дискретка / Лекция 17
.docЛекция 17.
п.16. Линейное программирование.
16.3. Геометрическая интерпретация ЗЛП.
Геометрическая интерпретация оптимизационных задач дает возможность нагляд-но представлять их структуру, выявить особенности и открывает пути исследования более сложных свойств. Задача линейного программирования всегда можно решить графически. Однако уже в трехмерном пространстве такое решение усложняется, а в пространствах, размерность которого больше трех, графическое решение, вообще говоря, невозможно.
Случай двух переменных не имеет особого практического значения, однако его рассмотрение проясняет свойства ОЗЛП, приводит к идее решения, делает геометрически наглядными способы решения и пути их практической реализации.
Пусть дана задача: найти план задачи, если
(16.3.1.)
(16.3.2.)
(16.3.3.)
Дадим геометрическую интерпретацию элементов этой задачи. Каждое из ограни-чений (16.3.2.) и (16.3.3.) задает на плоскости некоторую полуплоскость. Полуплос-кость – выпуклое множество. Пересечение любого числа выпуклых множеств является выпуклым множеством. Отсюда следует, что область допустимых решений задачи (16.3.1.) (16.3.3.) есть выпуклое множество.
На рисунке представлены возможные случаи области допустимых решений задачи линейного программирования.
Перейдем к геометрической интерпретации целевой функции. Пусть область допустимых решений ЗЛП – непустое множество, например, многоугольник .
Выберем произвольное значение целевой функции . Получаем . Это уравнение прямой линии. В точках прямой MN целевая функция сохраняет одно и то же постоянное значение . Считая в равенстве (16.3.1.) Z пара-метром, получим уравнение семейства параллельных прямых, называемых линиями уровня целевой функции (линиями постоянного значения).
Возникает вопрос: как установить направление возрастания (убывания) целевой функции?
Найдем частные производные целевой функции по и :
(16.3.4.)
(16.3.5.)
Частная производная (16.3.4.) (16.3.5.) функции показывает скорость ее возрас-тания вдоль данной оси. Следовательно, и – скорости возрастания Z соответственно вдоль осей и . Вектор называется градиентом функции. Он показывает направление наискорейшего возрастания целевой функции:
.
Вектор () указывает направление наискорейшего убывания целевой функции. Его называют антиградиентом.
Вектор перпендикулярен к прямой семейства .
Графический метод решения ЗЛП.
Из геометрической интерпретации элементов задачи линейного программирования следует порядок ее графического решения.
1. С учетом системы ограничений строим область допустимых решений .
2. Строим вектор наискорейшего возрастания целевой функции – век-тор градиентного направления.
3. Проводим произвольную линию уровня (проще всего провести , перпендикулярную к вектору ).
4. При решении задачи на максимум перемещаем линию уровня в направ-лении вектора так, чтобы она касалась области допустимых решений в ее крайнем поло-жении (крайней точке). На рисунке выше – это точка . В случае решения задачи на минимум линию уровня перемещаем в антиградиентном направлении. На рисунке выше – это точка .
5. Определяем оптимальный план и экстремальное значение целевой функции .
В результате решения задачи линейного программирования возможны следующие случаи оптимального плана, которые представлены на рисунке.
(а) оптимальный план единственный: линия уровня и область допустимых решений в разрешающем положении имеют одну общую точку;
(б) оптимальных планов бесчисленное множество: в разрешающем положении линия уровня проходит через сторону области допустимых решений;
(в), (г) целевая функция не ограничена: линия уровня, сколько бы ее не перемещали, не может занять разрешающего положения; только в случае (в) возможно решение задачи на минимизацию целевой функции;
(д) область допустимых решений состоит из единственной точки, где целевая функция достигает одновременно и максимального, и минимального значений;
(е) задача не имеет решения: область допустимых решений – пустое множество, т.е. система ограничений задачи несовместна.
Пример 6.5. Решить ЗЛП
, .
Решение. Для построения области допустимых решений строим в системе соответствующие данным ограничениям-неравенствам граничные прямые:
.
Находим полуплоскости, в которых выполняются данные неравенства. Для этого вследствие выпуклости любой полуплоскости достаточно взять произвольную точку, через которую не проходит соответствующая граничная прямая, и проверить, удовлетворяет ли эта пробная точка ограничению-неравенству. Если удовлетворяет, то данное неравенство выполняется в полуплоскости, содержащей пробную точку. В противном случае берется полуплоскость, не содержащая пробной точки. В качестве пробной точки часто удобно брать начало координат . Для нашего примера область допустимых решений – множество точек четырехугольника ABCD.
Координаты точки C можно найти из системы
,
откуда . Таким образом, .
Пример 6.6. При производстве продукции П1 и П2 используют четыре группы оборудования A, B, C и D. На выпуск единицы продукции П1 расходуется 1; 0,5; 2 и 0 ед. времени оборудования A, B, C и D соответственно, а на выпуск продукции П2 – 1; 1; 0 и 2 ед. времени оборудования. Фонд рабочего времени оборудования группы A – 18 ед. времени; B – 12 ед.; C – 24 ед. и D – 18 ед. Предприятие реализует единицу продукции П1 по цене 40 ден. ед., П2 – 60 ден. ед. Найти план выпуска продукции, при котором выручка предприятия будет максимальной.
Решение. 1) Запишем условие задачи в виде таблицы.
Вид оборудования |
Продукция |
Фонд рабочего времени, ед. |
|
П1 |
П2 |
||
A B С D |
1 0,5 2 0 |
1 1 0 2 |
18 12 24 18 |
Цена единицы продукции, ден. ед. |
40 |
60 |
|
Пусть - объем выпускаемой продукции вида П1, - объем выпуска продукции П2, т.е. - план выпуска продукции предприятием. Прибыль, которую получает предприятие от реализации продукции, стремиться максимизировать, т.е. целевая функ-ция имеет вид
.
На производство двух видов продукции будет затрачено единиц времени оборудования группы A; оборудования B; оборудования С; обору-дования D. При этом, учитывая фонд рабочего времени каждого вида оборудования, получаем системы ограничений:
.
По смыслу задачи все переменный .
Таким образом, получаем экономико-математическую модель, которая является задачей линейного программирования. Итак,
;
;
.
2) Так как план выпуска продукции содержит две переменные, то ЗЛП можно решить графическим способом.
Для построения области допустимых решений строим в системе соответст-вующие данным ограничениям-неравенствам граничные прямые:
.
Область допустимых решений – множество точек многоугольника OABCD.
Строим вектор и линию уровня Z=0. Параллельным перемещением прямой Z=0 находим крайнюю точку C, в которой целевая функция достигает максимум. Координаты точки C определяются системой
,
откуда .
Следовательно, (ден. ед.).
Графическим методом можно решить ЗЛП с переменными, если в ее канонической записи число неизвестных n и число линейно независимых уравнений m связаны соотношением . В этом случае каноническую форму задачи преобразовывают в симметричную, которая будет содержать не более двух переменных. Решая эту задачу графически, находят два компонента оптимального плана. Подставляя их в ограничения задачи, определяют и остальные компоненты.