
运筹学PPT完整版胡运权.ppt
364页1、运运筹筹学学(OperationsResearch)经济学核心课程经济学核心课程经济学核心课程经济学核心课程绪绪论论(1)运筹学简述)运筹学简述(2)运筹学的主要内容)运筹学的主要内容(3)本课程的教材及参考书)本课程的教材及参考书(4)本课程的特点和要求)本课程的特点和要求(5)本课程授课方式与考核)本课程授课方式与考核(6)运筹学在工商管理中的应用)运筹学在工商管理中的应用本章主要内容:本章主要内容:Page3运筹学简述运筹学简述运筹学(运筹学(OperationsResearch)系统工程的最重要的理论基础之一,在美国有人把运系统工程的最重要的理论基础之一,在美国有人把运筹学称之为管理科学筹学称之为管理科学(ManagementScience)。运筹学所研究的。运筹学所研究的问题,可简单地归结为一句话:问题,可简单地归结为一句话:“依照给定条件和目标,从众多方案中选择最佳方案依照给定条件和目标,从众多方案中选择最佳方案”故有人称之为最优化技术。故有人称之为最优化技术。Page4运筹学简述运筹学简述运筹学的历史运筹学的历史“运作研究运作研究(OperationalResearch)
2、小组小组”:解决解决复杂的战略和战术问题。例如:复杂的战略和战术问题。例如:1.如何合理运用雷达有效地对付德军德空袭如何合理运用雷达有效地对付德军德空袭2.对商船如何进行编队护航,使船队遭受德国潜对商船如何进行编队护航,使船队遭受德国潜艇攻击时损失最少;艇攻击时损失最少;3.在各种情况下如何调整反潜深水炸弹的爆炸深在各种情况下如何调整反潜深水炸弹的爆炸深度,才能增加对德国潜艇的杀伤力等。度,才能增加对德国潜艇的杀伤力等。Page5运筹学的主要内容运筹学的主要内容数学规划(数学规划(线性规划、整数规划、目标规划线性规划、整数规划、目标规划、动态、动态规划等)规划等)图论图论存储论存储论排队论排队论对策论对策论排序与统筹方法排序与统筹方法决策分析决策分析Page6本课程的教材及参考书本课程的教材及参考书选用教材选用教材 运筹学基础及应用运筹学基础及应用胡运权主编胡运权主编 哈工大出版社哈工大出版社参考教材参考教材运筹学教程运筹学教程胡运权主编胡运权主编 (第(第2 2版)清华出版社版)清华出版社管理运筹学管理运筹学韩伯棠主编韩伯棠主编 (第(第2 2版)高等教育出版版)高等教育出版社社运筹
3、学运筹学( (修订版修订版) ) 钱颂迪主编钱颂迪主编 清华出版社清华出版社Page7本课程的特点和要求本课程的特点和要求先修课:先修课:高等数学,基础概率、线性代数高等数学,基础概率、线性代数特点:特点:系统整体优化;多学科的配合;模型方法的应用系统整体优化;多学科的配合;模型方法的应用运筹学的研究的主要步骤:运筹学的研究的主要步骤:真实系统真实系统系统分析系统分析问题描述问题描述模型建立模型建立与修改与修改模型求解模型求解与检验与检验结果分析与结果分析与实施实施数据准备数据准备Page8本课程授课方式与考核本课程授课方式与考核学科总成绩学科总成绩平时成绩平时成绩(4040)课堂考勤课堂考勤(5050)平时作业平时作业(5050)期末成绩期末成绩(6060)讲授为主,结合习题作业讲授为主,结合习题作业Page9运筹学在工商管理中的应用运筹学在工商管理中的应用运筹学在工商管理中的应用涉及几个方面:运筹学在工商管理中的应用涉及几个方面:1.1. 生产计划生产计划2.2. 运输问题运输问题3.3. 人事管理人事管理4.4. 库存管理库存管理5.5. 市场营销市场营销6.6. 财务和会计财务
4、和会计另外,还应用于设备维修、更新和可靠性分析,项目的选择另外,还应用于设备维修、更新和可靠性分析,项目的选择与评价,工程优化设计等。与评价,工程优化设计等。Page10运筹学在工商管理中的应用运筹学在工商管理中的应用Interface上发表的部分获奖项目上发表的部分获奖项目组织组织应用应用效果效果联合航空公司联合航空公司在满足乘客需求的前提下,以最低成本进在满足乘客需求的前提下,以最低成本进行订票及机场工作班次安排行订票及机场工作班次安排每年节约成本每年节约成本600600万美元万美元CitgoCitgo石油公司石油公司优化炼油程序及产品供应、配送和营销优化炼油程序及产品供应、配送和营销每年节约成本每年节约成本70007000万万AT&TAT&T优化商业用户的电话销售中心选址优化商业用户的电话销售中心选址每年节约成本每年节约成本4.064.06亿美元,销亿美元,销售额大幅增加售额大幅增加标准品牌公司标准品牌公司控制成本库存(制定最优再定购点和定购控制成本库存(制定最优再定购点和定购量确保安全库存)量确保安全库存)每年节约成本每年节约成本380380万美元万美元法国国家铁路公司法国国家
5、铁路公司制定最优铁路时刻表并调整铁路日运营量制定最优铁路时刻表并调整铁路日运营量每年节约成本每年节约成本15001500万美元,年万美元,年收入大幅增加。收入大幅增加。Taco BellTaco Bell优化员工安排,以最低成本服务客户优化员工安排,以最低成本服务客户每年节约成本每年节约成本13001300万美元万美元DeltaDelta航空公司航空公司优化配置上千个国内航线航班来实现利润优化配置上千个国内航线航班来实现利润最大化最大化每年节约成本每年节约成本1 1亿美元亿美元Page11“管理运筹学管理运筹学”软件介绍软件介绍“管理运筹学管理运筹学”2.02.0版包括:线性规划、运输问题、整数规划(版包括:线性规划、运输问题、整数规划(0-10-1整数整数规划、纯整数规划和混合整数规划)、目标规划、对策论、最短路径、规划、纯整数规划和混合整数规划)、目标规划、对策论、最短路径、最小生成树、最大流量、最小费用最大流、关键路径、存储论、排队论、最小生成树、最大流量、最小费用最大流、关键路径、存储论、排队论、决策分析、预测问题和层次分析法,共决策分析、预测问题和层次分析法,共1515个子模
6、块。个子模块。Chapter1线性规划线性规划(LinearProgramming)LP的数学模型的数学模型图解法图解法单纯形法单纯形法单纯形法的进一步讨论人工变量法单纯形法的进一步讨论人工变量法LP模型的应用模型的应用本章主要内容:本章主要内容:本章主要内容:本章主要内容:Page13线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型1.规划问题规划问题生产和经营管理中经常提出如何合理安排,使人力、生产和经营管理中经常提出如何合理安排,使人力、物力等各种资源得到充分利用,获得最大的效益,物力等各种资源得到充分利用,获得最大的效益,这就是规划问题。这就是规划问题。线性规划通常解决下列两类问题:线性规划通常解决下列两类问题:线性规划通常解决下列两类问题:线性规划通常解决下列两类问题:(1 1)当任务或目标确定后,如何统筹兼顾,合理安排,用)当任务或目标确定后,如何统筹兼顾,合理安排,用最少的资源最少的资源 (如资金、设备、原标材料、人工、时间等)(如资金、设备、原标材料、人工、时间等)去完成确定的任务或目标去完成确定的任务或目标(2 2)在一定的资源条件限制下,如何组织安排生产获得最)在一定的
