Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Полшков Ю.Н. Курс лекций по ОММ.doc
Скачиваний:
25
Добавлен:
29.04.2019
Размер:
5 Мб
Скачать
☆

Лекция 7. Экономико-математический анализ решения задач линейного программирования

План

1. Интервалы устойчивости ресурсов.

2. Интервалы устойчивости цен на продукцию.

1

3. Анализ целесообразности производства.

1. Двойственные оценки являются показателем влияния ограничений на значение целевой функции.

Поэтому представляет практический интерес вычислить предельные зна-

чения правых частей системы ограничений bi

(нижней и верхней границы запа-

JG*

сов ресурсов), при которых оптимальный план X

останется неизменным.

Пример 1. Для исходной задачи ЛП из примера табл. 1 найти интервалы устойчивости ресурсов.

Табл. 1. Симметричная пара для примера о строительных смесях

Исходная задача

Двойственная задача

Z = 4x1 + 5x2 → max;

⎧0, 25x1 + 0, 6x2 ≤ 15,

⎪

⎨0, 25x1 + 0, 2x2 ≤ 7,

⎪0, 5x1 + 0, 2x2 ≤ 12;

x1 ≥ 0, x2 ≥ 0.

F = 15 y1 + 7 y2 + 12 y3 → min;

⎧0, 25 y1 + 0, 25 y2 + 0, 5 y3 ≥ 4,

⎨

⎩0, 6 y1 + 0, 2 y2 + 0, 2 y3 ≥ 5;

y ≥ 0, y ≥ 0, y ≥ 0.

JJG*

X = (12; 20) ,

Zmax = 148 .

JG*

Y = (4, 5;11, 5; 0) ,

Fmin = 148 .

y

y

y

2

3

⎩ 1 2 3

Решение. Оптимальное решение двойственной задачи имеет вид:

y

y

1

2

3

* = 4, 5 ;

* = 11, 5 ;

* = 0 . Т.к.

* > 0 ,

* > 0 и

* = 0 , то согласно второй

теореме двойственности первые два ограничения исходной задачи при подста-

y

JJG*

новке оптимального решения

X = (12; 20)

обратятся в равенства, а третье ог-

раничение останется неравенством.

Имеем систему:

⎧0, 25x1 + 0, 6 x2 = 15;

⎪

⎩

⎨0, 25x1 + 0, 2x2 = 7;

⎪0, 5x1 + 0, 2x2 ≤ 12.

Правая часть первого ограничения исходной задачи (число 15) – это величина

запаса первого ресурса. Заменим число 15 на неизвестный параметр b1 :

⎧0, 25x1 + 0, 6x2 = b1;

⎪

⎩ 1 2

⎨0, 25x1 + 0, 2x2 = 7;

⎪0, 5x + 0, 2x ≤ 12.

Из первых двух равенств выразим неизвестные

ченные выражения в третье неравенство системы:

⎧

⎪ x1 = −2b1 + 42;

⎪

x1 ,

x2 и подставим полу-

⎪ x = 5 b

− 35 ;

2

⎨ 2 1

⎪ 2

⎪− 1 b

+ 35 ≤ 12.

2 1 2

Для первых двух равенств учтём тот факт, что

приобретёт вид:

x1 ≥ 0 и

x2 ≥ 0 . Система

⎧

⎪−2b1 + 42 ≥ 0;

⎪

⎪ 5 b

− 35 ≥ 0;

2

2

⎨ 1

⎪

⎪− 1 b

+ 35 ≤ 12.

Решим её относительно b1 :

2 1 2

⎧b1 ≤ 21;

⎪

⎩ 1

⎨b1 ≥ 7;

⎪b ≥ 11.

Интервал устойчивости 1-го ресурса b1 ∈[11; 21] ,

Аналогичными действиями определим интервал устойчивости величины

запаса b2

2-го ресурса:

⎧0, 25x1 + 0, 6 x2 = 15;

⎪

⎩ 1 2

⎨0, 25x1 + 0, 2x2 = b2 ;

⎪0, 5x + 0, 2x ≤ 12.

Указание. Студентам выполнить самостоятельно и получить b2 ∈[5; 7,8] .

Краткое решение:

⎧

⎪ x1 = 6b2 − 30;

⎪

⎧

⎪6b2 − 30 ≥ 0;

⎪

⎧b2 ≥ 5;

⎪ x 5 b

75 ;

⎪ 5 75 ⎪

=− +

⎨− b

+ ≥ 0;

b ≤ 15;

b ∈[5; 7,8] .

