《运筹学》对偶理论.ppt

第3章 线性规划对偶理论及其应用,线性规划的对偶模型对偶性质对偶问题的经济解释影子价格对偶单纯形法,本章主要内容：,线性规划的对偶模型,设某工厂生产两种产品甲和乙，生产中需4种设备按A，B，C，D顺序加工，每件产品加工所需的机时数、每件产品的利润值及每种设备的可利用机时数列于下表：,产品数据表,问：充分利用设备机时，工厂应生产甲和乙型产品各多少件才能获得最大利润？,1.对偶问题的现实来源,线性规划的对偶模型,解：设甲、乙型产品各生产x1及x2件，则数学模型为：,反过来问：若厂长决定不生产甲和乙型产品，决定出租机器用于接受外加工，只收加工费，那么种机器的机时如何定价才是最佳决策？,线性规划的对偶模型,在市场竞争的时代，厂长的最佳决策显然应符合两条：（1）不吃亏原则。即机时定价所赚利润不能低于加工甲、乙型产品所获利润。由此原则，便构成了新规划的不等式约束条件。（2）竞争性原则。即在上述不吃亏原则下，尽量降低机时总收费，以便争取更多用户。,设A、B、C、D设备的机时价分别为y1、y2、y3、y4，则新的线性规划数学模型为：,线性规划的对偶模型,把同种问题的两种提法所获得的数学模型用表2表示，将会发现一个有趣的现象。,原问题与对偶问题对比表,线性规划的对偶模型,2.原问题与对偶问题的对应关系,原问题（对偶问题）,对偶问题（原问题）,线性规划的对偶模型,（1）对称形式,特点：目标函数求极大值时，所有约束条件为号，变量非负;目标函数求极小值时，所有约束条件为号，变量非负.,已知P，写出D,线性规划的对偶模型,例.写出线性规划问题的对偶问题,解：首先将原问题变形为对称形式,线性规划的对偶模型,线性规划的对偶模型,(2)非对称型对偶问题,若给出的线性规划不是对称形式，可以先化成对称形式再写对偶问题。也可直接写出非对称形式的对偶问题。,线性规划的对偶模型,线性规划的对偶模型,例2 写出下列线性规划问题的对偶问题.,解：原问题的对偶问题为,资源定价问题（LP2）,比较,原问题（生产计划）,对偶问题（资源定价）,规范形式的线性规划问题,原问题（LP）,对偶问题（DLP）,规范形式,最大化问题:,约束条件全为型,决策变量全部非负,最小化问题:,约束条件全为型,决策变量全部非负,规范形式的对偶关系,原问题,对偶问题,目标函数:max CX,目标函数:minbY,m个约束条件:AX b,m个决策变量:Y 0,n个决策变量:X 0,n个约束条件:AY C,原问题,对偶问题,非规范形式的对偶关系,对非规范形式的对偶关系，只需对上述表进行相应修改即可：,例如对于一个最小化问题，若某个决策变量yi 0,则期对偶的约束条件为型的;若其某个约束条件是型,则其对应的对偶变量是非正的.,非规范形式线性规划的对偶问题,1 变量取值范围不符合非负要求的情况,非规范形式线性规划的对偶问题,2 约束方程不是“”的情况,总结,约束条件对变量，变量对约束条件；正常对正常，不正常对不正常；变量正常是非负，约束条件正常看目标(max，min)。,课堂作业：求解下面线性规划的对偶规划,LP,DLP,对偶性质,例3 分别求解下列2个互为对偶关系的线性规划问题,分别用单纯形法求解上述2个规划问题，得到最终单纯形表如下表：,对偶性质,原问题最优表,对偶问题最优表,对偶性质,原问题与其对偶问题的变量与解的对应关系：在单纯形表中，原问题的松弛变量对应对偶问题的变量，对偶问题的剩余变量对应原问题的变量。,对偶性质,性质1 对称性定理：对偶问题的对偶是原问题,对偶性质,性质2 弱对偶原理(弱对偶性)：设 和 分别是问题(P)和(D)的可行解，则必有,推论1:原问题任一可行解的目标函数值是其对偶问题目标函数值的下届；反之，对偶问题任意可行解的目标函数值是其原问题目标函数值的上界。,推论2:在一对对偶问题（P）和（D）中，若其中一个问题可行但目标函数无界，则另一个问题无可行解；反之不成立。这也是对偶问题的无界性。,对偶性质,推论3：在一对对偶问题（P）和（D）中，若一个可行（如P），而另一个不可行（如D），则该可行的问题目标函数值无界。,性质3 最优性定理：如果 是原问题的可行解，是其对偶问题的可行解，并且:,则 是原问题的最优解，是其对偶问题的最优解。,对偶性质,性质4 强对偶性：若原问题及其对偶问题均具有可行解，则两者均具有最优解，且它们最优解的目标函数值相等。