管理运筹学线性规划ppt课件.ppt
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1、1,第一讲 线性规划,第一章 线性规划的数学模型第一节 线性规划一般模型第二节 线性规划的图解法第三节 线性规划的标准型第四节 线性规划解的概念第二章 线性规划的单纯形法第一节 单纯形法原理第二节 表格单纯形法第三节 人工变量问题第四节 单纯形法补遗第三章 线性规划的对偶理论第四章 线性规划灵敏性分析,2,第一章 线性规划的数学模型,线性规划 Linear Programming LP规划论中的静态规划解决有限资源的最佳分配问题求解方法:图解法单纯形解法,3,第一章 线性规划的数学模型,第一节 线性规划一般模型第二节 线性规划的图解法第三节 线性规划的标准型第四节 线性规划解的概念,4,第一节
2、 线性规划一般模型,一、线性规划问题的三个要素,决策变量决策问题待定的量值称为决策变量。决策变量的取值要求非负。约束条件任何问题都是限定在一定的条件下求解,把各种限制条件表示为一组等式或不等式,称之为约束条件。约束条件是决策方案可行的保障。LP的约束条件,都是决策变量的线性函数。目标函数衡量决策方案优劣的准则,如时间最省、利润最大、成本最低。目标函数是决策变量的线性函数。有的目标要实现极大,有的则要求极小。,5,第一节 线性规划一般模型,例1. 生产计划问题 某厂生产、两种产品,已知生产单位产品所需的设备台时及A、B两种原材料的消耗,以及资源的限制,相关数据如表所示: 问如何安排、两产品的产量
3、,使利润为最大。,二、线性规划模型的构建,6,第一节 线性规划一般模型,(1)决策变量。要决策的问题是、两种产品的产量,因此有两个决策变量:设x1为产品产量,x2为产品产量。(2)约束条件。生产这两种产品受到现有生产能力的制约,原料用量也受限制。设备的生产能力总量为300台时,则约束条件表述为 x1 +x2 300A、B两种原材料约束条件为2x1 + x2 400 x2 250,建立模型,7,第一节 线性规划一般模型,(3)目标函数。目标是利润最大化,用Z表示利润,则 maxZ= 50 x1 +100 x2 (4)非负约束。 、产品的产量不应是负数,否则没有实际意义,这个要求表述为 x1 0,
4、 x2 0,8,第一节 线性规划一般模型,某名牌饮料在国内有三个生产厂,分布在城市A1、A2、A3,其一级承销商有4个,分布在城市B1、B2、B3、B4,已知各厂的产量、各承销商的销售量及从Ai到Bj的每吨饮料运费为Cij,为发挥集团优势,公司要统一筹划运销问题,求运费最小的调运方案。,例2. 运输问题,9,第一节 线性规划一般模型,(1)决策变量。设从Ai到Bj的运输量为xij,(2)目标函数。运费最小的目标函数为minZ=6x11+3x12+2x13+5x14+7x21+5x22+8x23+4x24+3x31+2x32+9x33+7x34 (3)约束条件。产量之和等于销量之和,故要满足:供
5、应平衡条件,x11+x12+x13+x14=5x21+x22+x23+x24=2x31+x32+x33+x34 =3,销售平衡条件,x11+x21+x31=2x12+x22+x32=3x13+x23+x33=1x14+x24+x34=4,非负性约束 xij0 (i=1,2,3;j=1,2,3,4),10,第一节 线性规划一般模型,用一组非负决策变量表示一个决策问题,存在一定的等式或不等式的线性约束条件,有一个希望达到的目标,可表示成决策变量的线性函数。可能是最大化,也可能是最小化。线性规划一般模型的代数式 为:,三、线性规划的一般模型,max(min)Z=c1x1+c2x2+cnxn a11x
6、1+a12x2+a1nxn (,)b1a21x1+a22x2+a2nxn (,)b2 am1x1+am2x2+amnxn(,)bmx1,x2,xn ()0,11,第二节 线性规划的图解法,图解法即是用图示的方法来求解线性规划问题。一个二维的线性规划问题,可以在平面图上求解,三维的线性规划则要在立体图上求解,这就比较麻烦,而维数再高以后就不能图示了。,一、图解法的基本步骤,12,第二节 线性规划的图解法,1. 可行域的确定,x1,x2,100,200,300,100,200,300,五边形ABCDO内(含边界)的任意一点 (x1,x2) 都是满足所有约束条件的一个解,称之可行解 。,满足所有约束