⎨ 2 2 2 2

2 2 2

⎨ 2 2

⎪ ⎪ ⎪b

≤ 7,8.

⎪ 5 b

− 15 ≤ 12.

⎪ 5 b

− 15 ≤ 12. ⎩ 2

2 2 2

2 2 2

Определим интервал устойчивости для 3-го ресурса. Для этого правую часть третьего ограничения (число 12) заменим на неизвестный параметр b3 :

⎧0, 25x1 + 0, 6 x2 = 15;

⎪

⎩ 1 2 3

⎨0, 25x1 + 0, 2x2 = 7;

⎪0, 5x + 0, 2x ≤ b .

Найдём из первых двух уравнений неизвестные

неравенство системы. Получим:

x1 ,

x2 и подставим их в третье

⎧ x1 = 12;

⎪

⎩ 3

⎨ x2 = 20;

⎪10 ≤ b .

Интервал устойчивости 3-го ресурса: b3 ∈[10; +∞) .

Заметим, что вычисленные значения неизвестных

JG*

x1 ,

x2 совпадают с оп-

тимальным решением исходной задачи ЛП

X = (12; 20) . Поэтому можно было

сразу подставить значения решить его.

x1 = 12 и

x2 = 20

в последнее неравенство, а затем

Ответ: Интервал устойчивости 1-го ресурса:

b1 ∈[11; 21] . Интервал устой-

чивости 2-го ресурса:

b3 ∈[10; +∞) .

b2 ∈[5; 7,8] . Интервал устойчивости 3-го ресурса:

2. Благодаря теории двойственности можно проводить и другие виды анализа.

Интервалом устойчивости цены за единицу j -й продукции ( j = 1, n )

; c

c j j

называется отрезок

[ min

max ]

со следующими свойствами. Если цена

c ∈[c

min ; c

max ], а цены на остальные виды продукции зафиксированы, то оп-

j j j

тимальный план выпуска продукции

JG*

X

останется неизменным.

Пример 2. Для исходной задачи ЛП из табл. 1 найти интервалы устойчи-

вости цен на продукцию.

Решение. Оптимальное решение исходной задачи содержит положитель-

1

ные числа:

x * = 12 ;

x * = 20 . Согласно второй теореме двойственности, два ог-

раничения двойственной задачи

2

0, 25 y1 + 0, 25 y2 + 0, 5 y3 ≥ 4 ,

0, 6 y1 + 0, 2 y2 + 0, 2 y3 ≥ 5

должны обратиться в точные равенства.

3

Кроме того,

y * = 0 . Поэтому получим систему:

⎧0, 25 y1 + 0, 25 y2 + 0, 5 y3 = 4;

⎨

⎧0, 25 y1 + 0, 25 y2 = 4;

⎪

⎨0, 6 y1 + 0, 2 y2 = 5;

⎩0, 6 y1 + 0, 2 y2 + 0, 2 y3 = 5.

⎪ y = 0.

⎩ 3

Правая часть первого ограничения двойственной задачи (число 4) – это

цена единицы первой продукции. Заменим число 4 на неизвестный параметр

⎧0, 25 y1 + 0, 25 y2 = c1 ;

⎨

⎩0, 6 y1 + 0, 2 y2 = 5.

c1 :

Для определения интервала устойчивости находим из системы неизвест-

ные

y1 и

y2 :

⎧ y = 25 − 4c1 ;

⎪ 1 2

⎨

y

⎪

⎩⎪ 2

= 12c1 − 25 .

2

Т.к.

y1 ≥ 0 и

y2 ≥ 0 , то имеем систему неравенств, которую решаем относи-

тельно

c1 :

⎧ 25 − 4c1 ≥ 0;

⎪ 2

⎨

Получено решение:

⎪12c1 − 25 ≥ 0.

⎪⎩ 2

⎧c1 ≤ 6, 25;

⎪

⎪

⎨c ≥ 2 1 .

⎩ 1 12

Т.о. интервал устойчивости цены c1

⎡2 1 ; 6, 25⎤ .

на первую продукцию составляет:

12 ⎥⎦

Указание. Студентам самостоятельно определить интервал устойчивости

цены c2

на вторую продукцию и получить [3, 2;9, 6] .

Краткое решение:

⎧ y = 5c2 − 16 ;

⎧ 5c2 − 16 ≥ 0;

⎧0, 25 y1 + 0, 25 y2 = 4; ⎪ 1 2 ⎪ 2

⎨ ⎨ ⎨

⎧c2 ≤ 9, 6;

⎨

y

⎩0, 6 y1 + 0, 2 y2 = c2 .

