построим вектор , который изображен на рис. 2.3. Видно, что значение функции будет возрастать при перемещении прямой в направлении вектора . Будем перемещать прямую, перпендикулярную вектору , до тех пор, пока она полностью не пройдет область допустимых решений. В нашем случае касание прямой перед выходом из области допустимых решений произойдет в точке пересечении прямых и . В данной точке значение функции будет наибольшим.

Решая совместно эти два уравнения, получим координаты этой точки x₁ = 1; x₂ = 2. При этом значение целевой функции , что и дает ее максимальное значение.

Следует обратить внимание на то, что оптимальный план, как правило, соответствует какой-то вершине многоугольника, изображающего допустимую область. Но может случиться так, что решение не будет единственным. Но и в этом случае вершины, соответствующие границам этой стороны, дают оптимальные планы нашей задачи линейного программирования. Таким образом, вершины допустимой области играют в решении задач линейного программирования особую роль. Если допустимая область не ограничена, то и значение целевой функции может быть неограниченным.

Подводя итог, можно сформулировать следующие положения:

1. Допустимая область – это выпуклый многоугольник.

2. Оптимум достигается в вершине допустимой области (если допустимая область ограничена и не пуста).

3. Ограниченность целевой функции в допустимой области является необходимым и достаточным условием разрешимости задачи.