Методы линейного программирования. Переход от задачи минимизации целевой функции к задаче максимизации
Линейное программирование сформировалось как отдельный раздел прикладной математики в 40 – 50-х гг. ХХ в. благодаря работам советского ученого, лауреата Нобелевской премии Л.В. Канторовича. В 1939 году им была опубликована работа «Математические методы организации и планирования производства», в которой он с использованием математики решил экономические задачи о наилучшей загрузке машин, раскрое материалов с наименьшими расходами, распределении грузов по нескольким видам транспорта и другие, предложив метод разрешающих множителей 8 .
Л.В. Канторович впервые сформулировал такие широко используемые экономико-математические понятия, как оптимальный план, оптимальное распределение ресурсов, объективно обусловленные оценки, указав многочисленные области экономики, где они могут быть применены.
Понятие линейного программирования было введено американским математиком Д. Данцигом, который в 1949 г. предложил алгоритм решения задачи линейного программирования, получивший название «симплексный метод».
Математическое программирование, в которое входит линейное программирование, в настоящее время является одним из направлений исследования операций. В зависимости от вида решаемых задач в нем выделяют такие области, как линейное, нелинейное, дискретное, динамическое программирование и др. Термин «программирование» введен в связи с тем, что неизвестные переменные, которые находятся в процессе решения задачи, обычно определяют программу или план работы некоторого экономического объекта.
В классическом математическом анализе исследуются общая постановка задачи определения условного экстремума. Однако в связи с развитием промышленного производства, транспорта, агропромышленного комплекса, банковского сектора традиционных результатов математического анализа оказалось недостаточно. Потребности практики и развитие вычислительной техники привели к необходимости определения оптимальных решений при анализе сложных экономических систем.
Главным инструментом для решения таких задач является математическое моделирование. При этом сначала строится простая модель, затем проводится ее исследование, позволяющее понять, какие из интегрирующих свойств объекта не улавливаются формальной схемой, после чего за счет усложнения модели обеспечивается большая ее адекватность реальности. Во многих случаях первым приближением к действительности является модель, в которой все зависимости между переменными, характеризующими состояние объекта, являются линейными. Практика показывает, что достаточное количество экономических процессов достаточно полно описывается линейными моделями. Следовательно, линейное программирование как аппарат, позволяющий отыскивать условный экстремум на множестве, заданном линейными уравнениями и неравенствами, играет важную роль при анализе этих процессов.
Линейное программирование получило широкое развитие в связи с тем, что было установлено: ряд задач сферы планирования и управления может быть сформулирован в виде задач линейного программирования, для решения которых имеются эффективные методы. По оценкам специалистов примерно 80–85 % всех решаемых на практике задач оптимизации относится к задачам линейного программирования.
Созданный математический аппарат в сочетании с компьютерными программами, производящими трудоемкие расчеты, позволяет широко использовать модели линейного программирования в экономической науке и практике.
Определение 1 9 . Линейное программирование (ЛП) – это область математического программирования, являющегося разделом математики и изучающего методы поиска экстремальных (наибольших и наименьших) значений линейной функции конечного числа переменных, на неизвестные которой наложены линейные ограничения.
Эта линейная функция называется целевой, а ограничения, которые представляют количественные соотношения между переменными, выражающие условия и требования экономической задачи и математически записываются в виде уравнений или неравенств, называются системой ограничений.
К задачам линейного программирования сводится широкий круг вопросов планирования экономических процессов, где ставится задача поиска наилучшего (оптимального) решения.
Общая задача линейного программирования (ЗЛП) состоит в нахождении экстремального значения (максимума или минимума) линейной функции, называемой целевой 10:
от n переменных x 1 , x 2 , …, х n при наложенных функциональных ограничениях:
(3.2)
и прямых ограничениях (требовании неотрицательности переменных)
, (3.3)
где a ij , b i , c j – заданные постоянные величины.
