Симплексный метод оптимизации. Симплекс-метод, примеры решения задач
Для производства двух видов изделий А и В используются три типа технологического оборудования. Для производства единицы изделия А оборудование первого типа используется в течении 1 часа, оборудование второго типа – 3 часа, оборудование третьего типа – 3 часа.
Для производства единицы изделия В оборудование первого типа используется в течении 2 часа, оборудование второго типа – 3 часа, оборудование третьего типа – 1 час.
На изготовление всех изделий предприятие может использовать оборудование первого типа не более чем 32 часа, оборудование второго типа – 60 часов, оборудование третьего типа – 50 часов.
Прибыль от реализации единицы готового изделия А составляет 4 денежные единицы, а изделия В – 2 денежные единицы.
Составить план производства изделий А и В, обеспечивающий максимальную прибыль от их реализации.
1) Составить математическую модель задачи
2) Решить графическим методом
3)Решить симплекс-методом путем преобразования симплекс-таблиц
Решение
Перед нами – классическая задача линейного программирования. Под планом производства понимается ответ на простой вопрос: сколько изделий А и сколько изделий В надо выпустить, чтобы прибыль была максимальна.
Прибыль рассчитывается по формуле: .
Запишем математическую модель задачи:
Чтобы проиллюстрировать применение симплекс-метода решения этой задачи, решим ее графически.
Для этого построим на плоскости области, описываемые ограничениями-неравенствами, и прямую , которая называется целевой функцией.
Три записанных выше неравенства ограничивают на плоскости многоугольник (построен красным цветом), ограниченный слева и снизу координатными осями (т.к. искомое количество изделий положительно).
График целевой функции (построен синим цветом) передвигается в направлении, обозначенном стрелкой (по-научному – в направлении своего градиента), до тех пор, пока не достигнет граничной точки многоугольника – в нашем случае это точка – (15 ; 5). В этой точке целевая функция будет достигать максимума.
А теперь решим эту задачу симплекс-методом. Для этого перейдем от ограничений-неравенств к ограничениям-равенствам, введя дополнительные переменные .
Симплекс-таблица составляется так:
В графе Базис записываются вектора переменных, принимаемые за базисные. На первом этапе это – A3, A4, A5. Базисными будут переменные, каждая из которых входит только в одно уравнение системы, и нет такого уравнения, в которое не входила бы хотя бы одна из базисных переменных.
В следующий столбец записываются коэффициенты целевой функции, соответствующие каждой переменной. Столбец В –
столбец свободных членов. Далее идут столбцы коэффициентов Аi при i –й переменной.
Следует отметить, что оценки для базисных векторов всегда равны нулю.
Преобразование симплекс-таблицы ведется следующим образом:
Шаг 1: Проверяется критерий оптимальности, суть которого состоит в том, что все оценки должны быть неотрицательны. В нашем случае этот критерий не выполнен, поэтому переходим ко второму шагу.
Шаг 2: Для отрицательных оценок вычисляются величины:
Из этих элементов выбирается тот, для которого вычисленное произведение минимально, в нашем случае минимально, поэтому в качестве так называемого разрешающего элемента выбирается третий элемент первого столбца – 3 (выделен в таблице).
Шаг 3: Третья строка таблицы делится на 3 и вычитается из первой и второй строк. В сущности, применяется метод исключения неизвестных, известный как метод Жордана – Гаусса.
Таким образом, новыми базисными переменными становятся A3, A4, A1.
Возвращаемся к шагу 1 и повторяем весь процесс.
Под столбцом свободных членов записывается начальная оценка
Остальные оценки записываются под столбцами соответствующих векторов .
Следует отметить, что оценки для базисных векторов всегда равны нулю.
Ответы, полученные различными методами, совпадают.
Симплексный метод − это метод упорядоченного перебора опорных планов (упорядоченность обеспечивается монотонным изменением значения целевой функции при переходе к очередному плану). При этом необходимо соблюдать принцип: каждый следующий шаг должен улучшить или, в крайнем случае, не ухудшить значение целевой функции.