7、资源条件限制下,如何组织安排生产获得最好的经济效益(如产品量最多好的经济效益(如产品量最多 、利润最大、利润最大. .)Page14线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型例例1.1如图所示,如何截取如图所示,如何截取x使铁皮所围成的容积最使铁皮所围成的容积最大?大?x xa aPage15线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型例例1.2某企业计划生产甲、乙两种产品。这些产品分某企业计划生产甲、乙两种产品。这些产品分别要在别要在A、B、C、D、四种不同的设备上加工。按工四种不同的设备上加工。按工艺资料规定,单件产品在不同设备上加工所需要的台艺资料规定,单件产品在不同设备上加工所需要的台时如下表所示,企业决策者应如何安排生产计划,使时如下表所示,企业决策者应如何安排生产计划,使企业总的利润最大?企业总的利润最大?设设备备产产品品ABCD利润(元)利润(元)甲甲21402乙乙22043有有效效台台时时1281612Page16线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型解:设解:设x1、x2分别为甲、乙两种产品的产量,则数学模型为:分别为甲、乙两种产品的产量,则数学模型为:max
8、Z=2xmaxZ=2x1 1+3x+3x2 2 xx1 10,x0,x2 200s.t.s.t.2x2x1 1+2x+2x2 21212xx1 1+2x+2x2 2884x4x1 116164x4x2 21212Page17线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型2. 2. 2. 2. 线性规划的数学模型由三个要素构成线性规划的数学模型由三个要素构成线性规划的数学模型由三个要素构成线性规划的数学模型由三个要素构成决策变量决策变量决策变量决策变量DecisionvariablesDecisionvariables目标函数目标函数目标函数目标函数ObjectivefunctionObjectivefunction约束条件约束条件约束条件约束条件ConstraintsConstraints其特征是:其特征是:其特征是:其特征是:(1 1 1 1)问题的目标函数是多个决策变量的)问题的目标函数是多个决策变量的)问题的目标函数是多个决策变量的)问题的目标函数是多个决策变量的线性线性线性线性函数,函数,函数,函数,通常是求最大值或最小值;通常是求最大值或最小值;通常是求最大值或最小值;通常是求
9、最大值或最小值;(2 2 2 2)问题的约束条件是一组多个决策变量的)问题的约束条件是一组多个决策变量的)问题的约束条件是一组多个决策变量的)问题的约束条件是一组多个决策变量的线性线性线性线性不不不不等式或等式。等式或等式。等式或等式。等式或等式。 怎样辨别一个模型是线性规划模型?怎样辨别一个模型是线性规划模型?怎样辨别一个模型是线性规划模型?怎样辨别一个模型是线性规划模型? Page18线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型目标函数:目标函数:目标函数:目标函数:约束条件:约束条件:约束条件:约束条件:3.3.线性规划数学模型的一般形式线性规划数学模型的一般形式线性规划数学模型的一般形式线性规划数学模型的一般形式简写为:简写为:Page19线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型向量形式:向量形式:向量形式:向量形式:其中:其中:Page20线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型矩阵形式:矩阵形式:矩阵形式:矩阵形式:其中:其中:Page21线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型3.线性规划问题的标准形式线性规划问题的标准形式特点:特点:(1)目标函数求最大值(
10、有时求最小值)目标函数求最大值(有时求最小值)(2)约束条件都为等式方程,且右端常数项约束条件都为等式方程,且右端常数项bi都大于或等于零都大于或等于零(3)决策变量决策变量xj为非负。为非负。Page22线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型(2 2 2 2)如何化标准形式)如何化标准形式)如何化标准形式)如何化标准形式 目标函数的转换目标函数的转换 如果是求极小值即如果是求极小值即 ,则可将目标函数,则可将目标函数乘以乘以(-1)(-1),可化为求极大值问题。,可化为求极大值问题。也就是:令也就是:令 ,可得到上式。,可得到上式。即即 若存在取值无约束的变量若存在取值无约束的变量 ,可令,可令 其中:其中: 变量的变换变量的变换Page23线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型 约束方程的转换:由不等式转换为等式。约束方程的转换:由不等式转换为等式。称为松弛变量称为松弛变量称为剩余变量称为剩余变量 变量变量 的变换的变换 可令可令 ,显然,显然Page24线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型例例1.3将下列线性规划问题化为标准形式将下列线性规划问题化为标准形式用
11、用 替换替换 ,且,且 解解:()因为()因为x3无符号要求无符号要求,即,即x3取正值也可取负值,标准取正值也可取负值,标准型中要求变量非负,所以型中要求变量非负,所以Page25线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型(2)第一个约束条件是第一个约束条件是“”号,在号,在“”左端加入松驰变左端加入松驰变量量x4,x40,化为等式;化为等式;(3)第二个约束条件是第二个约束条件是“”号,在号,在“”左端减去剩余变左端减去剩余变量量x5,x50;(4)第第3个约束方程右端常数项为个约束方程右端常数项为-5,方程两边同乘以,方程两边同乘以(-1),将将右端常数项化为正数;右端常数项化为正数;(5)目标函数是最小值,为了化为求最大值,令目标函数是最小值,为了化为求最大值,令z=-z,得到得到maxz=-z,即当,即当z达到最小值时达到最小值时z达到最大值,反之亦然达到最大值,反之亦然;Page26线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型标准形式如下:标准形式如下:Page27线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型4. 4. 线性规划问题的解线性规划问题的解线性规划问题线性规划
12、问题求解线性规划问题,就是从满足约束条件求解线性规划问题,就是从满足约束条件(2)、(3)的方程的方程组中找出一个解,使目标函数组中找出一个解,使目标函数(1)达到最大值。达到最大值。Page28线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型 可行解可行解:满足:满足约束条件约束条件、的解为可行解。所有可行解的解为可行解。所有可行解的集合为可行域。的集合为可行域。 最优解最优解:使目标函数达到最大值的可行解。:使目标函数达到最大值的可行解。基:基:设设A为为约束条件约束条件的的mn阶系数矩阵阶系数矩阵(m04010换换出出行行将将3化为化为15/311801/301/31011/3303005/304/3乘乘以以1/3后后得得到到103/51/518011/52/540011Page48单纯形法的计算步骤单纯形法的计算步骤例例1.9用单纯形法求解用单纯形法求解解:将数学模型化为标准形式:解:将数学模型化为标准形式:不难看出不难看出x4、x5可作为初始基变量,列单纯形表计算。可作为初始基变量,列单纯形表计算。Page49单纯形法的计算步骤单纯形法的计算步骤cj12100icB基变量基变量b
