Решение матрицы венгерским методом онлайн. Задача о назначениях (венгерский метод) х. Венгерский метод решения задач о назначениях

Предположим, что у нас имеются $4$ склада $A_1,\ A_2,\ A_3,\ A_4$ и $4$ магазина $B_1,\ B_2,\ B_3,\ B_4$. Расстояния от каждого склада до каждого магазина заданы с помощью следующей матрицы:

Например, расстояние от $A_1$ до $B_1$ равно элементу $a_{11}=10$, расстояние от $A_2$ до $B_2$ равно элементу $a_{12}=20$, и т.д.

Требуется так прикрепить склады к магазинам, чтобы суммарное расстояние получилось минимальным. Такая задача называется задачей о назначениях. Решать ее можно с помощью так называемого венгерского алгоритма.

Венгерский алгоритм

1. В каждой строке матрицы назначения находим минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов строки.
2. В каждом столбце полученной матрицы находим минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов столбца.
3. Находим строку с одним нулем. Этот ноль заключаем в квадрат и называем отмеченным. В столбце, где стоит отмеченный ноль, все остальные нули зачеркиваем и в дальнейшем не рассматриваем. Этот шаг продолжаем, пока возможно.
4. Находим столбец с одним нулем и этот ноль отмечаем. В строке, где стоит отмеченный ноль, все остальные нули зачеркиваются. Этот шаг продолжаем, пока возможно.
5. Если после выполнения шагов $3$ и $4$ еще остаются неотмеченные нули, то отмечаем любой их них, а в строке и столбце, где стоит отмеченный ноль, все остальные нули зачеркиваются.
6. Если каждая строка и каждый столбец матрицы содержит ровно один отмеченный ноль, то получено оптимальное решение. Каждый из отмеченных нулей прикрепляет поставщика к потребителю. В противном случаем проводим минимальное количество пересекающихся вертикальных и горизонтальных прямых через все нули. Среди не зачеркнутых этими прямыми чисел ищем минимум. Этот минимум вычитаем их всех не зачеркнутых чисел и прибавляем ко всем числам на пересечении прямых. К полученной матрице применяем вышеприведенный алгоритм, начиная с шага $3$.

Пример решения

Находим минимальный элемент в каждой строке матрицы и вычитаем его из всех элементов строки.

В полученной матрице проделываем тоже самое со столбцами, то есть находим в каждом столбце минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов столбца.

В первой строке полученной матрицы находится ровно один ноль. Отмечаем его, а в столбце, где стоит этот ноль все остальные нули зачеркиваем. Получим матрицу:

Следующая строка, в который находится ровно один ноль, это $4$-я. С ней поступаем точно так же. Больше нет строк, содержащих ровно один ноль, но имеются столбцы с одним нулем. Второй столбец содержит ровно один ноль, который мы и отметим. Поскольку этот ноль находится в $3$-й строке, то вычеркиваем все нули, находящиеся в $3$-й строке. Получим матрицу:

Видим, что в матрице больше нет нулей. Полученное распределение не является оптимальным, поскольку во второй строке нет отмеченных нулей. Проводим минимальное количество пересекающихся вертикальных и горизонтальных прямых через все нули.

Находим минимальный элемент среди не зачеркнутых этими прямыми чисел: ${\min \left(5,\ 13,\ 7,\ 2,\ 11,\ 8\right)\ }=2$. Вычитаем найденный минимум из всех не зачеркнутых чисел и прибавляем его ко всем числам, стоящими на пересечении прямых. Получим матрицу:

Полученное распределение не является оптимальным, поскольку в $4$-й строке нет отмеченных нулей. Проводим прямые:

${\min \left(11,\ 5,\ 9,\ 6,\ 6,\ 1\right)\ }=1$. Вычитаем найденный минимум из всех не зачеркнутых чисел и прибавляем его ко всем числам, стоящими на пересечении прямых. Получим матрицу:

К полученной матрицы применяем вышеописанный алгоритм:

Видим, что в каждой строке и в каждом столбце матрицы находится ровно один отмеченный ноль. Получено оптимальное распределение. $A_1$ прикрепляем к $B_4$, $A_2$ - к $B_1$, $A_3$ - к $B_2$, $A_4$ - к $B_3$. Для того, чтобы найти суммарное распределение, нужно сложить числа, расположенные в исходной матрице на месте отмеченных нулей. Получим: $5+3+8+8=24$.