Пример 2 выполнен.

⎪

⎩⎪ 2

= 48 − 5c2 .

2

⎪ 48 − 5c2

⎪⎩ 2

≥ 0.

⎩c2 ≥ 3, 2.

3. Двойственные оценки являются показателем целесообразности производ-

ства новых видов продукции.

Допустим, имеется возможность начать выпуск продукции

Pn+1 . Нормы

расхода ресурсов на производство одной единицы продукции составляют соот-

ветственно

a1,n+1 ;

a2,n+1 ;…;

am,n+1 . Цена единицы продукции

cn+1 .

Целесообразность производства определяется прибылью от одной едини-

цы продукции:

n+1

n+1

m

∑ i ,n+1 i

∆ = c

− a

i=1

⋅ y * .

Если

∆n+1 > 0 , то производство прибыльное,

∆n+1 = 0

– безубыточное,

∆n+1 < 0

– убыточное.

Пример 3. Пусть для исходной задачи ЛП из табл. 1 известно, что имеет-

ся возможность начать выпуск продукции

P3 . Нормы расхода ресурсов на про-

изводство одной единицы продукции составляют соответственно

a13 = 0, 3 ;

a23 = 0, 3 ;

a33 = 0, 4 . Цена единицы продукции

c3 = 4, 7

тыс. грн.

P3 .

Требуется сделать выводы о целесообразности производства продукции

Решение. Целесообразность производства определяется размером при-

были от одной единицы продукции:

*

3

∆3 = c3

− ∑

i=1

ai3

⋅ yi = 4, 7 − (0, 3 ⋅ 4, 5 + 0, 3 ⋅11, 5 + 0, 4 ⋅ 0) = 4, 7 − 4,8 = −0,1 (тыс. грн).

Т.к.

∆3 < 0 , то производство убыточное. Производить продукцию

P3 не

целесообразно. Пример 3 выполнен.

Двойственные оценки также используют как инструмент сопоставления условных затрат и результатов.

При изменении количества ресурсов в пределах интервалов устойчивости отдельное влияние i -го ресурса на величину дохода от реализации определяет-

ся, как

(∆Z

) = ∆b

⋅ y * . Если

(∆Z

) > 0 , то доход увеличится на

(∆Z )

max

i i i

max i

max i

денежных единиц, в противном случае – уменьшится.

Суммарное влияние изменений количества всех ресурсов вычисляется

так:

JG JG*

∆Zmax = ∆ B ⋅ Y

m

= ∑ (∆Zmax )i .

i=1

Рассмотрим возможность дополнительной закупки i -го ресурса в объёме

+ +

∆bi

по цене

pi за единицу ресурса. Затраты на приобретение составят

∆bi

⋅ pi .

i i

Приращение дохода составит

∆b + ⋅ y * .

Если приращение дохода превысит затраты на приобретение, т.е.

i i i i

∆b + ⋅ y * − ∆b + ⋅ p

> 0 , то закупка целесообразна. В противном случае – нет.

По-другому,

∆b + ⋅ y * − ∆b + ⋅ p

= ∆b + ( y * − p ) .

i i i i i i i

i i

Знак данного выражения зависит от знака разности

( y * − p ) . Следовательно,

y

i

если теневая цена

* превышает цену

pi , то закупка целесообразна.

Лекция 8. МЕТОД ИСКУССТВЕННОГО БАЗИСА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЛИНЕЙНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ

1. Метод искусственного базиса.

План

2. Пример решения задачи ЛП методом искусственного базиса.

1. При решении задач ЛП симплекс-методом предполагалось, что среди векто-

ров

A1,

A2 ,...,

A j ,..., An

имеется m единичных векторов. Т.е. в каждом уравне-

нии есть базисная переменная, которая входит лишь в одно уравнение с коэф-

фициентом 1, а в остальные – с коэффициентом 0.

Рассмотрим исходную задачу в каноническом виде:

Z = c1x1 + c2 x2 + ⋅⋅⋅ + cn xn → min;

⎧a11 x1 + a12 x2 + ⋅⋅⋅ + a1n xn = b1 ,

⎨

⎩ m1 1 m 2 2 mn n m

⎪.................................................,

⎪a x + a x + ⋅ ⋅ ⋅ + a x = b ,

(1)

x j ≥ 0 (j = 1,n).

