задачи линейного программирования

2.1. Определение и формы записи

В случае, когда все ограничения являются уравнениями и все переменные удовлетворяют условию неотрицательности, задачу линейного программирования называют канонической. Она может быть представлена в координатной, векторной или матричной форме записи.

а) каноническая задача ЛП в координатной форме имеет вид:

,
.

Данную задачу можно записать, используя знак суммирования:

,

,

,
,
.

б) каноническая задача ЛП в векторной форме имеет вид: ,

,

где
;
;

,
;;
.

в) каноническая задача ЛП в матричной форме имеет вид:

,
,

где
,,.

2.2. Приведение общей задачи линейного

программирования к канонической форме

При составлении математических моделей экономических задач ограничения в основном формируются в системы неравенств. Поэтому необходимо уметь переходить от них к системам уравнений. Например, рассмотрим линейное неравенство

и прибавим к его левой части некоторую величину
такую, чтобы неравенство превратилось в равенство.

Неотрицательная переменная
называется дополнительной переменной. Следующая теорема даёт основание для возможности такого преобразования.

Теорема 2.2.1. Каждому решению
неравенства (2.2.1) соответствует единственное решениеуравнения (2.2.2) и неравенства
, и, наоборот, каждому решению уравнения (2.2.2)с
соответствует решение
неравенства (2.2.1).

Доказательство. Пусть
решение неравенства (2.2.1). Тогда. Возьмём число
. Ясно, что
. Подставив в уравнение (2.2.2), получим

Первая часть теоремы доказана.

Пусть теперь векторудовлетворяет уравнению (2.2.2) с
, т.е.. Отбрасывая в левой части последнего равенства неотрицательную величину
, получаем, и т.д.

Таким образом, доказанная теорема фактически устанавливает возможность приведения всякой задачи ЛП к каноническому виду. Для этого достаточно в каждое ограничение, имеющее вид неравенства, ввести свою дополнительную неотрицательную переменную. Причём, в неравенства вида (1.2.1) эти переменные войдут со знаком « + », а в неравенствах вида (1.2.2) – со знаком « – ». Дополнительные переменные вводятся в целевую функцию с нулевыми коэффициентами и поэтому на её значение не влияют.

Замечание. В дальнейшем мы будем излагать симплекс-метод для канонической задачи ЛП при исследовании целевой функции на минимум. В тех задачах, где требуется найти максимум
, достаточно рассмотреть функцию
, найти её минимальное значение, а затем, меняя знак на противоположный, определить искомое максимальное значение
.

3. Графический метод решения задач

линейного программирования

3.1. Общие понятия, примеры

В тех случаях, когда в задаче ЛП лишь две переменные, можно использовать для решения графический метод. Пусть требуется найти максимальное (минимальное) значение функции
при ограничениях

(3.1.1)

Данный метод основывается на возможности графического изображения области допустимых решений задачи, т.е. удовлетворяющих системе (3.1.1), и нахождения среди них оптимального решения. Область допустимых решений задачи строится как пересечение (общая часть) областей решений каждого из заданных ограничений (3.1.1). Каждое из них определяет полуплоскость с границей
,
. Для того, чтобы определить, какая из двух полуплоскостей является областью решений, достаточно координаты какой-либо точки, не лежащей на прямой, подставить в неравенство: если оно удовлетворяется, то областью решений является полуплоскость, содержащая данную точку, если же неравенство не удовлетворяется, то областью решений является полуплоскость, не содержащая данную точку.

Пересечение этих полуплоскостей образует некоторую область, называемую многоугольником решений, который является выпуклым множеством. (Допустим, что система ограничений совместна, а многоугольник её решений ограничен.) Для нахождения среди допустимых решений оптимального используются линии уровня и опорные прямые.

Линией уровня называется прямая, на которой целевая функцияпринимает постоянное значение. Уравнение линии уровня имеет вид

, где
. Все линии уровня параллельны между собой. Их нормаль
.