В системе ограничений (3.2) знаки «меньше или равно», «равно», «больше или равно» могут встречаться одновременно.
ЗЛП в более краткой записи имеет вид:
,
при ограничениях:
;
.
Вектор `Х = (x 1 , x 2 , …, х n ) компоненты которого удовлетворяют функциональным и прямым ограничениям задачи называют планом (или допустимым решением ) ЗЛП.
Все допустимые решения образуют область определения задачи линейного программирования, или область допустимых решений (ОДР). Допустимое решение, которое доставляет максимум или минимум целевой функции f (`X ), называется оптимальным планом задачи и обозначается f (`X * ), где ` Х * =(x 1 * , x 2 * , …, х n * ).
Еще одна форма записи ЗЛП:
,
где f (`X * ) есть максимальное (минимальное) значение f (С , х ), взятое по всем решениям, входящим в множество возможных решений Х .
Определение 2 11 . Математическое выражение целевой функции и ее ограничений называются математической моделью экономической задачи.
Для составления математической модели необходимо:
1) обозначить переменные;
2) составить целевую функцию исходя из цели задачи;
3) записать систему ограничений, учитывая имеющие в условии задачи показатели и их количественные закономерности.
Линейное программирование представляет собой один из наиболее значимых разделов математики, где осуществляется изучение теоретических и методических основ решения определенных задач. Данная математическая дисциплина широко используется в последние годы в разнообразных экономических и технических областях, где не последняя роль отведена математическому планированию и использованию автоматических систем вычисления. Этот раздел науки посвящен изучению линейных оптимизационных моделей. То есть линейное программирование посвящено числам. Впервые данный термин был предложен Т. Купмансом в 1951 году. Оптимальный план каждой линейной программы необходимо автоматически связывать с оптимальным уровнем цен, то есть с объективно обусловленными оценками.
Линейное программирование: методы
При помощи методики удается решить немалое количество экстремальных задач, что связаны с экономикой. В данном случае обычно требуется найти крайние значения некоторых функций переменной величины. В качестве основы линейного программирования выражено решение системы преобразуемых в уравнения и неравенства. Данный вид программирования характеризуется математической формулировкой переменных величин, последовательностью и определенным порядком расчетов, а также логическим анализом. Это применимо:
Если имеется математическая определенность и количественная ограниченность между изучаемыми факторами и переменными величинами;
Если имеется взаимозаменяемость факторов благодаря последовательности расчетов;
В случае если математическая логика совмещена с пониманием сущности явлений, которые изучаются.
Линейное программирование в способствует исчислению оптимальной производительности всех машин, поточных линий, агрегатов, а также решению задач рационального применения имеющихся материалов.
В сельском хозяйстве при помощи данного метода определяется минимальная стоимость рациона кормежки с учетом имеющегося количества корма. При этом учитываются виды и содержание в них определенных полезных веществ.
В литейном производстве данная методика позволяет найти решение транспортной задачи и задачи о смесях, которые входят в состав металлургической шихты. Суть транспортной задачи в данном случае подразумевает оптимальное прикрепление потребляющих предприятий к предприятиям, которые заняты производством продукции.
Линейное программирование: задачи
Отличительной чертой всех экономических задач, которые решаются посредством методики линейного программирования, является выбор определенных вариантов решения, а также ограничивающих условий. Благодаря решению такой задачи удается найти оптимальное решение из всех альтернативных вариантов.
Значительной ценностью использования методики линейного программирования в экономике служит выбор самого оптимального варианта из большого количества всех вариантов, которые считаются допустимо возможными. Подобные задачи почти нереально решить иными способами, так как только они позволяют найти степень рациональности применения При помощи линейного программирования разрешается такая основная задача, как транспортная, которая должна минимизировать грузооборот продукции широкого потребления в процессе их доставки от производителя.
Линейное программирование в Excel
В процессе решения таких задач для начала необходимо составить модель, что подразумевает формулировку условий на математическом языке. После этого этапа можно найти решение посредством графического метода. Для этого в программе Excel существует специальная функция «Поиск решения».