Стоит отметить, что задача о назначениях может решаться и на максимум (чтобы суммарное расстояние было максимальным). В этом случае каждый элемент матрицы умножается на $-1$ и к полученной матрице применяется вышеописанный алгоритм.

Специфические особенности задач о назначениях послужили поводом к появлению эффективного венгерского метода их решения. Основная идея венгерского метода заключается в переходе от исходной квадратной матрицы стоимости С к эквивалентной ей матрице С э с неотрицательными элементами и системой п независимых нулей, из которых никакие два не принадлежат одной и той же строке или одному и тому же столбцу. Для заданного п существует п допустимых решений. Если в матрице назначения X расположить п единиц так, что в каждой строке и каждом столбце находится только по одной единице, расставленных в соответствии с расположенными п независимыми нулями эквивалентной матрицы стоимости С э, то получим допустимые решения задачи о назначениях.

Алгоритм венгерского метода рассмотрим па примере решения задачи по заданной матрице стоимости

Следует иметь в виду, что для любого недопустимого назначения соответствующая ему стоимость условно полагается равной достаточно большому числу М в задачах на минимум. Если исходная матрица не является квадратной, то следует ввести дополнительно необходимое количество строк или столбцов, а их элементам присвоить значения, определяемые условиями задачи, возможно, после редукции, а доминирующие альтернативы, дорогие или дешевые, исключить.

А. Решение задач на минимум затрат

1. Проводим редукцию матрицы по строкам и столбцам, как и в методе ветвей и границ

• 2. Методом проб и ошибок проводим поиск допустимого решения, для которого все назначения имеют нулевую стоимость. Поскольку расположение нулевых элементов в матрице не позволяет образовать систему из четырех независимых нулей, то решение недопустимое.
• 3. Проводим модификацию матрицы. Вычеркиваем строки и столбцы с возможно большим количеством нулевых элементов - строки 2 и 3, столбец 1, и получаем сокращенную матрицу

Минимальный элемент сокращенной матрицы (2) вычитаем из всех ее элементов и складываем его с элементами, расположенными на пересечениях вычеркнутых строк и столбцов: 12 + 2 = 14; 3 + 2 = 5 редуцированной матрицы. В результате получаем эквивалентную матрицу

4. Метолом проб и ошибок определяем матрицу назначения X, которая позволяет по аналогично расположенным элементам исходной матрицы (в прямоугольниках) вычислить минимальную стоимость назначения

В. Решение задач на максимум прибыли

1. Модифицируем матрицу умножением всех элементов на (-1) и затем сложением их с максимальным элементом матрицы (17) так, чтобы матрица не содержала бы отрицательных элементов:

2. Редуцируя матрицу по строкам и столбцам, получим эквивалентную матрицу

3. Методом проб и ошибок строим матрицу назначения X и но ней вычисляем максимальную (в исходной матрице значения в прямоугольниках) прибыль:

Пример 4.6. Распределить производство трех видов товара Т|, Т 2 , Т3 среди пяти предприятий П|, П 2 , П:(, П 4 , П-, с целью получения максимальной прибыли от продажи товаров по следующим данным:

Издержки производства с,у единицы товара (долл.)

Годовой спрос (шт.) и цепа товара (долл.)

Формируем матрицу годовой прибыли с учетом спроса (тыс. долл.)