Опорной прямой называется линия уровня, которая имеет хотя бы одну общую точку с областью допустимых решений, по отношению к которой эта область находится в одной из полуплоскостей (рис. 1).

Значения
возрастают в направлении вектора
. Поэтому необходимо передвигать линию уровня
в направлении этого вектора параллельно самой себе до опорной прямойL 1 в задаче на максимум и в противоположном направлении – в задаче на минимум (до опорной прямойL 2).

Приведём решение примера 1.1. Напомним, что нужно найти максимум функции
при ограничениях

Решение. Строим область допустимых решений. Нумеруем ограничения задачи. В прямоугольной декартовой системе координат (рис. 2) строим прямую

, соответствующую ограничению (1). Находим, какая из полуплоскостей, на которые эта прямая делит всю координатную плоскость, является областью решений неравенства (1).

Для этого достаточно координаты какой - либо точки, не лежащей на прямой, подставить в неравенство. Так как прямая не проходит через начало координат, подставляем
в первое ограничение. Получим строгое неравенство
. Следовательно, точка
лежит в полуплоскости решений. Аналогично строим прямую

и область решений ограничения (2). Находим общую часть полуплоскостей решений, учитывая ограничения (3). Полученную область допустимых решений выделим на рис.2 тёмным цветом.

Строим линию уровня
и вектор
, который указывает направление возрастания функциии перпендикулярен прямой

. Линию уровня
перемещаем параллельно самой себе в направлении
до опорной прямой. Получим, что максимума целевая функция достигнет в точке
точке пересечения прямыхи. Решая систему из уравнений этих прямых
, получим координаты точки
. Следовательно,, а
,
оптимальное решение.

Пример 3.1. Найти минимум функции
при системе ограничений

Решение. Строим область допустимых решений (см. рис.3), вектор
и одну из линий уровня
. Перемещаем линию уровня в направлении, противоположном
, так как решается задача на отыскание минимума функции. Опорная прямая проходит в этом случае через точку А (рис.3), координаты которой найдём из решения системы

Итак,
. Вычисляем.

Замечание. В действительности от вида области допустимых решений и целевой функции
задача ЛП может иметь единственное решение, бесконечное множество решений или не иметь ни одного решения.

Пример 3.2. Найти минимум функции
при ограничениях

Решение. Строим область допустимых решений, нормаль линий уровня
и одну из линий уровня, имеющую общие точки с этой областью. Перемещаем линию уровняв направлении, противоположном направлению нормали, так как решается задача на отыскание минимума функции. Нормаль линий уровня
и нормаль граничной прямой, в направлении которой перемещаются линии уровня, параллельны, так как их координаты пропорциональны
. Следовательно, опорная прямая совпадает с граничной прямойобласти допустимых решений и проходит через две угловые точки этой областии(рис.4).

Задача имеет бесконечное множество оптимальных решений, являющихся точками отрезка
. Эти точки
,
находим, решая соответствующие системы уравнений:

;
;

,
;
,
;

;
.

Вычисляем .

Ответ:
при
,
.

Пример 3.3. Решить задачу линейного программирования

Решение. Строим область допустимых решений, нормаль
и одну из линий уровня. В данной задаче необходимо найти максимум целевой функции, поэтому линию уровняперемещаем в направлении нормали. Ввиду того, что в этом направлении область допустимых решений не ограничена, линия уровня уходит в бесконечность (рис.5).

Задача не имеет решения вследствие неограниченности целевой функции.

Ответ:
.

: Задачи линейного программирования (ЗЛП)

1. Линейное программирование

2. Виды задач линейного программирования

3. Формы записи ЗЛП

4. Каноническая форма задач линейного программирования

Линейное программирование

Линейное программирование - это раздел матпрограммирования, применяемый при разработке методов нахождения экстремума линейных функций нескольких переменных при линейных дополнительных ограничениях, налагаемых на переменные.