Как уже понятно из вышесказанного, линейное программирование имеет весьма обширную сферу применения.
Методы линейного программирования применяются для решения многих экстремальных задач, с которыми довольно часто приходится иметь дело в экономике. Решение таких задач сводится к нахождению крайних значений (максимума и минимума) некоторых функций переменных величин.
Линейное программирование основано на решении системы линейных уравнений (с преобразованием в уравнения и неравенства), когда зависимость между изучаемыми явлениями строго функциональна. Для него характерны математическое выражение переменных величин, определенный порядок, последовательность расчетов (алгоритм), логический анализ. Применять его можно только в тех случаях, когда изучаемые переменные величины и факторы имеют математическую определенность и количественную ограниченность, когда в результате известной последовательности расчетов происходит взаимозаменяемость факторов, когда логика в расчетах, математическая логика совмещаются с логически обоснованным пониманием сущности изучаемого явления.
С помощью этого метода в промышленном производстве, например, исчисляется оптимальная общая производительность машин, агрегатов, поточных линий (при заданном ассортименте продукции и иных заданных величинах), решается задача рационального раскроя материалов (с оптимальным выходом заготовок). В сельском хозяйстве он используется для определения минимальной стоимости кормовых рационов при заданном количестве кормов (по видам и содержащимся в них питательным веществам). Задача о смесях может найти применение и в литейном производстве (состав металлургической шихты). Этим же методом решаются транспортная задача, задача рационального прикрепления предприятий-потребителей к предприятиям-производителям.
Все экономические задачи, решаемые с применением линейного программирования, отличаются альтернативностью решения и определенными ограничивающими условиями. Решить такую задачу - значит выбрать из всех допустимо возможных (альтернативных) вариантов лучший, Оптимальный. Важность и ценность использования в экономике метода линейного программирования состоят в том, что оптимальный вариант выбирается из весьма значительного количества альтернативных вариантов. При помощи других способов решать такие задачи практически невозможно.
В качестве примера рассмотрим решение задачи рациональности использования времени работы производственного оборудования.
В соответствии с оперативным планом участок шлифовки за первую неделю декабря выпустил 500 колец для подшипников типа А, 300 колец для подшипников типа Б и 450 колец для подшипников типа В. Все кольца шлифовались на двух взаимозаменяемых станках разной производительности. Машинное время каждого станка составляет 5000 мин. Трудоемкость операций (в минутах на одно кольцо) при изготовлении различных колец характеризуется следующими данными (табл. 6.5).
Таблица 6.5
Следует определить оптимальный вариант распределения операций по станкам и время, которое было бы затрачено при этом оптимальном варианте. Задачу выполним симплексным методом.
Для составления математической модели данной задачи введем следующие условные обозначения: jc, х2, хъ, - соответственно количество колец для подшипников типов Л, Б, В, производимых на станке I; х4, х5, х6, - соответственно количество колец для подшипников типов А, Б, В, производимых на станке II.
Линейная форма, отражающая критерий оптимальности, будет иметь вид:
min а(х) = 4x,-f 10x2-f 10x3-f 6x4-f 8х5+20х6 при ограничениях
4х, -f 10х2 -f 10;t3 lt; 5000
6х4 -f 8х5 -f 20х6 ~lt; 5000
х, = 500
х2 +х5 = 300
х3 +х6 = 450
Xj^0,j=l, ..., 6
Преобразуем условие задачи введением дополнительных (вспомогательных) и фиктивных переменных. Условие запишем так:
шіп lt;х(х) = 4дг, + 10x2+ 10x3 + 6x4 + 8x5 + 20x6+
+ Мх9 + Мх{0+Мх{,
Система уравнений, отражающая ограничительные условия машинного времени и количество произведенной продукции:
4х, + l(bc2 + 10х3 +х1 = 5000
6х4 + 8х5 + 20х6 + xs = 5000
Xj +х4 +х9 = 500
х2 +х5 +х10 = 300
XJ +X6 + *!1 = 450
-*,^0,7=1, ..., 11
Решение этой задачи представлено в табл. 6.6. Оптимальный вариант получен на седьмом этапе (итерации). Если бы на станке I производилось 125 колец подшипников типа А, 450 колец подшипников типа В, на станке II - 375 колец подшипников типа А и 300 колец подшипников типа Б, то при такой загрузке оборудования было бы высвобождено 350 мин машинного времени станка II. Общие затраты времени по оптимальному варианту составили бы 9650 мин, тогда как фактически затрачено 10000 мин машинного времени.