13、x1x2x3x4x50x4152-32100x5201/31501121000x42x220x x2 22 21/3150120753017131/309022560x x1 111017/31/31250128/9-1/92/335/300-98/9 -1/9 -7/3Page50单纯形法的计算步骤单纯形法的计算步骤学习要点:学习要点:1.线性规划解的概念以及线性规划解的概念以及3个基本定理个基本定理2.熟练掌握单纯形法的解题思路及求解步骤熟练掌握单纯形法的解题思路及求解步骤Page51单纯形法的进一步讨论人工变量法单纯形法的进一步讨论人工变量法人工变量法:人工变量法:前面讨论了在标准型中系数矩阵有单位矩阵,很容前面讨论了在标准型中系数矩阵有单位矩阵,很容易确定一组基可行解。在实际问题中有些模型并不含有单易确定一组基可行解。在实际问题中有些模型并不含有单位矩阵,为了得到一组基向量和初基可行解,在约束条件位矩阵,为了得到一组基向量和初基可行解,在约束条件的等式左端加一组虚拟变量,得到一组基变量。这种人为的等式左端加一组虚拟变量,得到一组基变量。这种人为加的变量称为人工变量,构成的可行基
14、称为人工基,用大加的变量称为人工变量,构成的可行基称为人工基,用大M M法或两阶段法求解,这种用人工变量作桥梁的求解方法称法或两阶段法求解,这种用人工变量作桥梁的求解方法称为人工变量法。为人工变量法。Page52单纯形法的进一步讨论人工变量法单纯形法的进一步讨论人工变量法例例1.10用大用大M法解下列线性规划法解下列线性规划解:首先将数学模型化为标准形式解:首先将数学模型化为标准形式系数矩阵中不存在系数矩阵中不存在单位矩阵,无法建单位矩阵,无法建立初始单纯形表。立初始单纯形表。Page53单纯形法的进一步讨论人工变量法单纯形法的进一步讨论人工变量法故人为添加两个单位向量,得到人工变量单纯形法数学模型:故人为添加两个单位向量,得到人工变量单纯形法数学模型:其其中中:M是是一一个个很很大大的的抽抽象象的的数数,不不需需要要给给出出具具体体的的数数值值,可可以以理理解解为为它它能能大大于于给给定定的的任任何何一一个个确确定定数数值值;再再用用前前面面介介绍的单纯形法求解该模型,计算结果见下表。绍的单纯形法求解该模型,计算结果见下表。Page54单纯形法的进一步讨论人工变量法单纯形法的进一步讨
15、论人工变量法cj32-100-M-MCBXBbx1x2x3x4x5x6x7i0x64-431-10104-Mx5101-1201005-Mx712-21000113-2M2+M-1+2M-M0x63-650-1013/5-Mx58-3300108/3-1x312-210005-6M5M0-M002x23/56/5101/50-Mx531/53/5003/5131/3-1x311/52/5012/50500002x213010123x131/310015/3-1x319/300102/3000-5-25/3Page55单纯形法的进一步讨论人工变量法单纯形法的进一步讨论人工变量法解的判别:解的判别:1)唯一最优解判别:最优表中所有非基变量的检验数非零)唯一最优解判别:最优表中所有非基变量的检验数非零,则线则线规划具有唯一最优解。规划具有唯一最优解。2)多重最优解判别:最优表中存在非基变量的检验数为零)多重最优解判别:最优表中存在非基变量的检验数为零,则线则性规划具有多重最优解(或无穷多最优解)。则线则性规划具有多重最优解(或无穷多最优解)。3)无界解判别:某个)无界解判别:某个k0且且ai
16、k(i=1,2,m)则线性)则线性规划具有无界解。规划具有无界解。4)无无可可行行解解的的判判断断:当当用用大大M单单纯纯形形法法计计算算得得到到最最优优解解并并且存在且存在Ri0时,则表明原线性规划无可行解。时,则表明原线性规划无可行解。5)退化解的判别:)退化解的判别:存在某个基变量为零的基本可行解。存在某个基变量为零的基本可行解。Page56单纯形法的进一步讨论人工变量法单纯形法的进一步讨论人工变量法单纯性法小结单纯性法小结:建建立立模模型型个个数数取取值值右右端端项项等式或等式或不等式不等式极大或极小极大或极小新加变量新加变量系数系数两两个个三个三个以上以上xj0xj无无约束约束xj 0bi 0bi mi时,企业愿意时,企业愿意购进这种资源,单位纯利为购进这种资源,单位纯利为yi*mi,则有利可图;如果,则有利可图;如果yi*mi则购进资源则购进资源i,可,可获单位纯利获单位纯利yi*mi若若yi*mi则转让资源则转让资源i,可获单位纯利,可获单位纯利miyiPage99对偶问题的经济解释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)影子价格在资源利用中的应
17、用根据对偶理论的互补松弛性定理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,该种资未得到充分利用时,该种资源的影子价格为源的影子价格为0;若当资源资源的影子价格不为;若当资源资源的影子价格不为0时,表明时,表明该种资源在生产中已耗费完。该种资源在生产中已耗费完。Page100对偶问题的经济解释影子价格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)影子价格对单纯形表计算的解释单纯形表中的检验数单纯形表中的检验数其中其中c cj j表示第表示第j j种产品的价格种产品的价格; ; 表示生产该表示生产该种产品所消耗的各项资源的影子价格的总和种产品所消耗的各项资源的影子价格的总和, ,即产品的隐含即产品的隐含成本。成本。当产值大于隐含成本时,即当产值大于隐含成本时,即 ,表明生产该项产,表明生产该项产品有利,可在计划中安排;否则品有利,可在计划中安排;否则 ,用这些资源,用这些资源生产别的产品更有利,不在生产中安排该产品。生产别的产品更有利,不在生产中安排该产品。Page101对偶单纯形法对偶单纯
18、形法 对偶单纯形法是求解线性规划的另一个基本方法。对偶单纯形法是求解线性规划的另一个基本方法。它是根据对偶原理和单纯形法原理而设计出来的,因此称它是根据对偶原理和单纯形法原理而设计出来的,因此称为对偶单纯形法。不要简单理解为是求解对偶问题的单纯为对偶单纯形法。不要简单理解为是求解对偶问题的单纯形法。形法。对偶单纯形法原理对偶单纯形法原理对偶单纯形法原理对偶单纯形法原理对偶单纯形法基本思路:对偶单纯形法基本思路:对偶单纯形法基本思路:对偶单纯形法基本思路: 找出一个对偶问题的可行基,保持对偶问题为可行解的找出一个对偶问题的可行基,保持对偶问题为可行解的条件下,判断条件下,判断XB是否可行(是否可行(XB为非负),若否,通过变换基为非负),若否,通过变换基解,直到找到原问题基可行解(即解,直到找到原问题基可行解(即XB为非负),这时原问题为非负),这时原问题与对偶问题同时达到可行解,由定理与对偶问题同时达到可行解,由定理4可得最优解。可得最优解。Page102对偶单纯形法对偶单纯形法找出一个找出一个DP的可行基的可行基LP是否可行是否可行(XB0)保持保持DP为可行解情况下转移到为可行解情