По типу решаемых задач методы ЛП разделяются на универсальные и специальные. С помощью универсальных методов могут решаться любые задачи линейного программирования (ЗЛП). Специальные учитывают особенности модели задачи, ее целевой функции и системы ограничений.

Главная особенность задач линейного программирования заключается в том, что экстремум целевой функции находится на границе области допустимых решений.

Рисунок 1 - Экстремум целевой функции

Математическая модель ЗЛП записывается следующим образом:

max (или min) Z=z(X),(1)

ОДР может быть представлена системой линейных уравнений или неравенств.

Вектор Х=(х 1 , х 2 , .... x п) является вектором управления или управляющим воздействия.

Допустимый план Х, при котором критерий оптимальности Z=z(X) достигает экстремального значения, называется оптимальным и обозначается через X*, экстремальное значение целевой функции -- через Z*=z(X*).

Виды задач линейного программирования

Методы линейного программирования широко применяются на промышленных предприятиях при оптимизации производственной программы, распределении ее по цехам и по временным интервалам, при ассортиментной загрузке оборудования, планировании грузопотоков, определении плана товарооборота и т. д.

Наиболее распространенный тип задач - задача оптимального использования ресурсов. Пусть некоторая производственная единица (цех, предприятие, объединение и т.д.), исходя из конъюнктуры рынка, технических возможностей и имеющихся ресурсов, может выпускать n различных видов продукции, известных под номерами j.

При выпуске продукции предприятие ограничено имеющимися ресурсами, количество которых обозначим m, а вектор ресурсов В = (b 1 , b 2 , ..., b т). Известны также технологические коэффициенты a ij , которые показывают норму расхода i-го ресурса на производство единицы j-ой продукции. Эффективность выпуска единицы j-и продукции характеризуется прибылью p j .

Требуется определить план выпуска продукции Х=(х 1 , х 2 , ..., x п), максимизирующий прибыль предприятия при заданных ресурсах.

Целевая функция выглядит следующим образом

при ограничениях

Часто ассортимент продукции устанавливается вышестоящей организацией, т. е. его объемы должны быть заключены в некоторых границах D н j и D в j:тогда задается следующее ограничение:

Модель задачи оптимального использования ресурсов лежит в основе моделей оптимизации годовой производственной программы предприятия . В модель включаются ограничения по фонду времени работы оборудования.

Сохраняя прежние обозначения, запишем через б j и с j соответственно отпускную цену и затраты на единицу j-й продукции. В качестве критерия оптимальности могут быть приняты:

1) максимум прибыли

2) минимум затрат на производство

3) максимум выпуска в стоимостном выражении (выручки от реализации продукции)

Пример. Предприятие может изготовлять четыре вида продукции 1, 2, 3 и 4. Сбыт любого ее объема обеспечен. Предприятие располагает в течение квартала трудовыми ресурсами в 100 человеко-смен, полуфабрикатами массой 260 кг, станочным оборудованием в 370 станко-смен. Нормы расхода ресурсов и прибыль от единицы каждого вида продукции представлены в табл.1.

Необходимо:

а) составить математическую модель задачи определения плана выпуска продукции, при котором достигается максимум прибыли;

б) решить задачу с требованием комплектации, чтобы количество единиц третьей продукции было в 3 раза больше количества единиц первой;

в) выяснить оптимальный ассортимент при дополнительных условиях: первого продукта выпускать не менее 25 единиц, третьего -- не более 30, а второго и четвертого -- в отношении 1:3.

Таблица 1

Исходные данные

Математическая модель задачи:

целевая функция:

max: Z=40x 1 +50x 2 +100x 3 +80x 4

при ограничениях:

а) на трудовые ресурсы:

2,5x 1 +2,5x 2 +2x 3 +1,5x 4 ? 100;

на полуфабрикаты:

4x 1 +10x 2 +4x 3 +6x 4 ? 260;

на станочное оборудование:

8x 1 +7x 2 +4x 3 +10x 4 ? 370;

условие неотрицательности:

б) дополнительное требование комплектации выразится условием

3x 1 =x 3 , т.е 3x 1 x 3 =0;

в) граничные условия и условие комплектации представим так: х 1 ?25,

х 3 ?30, 3*х 2 =х 4 .

