Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЭМиКМ (пособие)

.pdf
Скачиваний:
50
Добавлен:
11.04.2015
Размер:
900 Кб
Скачать
☆
A3 к прямым, со-
ÑZ(X )

54

S2 до величины 2 ×3 +1× 2 = 8 никак не повлияет на оптимальность получен-

ного ранее решения.

Результаты проведенного анализа представлены в таблице 3.1 [16].

 

 

 

 

Таблица 3.1

Сырье

Тип сырья

Макс. изменение запаса,

Макс. изменение прибыли,

 

 

Si

DZ(

 

)

 

 

X

S1

Дефицитное

16 / 3 − 5 =1/ 3

53/ 3 − 51/ 3 = 2 / 3

S2

Недефицитное

9 − 8 =1

17 −17 = 0

S3

Дефицитное

10 − 7 = 3

20 −17 = 3

Для ответа на третий вопрос введем характеристики ценности каждой до- полнительной единицы сырья. Обозначим ценность дополнительной единицы

i -го вида сырья через Yi , где

Y = DZ(

 

)

 

X

, i =1, 2, 3.

i

Si

 

 

 

Подставляя в данную формулу значения, приведенные в таблице выше,

получаем следующие величины для ценности каждой дополнительной единицы каждого типа сырья: Y1 = 2, Y2 = 0, Y3 =1. Полученные результаты свиде- тельствуют, что дополнительные вложения в первую очередь следует направ- лять на закупку сырья S1 и лишь затем − на закупку сырья S3.

Для ответа на четвертый вопрос опять обратимся к рисунку 7. Из него видно, что при небольшом изменении коэффициентов целевой функции с1 и с2 прямая Z(X ) =17 вращается вокруг точки C. Таким образом, точка C будет оставаться оптимальной до тех пор, пока прямая Z(X ) не выйдет за пределы, определяемые первым и третьим ограничениями, т.е. пока вектор-градиент

будет находиться между векторами-нормалями A1 и ответствующим первому и третьему ограничениям.

Определим сначала диапазон изменения коэффициента с1 при фиксиро-

ванном коэффициенте с2 (с2 =4). Тангенсы

углов наклона для векторов

ÑZ(

 

),

 

 

 

 

 

X

A1, A3 соответственно равны:

 

 

 

 

 

 

 

tg(α) = c2 / c1 , tg(α1) =1,

tg(α3 ) = 2.

Поэтому диапазон изменения коэффициента с1 в целевой функции определится из соотношения 1 £ с2 / c1 £ 2 , т.е. 2 £ c1 £ 4. Диапазон изменения коэффици- ента с2 при фиксированном значении с1 (с1=3) определяется аналогично, т.е.

3 £ c2 £ 6.

55

Решение ЗЛП симплекс-методом

Симплекс-метод − универсальный метод решения ЗЛП, разработанный в 1949 г. американским математиком Дж. Данцигом. В его основе лежит идея по- следовательного улучшения полученного решения, для реализации которого необходимы [9]:

1)способ определения какого-либо первоначального допустимого ба- зисного решения задачи;

2)правило перехода к лучшему (по крайней мере, не худшему) реше- нию;

3)критерий проверки оптимальности найденного решения.

Для использования симплекс-метода ЗЛП должна быть приведена к кано- ническому (стандартному) виду, т.е. система ограничений ее модели (за исклю- чением тривиальных, или естественных ограничений) должна быть представле- на в виде уравнений (равенств). Переход к канонической ЗЛП (КЗЛП) выполня- ется следующим образом [20]:

− ограничения, представленные неравенствами, преобразуются в уравне-

ния за счет добавления фиктивных неотрицательных переменных xk (k = n, n + m), которые одновременно входят в целевую функцию

с коэффициентом 0, т.е. не оказывают влияния на ее значение;

−переменные, на которые не наложено условие неотрицательности, представляются в виде разности двух новых неотрицательных пере- менных, т.е. x j = x j - x j , (x j ³ 0, x j ³ 0) .

Ниже рассмотрен пример использования симплекс-метода для решения задачи производственного планирования как частного случая общей задачи ли- нейного программирования (ОЗЛП).

Пример решения задачи производственного планирования симплекс-методом

Решим симплекс-методом задачу, математическая модель которой пред- ставлена соотношениями (3.12)−(3.17). Прежде всего, преобразуем с помощью дополнительных переменных неравенства (3.13)−(3.15) в уравнения. В данном случае все дополнительные переменные (их число равно 3) вводятся со знаком «плюс», так как рассматриваемые неравенства представляют собой неравенства вида «меньше или равно».