Весьма типичной задачей, решаемой с помощью линейного программирования, является транспортная задача. Ее смысл заключается в минимизации грузооборота при доставке товаров широкого потребления от производителя к потребителю, с оптовых складов и баз в розничные торговые предприятия. Она решается симплекс-методом или распределительным методом.
Решение транспортной задачи распределительным методом было дано в третьем издании учебника «Теория экономического анализа» («Финансы и статистика», 1996).
Решение задачи рациональности использования станков симплексным методом
| Базис | с | Ро | 4 | 10 | 10 | 6 | 8 | 20 | 0 | 0 | м | м | м |
| Л | Рг | Ръ | Л | Р ъ | | Pi | Р8 | р* | Л 0 | Л, |
|||
| Л | 0 | 5000 | 4 | 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | і | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Р, | 0 | 5000 | 0 | 0 | 0 | 6 | 8 | 20 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| Л | м | 500 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| Л 0 | м | 300 | ш | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Л. | м | 450 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| Zj-Cj | | 1250М | М-4 | М-10 | М-10 | М-6 | М-8 | М-20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Pi | 0 | 3000 | 0 | 10 | 10 | -4 | 0 | 0 | 0 | 0 | -4 | 0 | 0 |
| р* | 0 | 5000 | 0 | 0 | 0 | 6 | 8 | 20 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| Ро | 4 | 500 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| Ло | м | 300 | 0 | 1 | 0 | 0 | ш | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Л. | м | 450 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| zr-9 | | 750Л/+2000 | 0 | М-10 | М-10 | -2 | М-8 | О 2 | 0 | 0 | -М + 4 | 0 | 0 |
| Базис | С | Р0 | 4 | Pi | 10 | 6 | 8 | 20 | 0 | 0 | м | м | М |
| | | Pi | 10 | ^3 | л | Р5 | р6 | Pi | р« | р9 | Pi 0 | Рц |
|
| Pi | 0 | 3000 | 0 | 10 | 10 | -4 | 0 | 0 | 1 | 0 | -4 | 0 | 0 |
| Р* | 0 | 2600 | 0 | -8 | 0 | 6 | 0 | 20 | 0 | 1 | 0 | -8 | 0 |
| Pi | 4 | 500 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| Р5 | 8 | 300 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| РП | М | 450 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| Zj-Cj | | 450Л/+4400 | 0 | -2 | М-10 | -2 | 0 | М-20 | 0 | 0 | -М+4 | -М+8 | 0 |
| Ръ | 10 | 300 | 0 | 1 | 1 | 4 10 | 0 | 0 | 1 10 | 0 | 4 10 | 0 | 0 |
| Р% | 0 | 2600 | 0 | -8 | 0 | 6 | 0 | 20 | 0 | 1 | 0 | -8 | 0 |
| Pi | 4 | 500 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| Р5 | 8 | 300 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Рц | М | 150 | 0 | -1 | 0 | j4_ 10 | 0 | 1 | _ J_ 10 | 0 | 4 10 | 0 | 1 |
| zrCj | | 150Л/+7400 | 0 | -M+S | 0 | - М-6 10 | 0 | М-20 | - ~М+1 10 | 0 | -±м 10 | - Af+8" | 0 |
| Базис | с | Л, | 4 | 10 | 10 | 6 | 8 | 20 | 0 | 0 | М | М | м |
||
| Л | Рг | Л | л | PS | р6 | Pi | рamp; | Р9 | Ло | л. |
|||||