,还可推出另一结论：若（LP）与（DP）都有可行解，则两者都有最优解，若一个问题无最优解，则另一问题也无最优解。,性质5 互补松弛性：设X0和Y0分别是P问题 和 D问题 的可行解，则它们分别是最优解的充要条件是：,其中：Xs、Ys为松弛变量,约束 条件 也分为两种情况：，约束条件比较松；，约束条件比较紧；,yi 0,分为两种情况：yi0，约束条件比较松；yi=0，约束条件比较紧；,互补松弛定理的解释,变量同其对偶问题的约束方程之间至多只能够有一个取松弛的情况，当其中一个取松弛的情况时，另外一个比较紧，即取严格等号。,已知下面的LP1和LP2为一组对偶规划，且已知LP1的最优解为X=（1.5，1）。试运用互补松弛定理求出对偶问题的最优解Y。,原问题（LP1）,对偶问题（LP2）,解：由X=（1.5，1）得,联立求解得：,对偶性质,性质5的应用：该性质给出了已知一个问题最优解求另一个问题最优解的方法，即已知Y求X或已知X求Y,互补松弛条件,由于变量都非负，要使求和式等于零，则必定每一分量为零，因而有下列关系：若Y0，则Xs必为0；若X0，则Ys必为0利用上述关系，建立对偶问题（或原问题）的约束线性方程组，方程组的解即为最优解。,对偶性质,例4 已知线性规划,的最优解是X=(6,2,0)T,求其对偶问题的最优解Y。,解：写出原问题的对偶问题，即,标准化,对偶性质,设对偶问题最优解为Y(y1，y2),由互补松弛性定理可知，X和 Y满足：,即：,因为X10，X20，所以对偶问题的第一、二个约束的松弛变量等于零，即y30，y40，带入方程中：,解此线性方程组得y1=1,y2=1,从而对偶问题的最优解为：Y=(1,1)，最优值w=26。,对偶性质,例5 已知线性规划,的对偶问题的最优解为Y=(0,-2)，求原问题的最优解。,解:对偶问题是,标准化,对偶性质,设对偶问题最优解为X(x1，x2，x3)T,由互补松弛性定理可知，X和 Y满足：,将Y带入由方程可知，y3y50，y41。,y2=-20 x50又y4=10 x20,将x2，x5分别带入原问题约束方程中，得：,解方程组得：x1=-5,x3=-1,所以原问题的最优解为,X=(-5,0,-1)，最优值z=-12,对偶问题的经济解释影子价格,1.影子价格的数学分析：,定义：在一对 P 和 D 中，若 P 的某个约束条件的右端项常数bi（第i种资源的拥有量）增加一个单位时，所引起目标函数最优值z*的改变量称为第 i 种资源的影子价格，其值等于D问题中对偶变量yi*。,由对偶问题得基本性质可得：,对偶问题的经济解释影子价格,2.影子价格的经济意义1）影子价格是一种边际价格在其它条件不变的情况下，单位资源数量的变化所引起的目标函数最优值的变化。即对偶变量yi 就是第 i 种资源的影子价格。即：,对偶问题的经济解释影子价格,2）影子价格是一种机会成本影子价格是在资源最优利用条件下对单位资源的估价，这种估价不是资源实际的市场价格。因此，从另一个角度说，它是一种机会成本。,若第i 种资源的单位市场价格为mi，则有当yi*mi 时，企业愿意购进这种资源，单位纯利为yi*mi，则有利可图；如果yi*mi，则企业有偿转让这种资源，可获单位纯利miyi*，否则，企业无利可图，甚至亏损。,结论：若yi*mi 则购进资源i，可获单位纯利yi*mi 若yi*mi则转让资源i，可获单位纯利miyi,影子价格,多了 32/7,影子价格,多了 6/7,影子价格,对偶问题的经济解释影子价格,3）影子价格在资源利用中的应用根据对偶理论的互补松弛性定理:Y*Xs=0,YsX*=0表明生产过程中如果某种资源bi未得到充分利用时，该种资源的影子价格为0；若当资源资源的影子价格不为0时，表明该种资源在生产中已耗费完。,对偶问题的经济解释影子价格,4）影子价格对单纯形表计算的解释,单纯形表中的检验数,其中cj表示第j种产品的价格;表示生产该种产品所消耗的各项资源的影子价格的总和,即产品的隐含成本。,当产值大于隐含成本时，即，表明生产该项产品有利，可在计划中安排；否则，用这些资源生产别的产品更有利，不在生产中安排该产品。,定义：在一对 P 和 D 中，若 P 的某个约束条件的右端项常数bi 增加一个单位时，所引起的目标函数最优值Z*的改变量y*i称为第i个约束条件的影子价格，又称为边际价格。,影子价格,本章小结,学习要点：1.线性规划解的概念以及3个基本定理2.