Получим систему ограничений в виде:

ìx

+ x

2

+ x

= 5,

 

ï

1

 

 

3

 

 

 

í2x1 + x2

+ x4 = 9,

(3.18)

ïx

+ 2x

2

+ x

 

= 7.

 

î

1

 

 

5

 

 

56

Для нахождения первоначального базисного решения разобьем перемен-

ные на две группы − основные и не основные (вспомогательные). Для этого можно воспользоваться следующим простым правилом для определения основ-

ных переменных [20]: в качестве основных переменных на первом шаге следует выбрать (если это возможно) такие m переменных, каждая из которых вхо- дит только в одно из m уравнений системы ограничений, при этом нет таких уравнений, в которые не входит ни одна из этих переменных.

Введенные выше дополнительные переменные x3, x4 и x5 удовлетворя-

ют данному требованию. Кроме того, выбранные основные переменные имеют те же знаки, что и соответствующие им свободные члены в правых частях уравнений, т.е. полученное на первом шаге базисное решение будет допусти- мым.

I шаг. Основные переменные: x3, x4 , x5 .

Вспомогательные переменные: x1, x2 .

В системе уравнений (3.18) выразим основные переменные через вспомогательные, т.е. получим следующую систему уравнений:

ì

 

= 5 - x1 - x2 ,

 

 

ïx3

 

 

íx4 = 9

- 2x1 - x2 ,

(3.19)

ïx

= 7

- x - 2x

.

 

î

5

 

1

2

 

 

Приравняв вспомогательные переменные к нулю, т.е. положив x1 = 0 и x2 = 0, получим допустимое базисное решение X1 = (0;0;5;9;7) . Это реше-

ние соответствует совпадающей с началом системы координат O(0; 0) вершине A пятиугольника ABCDE, который представляет ОДР задачи (см. рисунок 6 выше).

Проверим, не является ли полученное допустимое базисное решение оп-

тимальным.

Для этого рассмотрим выражение

для

целевой функции

Z(

 

) = 3x1

+ 4x2 , которое для найденного решения

 

 

1

равняется значению

X

X

функции Z1

= Z(

 

1) = 0. Очевидно, что значение функции Z(

 

) можно уве-

X

X

личить путем увеличения любой из вспомогательных переменных, входящих в выражение для Z с положительным коэффициентом. Это можно осуществить, перейдя к новому допустимому базисному решению, в котором эта переменная будет основной, т.е. сможет принимать не нулевое, а положительное значение (если новое решение окажется вырожденным, то целевая функция сохранит свое значение). При таком переходе одна из основных переменных становится вспомогательной, что в геометрической трактовке означает переход к соседней вершине пятиугольника ABCDE, в которой значение целевой функции «лучше» (по крайней мере «не хуже»). В данном случае для увеличения значения Z

можно переводить в основные переменные либо x1, либо x2 , так как обе эти переменные входят в выражение для Z со знаком «плюс». Выберем перемен- ную x2 , так как ее коэффициент больший, чем у x1.

57

Система уравнений (3.13)−(3.15) накладывает ограничения на рост пере- менной x2 . Поскольку все переменные должны оставаться неотрицательными, выполняются следующие неравенства (при этом x1 = 0 как вспомогательная переменная):

ìx = 5 - x

 

³ 0,

ì

 

 

5,

 

 

ïx

 

£

 

ï 3

2

³ 0,

ï

2

£

9,

(3.20)

íx4 = 9 - x2

откуда íx2

ïx = 7 - 2x ³ 0,

ï

 

 

7

 

 

î 5

 

2

ïx2

£

 

 

 

= 3,5.

 

 

 

2

 

 

 

 

î

 

 

 

 

Очевидно, что сохранение условия неотрицательности всех переменных (допустимость решения) возможно, если не нарушается ни одна из границ, по- лученных для всех уравнений (3.20). В данном случае возможное наибольшее значение для переменной x2 определяется как x2 = min{5;9; 3,5} = 3,5. При

x2 = 3,5 основная переменная x5 обращается в нуль и переходит во вспомога-

тельные. Третье уравнение системы (3.19), где достигается наибольшее воз- можное значение переменной, переводимой в основные (т.е. где оценка мини- мальна), называется разрешающим (подчеркнуто).