7、条件的解的集合,称之为可行域。即所有约束条件共同围城的区域。,400,400,A,B,C,D,O,z=0= 50 x1 +100 x2,Z=27500=50 x1 +100 x2,13,第二节 线性规划的图解法,2. 最优解的确定,目标函数 Z= 50 x1 +100 x2 代表以Z为参数的一族平行线。,等值线:位于同一直线上的点的目标函数值相同。最优解:可行解中使目标函数最优(极大或极小)的解。最优值: 取最优解时对应的目标函数值,14,第二节 线性规划的图解法,由线性不等式组成的可行域是凸集(凸集的定义是:集合内部任意两点连线上的点都属于这个集合)。可行域有有限个顶点。设规划问题有n个变量
8、,m个约束,则顶点的个数不多于Cnm个。目标函数最优值一定在可行域的边界达到,而不可能在其内部。,二、几点说明,15,第二节 线性规划的图解法,三 、解的可能性,唯一最优解:只有一个最优点。多重最优解:无穷多个最优解。若在两个顶点同时得到最优解,则它们连线上的每一点都是最优解。,16,第二节 线性规划的图解法,无界解:线性规划问题的可行域无界,使目标函数无限增大而无界。(缺乏必要的约束条件),三 、解的可能性(续),17,第二节 线性规划的图解法,无可行解:若约束条件相互矛盾,则可行域为空集,三 、解的可能性(续),18,第三节 线性规划的标准型,线性规划问题的数学模型有各种不同的形式,如目标
9、函数有极大化和极小化;约束条件有“”、“”和“”三种情况;决策变量一般有非负性要求,有的则没有。为了求解方便,特规定一种线性规划的标准形式,非标准型可以转化为标准型。标准形式为:目标函数极大化,约束条件为等式,右端常数项bi0,决策变量非负。,一 、标准型,19,第三节 线性规划的标准型,1. 代数式,二、标准型的表达方式 有代数式、矩阵式:,简记,20,第三节 线性规划的标准型,2. 矩阵式,21,第三节 线性规划的标准型,目标函数极小化问题 minZ=CTX,只需将等式两端乘以 -1 即变为极大化问题。 因为minZ=-max (-Z)=CTX,令Z= -Z,则maxZ=-CX右端常数项非
10、正 两端同乘以 -1约束条件为不等式当约束方程为“”时,左端加入一个非负的松弛变量,就把不等式变成了等式;当约束条件为“”时,不等式左端减去一个非负的剩余变量(也可称松弛变量)即可。 决策变量xk没有非负性要求 令xk=xk-x k, xk=xk,x k 0,用xk、x k 取代模型中xk,三、非标准型向标准型转化,22,第三节 线性规划的标准型,例1 的标准型,x1 +x3 =8 2x2 +x4 = 12 3x1 +4 x2 +x5= 36 x1, x2 , x3 , x4 , x5 0,maxZ= 3x1 +5 x2 +0 x3 +0 x4+0 x5,23,minZ= x1 +2 x2 +
11、3 x3 x1 +2 x2 + x35 2x1 +3 x2 + x36 -x1 - x2 - x3 -2 x1 0, x30,第三节 线性规划的标准型,24,第三节 线性规划的标准型,标准化2 minZ= x1 +2 (x2-x 2) +3 x3 x1 +2 (x2-x 2) + x35 2x1 +3 (x2-x 2) + x36 - x1 - (x2-x 2) - x3 -2 x1, x2,x 2 , x3 0 标准化3 minZ= x1 +2 (x2-x 2 ) +3 x3 x1 +2 (x2-x 2 ) + x35 2x1 +3 (x2-x 2 ) + x36 x1 + (x2-x 2