Задача о размещении заказов или загрузке взаимозаменяемых групп оборудования . Речь идет о распределения заказов между m (i=1,…, m) предприятиями (цехами, станками, исполнителями) с различными производственными и технологическими характеристиками, но взаимозаменяемыми в смысле выполнения заказов. Требуется составить такой план размещения заказов, при котором задание было бы выполнено, а показатель эффективности достигал экстремального значения.

Сформулируем задачу математически. Пусть на т однородных группах оборудования нужно изготовить п видов продукции. План выпуска каждого вида продукции на определенный период задан набором х j (j=1,2, …п). Мощность каждого вида оборудования ограничена и равна b i . Известна технологическая матрица A=||a ij ||, где a ij --число единиц j-ой продукции, выпускаемой в единицу времени на i-м оборудовании. Матрица С - матрица затрат, где c ij --затраты, связанные с выпуском единицы j-й продукции на i-м оборудовании. Х -- вектор объема выпускаемой продукции.

Модель задачи примет следующий вид:

целевая функция -- минимизация расходов на реализацию всех заказов

при ограничениях:

а) по мощности оборудования

б) на выпуск продукции

в) условие неотрицательности

Данную задачу называют распределительной или задачей распределения.

Если по некоторым видам продукции допускается превышение плана, то ограничение (б) примет вид

В качестве целевой прибыли также можно принять:

а) максимум прибыли

б) минимум затрат станочного времени

Т.к. любая модель содержит упрощающие предпосылки, для корректного применения полученных результатов необходимо четкое понимание сути этих упрощений, что, в конечном счете, и позволяет сделать вывод об их допустимости или недопустимости. Наиболее существенным упрощением в рассмотренных моделях является предположение о прямопропорциональной (линейной) зависимости между объемами расхода ресурсов и объемами производства, которая задается с помощью норм затрат a ij . Очевидно, что это допущение далеко не всегда выполняется. Так объемы расхода многих ресурсов (например, основных фондов) изменяются скачкообразно - в зависимости от изменения программы производства Х. К другим упрощающим предпосылкам относятся предположения о независимости цен j от объемов x j , что справедливо лишь для определенных пределов их изменения. Данные «уязвимые» места важно знать еще и потому, что они указывают принципиальные направления усовершенствования модели.

Формы записи ЗЛП

Существует 3 формы записи ЗЛП:

1) в виде функций

max(или min)Z=,max(или min)Z=,

2) векторная форма

(скалярное произведение векторов)

при ограничениях

A 1 х 1 +A 2 х 2 +..+A n x n = B

Где векторы

С = (С 1, С 2 .. С n), Х = (Х 1, Х 2 .. Х n), и.

3) матричная форма

при ограничениях

где С = (с 1 , с 2 ,…с n),

Каноническая форма задач линейного программирования

Если все ограничения в задаче линейного программирования являются уравнениями и на все переменные x j налагаются условия неотрицательности, то она называется задачей линейного программирования в канонической форме или канонической задачей линейного программирования (КЗЛП).

при ограничениях

Для того чтобы перейти от ЗЛП к КЛЗП, необходимо перейти от ограничений неравенств к ограничениям равенствам и заменить переменные, которые не подчиняются условиям неотрицательности.

Правила приведения ЗЛП к каноническому виду:

1) если в ограничениях правая часть отрицательная, то следует умножить это ограничение на -1;

2) если среди ограничений имеются неравенства, то путем введения дополнительных неотрицательных переменных они преобразуются в равенства;

3) если некоторая переменная xk не имеет ограничений по знаку, то она заменяется в целевой функции и во всех ограничениях разностью между двумя новыми неотрицательными переменными: xk=x * k - xl, где l - сводный индекс, x * k>=, xl>=0.

