Пример решения задачи лп симплекс методом. Двойственный симплекс-метод
11.4. ДВОЙСТВЕННЫЙ СИМПЛЕКС-МЕТОД
Из результатов предыдущих пунктов следует, что для получения решения исходной задачи можно перейти к двойственной и, используя оценки ее оптимального плана, определить оптимальное решение исходной задачи.
Переход к двойственной задаче не обязателен, так как если рассмотреть первую симплексную таблицу с единичным дополнительным базисом, то легко заметить, что в столбцах записана исходная задача, а в строках –двойственная.
Как было показано, при решении прямой задачи на любой итерации разность , т.е. величина -коэффициента при переменной , равна разности между правой и левой частями соответствующего ограничения двойственной задачи. Если при решении прямой задачи с максимизируемой целевой функцией итерация не приводит к оптимальному решению, то по крайней мере для одной переменной и только в оптимуме для всех разность .
Рассматривая это условие с учетом двойственности, можно записать
.
Таким образом, если
,
то .
Это означает, что, когда решение прямой задачи неоптимальное, решение
двойственной задачи недопустимое. С другой стороны
при
.
Отсюда следует, что оптимальному решению прямой задачи соответствует допустимое
решение двойственной задачи.
Это позволило разработать новый метод решения задач линейного программирования, при использовании которого сначала получается недопустимое, но «лучшее, чем оптимальное» решение (в обычном симплекс-методе сначала находится допустимое , но неоптимальное решение). Новый метод, получивший название двойственного симплекс-метода , обеспечивает выполнение условия оптимальности решения и систематическое «приближение» его к области допустимых решений. Когда полученное решение оказывается допустимым, итерационный процесс вычислений заканчивается, так как это решение является и оптимальным.
Двойственный симплекс-метод позволяет решать задачи линейного программирования, системы ограничений которых при положительном базисе содержат свободные члены любого знака. Этот метод позволяет уменьшить количество преобразований системы ограничений, а также размера симплексной таблицы. Рассмотрим применение двойственного симплекс-метода на примере.
Пример
. Найти минимум
функции 
при ограничениях
.
Перейдем к канонической форме:
при ограничениях
Начальная симплекс-таблица имеет вид
|
Базисные переменные |
x 1 |
x 2 |
x 3 |
x 4 |
x 5 |
Решение |
|
x 3 x 4 x 5 |
–3 –4 |
–1 –3 |
–3 –6 |
|||
|
–2 |
–1 |
Начальное базисное решение оптимальное, но не допустимое.
Как и обычный симплексный метод, рассматриваемый метод решения основан на использовании условий допустимости и оптимальности.
Условие допустимости . В качестве исключаемой переменной выбирается наибольшая по абсолютной величине отрицательная базисная переменная (при наличии альтернатив выбор делается произвольно). Если все базисные переменные неотрицательные, процесс вычислений заканчивается, так как полученное решение допустимое и оптимальное.
Условие оптимальности . Включаемая в базис переменная выбирается из числа небазисных переменных следующим образом. Вычисляются отношения коэффициентов левой части -уравнения к соответствующим коэффициентам уравнения, ассоциированного с исключаемой переменной. Отношения с положительным или нулевым значением знаменателя не учитываются. В задаче минимизации вводимой переменной должно соответствовать наименьшее из указанных отношений, а в задаче максимизации – отношение, наименьшее по абсолютной величине (при наличии альтернатив выбор делается произвольно). Если знаменатели всех отношений равны нулю или положительные, задача не имеет допустимых решений.
После выбора включаемой в базис и исключаемой переменных для получения следующего решения осуществляется обычная операция преобразования строк симплекс-таблицы.
В рассматриваемом примере исключаемой переменной является . Отношения, вычисленные для определения новой базисной переменной, приведены в следующей таблице:
|
Переменные |
x 1 |
x 2 |
x 3 |
x 4 |
x 5 |
|
Уравнение x 4 -уравнение |
–2 –4 |
–1 –3 |
|||
|
Отношение |
В качестве включаемой переменной выбирается x 2 . Последующее преобразование строк приводит к новой симплекс-таблице:
|
Базисные переменные |
x 1 |
x 2 |
x 3 |
x 4 |
x 5 |
Решение |
|
x 3 x 2 x 5 |
–1 –1 |
|||||
Новое решение также оптимальное, но все еще недопустимое. В качестве новой исключаемой переменной выберем (произвольно) x 3 . Определим включаемую переменную.
|
Переменные |
x 1 |
x 2 |
x 3 |
x 4 |
x 5 |
|
Уравнение x 4 -уравнение |
|||||
|
отношение |
Задач линейного программирования. Он в последовательном построении , характеризующей рассматриваемый процесс. Решение разбивается на три основных этапа: выбор переменных, построение системы ограничений и поиск целевой функции.