II шаг. Основные переменные: x2 , x3, x4 . Вспомогательные переменные: x1, x5 .

Выразим новые основные переменные через новые вспомогательные пе-

ременные, начиная с разрешающего уравнения:

 

 

 

ìx

2

= (7 - x - x ) / 2,

 

 

 

ï

 

 

1 5

 

 

 

 

 

íx3 = 5 - x1 - (7 - x1 - x5 ) / 2,

(3.21)

ïx

4

= 9 - 2x - (7 - x - x ) / 2,

 

 

 

î

 

 

1

1 5

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ì

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ïx2 = 3,5 - 0,5x1 - 0,5x5 ,

 

 

 

íx3 =1,5 - 0,5x1 + 0,5x5 ,

(3.22)

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

4

= 5,5 -1,5x

+ 0,5x .

 

 

 

î

 

 

1

5

 

 

 

 

Второе базисное решение

 

 

2 = {0; 3,5;1,5; 5,5; 0} является допустимым

X

и соответствует вершине B(0; 3,5) на рисунке 6. Переход от решения

 

 

1 к ре-

X

шению X2 геометрически можно интерпретировать как переход от вершины

А(0; 0) к вершине B(0; 3,5) пятиугольника ABCDE.

Проверим, не является ли оптимальным полученное решение. Запишем целевую функцию, выраженную через вспомогательные переменные, исполь- зующиеся на данном шаге:

58

Z2

= Z(

 

2 ) = 3x1 + 4x2 = 3x1 + 4(3,5 − 0,5x1

− 0,5x5 ) =

X

 

= 3x1 +14 - 2x1 - 2x5 = x1 - 2x5 +14 =14.

(3.23)

 

 

Убедимся, что полученное решение лучше, чем предыдущее (т.е. значение Z увеличилось): Z1 = Z2 − Z1 =14 − 0 =14.

Вычисленное значение Z(X2 ) не является максимальным, поскольку в выражении для целевой функции (3.23) имеется переменная x1 с положитель- ным коэффициентом, равным 1. Система уравнений (3.22) накладывает ограни- чения на рост переменной x1. Обеспечивая выполнение условия неотрицатель- ности переменных, запишем следующие неравенства:

ìx

2

= 3,5 - 0,5x - 0,5x ³ 0,

 

ï

1

5

 

íx3 =1,5 - 0,5x1 + 0,5x5 ³ 0,

(3.24)

ïx

4

= 5,5 -1,5x

+ 0,5x ³ 0,

 

î

1

5

 

откуда, полагая x5 = 0, получим

 

 

ì

 

 

 

 

 

 

ïx

£ 7,

 

 

 

ï 1

 

 

 

 

(3.25)

íx1 £ 3,

 

ï

 

11

 

 

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£ 3 .

 

 

îx1

 

 

Полученная система неравенств (3.25) определяет наибольшее значение

для переменной x1: x1 = min{7; 3;11/ 3} = 3. При

x1 = 3 переменная x3 об-

ращается в нуль, поэтому ее предполагается перевести во вспомогательные пе- ременные. Второе уравнение системы (3.22) является разрешающим, перемен-

ная x3 переходит во вспомогательные переменные, x1− в основные. III шаг. Основные переменные: x1, x2 , x4 .

Вспомогательные переменные: x3, x5 .

Как и на шаге II, выразим новые основные переменные через новые вспомогательные переменные, начиная с разрешающего уравнения.

0,5x1 =1,5 − x3 + 0,5x5 ,

x1 = 3 − 2x3 + x5 .

(3.26)

Подставляем выражение для x1 в следующее уравнение:

 

x2 = 3,5 − 0,5x1 − 0,5x5 = 3,5 − 0,5(3 − 2x3 + x5 ) − 0,5x5 =

 

= 3,5 -1,5 + x3 - 0,5x5 - 0,5x5 = 2 + x3 - x5 ,

 

x2 = 2 + x3 − x5.

(3.27)

Подставляем выражение для x1 в следующее уравнение:

Таким образом, оптимальным решением задачи является

59

x4 = 5,5 −1,5x1 + 0,5x5 = 5,5 −1,5(3 − 2x3 + x5 ) + 0,5x5 = = 5,5 - 4,5 + 3x3 -1,5x5 + 0,5x5 =1+ 3x3 - x5 ,

 

 

 

 

 

 

 

x4 =1+ 3x3 − x5 .

