Лабораторная работа № 19 «Особенности решения транспортной задачи на максимум»

Теоретическая часть

Алгоритм и методы решения транспортной задачи могут быть использованы при решении некоторых экономических задач, не имеющих ничего общего с транспортировкой груза. В этом случае величины стоимости перевозки с_ij имеют различный смысл в зависимости от конкретной экономической задачи.

Рассмотрим особенности алгоритма решения транспортных задач на максимум.

Алгоритм получения исходного опорного решения методом северо-западного угла не изменяется при решении задачи на максимум. При рассмотрении методов «наименьшего элемента» следует при решении задачи на максимум выбирать, в первую очередь, клетку с наибольшим коэффициентом (метод «максимального элемента» в столбце, в строке, в таблице).

Признаком оптимальности при решении задач на максимум является неотрицательное значение характеристик (оценок) свободных клеток. Если оптимальное решение не получено, то для построения цикла (для преобразования однократного замещения) выбирается клетка с наименьшей отрицательной характеристикой.

Алгоритм решения задач на максимум аналогичен алгоритму решения на минимум, но с учетом тех особенностей, которые были отмечены выше.

Студенту предлагается самостоятельно разработать особенности модифицированного метода потенциалов при решении задачи на поиск максимума целевой функции?

Пример выполнения работы.

Задача. Сельскохозяйственное предприятие планирует посеять 30 га пшеницы, 20 га ржи, 20 га овса. Поле зерновых в севообороте состоит из трех участков, имеющих площадь соответственно 25, 35, 10 га. Известна урожайность зерновых с каждого участка. Найти оптимальный план посева зерновых, который обеспечивал бы максимальный валовой сбор зерна.

Таблица 1 - Урожайность зерновых культур по участкам, ц/га

Название культур	У ч а с т о к
	I	II	III
Пшеница	20	15	18
Рожь	16	18	22
Овес	22	17	23

В такой постановке задача может быть решена алгоритмом транспортной задачи. В качестве ресурсов здесь выступают площади участков, а потребностями являются планируемые площади посевов зерновых культур.

1. Проверим, является ли данная задача закрытой.

25 + 35 + 10 = 70– сумма ресурсов (сумма площадей трех участков);

30 + 20 + 20 = 70– сумма потребностей (планируемая площадь зерновых культур).

Так как сумма ресурсов равняется сумме потребностей, то данная задача является закрытой.

2. Составляем распределительную таблицу и находим исходное опорное решение одним из методов. Например, методом максимального элемента в строке.

3. Получим исходное опорное решение

Культура		У ч а с т о к
	Р П	I	II	III
		25	35	10
Пшеница	30	20 25	15	18 5
Рожь	20	16	18 15	22 5
Овес	20	22	17 20	23

4. Проверяем найденное опорное решение на оптимальность.

Для этого:

• определим потенциалы по формуле u_i + v_j = c_ij – для занятых клеток. u₁ =0

• подсчитаем характеристики (оценки) свободных клеток по формуле: _ij = u_i + v_j - c_ij

• при решении на максимум все характеристики должны быть неотрицательные, тогда получено оптимальное решение.

5. Промежуточное решение

Культура		У ч а с т о к
	Р П	I	II	III
		25	35	10	ui
Пшеница	30	20 25	15	18 5	0
Рожь	20	16	1 8 + 15	22 _ 5	4
Овес	20	22	17 _ 20	23 +	3
	vj	20	14	18

₁₂ =14+0-15=-1

₂₁ =20+4-16= 8

₃₁ =20+3-22= 1

₃₃ =18+3-23= -2

Так как есть отрицательные характеристики, то оптимальный план еще не получен.

6. Выбирается переменная, которая войдет в базис.

Выбираем клетку с наименьшей отрицательной характеристикой. Это клетка (3,3). Для нее строится цикл.

Если имеются несколько клеток с равными минимальными отрицательными значениями _ij, то цикл строится для клетки с наилучшим коэффициентом целевой функции (при решении на максимум для клетки, например, с более высокой урожайностью).

7. Выбирается переменная, которая выйдет из базиса.

Около свободной клетки цикла (3,3) ставится знак (+), затем поочередно проставляют знаки (-) и (+).

У вершин со знаком (-) выбирают минимальный груз (), т.е.  равно минимальному значению из значений базисных переменных в отрицательных (четных) вершинах (клетках) цикла:

= min{x_ij} в четных клетках цикла. = min{5; 20} = 5. Минимальный груз в клетке (2,3). Эта переменная выйдет из базиса, т.е. клетка станет свободной. Если имеются несколько равных значений базисных переменных в четных (отрицательных) вершинах цикла с минимальным значением, равным , то условимся выбирать из них переменную с большим коэффициентом целевой функции (например, с более высокой урожайностью культур) и делать ее свободной. Значения остальных базисных переменных в этих вершинах после перемещения станут равными нулю.

8. Строим новую распределительную таблицу, в которой  прибавляем к грузам, стоящим у вершин со знаком (+), и отнимаем от грузов у вершин со знаком (-). Все остальные компоненты плана перевозок, не входящие в цикл, остаются неизменными.

8. Новое опорное решение

Культура		У ч а с т о к
	Р П	I	II	III
		25	35	10	ui
Пшеница	30	20 25	15 +	18 - 5	0
Рожь	20	16	18 20	22	6
Овес	20	22	17 - 15	23 + 5	5
	vj	20	12	18

9. Новое опорное решение проверяем на оптимальность.

₁₂ =12+0-15=- 3 ₂₃ =18+6-22= 1

₂₁ =20+6-16= 10 ₃₁ =20+5-22= 3

Так как не все оценки неотрицательные, то оптимальное решение еще не получено. Клетка (1,2) имеет отрицательную характеристику, следовательно, соответствующая переменная войдет в базис. Для нее строится цикл.