Исходя из этого разделения, условие задачи можно перефразировать следующим образом: экстремум целевой функции Z(X) = f(x1, x2, … ,xn) → max (min) и соответствующие переменные, если известно, что они удовлетворяют системе ограничений: Φ_i (x1, x2, … ,xn) = 0 при i = 1, 2, …, k;Φ_i (x1, x2, … ,xn)) 0 при i = k+1, k+2, …, m.
Систему ограничений нужно привести к каноническому виду, т.е. к системе линейных уравнений, где число переменных больше числа уравнений (m > k). В этой системе обязательно найдутся переменные, которые можно выразить через другие переменные, а если это не так, то их можно ввести искусственно. В этом случае первые называются базисом или искусственным базисом, а вторые – свободными.
Удобнее рассмотреть симплекс-метод на конкретном примере. Пусть дана линейная функция f(x) = 6x1 + 5x2 + 9x3 и система ограничений:5x1 + 2x2 + 3x3 ≤ 25;x1 + 6x2 + 2x3 ≤ 20;4x1 + 3x3 ≤ 18.Требуется найти максимальное значение функции f(x).
РешениеНа первом этапе задайте начальное (опорное) решение системы уравнений абсолютно произвольным образом, которое при этом должно удовлетворять данной системе ограничений. В данном случае требуется введение искусственного , т.е. базисных переменных x4, x5 и x6 следующим образом:5x1 + 2x2 + 3x3 + x4 = 25;x1 + 6x2 + 2x3 + x5 = 20;4x1 + 3x3 + x6 = 18.
Как видите, неравенства преобразовались в равенства благодаря добавленным переменные x4, x5, x6, которые являются неотрицательными величинами. Таким образом, вы привели систему к каноническому виду. Переменная x4 входит в первое уравнение с коэффициентом 1, а в два – с коэффициентом 0, то же справедливо для переменных x5, x6 и соответствующих уравнений, что соответствует определению базиса.
Вы подготовили систему и нашли начальное опорное решение – X0 = (0, 0, 0, 25, 20, 18). Теперь представьте коэффициенты переменных и свободные члены уравнений (цифры справа от знака «=») в виде таблицы для оптимизации дальнейших вычислений (см. рис).
Суть симплекс-метода состоит в том, чтобы привести эту таблицу к такому виду, в котором все цифры в строке L будут неотрицательными величинами. Если же выяснится, что это невозможно, то система вообще не имеет оптимального решения. Для начала выберите самый минимальный элемент этой строки, это -9. Цифра стоит в третьем столбце. Преобразуйте соответствующую переменную x3 в базисную. Для этого разделите строку на 3, чтобы в ячейке получилась 1.
Теперь нужно, чтобы ячейки и обратились в 0. Для этого отнимите от соответствующие цифры третьей строки, на 3. От элементов второй строки - элементы третьей, умноженные на 2. И, наконец, от элементов строки L - умноженные на (-9). Вы получили второе опорное решение: f(x) = L = 54 при x1 = (0, 0, 6, 7, 8, 0).
Необходимо решить задачу линейного программирования.
Целевая функция:
2x 1 +5x 2 +3x 3 +8x 4 →min
Ограничивающие условия:
3x 1 +6x 2 -4x 3 +x 4 ≤12
4x 1 -13x 2 +10x 3 +5x 4 ≥6
3x 1 +7x 2 +x 3 ≥1
Приведем систему ограничений к каноническому виду, для этого необходимо перейти от неравенств к равенствам, с добавлением дополнительных переменных.
Так как наша задача - задача минимизации, то нам необходимо преобразовать ее к задаче на поиск максимума. Для этого изменим знаки коэффициентов целевой функции на противоположные. Элементы первого неравенства записываем без изменений, добавив в него дополнительную переменную x 5 и изменив знак "≤" на "=". Т. к. второе и третье неравенства имеют знаки "≥" необходимо поменять знаки их коэффициентов на противоположные и внести в них дополнительные переменные x 6 и x 7 соответственно. В результате получем эквивалентную задачу:
3x 1 +6x 2 -4x 3 +x 4 +x 5 =12
-4x 1 +13x 2 -10x 3 -5x 4 +x 6 =-6
-3x 1 -7x 2 -x 3 +x 7 =-1
Переходим к формированию исходной симплекс таблицы. В строку F таблицы заносятся коэффициенты целевой функции с противоположным знаком.