12、) + x3 2 x1, x2, x 2, x3 0,25,第三节 线性规划的标准型,标准化4 minZ= x1 +2 (x2-x 2) +3 x3 x1 +2 (x2-x 2) + x3+ x4 =5 2x1 +3 (x2-x 2) + x36 x1 + (x2-x 2 ) + x3 2 x1, x2, x 2, x3, x4 0标准化5 minZ= x1 +2 (x2-x 2) +3 x3 x1 +2 (x2-x 2) + x3+ x4 =5 2x1 +3 (x2-x 2) + x3 - x5 = 6 x1 + (x2-x 2 ) + x3 2 x1, x2, x 2, x3, x4 ,
13、x5 0,26,第三节 线性规划的标准型,标准化6 minZ= x1 +2 (x2-x 2) +3 x3 x1 +2 (x2-x 2) + x3+ x4 =5 2x1 +3 (x2-x 2) + x3 - x5 = 6 x1 + (x2-x 2 ) - x3 + x6= 2 x1, x2, x 2, x3, x4 , x5 , x6 0标准化7 maxZ= -x1 -2 (x2-x 2) - 3x3+0 x4+0 x5+0 x6 x1 +2 (x2-x 2) + x3+ x4 =5 2x1 +3 (x2-x 2) + x3 - x5 = 6 x1 + (x2-x 2 ) - x3 + x6 =
14、 2 x1, x2, x 2, x3, x4 , x5 , x6 0,27,第四节 线性规划解的概念,可行解:满足约束条件AX=b, X0的解。最优解:使目标函数最优的可行解,称为最优解。基mn,且m个方程线性无关,即矩阵A的秩为m;根据线性代数定理可知,nm,则方程组有多个解,这也正是线性规划寻求最优解的余地所在。,一、线性规划解的概念,28,第四节 线性规划解的概念,线性方程组的增广矩阵,例1 的标准型 maxZ= 50 x1 +100 x2 +0 x3 +0 x4+0 x5 x1 +x2 +x3 =300 2 x1 +2x2 +x4 = 400 x2 +x5= 250 x1, x2 ,
15、x3 , x4 , x5 0,x1,x2,x3,x4,x5,单位矩阵,29,第四节 线性规划解的概念,基矩阵:系数矩阵A中任意m列所组成的m阶非奇异子矩阵,称为该线性规划问题的一个基矩阵。或称为一个基,用B表示。称基矩阵的列为基向量,用Pj表示(j=1,2,m) 。不在B中的向量称为非基向量,的基矩阵B最多为C53=10个,P1 P2 P3 P4 P5,30,第四节 线性规划解的概念,基变量:与基向量Pj相对应的m个变量xj称为基变量,其余的m-n个变量为非基变量。基解:令所有非基变量等于零,对m个基变量所求的解,对应一个特定的基矩阵能求得一组唯一解,这个对应于基的解称为基解。结合图解来看,基
16、解是各约束方程及坐标轴之间交点的坐标。,基变量是x3, x4, x5非基变量是x1, x2令非基变量x1=x2=0,得到一个基解 x3=300,x4=400, x5=250,31,第四节 线性规划解的概念,基可行解:满足非负性约束的基解称为基可行解。可行基:对应于基可行解的基,称为可行基。最优基:最优解对应的基矩阵,称为最优基。,非可行解,可行解,基解,32,第四节 线性规划解的概念,定理1.若线性规划问题存在可行域,则其可行域一定是凸集。定理2.线性规划问题的基可行解对应可行域的顶点。定理3.若可行域有界,线性规划的目标函数一定可以在可行域的顶点上达到最优。,二、线性规划的基本定理,线性规划
17、问题可以有无数个可行解,最优解只可能在顶点上达到,而有限个顶点对应的是基可行解,故只要在有限个基可行解中寻求最优解即可。从一个顶点出发找到一个可行基,得到一组基可行解,拿目标函数做尺度衡量一下看是否最优。如若不是,则向邻近的顶点转移,换一个基再行求解、检验,如此迭代循环目标值逐步改善,直至求得最优解。,三、线性规划的解题思路,33,第二章 线性规划单纯形法,单纯形法(Simplex Method)是美国人丹捷格 (G.Dantzig)1947年创建的这种方法简捷、规范,是举世公认的解决线性规划问题行之有效的方法。 单纯形法的表现形式:代数法表格法矩阵法,34,第二章 线性规划单纯形法,第一节
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