| Л | 10 | 300 | 0 | 1 | 1 | 4 | 0 | 0 | 1 | | 0 | | 4 | 0 | 0 |
| | | | | | | “10 | | | То | | | | “ 10 | | |
| р6 | 20 | 130 | 0 | 4 | 0 | 3 | 0 | 1 | 0 | | 1 | | 0 | 4 | 0 |
| | | | | ~Ї0 | | 10 | | | | | 20 | | | 10 | |
| л | 4 | 500 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | | 0 | | 1 | 0 | 0 |
| Ps | 8 | 300 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | | 0 | | 0 | 1 | 0 |
| Р\\ | М | 20 | 0 | 6 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | | 1 | | 4 | 4 | 1 |
| | | | | 10 | | ~10 | | | То | | 20 | То | 10 | |
|
| Zj-Cj | | 20М+10000 | 0 | | 0 | -м | 0 | 0 | м+\ | | -м+\ | --М | -*М | 0 |
|
| | | | | 10 | | 10 | | | 10 | 20 | | 10 | 10 | |
|
| л | 10 | 380 | 0 | 14 | 1 | 0 | 0 | 0 | 3 | | 2 | | 12 | 0 | 0 |
| | | | | 10 | | | | | 10 | | 10 | 10 | | |
|
| р% | 20 | 70 | 0 | 14 | 0 | 0 | 0 | 1 | 3 | | 2 | | 12 | 16 | -3 |
| | | | | 10 | | | | | 10 | | 10 | | 10 | 10 | |
| Л | 4 | 300 | 1 | 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | | 1 | | -3 | | -10 |
| | | | | | | | | | | | 2 | | | | |
| р5 | 8 | 300 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | | 0 | | 0 | 1 | 0 |
| Р4 | 6 | 200 | 0 | -6 | 0 | 1 | 0 | 0 | -1 | | 1 | | 4 | 4 | 10 |
| | | | | | | | | | | | ’ 2 | | | | |
| Z.-Ci | | 10000 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | -М | -М | -м |
||
| Базис | | Лgt; | 4 | 10 | 10 | 6 | 8 | 20 | 0 | 0 | м | м | л/ |
| о | Л | Рг | ръ | Р* | Р5 | Р6 | Л | Рamp; | р9 | Л 0 | л. |
||
| Рг | 10 | 450 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | | | |
| Р% | 0 | 350 | 0 | 7 | 0 | 0 | 0 | 5 | 3 5 | 1 | | | |
| Л | 4 | 125 | 1 | 5 2 | 0 | 0 | 0 | 5 2 | 1 4 | 0 | | | |
| Ps | 8 | 300 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | | | |
| Р4 | 6 | 375 | 0 | 5 2 | 0 | 1 | 0 | 5 2 | 1 4 | 0 | | | |
| Zj-Cj | | 9650 | 0 | -7 | 0 | 0 | 0 | -5 | 1 2 | 0 | | | |
Аннотация: Данная лекция раскрывает ряд вопросов, посвященных линейному программированию как одному из разделов математического программирования; в частности, формулирует основные виды задач линейного программирования, раскрывает отличия данных задач от классических задач математического анализа; знакомит с различными формами записи данных задач, осуществляет их постановку и исследование структуры. Наиболее полно раскрыт вопрос о решении задач линейного программирования симплекс-методом.
1. Понятие математического программирования
– это математическая дисциплина, в которой разрабатываются методы отыскания экстремальных значений целевой функции среди множества ее возможных значений, определяемых ограничениями.
Наличие ограничений делает задачи принципиально отличными от классических задач математического анализа по отысканию экстремальных значений функции. Методы математического анализа для поиска экстремума функции в задачах математического программирования оказываются непригодными.