Своб член |
|||||
| F | |||||
| X5 | |||||
| X6 | |||||
| X7 |
В составленой нами таблице имеются отрицательные элементы в столбце свободных членов, находим среди них максимальный по модулю - это элемент: -6, он задает ведущую строку - X6. В этой строке так же находим максимальный по модулю отрицательный элемент: -10 он находится в столбце X3 который будет ведущим столбцом. Переменная в ведущей строке исключается из базиса, а переменная соответсвующая ведущему столцу включается в базис. Пересчитаем симплекс-таблицу:
| X1 | X2 | X6 | X4 | Своб член | |
| F | 0.8 | 8.9 | 0.3 | 6.5 | -1.8 |
| X5 | 4.6 | 0.8 | -0.4 | 3 | 14.4 |
| X3 | 0.4 | -1.3 | -0.1 | 0.5 | 0.6 |
| X7 | -2.6 | -8.3 | -0.1 | 0.5 | -0.4 |
В составленой нами таблице имеются отрицательные элементы в столбце свободных членов, находим среди них максимальный по модулю - это элемент: -0.4, он задает ведущую строку - X7. В этой строке так же находим максимальный по модулю отрицательный элемент: -8.3 он находится в столбце X2 который будет ведущим столбцом. Переменная в ведущей строке исключается из базиса, а переменная соответсвующая ведущему столцу включается в базис. Пересчитаем симплекс-таблицу:
| X1 | X7 | X6 | X4 | Своб член | |
| F | -1.988 | 1.072 | 0.193 | 7.036 | -2.229 |
| X5 | 4.349 | 0.096 | -0.41 | 3.048 | 14.361 |
| X3 | 0.807 | -0.157 | -0.084 | 0.422 | 0.663 |
| X2 | 0.313 | -0.12 | 0.012 | -0.06 | 0.048 |
Так как в столбце свободных членов нет отрицательных элементов, то найдено допустимое решение.В строке F имеются отрицательные элементы, это означает что полученое решение не оптимально. Определим ведущий столбец. Для этого найдем в строке F максимальный по модулю отрицательный элемент - это -1.988 Ведущей строкой будет та для которой отношение свободного члена к соответствующему элементу ведущего столбца минимально. Ведущей строкой является X2, а ведущий элемент: 0.313.
| X2 | X7 | X6 | X4 | Своб член | |
| F | 6.351 | 0.31 | 0.269 | 6.655 | -1.924 |
| X5 | -13.895 | 1.763 | -0.577 | 3.882 | 13.694 |
| X3 | -2.578 | 0.152 | -0.115 | 0.577 | 0.539 |
| X1 | 3.195 | -0.383 | 0.038 | -0.192 | 0.153 |
Так как в строке F нет отрицательных элементов, то
найдено оптимальное решение. Так как исходной задачей был поиск минимума, то оптимальным решением будет свободный член строки F, взятый с противоположным знаком. F=1.924
при значениях переменных равных: x 3 =0.539, x 1 =0.153. Переменные x 2 и x 4 не входят в базис, поэтому x 2 =0 x 4 =0.
Шаг 0. Подготовительный этап.
Приводим задачу ЛП к специальной форме (15).
Шаг 1. Составляем симплекс-таблицу , соответствующую специальной форме:
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
Заметим,
что этой таблице соответствует допустимое
базисное решение
задачи (15). Значение целевой функции на
этом решении
Шаг 2. Проверка на оптимальность
Если
среди элементов индексной строки
симплекс – таблицы
нет ни одного положительного элемента
то
,
оптимальное решение задачи ЛП найдено:.
Алгоритм завершает работу.
Шаг 3. Проверка на неразрешимость
Если
среди
есть положительный элемент
,
а в соответствующем столбце
нет ни одного положительного элемента
,
то целевая функцияL
является неограниченной снизу на
допустимом множестве. В этом случае
оптимального решения не существует.
Алгоритм завершает работу.
Шаг 4. Выбор ведущего столбца q
Среди
элементов
выбираем максимальный положительный
элемент
.Этот
столбец объявляем ведущим (разрешающим).
Шаг 5. Выбор ведущей строки p
Среди
положительных элементов столбца
находим элемент
,
для которого выполняется равенство
.
Строку
p
объявляем ведущей (разрешающей). Элемент
объявляем ведущим (разрешающим).
Шаг 6. Преобразование симплексной таблицы
Составляем новую симплекс-таблицу, в которой:
а)
вместо базисной переменной
записываем
,
вместо небазисной пере менной
записываем
;
б)
ведущий элемент заменяем обратной
величиной
;
в)
все элементы ведущего столбца (кроме
)
умножаем на
;
г)
все элементы ведущей строки (кроме
)
умножаем на
;
д) оставшиеся элементы симплексной таблицы преобразуются по следующей схеме «прямоугольника».