 

(3.28)

В результате преобразований (3.26)−(3.28) получаем следующую систему

уравнений:

 

 

ìx

 

= 3 − 2x

+ x ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï 1

 

3

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

íx2 = 2 + x3 - x5,

 

(3.29)

 

 

 

 

 

 

 

ïx

4

=1+ 3x

- x .

 

 

 

 

 

 

 

î

 

3

5

 

 

Базисное решение

 

 

3 = (3; 2; 0;1; 0) соответствует вершине C(3; 2) пя-

X

тиугольника ABCDE, представляющего ОДР задачи (см. рисунок 6 выше). Вы-

ражаем целевую функцию через вспомогательные переменные:

 

Z3 = Z(

 

3 ) = 3x1 + 4x2

= 3(3 − 2x3 + x5 ) + 4(2 + x3

− x5 ) =

 

X

(3.30)

 

 

 

 

= 9 - 6x3 +

3x5 + 8 + 4x3 - 4x5 =17 - 2x3 - x5.

 

 

 

 

 

Полагая x3 = 0

и x5 = 0,

вычислим значение

целевой функции

Z3 = Z(

 

3 ) =17. Убедимся,

что полученное решение лучше, чем предыду-

X

щее: Z2 = Z3 − Z2 =17 −14 = 3, т.е. значение целевой функции возросло по

сравнению со значением, вычисленным на шаге II. Кроме того, третье допусти- мое базисное решение является оптимальным, так как коэффициенты вспомо- гательных переменных в выражении для целевой функции (3.30) являются от-

рицательными, т.е. рост значений x3 и x5 не приведет к увеличению значения

Z .

x1 = 3 и x2 = 2 ,

обеспечивающие оптимальное значение целевой функции Z(x1, x2 ) =17. С

учетом экономического смысла рассмотренной задачи можно сделать следую- щий вывод: для получения максимальной прибыли, равной 17 денежным еди-

ницам, предприятие должно выпускать и реализовать 3 единицы продукта P1 и 2 единицы продукта P2 . При этом дополнительные переменные x3, x4 и x5

показывают разницу между запасами сырья (ресурсов) каждого вида и их по- треблением, т.е. остатки ресурсов. При выполнении оптимального плана произ-

водства x3 = x5 = 0, т.е. сырье S1 и S3 расходуется полностью, а остаток сы-

рья S2 равен 1 единице.

В заключение сформулируем критерий оптимальности решения при оты- скании максимума линейной функции, а также определим возможные подходы к отысканию минимума линейной функции.

Если при отыскании максимума линейной функции в ее выражении, со- держащем вспомогательные переменные, отсутствуют положительные коэф- фициенты, полученное решение оптимально.

60

При поиске минимума линейной функции F можно использовать сле- дующие два пути [9]:

1)отыскать максимум функции Z , полагая Z = −F и учитывая, что

Fmin = −Zmax ;

2)модифицировать симплекс-метод: на каждом шаге уменьшать линей- ную функцию за счет той вспомогательной переменной, которая вхо- дит в выражение линейной функции с отрицательным коэффициен- том.

61

Глава 4. Транспортная задача

К ЗЛП транспортного типа (кратко транспортной задаче − ТЗ) приходят при рассмотрении различных практических ситуаций, связанных: с составлени- ем наиболее экономичного плана перевозок продукции, управления запасами, назначением персонала на рабочие места, оборотом наличного капитала и мно- гими другими.

Цель ТЗ в изначальном виде − поиск самых низкозатратных схем транс- портировки товарных запасов или поставок от многих поставщиков (пункты отправления) ко многим потребителям (пункты назначения). Поставщиками могут быть фабрики, склады, отделы или другие места, из которых отправля- ются товары. Потребителями также могут быть фабрики, склады, отделы или любые другие места, которые получают товары.

Информация, необходимая для использования модели ТЗ, включает сле- дующее [21]:

1.Список пунктов отправления (ПО) и пропускная способность каждого из них или количество поставок за определенный период.

2.Список пунктов назначения (ПН) и их показатели спроса за определен- ный период.

3.Стоимость транспортировки единицы товара из каждого пункта от- правления в каждый пункт назначения.

Эта информация представляется в виде так называемой транспортной таблицы (рисунок 8).