Для решения задач математического программирования разработаны и разрабатываются специальные методы и теории. Так как при решении этих задач приходится выполнять значительный объем вычислений, то при сравнительной оценке методов большое значение придается эффективности и удобству их реализации на ЭВМ.
Можно рассматривать как совокупность самостоятельных разделов, занимающихся изучением и разработкой методов решения определенных классов задач.
В зависимости от свойств целевой функции и функции ограничений все задачи математического программирования делятся на два основных класса:
- задачи линейного программирования,
- задачи нелинейного программирования .
Если целевая функция и функции ограничений – линейные функции, то соответствующая задача поиска экстремума является задачей линейного программирования. Если хотя бы одна из указанных функций нелинейна, то соответствующая задача поиска экстремума является задачей нелинейного программирования .
2. Понятие линейного программирования. Виды задач линейного программирования
Линейное программирование (ЛП) – один из первых и наиболее подробно изученных разделов математического программирования . Именно линейное программирование явилось тем разделом, с которого и начала развиваться сама дисциплина " математическое программирование ". Термин "программирование" в названии дисциплины ничего общего с термином "программирование (т.е. составление программы) для ЭВМ" не имеет, т.к. дисциплина " линейное программирование " возникла еще до того времени, когда ЭВМ стали широко применяться для решения математических, инженерных, экономических и др. задач.
Термин " линейное программирование " возник в результате неточного перевода английского " linear programming ". Одно из значений слова "programming" - составление планов, планирование. Следовательно, правильным переводом английского " linear programming " было бы не " линейное программирование ", а "линейное планирование", что более точно отражает содержание дисциплины. Однако, термины линейное программирование , нелинейное программирование, математическое программирование и т.д. в нашей литературе стали общепринятыми и поэтому будут сохранены.
Итак, линейное программирование возникло после второй мировой войны и стало быстро развиваться, привлекая внимание математиков, экономистов и инженеров благодаря возможности широкого практического применения, а также математической стройности.
Можно сказать, что линейное программирование применимо для решения математических моделей тех процессов и систем, в основу которых может быть положена гипотеза линейного представления реального мира.
Линейное программирование применяется при решении экономических задач, в таких задачах как управление и планирование производства; в задачах определения оптимального размещения оборудования на морских судах, в цехах; в задачах определения оптимального плана перевозок груза (транспортная задача); в задачах оптимального распределения кадров и т.д.
Задача линейного программирования (ЛП), как уже ясно из сказанного выше, состоит в нахождении минимума (или максимума) линейной функции при линейных ограничениях.
Общая форма задачи имеет вид: найти при условиях
Наряду с общей формой широко используются также каноническая и стандартная формы. Как в канонической, так и в стандартной форме
Т.е. все переменные в любом допустимом решении задачи должны принимать неотрицательные значения (такие переменные принято называть неотрицательные в отличие от так называемых свободных переменных, на область значений которых подобное ограничение не накладывается). Отличие же между этими формами состоит в том, что в одном случае I 2 = 0 , а в другом - I 1 = 0 .
Задача ЛП в канонической форме.
Данный метод является методом целенаправленного перебора опорных решений задачи линейного программирования. Он позволяет за конечное число шагов либо найти оптимальное решение, либо установить, что оптимальное решение отсутствует.
Основное содержание симплексного метода заключается в следующем:- Указать способ нахождения оптимального опорного решения
- Указать способ перехода от одного опорного решения к другому, на котором значение целевой функции будет ближе к оптимальному, т.е. указать способ улучшения опорного решения
- Задать критерии, которые позволяют своевременно прекратить перебор опорных решений на оптимальном решении или следать заключение об отсутствии оптимального решения.