Из элемента вычитается произведение трех сомножителей:
первый – соответствующий элемент ведущего столбца;
второй – соответствующий элемент ведущей строки;
третий
– обратная величина ведущего элемента
.
Преобразуемый элемент и соответствующие ему три сомножителя как раз и являются вершинами «прямоугольника».
Шаг 7. Переход к следующей итерации осуществляется возвратом к шагу 2.
2.3. Алгоритм симплекс-метода для задачи на максимум
Алгоритм
симплекс-метода для задачи на максимум
отличается от алгоритма для задачи на
минимум только знаками индексной строки
коэффициентов в целевой функции
,
а именно:
На
шаге 2:
:
На
шаге 3
.
Целевая функция является неограниченной
сверху на допустимом множестве.
На
шаге 4
:
.
2.4. Пример решения задачи симплекс-методом
Решить задачу, записанную в виде (15).
Составим симплексную таблицу:
|
|
|
|
|
|
| |||
|
|
|
Так как коэффициенты строки целевой функции неотрицательны, то начальное базисное решение не является оптимальным. Значение целевой функции для этого базисаL=0.
Выбираем
ведущий столбец – это столбец,
соответствующий переменной
.
Выбираем
ведущую строку. Для этого находим
.
Следовательно, ведущая строка соответствует
переменной
.
Проводим
преобразование симплексной таблицы,
вводя переменную
в базис и выводя переменную
из базиса. Получим таблицу:
|
|
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
Одна итерация метода завершена. Переходим к новой итерации. Полученная таблица неоптимальная. Базисное решение, соответствующее таблице, имеет вид . Значение целевой функции на этом базисеL= -2 .
Ведущий
столбец здесь – столбец, соответствующий
переменной
.
Ведущая строка – строка, соответствующая
переменной
.
После проведения преобразований получим
симплексную таблицу:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Еще одна итерация завершена. Переходим к новой итерации.
Строка целевой функции не содержит положительных значений, значит, соответствующее базисное решение является оптимальным, и алгоритм завершает работу.
| - | x 1 | + | x 2 | - | S 1 | = | 1 | ||||||||||
| x 1 | +3 | x 2 | + | S 2 | = | 15 | |||||||||||
| - | 2 | x 1 | + | x 2 | + | S 3 | = | 4 |
| - | x 1 | + | x 2 | - | S 1 | + | R 1 | = | 1 | |||||||||||
| x 1 | +3 | x 2 | + | S 2 | = | 15 | ||||||||||||||
| - | 2 | x 1 | + | x 2 | + | S 3 | = | 4 |
| x 1 = 0 x 2 = 0 S 1 = 0 S 2 = 15 S 3 = 4 R 1 = 1 |
=> W = 1 |
| x 1 | x 2 | S 1 | S 2 | S 3 | R 1 | св. член | Θ |
| -1 | 1 | -1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1: 1 = 1 |
| 1 | 3 | 0 | 1 | 0 | 0 | 15 | 15: 3 = 5 |
| -2 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 4 | 4: 1 = 4 |
| 1 | -1 | 1 | 0 | 0 | 0 | W - 1 | |
| -1 | 1 | -1 | 0 | 0 | 1 | 1 | |
| 4 | 0 | 3 | 1 | 0 | -3 | 12 | |
| -1 | 0 | 1 | 0 | 1 | -1 | 3 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | W - 0 |
| - | x 1 | + | x 2 | - | S 1 | = | 1 | ||||||||||
| 4 | x 1 | + | 3 | S 1 | + | S 2 | = | 12 | |||||||||
| - | x 1 | + | S 1 | + | S 3 | = | 3 |
| x 1 | x 2 | S 1 | S 2 | S 3 | св. член | Θ |
| -1 | 1 | -1 | 0 | 0 | 1 | |
| 4 | 0 | 3 | 1 | 0 | 12 | 12: 4 = 3 |
| -1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 3 | |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | F - 1 | |
| -1 | 1 | -1 | 0 | 0 | 1 | |
| 1 | 0 | 3/4 | 1/4 | 0 | 3 | |
| -1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 3 | |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | F - 1 | |
| 0 | 1 | -1/4 | 1/4 | 0 | 4 | |
| 1 | 0 | 3/4 | 1/4 | 0 | 3 | |
| 0 | 0 | 7/4 | 1/4 | 1 | 6 | |
| 0 | 0 | -2 | -1 | 0 | F - 13 |
| S 1 = 0 S 2 = 0 x 1 = 3 x 2 = 4 S 3 = 6 |
=> F - 13 = 0 => F = 13 |