транспортировкиСтоимость единицыоднойтовара из отправленияпункта A

назначенияпунктB

в

 

1

 

 

1

 

ПН

B1

B2

B3

B4

B5

Запасы

 

 

ПО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1

2

3

4

2

4

140

A2

8

4

1

4

1

180

A3

9

7

3

7

2

160

Потреб-

60

70

120

130

100

480

ности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Потребность в товаре в пункте назначения B2

Рисунок 8 − Пример транспортной таблицы

пункте

 

Запас товара в

3

отравления A

 

 

Ниже рассмотрена общая постановка ТЗ и выполнено построение ее ма- тематической модели [16].

xij количество

62

Экономико-математическая модель ТЗ

Постановка задачи. Некоторый однородный товар (продукт, груз), нахо- дящийся у m поставщиков Ai в количестве ai единиц (i =1,2,...,m) необхо-

димо доставить n потребителям Bj в количестве bj единиц ( j = 1,2,...,n). Известна стоимость cij перевозки единицы товара от i -го поставщика к j -му

потребителю. Необходимо составить план перевозки, имеющий минимальную стоимость. Основное предположение, используемое при построении модели, состоит в том, что величина транспортных расходов на каждом маршруте пря- мо пропорциональна количеству единиц перевозимого товара.

Построение математической модели. Обозначим через

единиц товара, запланированных к перевозке от i -го поставщика к j -му по-

требителю. Тогда математическая модель ТЗ формулируется следующим обра- зом:

 

 

m

n

 

Z(

 

) = ååcij xij ® min

(4.1)

X

 

 

i=1 j=1

 

при ограничениях

 

 

n

 

 

åxij £ ai , (i =1,2,...,m);

(4.2)

j =1

 

 

m

 

 

åxij ³ bj

, ( j = 1,2,...,n) ;

(4.3)

i=1

 

 

xij ³ 0, (i =1,2,...,m; j = 1,2,...,n ).

(4.4)

Ограничения (4.2) означают, что суммарный объем перевозок от i -го по- ставщика не может превышать имеющегося у него запаса товара. Ограничения (4.3) означают, что суммарные перевозки товара j -му потребителю должны

полностью удовлетворить его потребности в товаре. Ограничения (4.4) исклю- чают обратные перевозки.

Из ограничений (4.2) и (4.3) следует, что

m

n

 

åai ³ åbj .

 

i=1

j=1

 

Если имеет место равенство

 

 

m

n

 

åai = åbj ,

(4.5)

i=1

j=1

 

то модель называется сбалансированной транспортной моделью. В сбаланси-

рованной модели ограничения (4.2)−(4.3) имеют вид равенств. В реальных ус-

63

ловиях запас товара не всегда равен спросу (потребности), но транспортную модель всегда можно сбалансировать.

 

 

 

m

n

В случае превышения запаса над спросом, т.е. если åai

> åbj , вво-

 

 

 

i=1

j=1

дится фиктивный (n +1)-й потребитель со спросом

 

 

 

m

n

 

 

bn+1 = åai − åbj ,

 

 

i=1

j=1

 

а соответствующие стоимости ci,n+1

(i =1,2,...,m) считаются равными нулю.

m

n

 

 

 

Аналогично, при åai < åbj

вводится фиктивный (m +1)-й поставщик

i=1

j=1

 

 

 

с запасом товара

 

n

m

 

 

 

 

 

am+1 = åbj − åai ,

 

а соответствующие стоимости cm+1, j

j=1

i=1

 

( j = 1,2,...,n) считаются равными нулю.

Таким образом, задача сводится к сбалансированной ТЗ, из оптимального плана которой получается оптимальный план исходной − несбалансированной

− ТЗ.

Примечание 1. Несбалансированную ТЗ называют также открытой ТЗ, тогда как сбалансированную ТЗ − закрытой ТЗ.

Примечание 2. Стремление сбалансировать ТЗ обусловлено возможно- стью применить в этом случае эффективный вычислительный метод.

Ниже приведен пример сбалансированной ТЗ и дано ее решение с под- робными пояснениями [16].

Задача №11. На трех базах (пунктах отправления) A1, A2 , A3 находится однородный груз в количествах, соответственно равных 140, 180 и 160 единиц. Этот груз требуется перевести в пять пунктов назначения B1, B2 , B3, B4 , B5 со-

ответственно в количествах 60, 70, 120, 130 и 100 единиц. Стоимости перевозки единицы груза из каждого пункта отправления в соответствующие пункты на- значения указаны в таблице 4.1.