Алгоритм симплексного метода решения задач линейного программирования
Для того, чтобы решить задачу симплексным методом необходимо выполнить следующее:- Привести задачу к каноническому виду
- Найти начальное опорное решение с "единичным базисом" (если опорное решение отсутствует, то задача не имеет решение ввиду несовместимости системы ограничений)
- Вычислить оценки разложений векторов по базису опорного решения и заполнить таблицу симплексного метода
- Если выполняется признак единственности оптимального решения, то решение задачи заканчивается
- Если выполняется условие существования множества оптимальных решений, то путем простого перебора находят все оптимальные решения
Пример решения задачи симплексным методом
Пример 26.1Решить симплексным методом задачу:
Решение:
Приводим задачу к каноническому виду.
Для этого в левую часть первого ограничения-неравенства вводим дополнительную переменную x 6 с коэффициентом +1. В целевую функцию переменная x 6 входит с коэффицентом ноль (т.е. не входит).
Получаем:
Находим начальное опорное решение. Для этого свободные (неразрешенные) переменные приравниваем к нулю х1 = х2 = х3 = 0.
Получаем опорное решение Х1 = (0,0,0,24,30,6) с единичным базисом Б1 = (А4, А5, А6).
Вычисляем оценки разложений векторов условий по базису опорного решения по формуле:
Δ k = C б X k — c k
- C б = (с 1 , с 2 , ... , с m) — вектор коэффициентов целевой функции при базисных переменных
- X k = (x 1k , x 2k , ... , x mk) — вектор разложения соответствующего вектора А к по базису опорного решения
- С к — коэффициент целевой функции при переменной х к.
Оценки векторов входящих в базис всегда равны нулю. Опорное решение, коэффиценты разложений и оценки разложений векторов условий по базису опорного решения записываются в симплексную таблицу :
Сверху над таблицей для удобства вычислений оценок записываются коэффициенты целевой функции. В первом столбце "Б" записываются векторы, входящие в базис опорного решения. Порядок записи этих векторов соответствует номерам разрешенных неизвестных в уравнениях ограничениях. Во втором столбце таблицы "С б " записываются коэффициенты целевой функции при базисных переменных в том же порядке. При правильном расположении коэффициентов целевой функции в столбце "С б " оценки единичных векторов, входящих в базис, всегда равных нулю.
В последней строке таблицы с оценками Δ k в столбце "А 0 " записываются значения целевой функции на опорном решении Z(X 1).
Начальное опорное решение не является оптимальным, так как в задаче на максимум оценки Δ 1 = -2, Δ 3 = -9 для векторов А 1 и А 3 отрицательные.
По теореме об улучшении опорного решения, если в задаче на максимум хотя бы один вектор имеет отрицательную оценку, то можно найти новое опорное решение, на котором значение целевой функции будет больше.
Определим, введение какого из двух векторов приведет к большему приращению целевой функции.
Приращение целевой функции находится по формуле: .
Вычисляем значения параметра θ 01 для первого и третьего столбцов по формуле:
Получаем θ 01 = 6 при l = 1, θ 03 = 3 при l = 1 (таблица 26.1).
Находим приращение целевой функции при введении в базис первого вектора ΔZ 1 = — 6*(- 2) = 12, и третьего вектора ΔZ 3 = — 3*(- 9) = 27.
Следовательно, для более быстрого приближения к оптимальному решению необходимо ввести в базис опорного решения вектор А3 вместо первого вектора базиса А6, так как минимум параметра θ 03 достигается в первой строке (l = 1).
Производим преобразование Жордана с элементом Х13 = 2, получаем второе опорное решение Х2 = (0,0,3,21,42,0) с базисом Б2 = (А3, А4, А5). (таблица 26.2)
Это решение не является оптимальным, так как вектор А2 имеет отрицательную оценку Δ2 = — 6. Для улучшение решения необходимо ввести вектор А2 в базис опорного решения.
Определяем номер вектора, выводимого из базиса. Для этого вычисляем параметр θ 02 для второго столбца, он равен 7 при l = 2. Следовательно, из базиса выводим второй вектор базиса А4. Производим преобразование Жордана с элементом х 22 = 3, получаем третье опорное решение Х3 = (0,7,10,0,63,0) Б2 = (А3, А2, А5) (таблица 26.3).