2. Модифицируем матрицу умножением всех элементов на (-1) и сложением с максимальным числом матрицы (8000) и для устранения дисбаланса вводим два вида Т 4 , Т Г) фиктивной продукции с нулевой прибылью, поскольку матрица должна быть квадратной:

3. Редуцируем матрицу по строкам и столбцам:

4. Модифицируем матрицу путем исключения строк 4, 5 и столбцов 3, 4, получим сокращенную матрицу

Затем определяем в ней минимальный элемент 180, вычитаем его из всех элементов этой матрицы и суммируем его с элементами, находящимися на пересечениях исключаемых строк и столбцов редуцированной матрицы (выделена в прямоугольниках), объединяем результаты и получаем эквивалентную матрицу

по которой строим матрицу назначения

и по ней, наложив на матрицу исходных данных, определяем максимальное значение прибыли

Таким образом, венгерским методом можно решать многие задачи коммерческой деятельности. Следует заметить, что наиболее сложной и тонкой работой является постановка задач, связанных с вычислением элементов матрицы стоимости претендентов по должностям. Затем необходимо определить каким-либо методом эффективность проявления личности на каждой вакантной должности, например бухгалтера, менеджера, коммерсанта или финансиста. При этом можно воспользоваться сравнением требуемого перечня необходимых и достаточных должностных качеств - эталона (табл. 4.18), например коммерсанта, и фактически имеющихся качеств у претендента. Вычислить элемент матрицы с,у как разность интегральных критериев эталона и личности с учетом еще и отрицательных качеств претендента.

Таблица 4.18

Для примера в качестве претендентов воспользуемся такими известными литературными персонажами, как Гобсек, Чичиков, Собакевич, Плюшкин, Остап Бендер, положительные и отрицательные качества которых описаны в известных произведениях (табл. 4.19).

Таблица 4.19

Решение начинаем с определения веса - значимости должностных качеств (см. табл. 4.18) методом парных сравнений (см. п. 1.3), начиная с директора (табл. 4.20).

Определяем правильность заполнения матрицы:

Вес качеств определяем по формуле М; = 5,-/и 2 , результаты заносим в табл. 4.20.

Затем, сравнивая необходимые качества должности директора (см. табл. 4.20) с качествами претендентов (табл. 4.21), строим матрицу наличия качеств директора у претендентов (см. табл. 4.21) и вычисляем значения коэффициентов эффективности Су.

Наиболее подходящим кандидатом на эту должность является Гобсек, Су = 0,6224.

По результатам сравнения определяем коэффициенты эффективности су и заносим в табл. 4.22.

Аналогичным образом проводим операции сравнения по другим должностям, а полученные значения Су представим в виде матрицы эффективности (см. табл. 4.22).

Решая полученную матрицу венгерским методом на максимум, получим матрицу оптимального распределения претендентов по должностям (табл. 4.23).

Следует заметить, что должность менеджера остается вакантной. Можно продолжить решение задачи с учетом влияния отрицательных качеств претендентов, которые уменьшают значения коэффициентов эффективности.

Таблица 4.20

Таблица 4.22

Задача: Решить задачу о назначениях на максимум.

Не будем приводить какое-либо словесное условие, они могут быть разные, например «На работу устраиваются 6 кандидатов на 6 вакансий и они получили соответствующие оценки при собеседовании на каждую вакансию, провести набор кандидатов на шесть вакансий так, чтобы суммарная оценка кандидатов была максимальной» или «шесть станков выполняют шесть работ за время, заданное в таблице, составить производственный план…». Будем считать, что перед нами матрица (платежная, временная и т.д.) и нужно решить задачу о назначениях венгерским методом на максимум, т.е. выбрать по одной клетке в строке и столбцу так, чтобы из сумма была максимальна.

Решение:
Шаг 1:
Замечание: первый шаг требуется только для решения задачи на максимум, если вам требуется решить её на минимум, то пропустите его.

Преобразуем матрицу, заменив каждый элемент матрицы разностью максимального элемента этой строки и самого элемента.