Для решения ЗЛП симплекс-методом ее приводят к каноническому виду, т.е. из ограничений – неравенств надо сделать ограничения – равенства. Для этого в каждое ограничение вводится дополнительная неотрицательная балансовая переменная со знаком «+», если знак неравенства «£», и со знаком «–», ели знак неравенства «³».
В целевой функции эти дополнительные переменные входят с нулевыми коэффициентами, т.е. запись целевой функции не изменится. Каждую переменную, на которую не наложено условие неотрицательности, можно представить в виде разности двух неотрицательных переменных: .
Если ограничения задачи отображают наличие и расход ресурсов, то числовое значение дополнительной переменной в плане задачи, записанной в канонической форме, равно объему неиспользованного ресурса.
Для решения задачи симплекс-методом будем использовать укороченные симплексные таблицы системы линейных уравнений и метод модифицированного жорданова исключения .
1. Составляем первый опорный план
Задача остается прежней. Приведем стандартную форму системы неравенств (1) в каноническую форму системы уравнений путем введения дополнительных балансовых переменных x 3 , x 4 , x 5 , x 6 .
или 
В экономическом смысле значения дополнительных переменных x 3 , x 4 , x 5 определяют остатки сырья после реализации продукции.
Матрица полученной системы уравнений имеет вид:
Видно, что в матрице A базисным минором 4-го порядка является определитель, составленный из единичных коэффициентов при дополнительных переменных x 3 , x 4 , x 5 , x 6 , так как он отличен от нуля и равен 1. Это означает, что векторы-столбцы при этих переменных является линейно независимыми, т.е. образуют базис , а соответствующие им переменные x 3 , x 4 , x 5 , x 6 являются базисными (основными). Переменные x 1 , x 2 будут называться свободными (неосновными).
Если свободным переменным x 1 и x 2 задавать различные значения, то, решая систему относительно базисных переменных, получим бесконечное множество частных решений. Если свободным переменным задавать только нулевые значения, то из бесконечного множества частных решений выделяют базисные решения – опорные планы.
Чтобы выяснить, могут ли переменные быть базисными, необходимо вычислить определитель, состоящий из коэффициентов при этих переменных. Если данный определитель не равен нулю, то эти переменные могут быть базисными.
Количество базисных решений и соответствующее ему число групп базисных переменных может быть не более, чем , где n –общее число переменных, r – число базисных переменных, r ≤ m ≤ n .
Для нашей задачи r
= 4; n
= 6. Тогда 
, т.е. возможны 15 групп из 4-х базисных переменных (или 15 базисных решений).
Разрешим систему уравнений относительно базисных переменных x 3 , x 4 , x 5 , x 6:
Полагая, что свободные переменные x 1 = 0, x 2 = 0, получим значения базисных переменных: x 3 = 312; x 4 = 15; x 5 = 24; x 6 = –10, т.е. базисное решение будет = (0; 0; 312; 15; 24; –10).
Данное базисное решение является недопустимым , т.к. x 6 = –10 ≤ 0, а по условию ограничений x 6 ≥ 0. Поэтому вместо переменной x 6 в качестве базисной надо взять другую переменную из числа свободных x 1 или x 2 .
Дальнейшее решение будем выполнять, используя укороченные симплексные таблицы, заполнив строки первой таблицы коэффициентами системы следующим образом (табл. 1):
Таблица 1
F –строка называется индексной . Она заполняется коэффициентами целевой функции, взятыми с противоположными знаками, так как уравнение функции можно представить в виде F = 0 – (– 4x 1 – 3x 2).
В столбце свободных членов b i есть отрицательный элемент b 4 = –10, т.е. решение системы является недопустимым. Чтобы получить допустимое решение (опорный план), элемент b 4 надо сделать неотрицательным.