Это решение является единственным оптимальным, так как для всех векторов, не входящих в базис оценки положительные
Δ 1 = 7/2, Δ 4 = 2, Δ 6 = 7/2.
Ответ: max Z(X) = 201 при Х = (0,7,10,0,63).
Метод линейного программирования в экономическом анализе
Метод линейного программирования дает возможность обосновать наиболее оптимальное экономическое решение в условиях жестких ограничений, относящихся к используемым в производстве ресурсам (основные фонды, материалы, трудовые ресурсы). Применение этого метода в экономическом анализе позволяет решать задачи, связанные главным образом с планированием деятельности организации. Данный метод помогает определить оптимальные величины выпуска продукции, а также направления наиболее эффективного использования имеющихся в распоряжении организации производственных ресурсов.
При помощи этого метода осуществляется решение так называемых экстремальных задач, которое заключается в нахождении крайних значений, то есть максимума и минимума функций переменных величин.
Этот период базируется на решении системы линейных уравнений в тех случаях, когда анализируемые экономические явления связаны линейной, строго функциональной зависимостью. Метод линейного программирования используется для анализа переменных величин при наличии определенных ограничивающих факторов.
Весьма распространено решение так называемой транспортной задачи с помощью метода линейного программирования. Содержание этой задачи заключается в минимизации затрат, осуществляемых в связи с эксплуатацией транспортных средств в условиях имеющихся ограничений в отношении количества транспортных средств, их грузоподъемности, продолжительности времени их работы, при наличии необходимости обслуживания максимального количества заказчиков.
Кроме этого, данный метод находит широкое применение при решении задачи составления расписания. Эта задача состоит в таком распределении времени функционирования персонала данной организации, которое являлось бы наиболее приемлемым как для членов этого персонала, так и для клиентов организации.
Данная задача заключается в максимизации количества обслуживаемых клиентов в условиях ограничений количества имеющихся членов персонала, а также фонда рабочего времени.
Таким образом, метод линейного программирования весьма распространен в анализе размещения и использования различных видов ресурсов, а также в процессе планирования и прогнозирования деятельности организаций.
Все же математическое программирование может применяться и в отношении тех экономических явлений, зависимость между которыми не является линейной. Для этой цели могут быть использованы методы нелинейного, динамического и выпуклого программирования.
Нелинейное программирование опирается на нелинейный характер целевой функции или ограничений, либо и того и другого. Формы целевой функции и неравенств ограничений в этих условиях могут быть различными.
Нелинейное программирование применяется в экономическом анализе в частности, при установлении взаимосвязи между показателями, выражающими эффективность деятельности организации и объемом этой деятельности, структурой затрат на производство, конъюнктурой рынка, и др.
Динамическое программирование базируется на построении дерева решений. Каждый ярус этого дерева служит стадией для определения последствий предыдущего решения и для устранения малоэффективных вариантов этого решения. Таким образом, динамическое программирование имеет многошаговый, многоэтапный характер. Этот вид программирования применяется в экономическом анализе с целью поиска оптимальных вариантов развития организации как в настоящее время, так и в будущем.
Выпуклое программирование представляет собой разновидность нелинейного программирования. Этот вид программирования выражает нелинейный характер зависимости между результатами деятельности организации и осуществляемыми ей затратами. Выпуклое (иначе вогнутое) программирование анализирует выпуклые целевые функции и выпуклые системы ограничений (точки допустимых значений). Выпуклое программирование применяется в анализе хозяйственной деятельности с целью минимизации затрат, а вогнутое — с целью максимизации доходов в условиях имеющихся ограничений действия факторов, влияющих на анализируемые показатели противоположным образом. Следовательно, при рассматриваемых видах программирования выпуклые целевые функции минимизируются, а вогнутые — максимизируются.