Составляем расширенную задачу формальным добавлением новых базис-

ных (искусственных) переменных в уравнения, в которых их нет. В целевую функцию дописываем их с большим положительным числом M . Получим

расширенную задачу:

Z ′ = c1x1

+ c2 x2 + ⋅⋅⋅ + cn xn + Мxn+1 + Мxn+2 + ⋅⋅⋅ + Мxn+m → min;

⎧a11 x1 + a12 x2 + ⋅ ⋅ ⋅ + a1n xn +

xn+1

= b1 ,

⎨

⎪...................................................................................................,

(2)

⎩ m1 1 m 2 2 mn n

⎪a x + a x + ⋅⋅⋅ + a x

+ xn+m = bm ,

x j ≥ 0 (j = 1,n + m), bi ≥ 0 (i = 1,m).

Такой подход называют методом искусственного базиса. Ясно, что ис-

кусственные переменные должны равняться нулю. Если среди них имеются не равные нулю, то исходная задача (1) несовместная. Или, по-другому, целевая

функция расширенной задачи (2) будет неограниченно расти с ростом M и не сможет достичь минимума. Если в оптимальном плане расширенной задачи ис- кусственные переменные равны нулю, то остальные переменные дают решение

исходной задачи, если же есть не равные нулю, то исходная задача несовмест- ная. Если же на некотором этапе, после выведения искусственных переменных из базиса, возникнет столбец с неположительными членами и положительной

оценкой для данного столбца, то

Z → −∞ . Если в оптимальном плане есть сво-

бодный вектор с нулевой оценкой, то оптимальный план не единственный.

2. Рассмотрим решение конкретной задачи ЛП с помощью метода искусствен-

ного базиса.

Пример 2. Решить задачу ЛП:

Z = x1 + 2 x2 + 2x3 → max;

⎧− x1 + 2 x2 − x3 ≤ -1,

⎪

⎨ x1 + 2 x2

≤ 1,

⎩

⎪ x1 + 2 x2 + x3

= 3,

x j ≥ 0 (j = 1,3).

Решение. Переходим к канонической форме. Для этого делаем замену

Z′ = −Z . В первое и второе ограничения дописываем балансовые переменные

x4 ,

x5 и первое ограничение умножаем на (–1):

Z ′ = − x1 − 2x2 − 2x3 + 0x4 + 0x5 → min;

⎧ x1 − 2 x2 + x3

⎪

⎨ x1 + 2 x2

- x4

+ x5

= 1,

= 1,

⎩ 1 2

⎪ x + 2x

+ x3

= 3,

x j ≥ 0 (j = 1,5).

В первое и третье уравнение прибавляем, соответственно, искусственные

переменные

x6 ,

x7 с коэффициентом равным единице. В целевую функцию их

дописываем с коэффициентом M . Получили расширенную задачу:

Z ′′ = − x1 − 2x2 − 2x3 + 0x4 + 0x5 + Мx6 + Mx7 → min;

⎧ x1 − 2 x2 + x3 - x4 +

⎪

[x6 ]

= 1,

⎩ 1 2 3

⎨ x1 + 2x2 +

⎪ x + 2 x + x +

[x5 ]

= 1,

[x7 ] = 3,

x j ≥ 0 (j = 1,7).

Задачу решаем симплекс-методом (табл. 1).

Табл. 1. Первая симплекс-таблица с комментариями

Б1

С Б

1

В1

À1

À2

À3

À4

À5

À6

À7

-1

-2

-2

0

0

М

М

À6

М

1

1

-2

[1]

-1

0

1

0

À5

À7

0

М

1

3

1

1

2

2

0

1

0

0

1

0

0

0

0

1

z j − c j

0

4

1

2

2

0

2

2

0

-1

0

0

0

0

0

0

↓

θ

← 1/1 -1 -2

⎯

3/1

Имеем начальный опорный план

X Б1 = (0,0,0,0,1,1,3)

при

Z′′( X Б1 ) = −1⋅ 0 − 2⋅ 0 − 2⋅ 0 + 0⋅ 0 + 0⋅1+ М ⋅1+ М ⋅ 3 = 0 + 4М = 4М .

⎛ a ⎞

Числа в индексной строке имеют вид a + bM

и их записывают в виде

b

⎜ ⎟ . Поэтому индексную строку записывают в двух уровнях. В (m + 1) -ю стро-

⎝ ⎠

ку вносят a, а в (m + 2) -ю строку записывают b . Знак числа a + bM

⎛ 25 ⎞

совпадает

⎛ 0 ⎞

со знаком числа b , если

b ≠ 0 . Например,

25 − 6M

= ⎜ ⎟ < 0 ,

⎝ −6 ⎠

⎜ ⎟ > 0 ,

⎝1 ⎠

⎛ −6 ⎞

⎛ 0 ⎞

−6 + M

= ⎜ ⎟ > 0 , ⎜ −1⎟ < 0 .