Рассмотрим пример. Приведем к канонической форме:

Введем в каждое уравнение системы ограничений выравнивающие переменные х 4 , х 5 , х 6 . Система запишется в виде равенств, причем в первое и третье уравнение системы ограничений переменные х 4 , х 6 вводятся в левую часть со знаком «+», а во второе уравнение вводится х 5 со знаком «-».

Свободные члены в канонической форме должны быть положительными, для этого два последних уравнения умножим на -1:

В канонической форме записи задач линейного программирования все переменные, входящие в систему ограничений, должны быть неотрицательными. Допустим, что

Подставляя данное выражение в систему ограничений и целевую функцию и записывая переменные в порядке возрастания индекса, получим задачу линейного программирования, представленную в канонической форме:

оптимизационный симплексный линейный программирование

Запись целевой функции и системы ограничений в различных задачах линейного программирования неодинаков: в одних задачах требуется найти минимум целевой функции, а в других – максимум; в одних случаях искомые переменные зависят от одного индекса, а в других – от двух; в одних задачах ограничения заданы в виде системы линейных неравенств, а в других – в виде системы линейных уравнений. На практике возможны также задачи, в которых часть ограничений имеет вид линейных неравенств, а часть – линейных уравнений. Также не во всех задачах может требоваться неотрицательность переменных .

Учет такого разнообразия задач линейного программирования требует разработки специальных методов для решения отдельных их классов. Мы же сосредоточим свое внимание на изучении общих свойств и методов линейного программирования, записанных в так называемой канонической форме.

Если в задаче линейного программирования система исходных ограничений приобретает вид уравнений типа

и нужно найти максимум линейной целевой функции

то считается, что задача линейного программирования записана в канонической форме.

Любую задачу линейного программирования можно легко свести к канонической форме. В общем случае для этого достаточно уметь, во-первых, свести задачу минимизации целевой функции к задаче ее максимизации, во-вторых, переходить от ограничений-неравенств к ограничениям-равенствам, и в-третьих, менять те переменные, которые не подчинены условию неотрицательности.

В том случае, когда нужно найти минимум функции , можно перейти к нахождению максимума функции , поскольку справедливо утверждение:
.

Ограничение-неравенство исходной задачи, которое имеет вид «» , можно превратить в ограничение-уравнение путем добавления к его левой части дополнительной неотрицательной переменной, а ограничение-неравенство вида «»– путем вычитания из его левой части дополнительной неотрицательной переменной.

Заметим, что количество введенных дополнительных неотрицательных переменных всегда равно количеству неравенств в исходной системе ограничений.

Введены дополнительные переменные имеют вполне конкретный экономический смысл. Так, если в ограничениях исходной задачи линейного программирования отражаются расходы и наличие производственных ресурсов, то числовое значение дополнительной переменной показывает объем соответствующего неиспользованного ресурса.

Отметим также, что если некоторая переменная не подчиняется условию неотрицательности, то ее нужно заменить двумя неотрицавтельными переменными и , приняв
.

Пример . Записать в канонической форме следующую задачу линейной оптимизации: найти минимум функции
при ограничениях

Решение

В данной задаче нужно найти минимум целевой функции, а система ограничений включает четыре неравенства. Для того, чтобы записать ее в канонической форме, нужно перейти от ограничений-неравенств к ограничениям-уравнениям, а также превратить целевую функцию.

Так как количество неравенств, входящих в систему ограничений задачи, равно четырем, то этот переход должен быть осуществлен с введением четырех дополнительных неотрицательных переменных. При этом во втором и четвертом неравенствах стоит знак «» , поэтому к их левой части дополнительные переменные добавляем. В первом и третьем неравенствах – знак «», значит от их левой части дополнительные переменные вычитаем.

Также превращаем целевую функцию, поменяв все знаки на противоположные, и находим ее максимум.

Таким образом, данная задача линейного программирования будет записана в следующем каноническом виде:

найти максимум функции

при ограничениях

Каноническая форма ЗЛП - задача линейного программирования вида ax = b где a - матрица коэффициентов, b - вектор ограничений.