19、况下转移到LP的另一个基本解的另一个基本解最优解最优解是是否否循循环环结束结束Page103对偶单纯形法对偶单纯形法例例2.9用对偶单纯形法求解:用对偶单纯形法求解:解解:(1)将模型转化为求最大化问题,约束方程化为等式求将模型转化为求最大化问题,约束方程化为等式求出一组基本解,因为对偶问题可行,即全部检验数出一组基本解,因为对偶问题可行,即全部检验数0(求(求max问题)。问题)。Page104对偶单纯形法对偶单纯形法cj-9-12-15000bcBxBx1x2x3x4x5x60x4-2-2-1100-100x5-2-3-1010-120x6-1-1-5001-14(-9/-1.-12/-1.-15/-5)j-9-12-150000Page105对偶单纯形法对偶单纯形法cj-9-12-15000bcBxBx1x2x3x4x5x60x4-9/5-9/5010-1/5-36/50x5-9/5-14/5001-1/5-46/5-15x31/51/5100-1/514/5(-30/-9,-45/-14,-15/-1)-6-9000-342cj-9-12-15000bcBxBx1x2x3x4x
20、5x60x4-9/14001-9/14-1/14-9/7-12x29/14100-5/141/1423/7(-3/-9,-45/-9,-33/-1)-15x31/140101/14-3/1415/7-3/14000-45/14-33/14Page106对偶单纯形法对偶单纯形法cj-9-12-15000cBxBx1x2x3x4x5x6b-9x1100-14/911/92-12x20101-102-15x30011/90-2/92000-1/3-3-7/3原问题的最优解为:原问题的最优解为:X*=(2,2,2,0,0,0),),Z*=72其对偶问题的最优解为:其对偶问题的最优解为:Y*=(1/3,3,7/3),),W*=72Page107对偶单纯形法对偶单纯形法 对偶单纯形法应注意的问题:对偶单纯形法应注意的问题: 用用对对偶偶单单纯纯形形法法求求解解线线性性规规划划是是一一种种求求解解方方法法,而而不不是是去去求求对对偶问题的最优解偶问题的最优解 初初始始表表中中一一定定要要满满足足对对偶偶问问题题可可行行,也也就就是是说说检检验验数数满满足足最最优优判别准则判别准则 最小比值中最小比值
21、中 的绝对值是使得比值非负,在极小化问题的绝对值是使得比值非负,在极小化问题j j00,分母分母a aijij0 0 这时必须取绝对值。在极大化问题中,这时必须取绝对值。在极大化问题中, j j00,分母分母a aijij00, 总满足非负,这时绝对值符号不起作用,总满足非负,这时绝对值符号不起作用,可以去掉。如在本例中将目标函数写成可以去掉。如在本例中将目标函数写成这里这里j j 0 0在求在求k k时就可以不带绝对值符号。时就可以不带绝对值符号。Page108对偶单纯形法对偶单纯形法 对对偶偶单单纯纯形形法法与与普普通通单单纯纯形形法法的的换换基基顺顺序序不不一一样样,普普通通单单纯纯形形法法是是先先确确定定进进基基变变量量后后确确定定出出基基变变量量,对对偶偶单单纯纯形形法法是是先先确确定定出出基基变变量后确定进基变量;量后确定进基变量; 普通单纯形法的最小比值是普通单纯形法的最小比值是 其目的是保证下一个原问题的基本解可行,对偶单纯形法的最小比其目的是保证下一个原问题的基本解可行,对偶单纯形法的最小比值是值是其目的是保证下一个对偶问题的基本解可行其目的是保证下一个对偶问题的基本
22、解可行 对偶单纯形法在确定出基变量时,若不遵循对偶单纯形法在确定出基变量时,若不遵循 规规则则,任任选选一一个个小小于于零零的的b bi i对对应应的的基基变变量量出出基基,不不影影响响计计算算结结果果,只是迭代次数可能不一样。只是迭代次数可能不一样。Page109本章小结本章小结学习要点:学习要点:1.线性规划解的概念以及线性规划解的概念以及3个基本定理个基本定理2.熟练掌握单纯形法的解题思路及求解步骤熟练掌握单纯形法的解题思路及求解步骤Chapter3运输规划运输规划(TransportationProblem)(TransportationProblem)运输规划问题的数学模型运输规划问题的数学模型表上作业法表上作业法运输问题的应用运输问题的应用本章主要内容:本章主要内容:本章主要内容:本章主要内容:Page111运输规划问题的数学模型运输规划问题的数学模型例例3.1某公司从两个产地某公司从两个产地A1、A2将物品运往三个销地将物品运往三个销地B1,B2,B3,各产地的产量、各销地的销量和各产地运往各销地,各产地的产量、各销地的销量和各产地运往各销地每件物品的运费如下表所示,问:
23、应如何调运可使总运输费每件物品的运费如下表所示,问:应如何调运可使总运输费用最小?用最小?B1B2B3产量产量A1646200A2655300销量销量150150200Page112运输规划问题的数学模型运输规划问题的数学模型解:产销平衡问题:总产量解:产销平衡问题:总产量=总销量总销量500设设xij为从产地为从产地Ai运往销地运往销地Bj的运输量,得到下列运输量的运输量,得到下列运输量表:表:B1B2B3产量产量A1x11x12x13200A2x21x22x23300销量销量150150200MinC=6x11+4x12+6x13+6x21+5x22+5x23s.t.x11+x12+x13=200x21+x22+x23=300x11+x21=150x12+x22=150x13+x23=200 xij0(i=1、2;j=1、2、3)Page113运输规划问题的数学模型运输规划问题的数学模型运输问题的一般形式:产销平衡运输问题的一般形式:产销平衡A1、A2、Am表示某物资的表示某物资的m个产地;个产地;B1、B2、Bn表示表示某物质的某物质的n个销地;个销地;ai表示产地表示产地Ai的
24、产量;的产量;bj表示销地表示销地Bj的销量;的销量;cij表示把物资从产地表示把物资从产地Ai运往销地运往销地Bj的单位运价。设的单位运价。设xij为从产地为从产地Ai运往销地运往销地Bj的运输量,得到下列一般运输量问题的模型:的运输量,得到下列一般运输量问题的模型:Page114运输规划问题的数学模型运输规划问题的数学模型变化:变化:1)有时目标函数求最大。如求利润最大或营业额最大等;)有时目标函数求最大。如求利润最大或营业额最大等;2)当某些运输线路上的能力有限制时,在模型中直接加入)当某些运输线路上的能力有限制时,在模型中直接加入约束条件(等式或不等式约束约束条件(等式或不等式约束);3)产销不平衡时,可加入假想的产地(销大于产时)或销)产销不平衡时,可加入假想的产地(销大于产时)或销地(产大于销时)。地(产大于销时)。定理定理:设有设有m个产地个产地n个销地且产销平衡的运输问题,则基个销地且产销平衡的运输问题,则基变量数为变量数为m+n-1。Page115表上作业法表上作业法表上作业法是一种求解运输问题的特殊方法,其表上作业法是一种求解运输问题的特殊方法,其实质是单纯实质是单
25、纯形法。形法。步骤步骤描述描述方法方法第一步第一步求初始基行可行解(初始调运方案)求初始基行可行解(初始调运方案)最小元素法、最小元素法、元素差额法、元素差额法、第二步第二步求检验数并判断是否得到最优解当非基变量的求检验数并判断是否得到最优解当非基变量的检验数检验数ijij全都非负时得到最优解,若存在检验全都非负时得到最优解,若存在检验数数ijij 00,说明还没有达到最优,转第三步。说明还没有达到最优,转第三步。闭回路法和位闭回路法和位势法势法第三步第三步调整运量,即换基,选一个变量出基,对原运调整运量,即换基,选一个变量出基,对原运量进行调整得到新的基可行解,转入第二步量进行调整得到新的基可行解,转入第二步Page116表上作业法表上作业法例例3.2 3.2 某运输资料如下表所示:某运输资料如下表所示:单位单位 销地销地 运价运价 产地产地产量产量3 311113 310107 71 19 92 28 84 47 74 410105 59 9销量销量3 36 65 56 6问:应如何调运可使总运输费用最小?问:应如何调运可使总运输费用最小?Page117表上作业法表上作业法解:第解