⎝ 1 ⎠ ⎝ ⎠

Сначала направляющий столбец выбирают по нижней строке, а после превращения искусственных переменных в свободные оптимизация произво- дится по верхней индексной строке.

Покажем, как находится индексная строка:

Z ′′

( X ) = 1 ⋅ М + 1 ⋅ 0 + 3 ⋅ М = 0 + 4М = ⎛ 0 ⎞ ,

⎝ ⎠

4

Б1 ⎜ ⎟

2

⎛1 ⎞

z1 − c1 = 1 ⋅ M + 1 ⋅ 0 + 1 ⋅ M + 1 = 1 + 2M = ⎜ ⎟ ,

⎝ ⎠

z2 − c2 = −2 ⋅ M + 2 ⋅ 0 + 2 ⋅ M + 2 = 2 + 0 ⋅ M

⎛ 2 ⎞

0

= ⎜ ⎟ ,

⎝ ⎠

2

⎛ 2 ⎞

z3 − c3 = 1⋅ M + 0 ⋅ 0 + 1⋅ M + 2 = 2 + 2M

= ⎜ ⎟ .

⎝ ⎠

Первый план не оптимален. В нижней индексной строке наибольшую

оценку имеют

À1 и

À3 , Выбираем

À3 , т.к.

⎛ 2 ⎞ ⎛ 1 ⎞

⎜ ⎟ > ⎜ ⎟ .

⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠

Этот вектор вводим в базис.

⎨ ⎬

Вычисляем симплексное отношение:

θ03

= min ⎧1 ,=3 ⎫ = 1.

⎩1 1 ⎭

Выводим из базиса вектор

À6 . Составляем табл. 2.

Табл. 2 не содержит комментариев, позволяющих перейти к табл. 3. Под-

разумевается, что направляющая третья строка умножится на 1

2

и будет при-

бавлена к первой строке, на

⎛ − =1 ⎞

и прибавлена ко второй, на

⎛ − =3 ⎞

и прибав-

⎜ 2 ⎟

⎜ 2 ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

лена к четвёртой, на ( −1)

и прибавлена к пятой. В конце сама направляющая

третья строка будет умножена на 1 .

4

θ

Табл. 2. Вторая симплекс-таблица с комментариями

Б2

С

В2

А1

À2

À3

À4

À5

À6

À7

-1

-2

-2

0

0

М

М

À3

À5

-2

0

1

1

1

1

-2

2

1

0

-1

0

0

1

1

0

0

0

À7

М

2

0

[4]

0

1

0

-1

1

z j − c j

-2

2

-1

0

6

4

0

0

2

1

0

0

-2

-2

0

0

↓

Б

2

⎯

1/2

← 1/2

Далее совершаем итерации до тех пор, пока не получим отрицательные оценки в индексной строке. Все вычисления отражены в табл. 3 и табл. 4. Ком- ментарии к вычислениям не записаны (студентам проделать самостоятельно).

Табл. 3. Третья симплекс-таблица с комментариями

Б3

С Б

3

В3

À1

À2

À3

À4

À5

À6

À7

-1

-2

-2

0

0

М

М

À3

À5

-2

0

2

0

1

1

0

0

1

0

-1/2

-1/2

0

1

1/2

1/2

1/2

-1/2

À2

-2

1/2

0

1

0

[1/4]

0

-1/4

1/4

z j − c j

-5

0

-1

0

0

0

0

0

1/2

0

0

0

-1/2

-1

-3/2

-1

↓

θ

⎯

⎯

← 2

Табл. 4. Четвёртая симплекс-таблица с комментариями

Б4

С Б

4

В4

À1

À2

À3

À4

À5

À6

À7

-1

-2

-2

0

0

М

М

À3

À5

À4

-2

0

0

3

1

2

1

1

0

2

2

4

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

-1

1

0

1

z j − c j

-6

0

-1

0

-2

0

0

0

0

0

0

0

0

-1

-2

-1

Делаем вывод о том, что

X opt

= (0;0;3;2;1;0;0) ,

Zm′ in = −6 . Все искусствен-

ные переменные равны нулю, поэтому начальные переменные определяют оп-

тимальный план.

∗

Ответ:

Х = (0;0;3) ,

Zmax = 6 .