Лекции_1 / Лекция 1 Основные поняти курса ИО. Общая постановка задачи ЛП

Лекция 1. Основные понятия и направления курса «Исследование операций». Общая постановка задачи ЛП. Экономико-математическая модель.

Введение

Исследование операций – научная дисциплина, занимающая­ся разработкой и практическим применением методов наибо­лее эффективного управления различными организационными системами.

Исследование операций включает в себя следующие разделы:

1) математическое программирование (обоснование планов, программ хозяйст­венной деятельности); оно включает в себя относительно самостоятельные разделы: линейное программирование, нелинейное программирование, динамическое программирование (во всех этих названиях термин «программирование» возник историче­ски и не имеет отношения к программированию ЭВМ);

2) теорию массового обслуживания, опирающуюся на теорию случайных процессов;

3) теорию игр, позволяющую обосновывать решения, принимаемые в условиях неполноты информации.

При решении конкретной задачи управления применение ме­тодов исследования операций предполагает:

• построение экономических и математических моделей для задач принятия решения в сложных ситуациях или в условиях неопределенности;

• изучение взаимосвязей, определяющих впоследствии при­нятие решений, и установление критериев эффективности, позволяющих оценивать преимущество того или иного вариан­та действия.

Основные понятия и определения исследова­ния операций.

Операция – любое управляемое мероприятие, направленное на достижение цели. Результат операции зависит от способа ее проведения, организации, иначе – от выбора некоторых пара­метров. Операция есть всегда управляемое мероприя­тие, т. е. от нас зависит, каким способом выбрать не­которые параметры, характеризующие ее организацию. «Организация» здесь понимается в широком смысле слова, включая набор технических средств, применяе­мых в операции.

Всякий определенный выбор параметров называется решением. Решения могут быть удачными и неудачными, разумными и неразум­ными. Оптимальными считают те решения, которые по тем или иным соображениям предпочтительнее других. Основной задачей исследования операций является предварительное количественное обоснование оптимальных решений.

При построении модели операция, как пра­вило, упрощается, схематизируется и схема операции описывается с помощью того или иного математического аппарата. Модель операции – это достаточно точное описание операции с помощью математического аппарата (различного рода функций, уравнений, систем уравнений и неравенств и т.п.). Составление модели опе­рации требует понимания сущности описываемого явления и зна­ния математического аппарата.

Эффективность операции – степень ее приспособленности к выполнению задачи – количественно выражается в виде кри­терия эффективности – целевой функции. Выбор критерия эффективности опре­деляет практическую ценность исследования. (Неправильно выбранный критерий может принести вред, ибо операции, ор­ганизованные под углом зрения такого критерия эффективно­сти, приводят порой к неоправданным затратам.)

По своей содержательной постановке множество других, ти­пичных задач исследования операций может быть разбито на ряд классов.

Задачи сетевого планирования и управления рассматривают соот­ношения между сроками окончания крупного комплекса опера­ций (работ) и моментами начала всех операций комплекса. Эти задачи состоят в нахождении минимальных продолжительностей комплекса операций, оптимального соотношения величин стои­мости и сроков их выполнения.

Задачи массового обслуживания посвящены изучению и анализу систем обслуживания с очередями заявок или требований и со­стоят в определении показателей эффективности работы систем, их оптимальных характеристик, например, в определении числа каналов обслуживания, времени обслуживания и т.п.

Задачи управления запасами состоят в отыскании оптимальных значений уровня запасов (точки заказа) и размера заказа. Особен­ность таких задач заключается в том, что с увеличением уровня запасов, с одной стороны, увеличиваются затраты на их хранение, но с другой стороны, уменьшаются потери вследствие возможного дефицита запасаемого продукта.

Задачи распределения ресурсов возникают при определенном на­боре операций (работ), которые необходимо выполнять при огра­ниченных наличных ресурсах, и требуется найти оптимальные распределения ресурсов между операциями или состав операций.

Задачи ремонта и замены оборудования актуальны в связи с из­носом и старением оборудования и необходимостью его замены с течением времени. Задачи сводятся к определению оптимальных сроков, числа профилактических ремонтов и проверок, а также моментов замены оборудования модернизированным.