26、:第1步步求初始方案求初始方案方法方法1:最小元素法:最小元素法基本思想是就近供应,即从运价最小的地方开始供应(调运)基本思想是就近供应,即从运价最小的地方开始供应(调运),然后次小,直到最后供完为止。,然后次小,直到最后供完为止。B1B2B3B4产量产量A17A24A39销量销量3656311310192741058341633Page118表上作业法表上作业法总的运输费总的运输费(31)+(64)+(43)+(12)+(310)+(35)=86元元元素差额法对最小元素法进行了改进,考虑到产地到销地元素差额法对最小元素法进行了改进,考虑到产地到销地的最小运价和次小运价之间的差额,如果差额很大,就选最小的最小运价和次小运价之间的差额,如果差额很大,就选最小运价先调运,否则会增加总运费。例如下面两种运输方案。运价先调运,否则会增加总运费。例如下面两种运输方案。85102120151515510总运费是总运费是z=108+52+151=105最小元素法:最小元素法:Page119表上作业法表上作业法85102120151551510总运费总运费z=105+152+51=85后一种方案考虑到
27、后一种方案考虑到C11与与C21之间之间的差额是的差额是82=6,如果不先调运,如果不先调运x21,到后来就有可能,到后来就有可能x110,这,这样会使总运费增加较大,从而先样会使总运费增加较大,从而先调运调运x21,再是,再是x22,其次是,其次是x12用元素差额法求得的基本可行解更接近最优解,所用元素差额法求得的基本可行解更接近最优解,所以也称为近似方案。以也称为近似方案。Page120表上作业法表上作业法方法方法2:Vogel法法1)从运价表中分别计算出各行和各列的最小运费和次最小运)从运价表中分别计算出各行和各列的最小运费和次最小运费的差额,并填入该表的最右列和最下行。费的差额,并填入该表的最右列和最下行。B1B2B3B4产量产量行差额行差额行差额行差额A177 7A241 1A391 1销量销量3656列差额列差额列差额列差额2 25 51 13 3311310192741058Page121表上作业法表上作业法2)再从差值最大的行或列中找出最小运价确定供需关系和)再从差值最大的行或列中找出最小运价确定供需关系和供需数量。当产地或销地中有一方数量供应完毕或得到满足供需数量。当
28、产地或销地中有一方数量供应完毕或得到满足时,划去运价表中对应的行或列。时,划去运价表中对应的行或列。重复重复1)和和2),直到找出初始解为至。,直到找出初始解为至。B1B2B3B4产量产量行差额行差额行差额行差额A177 7A241 1A391 1销量销量3656列差额列差额列差额列差额2 25 51 13 33113101927410585 5Page122表上作业法表上作业法单位单位销地销地运价运价产地产地产量产量行差额行差额311310719284741059销量销量3656列差额列差额71135215Page123表上作业法表上作业法单位单位销地销地运价运价产地产地产量产量行差额行差额311310719284741059销量销量3656列差额列差额71352753Page124表上作业法表上作业法单位单位销地销地运价运价产地产地产量产量行差额行差额311310719284741059销量销量3656列差额列差额11351536312该方案的总运费该方案的总运费:(13)(46)(35)(210)(18)(35)85元元Page125表上作业法表上作业法第第第第2 2步步步步 最
29、优解的判别(检验数的求法)最优解的判别(检验数的求法)最优解的判别(检验数的求法)最优解的判别(检验数的求法)求求出出一一组组基基可可行行解解后后,判判断断是是否否为为最最优优解解,仍仍然然是是用用检检验验数数来来判判断断,记记xij的的检检验验数数为为ij由由第第一一章章知知,求求最最小小值值的的运运输问题的最优判别准则是:输问题的最优判别准则是:所有非基变量的检验数都非负,则运输方案最优所有非基变量的检验数都非负,则运输方案最优求检验数的方法有两种:求检验数的方法有两种: 闭回路法闭回路法 位势法(位势法()Page126表上作业法表上作业法闭回路的概念闭回路的概念为一个闭回路为一个闭回路,集合中的变量称为回路的顶点,相邻两个变,集合中的变量称为回路的顶点,相邻两个变量的连线为闭回路的边。如下表量的连线为闭回路的边。如下表Page127表上作业法表上作业法例下表中闭回路的变量集合是例下表中闭回路的变量集合是x11,x12,x42,x43,x23,x25,x35, x31共有共有8个顶点,这个顶点,这8个顶点间用水平或垂直线段连接起来,个顶点间用水平或垂直线段连接起来,组成一条封闭的
30、回路。组成一条封闭的回路。B1B2B3B4B5A1X11X12A2X23X25A3X31X35A4X42X43一条回路中的顶点数一定是偶数,回路遇到顶点必须转一条回路中的顶点数一定是偶数,回路遇到顶点必须转90度与另一顶点连接,表度与另一顶点连接,表33中的变量中的变量x32及及x33不是闭回路的顶不是闭回路的顶点,只是连线的交点。点,只是连线的交点。Page128表上作业法表上作业法闭回路闭回路B1B2B3A1X11X12A2A3X32X33A4X41X43例如变量组例如变量组不能构成一条闭回路,不能构成一条闭回路,但但A中包含有闭回路中包含有闭回路 变量组变量组变量数是奇数,显然不变量数是奇数,显然不是闭回路,也不含有闭回路;是闭回路,也不含有闭回路;Page129表上作业法表上作业法用位势法对初始方案进行最优性检验:用位势法对初始方案进行最优性检验:1)由)由 ij=Cij-(Ui+Vj)计算位势)计算位势Ui,Vj,因对基变量而言有,因对基变量而言有 ij=0,即即Cij-(Ui+Vj)=0,令,令U1=02)再由)再由 ij=Cij-(Ui+Vj)计算非基变量的检验数计算非基
31、变量的检验数 ijB1B2B3B4UiA1A2A3Vj3113101927410584363130 0-1-1-5-53 310102 29 9(1 1)(2 2)(1 1)(-1-1)(1010)(1212)当存在非基当存在非基变量的检验变量的检验数数 kl0,说,说明现行方案明现行方案为最优方案,为最优方案,否则目标成否则目标成本还可以进本还可以进一步减小。一步减小。Page130表上作业法表上作业法当存在非基变量的检验数当存在非基变量的检验数 kl0且且 kl=min ij时,令时,令Xkl进进基。从表中知可选基。从表中知可选X24进基。进基。第第3步步确定换入基的变量确定换入基的变量第第4步步确定换出基的变量确定换出基的变量以进基变量以进基变量xik为起点的闭回路中,标有负号的最小运量作为为起点的闭回路中,标有负号的最小运量作为调整量调整量,对应的基变量为出基变量,并打上对应的基变量为出基变量,并打上“”以示换以示换出作为非基变量。出作为非基变量。Page131表上作业法表上作业法B1B2B3B4UiA1A2A3Vj3113 31010192 27410105 58 84 43