熟练掌握单纯形法的解题思路及求解步骤,三、灵敏度分析 讨论模型的系数或变量发生小的变化时对解的影响（如它们在何范围内变化时可使原最优解或最优基不变？）,我们主要讨论C、b和变量结构变化时对解的影响。,对解怎样影响？影响解的-最优性-可行性,3.增加新变量时的分析 主要讨论增加新变量xn+1是否有利。经济意义是第n+1种新产品是否应当投产，数学意义是xn+1是否应进基。,经济意义：,市场价,影子价,1.C变化时的分析,1、目标函数系数cj变化例 3.7 C由(3.2)变为(3,1)，请问最优生产计划如何变化？解：由原最优单纯形表得：,单纯形迭代得：,所以得到新的最优生产计划为产品I生产2件，产品II不生产，此时总利润上升为6万元。,2、约束条件右端向量b的变化,2、约束条件右端向量b的变化,例 穗羊公司仓库盘点时发现，资源B的每周可使用量可以增加到5吨，请制定新的最优生产计划。,解：,因为,，所以需要进行对偶单纯形迭代。由原最优单纯形表得：,因为x2=-10，所以令其岀基。拿检验数所在行除以出基变量所在行的负数，商最小的列对应的元素作为主元素。这里正数和零不能作为主元素。本题中第三行只有a34=-20，所以选择a34作为主元素，进行对偶迭代。迭代的目标：右端向量划为非负把基变量所在列划成单位矩阵基变量检验数化为零。,迭代后得：,3、增加一种新产品,例3.10 穗羊公司研发部门开发了一种新产品III，单位产品对A、B、C三种资源的消耗系数为，该产品单位利润为2万元。问产品III是否应该生产？如果生产，各产品生产量是多少？,解：产品III机会成本,该产品的检验数,，所以应该生产。,将上述数据代入原最优单纯形表得下表：,所以，新的最优生产计划是产品I和产品III分别生产2件和1/2件，产品II不生产，总利润为7万元。,4、增加一个新的约束条件,例：穗羊公司生产部门发现生产除了受到A、B、C三种资源的约束外，还要受到资源D的约束。资源D周可用量为6，生产单位产品I、II对资源D的消耗分别为7/2和2。请制定新的最优生产计划。,解：根据题意，需要在原问题后面增加新约束,将原最优生产计划X=（3/2，1）代入该约束方程得：,不满足新约束条件。将约束方程添加松弛条件得：,将此约束方程代入原最优单纯形表得下表：,将a41、a42化为0得下表：,对偶单纯形迭代得下表：,所以新的最优生产计划是产品I和产品II分别生产2/5件和23/10件，总利润为24/5万元。,5、约束条件系数aij的变化,例：穗羊公司经过技术革新，将生产产品I对资源C的单位消耗量从4变为2，即P1=（1,2,4）变为P1=（1,2,2）。请求出新的最优生产计划。,解：,令,将 插入原最优单纯形表格得：,继续迭代，并删除原第一列，得下表：,故新的最优生产计划是产品I、II分别生产1单位和2单位，总利润为7万元。,灵敏度分析,已知线性规划问题MaxZ 10 x1+5x2 3x14x2 9 s.t 5x12x2 8 x1，x20最优表如右：,试用灵敏度分析的方法判断：1、价值系数c1或c2分别在什么范围内变动，上述最优解不变；,1、价值系数 c1和 c2分别在什么范围内变动，上述最优解不变；,解 3 025/141/7（10c1）0，c1 5/24 015/142/7（10c1）0，c1 25/4当25/4 c1 5/2，即15/4 c1 25/2时，最优解不变,将c1=10+c1 代入最优表中,10+c1,10+c1,1、价值系数 c1和 c2分别在什么范围内变动，上述最优解不变；,解 3 05/14(5c2）+10/70，c2-14 03/14（5c2）-20/70，c2 25/3当1 c1 25/3，即4 c2 40/3时，最优解不变,将c2=5+c2代入最优表中,5+c2,5+c2,1、若c14，c210，则上述最优解是否改变？,解：将c14，c210 代入单纯形表：,4,10,4,3 025/144/7=30 4=030/148/710所以最优解改变,10,2、右端向量b1保持不变，b2在什么范围内变化，最优基不变。,解B-1b,当7/2 b2 7，即9/2b2 15时，最优基不变。,8 b2,3、问题的目标函数变为MaxZ 12x1+4x2时上述最优解的变化；,得新最优解X*（8/5，0，21/5，0）T,0 0 2/7-18/7,解 B-1b,最优基改变，用对偶单纯形法继续求解。,得新最优解X*（11/3，0，0，2/3）T,