Задачи составления расписания (календарного планирования) со­стоят в определении оптимальной очередности выполнения опе­раций (например, обработки деталей) на различных видах обо­рудования.

Задачи планировки и размещения состоят в определении оп­тимального числа и места размещения новых объектов с уче­том их взаимодействия с существующими объектами и между собой.

Задачи выбора маршрута, или сетевые задачи, чаще всего встречаются при исследовании разнообразных задач на транспор­те и в системе связи и состоят в определении наиболее эконо­мичных маршрутов.

Среди моделей исследования операций особо выделяются мо­дели принятия оптимальных решений в конфликтных ситуациях, изучаемые теорией игр. К конфликтным ситуациям, в которых сталкиваются интересы двух (или более) сторон, преследующих разные цели, можно отнести ряд ситуаций в области экономики, права, военного дела и т. п. В задачах теории игр необходимо выработать рекомендации по разумному поведению участников конфликта, определить их оптимальные стратегии.

Линейное программирование.

§ 1 Общая постановка задачи линейного программирования

1. Экономико–математическая модель

Линейное программирование–область математики, раз­рабатывающая теорию и численные методы решения задач нахождения экстремума (максимума или минимума) линейной функции многих переменных при наличии линейных ограниче­ний, т. е. равенств или неравенств, связывающих эти переменные.

Методы линейного программирования применяют к прак­тическим задачам, в которых: 1) необходимо выбрать наилучшее решение (оптимальный план) из множества возможных; 2) решение можно выразить как набор значений некоторых переменных величии; а) ограничения, накладываемые на до­пустимые решения специфическими условиями задачи, форму­лируются в виде линейных уравнений или неравенств; 4) цель выражается в форме линейной функции основных переменных. Значения целевой функции, позволяя сопоставлять различные решения, служат критерием качества решения.

Для практического решения экономической задачи мате­матическими методами прежде всего ее следует записать с по­мощью экономико-математическую модель. Экономико-математическая модель – математическое описание исследуемого экономического процесса или объекта. Эта модель выра­жает закономерности экономического процесса в абстрактном виде с помощью математических соотношений.

Общая схема формирования модели: I

1) выбор некоторого числа переменных величин, заданием - числовых значений которых однозначно определяется одно из возможных состояний исследуемого явления;

2) выражение взаимосвязей, присущих исследуемому явле­нию, в виде математических соотношений (уравнения, нера­венств). Эти соотношения образуют систему ограничений задачи;

3) количественное выражение выбранного критерия опти­мальности в форме целевой функция; I

4) математическая формулировка задачи, как задачи отыс­кания экстремума целевой функции при условии выполнения ограничений, накладываемых на переменные.

2. Общая задача линейного программирования.

Общая задача линейного про­граммирования имеет вид:

Дана система т линейных уравнений и неравенств с п перемен­ными

и линейная функция

где

при котором линейная функция F принимает оптимальное (т.е. максимальное или минимальное) значение.

Система (1) называется системой ограничений, а функция – линейной функцией, линейной формой, целевой функцией или функцией цели.

Более кратко общую задачу линейного программирования можно представить в виде:

при ограничениях:

Оптимальным решением (или оптимальным планом) задачи ли­нейного программирования называется решение системы ограничений (1), удовлетворяющее условию (3), при котором линейная функция (2) принимает опти­мальное (максимальное или минимальное) значение.

При условии, что все переменные неотрицательны, система ограничений (1) состоит лишь из одних неравенств, – такая задача линейного программирования называется стандарт­ной (симметричной); если система ограничений состоит из одних уравнений, то зада­ча называется канонической.

Частным случаем канонической задачи является задача в базисной форме, отличающаяся тем, что все коэффициенты вектора ограничений неотрицательны , и в каждом уравнении имеется переменная с коэффициентом 1, которая не входит ни в одно из остальных уравнений. Переменная с таким свойством называется базисной.

Стандартная и каноническая задачи являются частными случаями общей. Каждая из них используется в своей определенной области. При этом все три формулировки эквивалентны между собой: любая задача линейного программирования может быть сведе­на к канонической, стандартной или общей задаче с помощью несложных математических преобразований.