32、63 31 13 3( () )( () )( () )( () )调整步骤为:调整步骤为:在进基变量的闭回路中标有正号的变量加上调整量在进基变量的闭回路中标有正号的变量加上调整量,标有负号的变量减去调整量,标有负号的变量减去调整量,其余变量不变,得到一组新的,其余变量不变,得到一组新的基可行解。然后求所有非基变量的检验数重新检验。基可行解。然后求所有非基变量的检验数重新检验。1 12 25 5Page132表上作业法表上作业法当所有非基变量的检验数均非负时,则当前调运方案即为最当所有非基变量的检验数均非负时,则当前调运方案即为最优方案,如表此时最小总运费:优方案,如表此时最小总运费:Z=(13)(46)(35)(210)(18)(35)85元元B1B2B3B4UiA1A2A3Vj3113101927410585363120 0-2-2-5-53 310103 39 9(0 0)(2 2)(2 2)(1 1)(1212)(9 9)Page133表上作业法表上作业法表上作业法的计算步骤:表上作业法的计算步骤:分析实际问题列出产销平分析实际问题列出产销平衡表及单位运价表衡表及单位运价表确定
33、初始调运方案(最小确定初始调运方案(最小元素法或元素法或Vogel法)法)求检验数(位势法)求检验数(位势法)所有检验数所有检验数0找出绝对值最大的负检验数,用闭合找出绝对值最大的负检验数,用闭合回路调整,得到新的调运方案回路调整,得到新的调运方案得到最优方案,得到最优方案,算出总运价算出总运价Page134表上作业法表上作业法表上作业法计算中的问题:表上作业法计算中的问题:表上作业法计算中的问题:表上作业法计算中的问题:(1)若运输问题的某一基可行解有多个非基变量的检验数)若运输问题的某一基可行解有多个非基变量的检验数为负,在继续迭代时,取它们中任一变量为换入变量均可使为负,在继续迭代时,取它们中任一变量为换入变量均可使目标函数值得到改善,但通常取目标函数值得到改善,但通常取ij0中最小者对应的变量为中最小者对应的变量为换入变量。换入变量。(2)无穷多最优解)无穷多最优解产销平衡的运输问题必定存最优解。如果非基变量的产销平衡的运输问题必定存最优解。如果非基变量的ij0,则该问题有无穷多最优解。,则该问题有无穷多最优解。Page135表上作业法表上作业法退化解:退化解:表格中一般要有表
34、格中一般要有(m+n-1)个数字格。但有时在分配运量个数字格。但有时在分配运量时则需要同时划去一行和一列,这时需要补一个时则需要同时划去一行和一列,这时需要补一个0,以保证,以保证有有(m+n-1)个数字格作为基变量。一般可在划去的行和列的任个数字格作为基变量。一般可在划去的行和列的任意空格处加一个意空格处加一个0即可。即可。利用进基变量的闭回路对解进行调整时,标有负号的利用进基变量的闭回路对解进行调整时,标有负号的最小运量(超过最小运量(超过2个最小值)作为调整量个最小值)作为调整量,选择任意一个最,选择任意一个最小运量对应的基变量作为出基变量,并打上小运量对应的基变量作为出基变量,并打上“”以示作为以示作为非基变量。非基变量。Page136表上作业法表上作业法销地销地产地产地B1B2B3B4产量产量A116A210A322销量销量81412141241148310295116(0)(2)(9)(2)(1)(12)8 812124 42 28 81414如下例中如下例中11检验数是检验数是0,经过调整,可得到另一个最优解。,经过调整,可得到另一个最优解。Page137表上作业法表上作
35、业法销地销地产地产地B1B2B3B4产量产量A17A24A39销量销量365620114431377821063 34 41 16 6 06 6在在x12、x22、x33、x34中任选一个变量作为基变量,例如选中任选一个变量作为基变量,例如选x34例:用最小元素法求初始可行解例:用最小元素法求初始可行解Page138运输问题的应用运输问题的应用1. 1. 求极大值问题求极大值问题求极大值问题求极大值问题2.目标函数求利润最大或营业额最大等问题。目标函数求利润最大或营业额最大等问题。Page139运输问题的应用运输问题的应用求解方法:求解方法:将极大化问题转化为极小化问题。设极大化问题的运将极大化问题转化为极小化问题。设极大化问题的运价表为价表为C ,用一个较大的数,用一个较大的数M(Mmaxcij)去减每一个)去减每一个cij得到矩阵得到矩阵C,其中,其中C=(Mcij)0,将将C作为极小化问题的作为极小化问题的运价表,用表上用业法求出最优解。运价表,用表上用业法求出最优解。Page140运输问题的应用运输问题的应用例例3.3下下列列矩矩阵阵C是是Ai(I=1,2,3)到到Bj的的吨吨
36、公公里里利利润润,运运输输部门如何安排运输方案使总利润最大部门如何安排运输方案使总利润最大.销地销地产地产地B1B2B3产量产量A12 25 58 89 9A29 910107 71010A36 65 54 41212销量销量8 814149 9Page141运输问题的应用运输问题的应用销地销地产地产地B1B2B3产量产量A12 25 58 89 9A29 910107 71010A36 65 54 41212销量销量8 814149 9得到新的最小化运输问题,用表上作业法求解即可。得到新的最小化运输问题,用表上作业法求解即可。Page142运输问题的应用运输问题的应用2. 2. 产销不平衡的运输问题产销不平衡的运输问题产销不平衡的运输问题产销不平衡的运输问题3.当总产量与总销量不相等时当总产量与总销量不相等时,称为不平衡运输问题称为不平衡运输问题.这这类运输问题在实际中常常碰到类运输问题在实际中常常碰到,它的求解方法是将不平衡问它的求解方法是将不平衡问题化为平衡问题再按平衡问题求解。题化为平衡问题再按平衡问题求解。当产大于销时,即:当产大于销时,即:数学模型为:数学模型为:Page1
37、43运输问题的应用运输问题的应用由于总产量大于总销量,必有部分产地的产量不能全部运送完,由于总产量大于总销量,必有部分产地的产量不能全部运送完,必须就地库存,即每个产地设一个仓库,必须就地库存,即每个产地设一个仓库,假设该仓库为一个虚拟假设该仓库为一个虚拟销地销地Bn+1,bn+1作为一个虚设销地作为一个虚设销地Bn+1的销量的销量(即库存量即库存量)。各产地。各产地Ai到到Bn+1的运价为零,即的运价为零,即Ci,n+1=0,(i=1,m)。则平衡问题的)。则平衡问题的数学模型为:数学模型为:具体求解时具体求解时, ,只在只在运价表右端增加运价表右端增加一列一列B Bn n+1+1,运价为,运价为零零, ,销量为销量为b bn n+1+1即即可可Page144运输问题的应用运输问题的应用当销大于产时,即:当销大于产时,即:数学模型为:数学模型为:由于总销量大于总产由于总销量大于总产量量,故一定有些需求故一定有些需求地不完全满足地不完全满足,这时这时虚设一个产地虚设一个产地Am+1,产量为:产量为:Page145运输问题的应用运输问题的应用销大于产化为平衡问题的数学模型为销大于产化为平
38、衡问题的数学模型为:具体计算时,在运价表的下方增加一行具体计算时,在运价表的下方增加一行Am+1,运价为零。产,运价为零。产量为量为am+1即可。即可。Page146运输问题的应用运输问题的应用例例3.4求下列表中极小化运输问题的最优解。求下列表中极小化运输问题的最优解。B1B2B3B4aiA1592360A2-47840A3364230A448101150bj20603545180160因为有:因为有:Page147运输问题的应用运输问题的应用所以是一个产大于销的运输问题。表中所以是一个产大于销的运输问题。表中A2不可达不可达B1,用一个,用一个很大的正数很大的正数M表示运价表示运价C21。虚设一个销量为。虚设一个销量为b5=180-160=20,Ci5=0,i=1,2,3,4,表的右边增添一列,表的右边增添一列,得到新的运价表。,得到新的运价表。B1B2B3B4B5aiA15923060A2M478040A33642030A4481011050bj2060354520180Page148运输问题的应用运输问题的应用下表为计算结果。可看出:产地下表为计算结果。可看出:产地A4还有还有