10. Выбирается переменная, которая выйдет из базиса.

Около вершины свободной клетки цикла (1,2) ставится знак (+), затем поочередно проставляют знаки (-) и (+). = min{15; 5} = 5. Минимальный груз в клетке (1,3). Эта переменная выйдет из базиса, т.е. клетка станет свободной. Строят новую распределительную таблицу, в которой  прибавляют к переменным, стоящим у вершин со знаком (+), и отнимают от переменных у вершин со знаком (-). Все остальные компоненты плана перевозок, не входящие в цикл, остаются неизменными.

11. Оптимальное решение

Культура		У ч а с т о к
	Р П	I	II	III
		25	35	10	ui
Пшеница	30	20 25	15 5	18	0
Рожь	20	16	18 20	22	3
Овес	20	22	17 10	23 10	2
	vj	20	15	21

11. Новое опорное решение проверяется на оптимальность.

₁₃ =21+0-18= 3 ₂₃ =21+3-22=2

₂₁ =20+3-16= 5 ₃₁ =20+2-22=0

Так как все оценки неотрицательные, то получено оптимальное решение.

Таким образом, площади пшеницы будут составлять 25 га на первом участке и 5 га на втором участке, ржи – 20 га на втором участке, овса – 10 га на втором участке и 10 га на третьем участке.

Валовой сбор зерна составит: max Z = 20*25+15*5+18*20+17*10+23*10 =1335 (ц).

Данная задача имеет альтернативное решение, т.к. оценка ₃₁=0

12. Построим для клетки (3,1) цикл.

Получим альтернативное решение

Культура		У ч а с т о к
	Р П	I	II	III
		25	35	10	ui
Пшеница	30	2 0 - 25	15 + 5	18	0
Рожь	20	16	18 20	22	3
Овес	20	22 +	17 - 10	23 10	2
	vj	20	15	21

= min{25; 10} = 10.

После преобразований однократного замещения получаем:

13. Оптимальное решение 2.

Культура		У ч а с т о к
	Р П	I	II	III
		25	35	10
Пшеница	30	20 15	15 15	18
Рожь	20	16	18 20	22
Овес	20	22 10	17	23 10

Получен второй вариант распределения площадей между культурами:

	I участок	II участок	III участок
Пшеница	15 га	15 га	-
Рожь	-	20 га	-
Овес	10	-	10

Валовой сбор составит: max Z = 20*15+15*15+18*20+22*10+23*10 = 1335 (ц).

Индивидуальное задание

Общая постановка задачи

В состав севооборота входят зерновые культуры, которые представлены пшеницей, ячменем, овсом. Поле зерновых состоит из участков. Планируется под культуры отвести определенные площади. Известна урожайность зерновых культур на каждом участке.

Составить оптимальный план посева зерновых культур так, чтобы обеспечить максимум валового сбора зерна.

Список индивидуальных данных

1. Таблица вариантов

Номер варианта	Планируемые площади	Номера участков	Номер варианта	Планируемые площади	Номера участков
1	а	3,4,5	9	и	2,4,5,6
2	б	1,3,5	10	к	1,2,3,5,6
3	в	1,3,4,5	11	л	1,2,3,5
4	г	1,2,3	12	м	1,2,4,5
5	д	1,2,3	13	н	2,3,5,6
6	е	2,4,5,6	14	о	2,4,5
7	ж	1,2,4,6	15	п	1,2,3
8	з	2,3,5,6	16	е	1,3,4

2. Урожайность зерновых культур по участкам, ц/га

Название культур	Номера участков
	1	2	3	4	5	6
Пшеница	22	20	25	19	17	30
Ячмень	16	18	21	24	19	27
Овес	30	20	25	22	23	19

3. Планируемые площади зерновых культур, га

Название культур	Варианты
	а	б	в	г	д	е	ж	з	и	к	л	м	н	о	п
Пшеница	30	20	20	23	15	15	20	25	40	30	10	25	14	18	22
Ячмень	20	15	30	12	15	20	20	15	10	20	15	25	16	12	13
Овес	10	15	30	10	15	30	35	10	15	20	35	25	20	25	10

4. Площади участков, га

Номера участков
1	2	3	4	5	6
20	10	15	30	15	10

Контрольные вопросы

1. Привести пример экономических задач, сводимых к транспортным на максимум целевой функции.

2. Всегда ли задача при решении на максимум имеет оптимальное решение?

3. Изменяется ли алгоритм получения исходного опорного решения методом северо-западного угла при решении на максимум целевой функции?

4. Как получить исходное опорное решение методом «наилучшего элемента» в строке, столбце, таблице?

5. Какой признак оптимальности при решении на максимум целевой функции?

6. Для какой клетки строится цикл с целью улучшения опорного решения?

7. Как выбирается клетка для построения цикла, если имеются несколько равных минимальных значений _ij при решении задачи на максимум целевой функции?

8. Как выбирается  при решении на максимум целевой функции?

9. Какой признак альтернативного оптимума при решении на максимум целевой функции?

10. Какой признак оптимального решения задачи, решаемой методом потенциалов на максимум целевой функции?

11. Приведите примеры постановки задачи, решаемой методом потенциалов на максимум целевой функции.

12. Для какой клетки строится цикл в задаче, решаемой методом потенциалов на максимум целевой функции?

13. Как находят потенциалы в задаче, решаемой методом потенциалов на максимум целевой функции?

14. Как находят оценки (характеристики) в задаче, решаемой методом потенциалов на максимум целевой функции?