Выбираем x 6 -строку с отрицательным свободным членом. В этой строке есть отрицательные элементы. Выбираем любой из них, например, «–1» в x 1 -столбце, и x 1 -столбец принимаем в качестве разрешающего столбца (он определит, что переменная x 1 перейдет из свободных в базисные).
Делим свободные члены b i на соответствующие элементы a is разрешающего столбца, получаем оценочные отношения Θ i = = {24, 15, 12, 10}. Из них выбираем наименьшее положительное (minΘ i =10), которое будет соответствовать разрешающей строке . Разрешающая строка определяет переменную x j , которая на следующем шаге выступает из базиса и станет свободной. Поэтому x 6 -строка является разрешающей строкой, а элемент «–1» – разрешающим элементом . Обводим его кружком. Переменные x 1 и x 6 меняются местами.
Оценочные отношения Θ i в каждой строке определяются по правилам:
1) Θ i = , если b i и a is имеют разные знаки;
2) Θ i = ∞, если b i = 0 и a is < 0;
3) Θ i = ∞, если a is = 0;
4) Θ i = 0, если b i = 0 и a is > 0;
5) Θ i = , если b i и a is имеют одинаковые знаки.
Совершаем шаг модифицированного жорданова исключения (ШМЖИ) с разрешающим элементом и составляем новую таблицу (табл. 2) по следующему правилу:
1) на месте разрешающего элемента (РЭ) устанавливается величина, ему обратная, т.е. ;
2) элементы разрешающей строки делятся на РЭ;
3) элементы разрешающего столбца делятся на РЭ и знак меняется;
4) остальные элементы находятся по правилу прямоугольника:
Из табл. 2 видно, что свободные члены в b i -столбце являются неотрицательными, следовательно, получено первоначальное допустимое решение – первый опорный план = (10; 0; 182; 5; 4; 0). При этом значение функции F () = 40. Геометрически это соответствует вершине F (10; 0) многоугольника решений (рис. 1).
Таблица 2
2. Проверяем план на оптимальность. Опорный план не оптимальный, так как в F -строке имеется отрицательный коэффициент «–4». Улучшаем план.
3. Нахождение нового опорного плана
Выбираем разрешающий элемент по правилу:
Выбираем наименьший отрицательный коэффициент в F -строке «–4», который и определяет разрешающий столбец – x 6 ; переменную x 6 переводим в базисные;
Находим отношения Θ i , среди них выбираем наименьшее положительное, которое соответствует разрешающей строке:
min Θ i = min {14, 5, 2, ∞} = 2, следовательно, x 5 -строка – разрешающая, переменную x 5 переводим в свободные (переменные x 5 и x 6 меняются местами).
На пересечении разрешающих строки и столбца стоит разрешающий элемент «2»;
Выполняем шаг ШМЖИ, строим табл. 3 по вышеприведенному правилу и получаем новый опорный план = (12; 0; 156; 3; 0; 2).
Таблица 3
4. Проверка нового опорного плана на оптимальность
Опорный план также не является оптимальным, так как в F -строке имеется отрицательный коэффициент «–1». Значение функции F () = 48, что геометрически соответствует вершине E (12; 0) многоугольника решений (рис. 1). Улучшаем план.
5. Нахождение нового опорного плана
x 2 -столбец – разрешающий, так как в F -строке наименьший отрицательный коэффициент «–1» находится в x 2 -столбце (Δ 2 = –1). Находим наименьшее Θ i : min Θ i = min {≈ 9, 6, ∞, 24} = 6, следовательно, x 4 -строка – разрешающая. Разрешающий элемент «1/2». Меняем местами переменные x 2 и x 4 . Выполняем шаг ШМЖИ, строим табл. 4, получаем новый опорный план = (9; 6; 51; 0; 0; 5).
6. Проверка опорного плана на оптимальность
В F
-строке все коэффициенты неотрицательны, следовательно, опорный план является оптимальным. Геометрически соответствует точке D
(9;6) (см. рис. 1). Оптимальный план дает максимальное значение целевой функции 
у.е.
| - | 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 |
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.