Вычтем

Шаг 2.

Требуется получить нули в каждой строке и в каждом столбце. В третьем, пятом и шестом столбцах нулей нет, вычтем из элементов этих столбцов минимальный элемент соответствующего столбца.

Вычтем

Шаг 3.

Получили матрицу, в которой в каждой строки и каждом столбце есть ноль. Нашей целью является отметить по одной ячейке в каждой строке и каждом столбце так, чтобы они были нулевые. В этой матрице только первые четыре строки и столбца удовлетворяют этому требованию. Отметим соответствующие ячейки рамкой.

Отметим как «недовольную строку», 5-ю, в которой мы такой ноль отметить не смогли, и второй столбец, он содержит ноль в пятой строке. Но второй столбец также содержит ноль в первой строке, отметим и ее как «недовольную». Первая строка нулей больше не содержит, т.е. процесс отмечания недовольных строк закончен, и мы получили ситуацию под названием «узкое место».

В таблице будем отмечать недовольные строки и столбцы звездочками, а число рядом со звездочкой будет означать порядок отмечания (для лучшего понимания процесса) .

Выберем минимальный элемент в помеченных строках вне отмеченных строк. Это 3, стоящая в пятом столбце и пятом столбце.
Вычтем этот элемент из отмеченных строк и прибавим в полученных столбцах.

Выполним действия, заметим, что теперь можно отметить ноль в пятой строке и пятом столбце.

Шаг 4.

Не хватает еще нуля в 6-ой строке. Отметим её как недовольную, она имеет ноль в первом столбце, отметим его как недовольный, он, в свою очередь, содержит ноль во второй строке, отметим её, но она более нулей не содержит, процесс отмечания законен.

При обсуждении постановки задачи о назначениях было отмечено, что эта задача является частным случаем классической транспортной задачи и, как следствие, является задачей транспортного типа. Применительно к задаче о назначениях симплексный метод не эффективен, так как любое ее допустимое базисное решение является вырожденным. Специфические особенности задачи о назначениях позволили разработать эффективный метод ее решения, известный как венгерский метод.

Частным случаем транспортной задачи является задача о назначениях, в которой число пунктов производства равно числу пунктов назначения, т.е. транспортная таблица имеет форму квадрата. Кроме того, в каждом пункте назначения объем потребности равен 1, и величина предложения каждого пункта производства равна 1. Любая задача о назначениях 2может быть решена с использованием методов линейного программирования или алгоритма решения транспортной задачи. Однако ввиду особой структуры данной задачи был разработан специальный алгоритм, получивший название Венгерского метода.

Венгерский метод является одним из интереснейших и наиболее распространенных методов решения транспортных задач.

Рассмотрим основные идеи венгерского метода на примере решения задачи выбора (задачи о назначениях), которая является частным случаем Т-задачи, а затем обобщим этот метод для произвольной Т-задачи.

Постановка задачи. Предположим, что имеется различных работ и механизмов, каждый из которых может выполнять любую работу, но с неодинаковой эффективностью. Производительность механизма при выполнении работы обозначим, и = 1,...,n; j = 1,...,n. Требуется так распределить механизмы по работам, чтобы суммарный эффект от их использования был максимален. Такая задача называется задачей выбора или задачей о назначениях.

Формально она записывается так. Необходимо выбрать такую последовательность элементов из матрицы

чтобы сумма была максимальна и при этом из каждой строки и столбца С был выбран только один элемент.

Введем следующие понятия.

Нулевые элементы матрицы С называются независимыми нулями, если для любого строка и столбец, на пересечении которых расположен элемент, не содержат другие такие элементы.

Две прямоугольные матрицы С и D называются эквивалентными (C ~ D), если для всех i,j . Задачи о назначениях, определяемые эквивалентными матрицами, являются эквивалентными (т.е. оптимальные решения одной из них будут оптимальными и для второй, и наоборот).