Назначение сервиса . Онлайн-калькулятор предназначен для перехода ЗЛП к КЗЛП. Приведение задачи к канонической форме означает, что все ограничения будут иметь вид равенств, путем ввода дополнительных переменных.
Если на какую-либо переменную x j не наложено ограничение, то она заменяется на разность дополнительных переменных, x j = x j1 - x j2 , x j1 ≥ 0, x j2 ≥ 0.

Инструкция . Выберите количество переменных и количество строк (количество ограничений). Полученное решение сохраняется в файле Word .

Количество переменных 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Количество строк (количество ограничений) 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Как привести задачу линейного программирования к канонической форме

Математическая модель ЗЛП называется основной , если ограничения в ней представлены в виде уравнений при условии неотрицательности переменных.

Математическая модель называется канонической , если ее система ограничений представлена в виде системы m линейно независимых уравнений (ранг системы r=m), в системе выделен единичный базис , определены свободные переменные и целевая функция выражена через свободные переменные. При этом правые части уравнений неотрицательны (b i ≥ 0).

Переменные, входящие в одно из уравнений системы с коэффициентом один и отсутствующие в других уравнениях называются базисными неизвестными , а все другие - свободными .

Решение системы называется базисным , если в нем свободные переменные равны 0, и оно имеет вид:
X баз = (0, 0; b 1 , …, b m), f(X баз) = c 0

Базисное решение является угловой точкой множества решений системы, т.е. определяет вершину многоугольника решений модели. Среди таких решений находится и то, при котором целевая функция принимает оптимальное значение .

Базисное решение называется опорным, если оно допустимо, т.е. все правые части уравнений системы (или неравенств) положительны b i ≥ 0.

Компактная форма канонической модели имеет вид:
AX = b
X ≥ 0
Z = CX(max)

Понятие допустимого решения, области допустимых решений, оптимального решения задачи линейного программирования .
Определение 1 . Вектор X, удовлетворяющий системе ограничений ЗЛП, в том числе и условиям неотрицательности, если они имеются, называется допустимым решением ЗЛП.
Определение 2 . Совокупность всех допустимых решений образует область допустимых решений (ОДР) ЗЛП.
Определение 3 . Допустимое решение, для которого целевая функция достигает максимума (или минимума), называется оптимальным решением.

Пример №1 . Следующую задачу ЛП привести к каноническому виду: F(X) = 5x 1 + 3x 2 → max при ограничениях:
2x 1 + 3x 2 ≤20
3x 1 + x 2 ≤15
4x 1 ≤16
3x 2 ≤12
Модель записана в стандартной форме. Введем балансовые неотрицательные переменные x 3 , x 4 , x 5 , x 6 , которые прибавим к левым частям ограничений-неравенств. В целевую функцию все дополнительные переменные введем с коэффициентами, равными нулю:
В первом неравенстве смысла (≤) вводим базисную переменную x 3 . Во 2-ом неравенстве смысла (≤) вводим базисную переменную x 4 . В третьем неравенстве вводим базисную переменную x 5 . В 4-м неравенстве - базисную переменную x 6 . Получим каноническую форму модели:
2x 1 + 3x 2 + 1x 3 + 0x 4 + 0x 5 + 0x 6 = 20
3x 1 + 1x 2 + 0x 3 + 1x 4 + 0x 5 + 0x 6 = 15
4x 1 + 0x 2 + 0x 3 + 0x 4 + 1x 5 + 0x 6 = 16
0x 1 + 3x 2 + 0x 3 + 0x 4 + 0x 5 + 1x 6 = 12
F(X) = 5x 1 + 3x 2 + 0x 3 + 0x 4 + 0x 5 + 0x 6 → max

Пример №2 . Найти два опорных решения системы
x 1 + 2x 4 - 2x 5 = 4
x 3 + 3x 4 + x 5 = 5
x 2 + 3x 5 = 2