39、20个单位没有运出。个单位没有运出。B1B2B3B4B5AiA1352560A24040A3102030A420102050Bj2060354520180Page149运输问题的应用运输问题的应用3.生产与储存问题生产与储存问题例例3.5某厂按合同规定须于当年每个季度末分别提供某厂按合同规定须于当年每个季度末分别提供10、15、25、20台同一规格的柴油机。已知该厂各季度的生产能力及生产每台台同一规格的柴油机。已知该厂各季度的生产能力及生产每台柴油机的成本如右表。如果生产出来的柴油机当季不交货,每台柴油机的成本如右表。如果生产出来的柴油机当季不交货,每台每积压一个季度需储存、维护等费用每积压一个季度需储存、维护等费用0.15万元。试求在完成合同万元。试求在完成合同的情况下,使该厂全年生产总费用为最小的决策方案。的情况下,使该厂全年生产总费用为最小的决策方案。季度季度生产能力生产能力/台台单位成本单位成本/万元万元2510.83511.130111011.3Page150运输问题的应用运输问题的应用解:解:设设xij为第为第i季度生产的第季度生产的第j季度交货的柴油机数目,那季度交货的柴
40、油机数目,那么应满足:么应满足:交货:交货:x11=10生产:生产:x11+x12+x13+x1425x12+x22=15x22+x23+x2435 x13+x23+x33=25x33+x3430 x14+x24+x34+x44=20x4410把第把第i季度生产的柴油机数目看作第季度生产的柴油机数目看作第i个生产厂的产量;把第个生产厂的产量;把第j季季度交货的柴油机数目看作第度交货的柴油机数目看作第j个销售点的销量;设个销售点的销量;设cij是第是第i季度生季度生产的第产的第j季度交货的每台柴油机的实际成本,应该等于该季度单位季度交货的每台柴油机的实际成本,应该等于该季度单位成本加上储存、维护等费用。可构造下列产销平衡问题:成本加上储存、维护等费用。可构造下列产销平衡问题:Page151运输问题的应用运输问题的应用ji产量产量10.810.9511.111.2525M11.1011.2511.4035MM11.0011.1530MMM11.3010销量销量1015252010070由于产大于销,加上一个虚拟的销地由于产大于销,加上一个虚拟的销地D,化为平衡问题,化为平衡问题,即可应用表
41、上作业法求解。即可应用表上作业法求解。Page152运输问题的应用运输问题的应用该问题的数学模型:该问题的数学模型:Minf=10.8x11+10.95x12+11.1x13+11.25x14+11.1x22+11.25x23+11.4x24+11.0x33+11.15x34+11.3x44jiD产量产量10.810.9511.111.25025M11.1011.2511.40035MM11.0011.15030MMM11.30010销量销量1015252030100100Page153运输问题的应用运输问题的应用jiD产量产量1015025053035255301010销量销量1015252030100100最优生产决策如下表,最小费用最优生产决策如下表,最小费用z773万元。万元。Chapter4整数规划整数规划(IntegerProgramming)(IntegerProgramming)整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用分支定界法分支定界法分配问题与匈牙利法分配问题与匈牙利法本章主要内容:本章主要内容:本章主要内容:本章主要内容:Page155整数规划的特点及应用整数规划
42、的特点及应用整数规划(简称:整数规划(简称:整数规划(简称:整数规划(简称:IPIP)要求一部分或全部决策变量取整数值的规划问题称为要求一部分或全部决策变量取整数值的规划问题称为整数规划。不考虑整数条件,由余下的目标函数和约束条件整数规划。不考虑整数条件,由余下的目标函数和约束条件构成的规划问题称为该整数规划问题的松弛问题。若该松弛构成的规划问题称为该整数规划问题的松弛问题。若该松弛问题是一个线性规划,则称该整数规划为整数线性规划。问题是一个线性规划,则称该整数规划为整数线性规划。整数线性规划数学模型的一般形式:整数线性规划数学模型的一般形式:Page156整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用整数线性规划问题的种类:整数线性规划问题的种类:整数线性规划问题的种类:整数线性规划问题的种类:纯整数线性规划:指全部决策变量都必须取整数值的整数纯整数线性规划:指全部决策变量都必须取整数值的整数线性规划。线性规划。混合整数线性规划:决策变量中有一部分必须取整数值,混合整数线性规划:决策变量中有一部分必须取整数值,另一部分可以不取整数值的整数线性规划。另一部分可以不取整数值的整数线性规划。0-
43、1型整数线性规划:决策变量只能取值型整数线性规划:决策变量只能取值0或或1的整数线性的整数线性规划。规划。Page157整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用整数规划的典型例子整数规划的典型例子整数规划的典型例子整数规划的典型例子例例4.1工厂工厂A1和和A2生产某种物资。由于该种物资供不应求,故需要生产某种物资。由于该种物资供不应求,故需要再建一家工厂。相应的建厂方案有再建一家工厂。相应的建厂方案有A3和和A4两个。这种物资的需求地两个。这种物资的需求地有有B1,B2,B3,B4四个。各工厂年生产能力、各地年需求量、各厂至各四个。各工厂年生产能力、各地年需求量、各厂至各需求地的单位物资运费需求地的单位物资运费cij,见下表:,见下表:B1B2B3B4年生产能力年生产能力A12934400A28357600A37612200A44525200年需求量年需求量350400300150工厂工厂A3或或A4开工后,每年的生产费用估计分别为开工后,每年的生产费用估计分别为1200万或万或1500万万元。现要决定应该建设工厂元。现要决定应该建设工厂A3还是还是A4,才能使今后每年的总费用,才能
44、使今后每年的总费用最少。最少。Page158整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用解:这是一个物资运输问题,特点是事先不能确定应该建解:这是一个物资运输问题,特点是事先不能确定应该建A3还是还是A4中哪一个,因而不知道新厂投产后的实际生产物资。中哪一个,因而不知道新厂投产后的实际生产物资。为此,引入为此,引入0-1变量:变量:再设再设xij为由为由Ai运往运往Bj的物资数量,单位为千吨;的物资数量,单位为千吨;z表示总费用,表示总费用,单位万元。单位万元。则该规划问题的数学模型可以表示为:则该规划问题的数学模型可以表示为:Page159整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用混合整数规划问题混合整数规划问题Page160整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用例例4.2现有资金总额为现有资金总额为B。可供选择的投资项目有。可供选择的投资项目有n个,项目个,项目j所需投资额和预期收益分别为所需投资额和预期收益分别为aj和和cj(j1,2,.,n),此外由),此外由于种种原因,有三个附加条件:于种种原因,有三个附加条件:若选择项目若选择项目1,就必须同时选择项目,就必须同时选择项目2。反
45、之不一定。反之不一定项目项目3和和4中至少选择一个;中至少选择一个;项目项目5,6,7中恰好选择中恰好选择2个。个。应该怎样选择投资项目,才能使总预期收益最大。应该怎样选择投资项目,才能使总预期收益最大。Page161整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用解:对每个投资项目都有被选择和不被选择两种可能,因此解:对每个投资项目都有被选择和不被选择两种可能,因此分别用分别用0和和1表示,令表示,令xj表示第表示第j个项目的决策选择,记为:个项目的决策选择,记为:投资问题可以表示为:投资问题可以表示为:Page162整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用例例4.3 4.3 指派问题或分配问题。人事部门欲安排四人到四个不指派问题或分配问题。人事部门欲安排四人到四个不同岗位工作,每个岗位一个人。经考核四人在不同岗位的成同岗位工作,每个岗位一个人。经考核四人在不同岗位的成绩(百分制)如表所示,如何安排他们的工作使总成绩最好。绩(百分制)如表所示,如何安排他们的工作使总成绩最好。工作工作人员人员ABCD甲甲85927390乙乙95877895丙丙82837990丁丁86908088Page163
46、整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用设设 数学模型如下:数学模型如下:要求每人做一项工作,约束条件为:要求每人做一项工作,约束条件为:Page164整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用每项工作只能安排一人,约束条件为:每项工作只能安排一人,约束条件为:变量约束:变量约束:Page165整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用整数规划问题解的特征:整数规划问题解的特征:整数规划问题解的特征:整数规划问题解的特征:整数规划问题的可行解集合是它松弛问题可行解集合的一整数规划问题的可行解集合是它松弛问题可行解集合的一个子集,任意两个可行解的凸组合不一定满足整数约束条件,个子集,任意两个可行解的凸组合不一定满足整数约束条件,因而不一定仍为可行解。因而不一定仍为可行解。整数规划问题的可行解一定是它的松弛问题的可行解(反整数规划问题的可行解一定是它的松弛问题的可行解(反之不一定),但其最优解的目标函数值不会优于后者最优解之不一定),但其最优解的目标函数值不会优于后者最优解的目标函数值。的目标函数值。Page166整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用例例4.3设整数规划问题如下设整数规划问
47、题如下首先不考虑整数约束,得到线性规划问题(一般称为松弛问首先不考虑整数约束,得到线性规划问题(一般称为松弛问题)。题)。Page167整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用用图解法求出最优解为:用图解法求出最优解为:x13/2,x2=10/3,且有且有Z=29/6现求整数解现求整数解(最优解最优解):如用舍如用舍入取整法可得到入取整法可得到4个点即个点即(1,3),(2,3),(1,4),(2,4)。显然,它。显然,它们都不可能是整数规划的最优解。们都不可能是整数规划的最优解。x1x233(3/2,10/3)按整数规划约束条件,其可行按整数规划约束条件,其可行解肯定在线性规划问题的可行域解肯定在线性规划问题的可行域内且为整数点。故整数规划问题内且为整数点。故整数规划问题的可行解集是一个有限集,如右的可行解集是一个有限集,如右图所示。图所示。其中其中(2,2),(3,1)点点的目标函数值最大,即为的目标函数值最大,即为Z=4。Page168整数规划的特点及应用整数规划的特点及应用整数规划问题的求解方法:整数规划问题的求解方法:分支定界法和割平面法分支定界法和割平面法匈牙利法(指派问题
48、)匈牙利法(指派问题)Page169分支定界法分支定界法1)求整数规划的松弛问题最优解;)求整数规划的松弛问题最优解;若松弛问题的最优解满足整数要求,得到整数规划的最优解若松弛问题的最优解满足整数要求,得到整数规划的最优解,否否则转下一步;则转下一步;2)分支与定界:)分支与定界:任意选一个非整数解的变量任意选一个非整数解的变量xi,在松弛问题中加上约束:,在松弛问题中加上约束:xixi和和xixi+1组成两个新的松弛问题,称为分枝。新的松弛问题具有特征:当原问题组成两个新的松弛问题,称为分枝。新的松弛问题具有特征:当原问题是求最大值时,目标值是分枝问题的上界;当原问题是求最小值时,目是求最大值时,目标值是分枝问题的上界;当原问题是求最小值时,目标值是分枝问题的下界。标值是分枝问题的下界。检查所有分枝的解及目标函数值,若某分枝的解是整数并且目标检查所有分枝的解及目标函数值,若某分枝的解是整数并且目标函数值大于(函数值大于(max)等于其它分枝的目标值,则将其它分枝剪去不再计)等于其它分枝的目标值,则将其它分枝剪去不再计算,若还存在非整数解并且目标值大于算,若还存在非整数解并且目标值大于
49、(max)整数解的目标值,需要继续整数解的目标值,需要继续分枝,再检查,直到得到最优解。分枝,再检查,直到得到最优解。分支定界法的解题步骤:分支定界法的解题步骤:分支定界法的解题步骤:分支定界法的解题步骤:Page170分支定界法分支定界法例例4.4用分枝定界法求解整数规划问题用分枝定界法求解整数规划问题解:首先去掉整数约束,变成一般线性规划问题解:首先去掉整数约束,变成一般线性规划问题( (原整数规原整数规划问题的松驰问题划问题的松驰问题) )LPIPPage171分支定界法分支定界法用图解法求松弛问题的最优解,如图所示。用图解法求松弛问题的最优解,如图所示。x1x23(18/11,40/11)21123x118/11,x2=40/11Z=218/11(19.8)即即Z也是也是IP最小值的下限。最小值的下限。对于对于x118/111.64,取值取值x11,x12对于对于x2=40/113.64,取值,取值x23,x24先将(先将(LP)划分为()划分为(LP1)和(和(LP2),取取x11,x12Page172分支定界法分支定界法分支:分支:分别求出(分别求出(LP1)和()和(LP
50、2)的最优解。)的最优解。Page173分支定界法分支定界法先求先求LP1,如图所示。此时在如图所示。此时在B点取得最优解。点取得最优解。x11,x2=3,Z(1)16找到整数解,问题已探明,此找到整数解,问题已探明,此枝停止计算。枝停止计算。x1x233(18/11,40/11)11BAC同理求同理求LP2,如图所示。在如图所示。在C点点取得最优解。即取得最优解。即:x12,x2=10/3,Z(2)56/318.7Z(2)Z(1)16原问题有比原问题有比16更小的最优更小的最优解,但解,但x2 不是整数,故继续不是整数,故继续分支。分支。Page174分支定界法分支定界法在在IP2中分别再加入条件:中分别再加入条件:x23,x24得下式两支:得下式两支:分别求出分别求出LP21和和LP22的最优解的最优解Page175分支定界法分支定界法x1x233(18/11,40/11)11BACD先求先求LP21,如图所示。此时如图所示。此时D在点取得最优解。在点取得最优解。即即x112/52.4,x2=3,Z(21)-87/5-17.4Z(211)如对如对LP212继续分解,其最小值继续分解
51、,其最小值也不会低于也不会低于15.5,问题探明,问题探明,剪枝。剪枝。Page178分支定界法分支定界法原整数规划问题的最原整数规划问题的最优解为优解为:x1=2,x2=3,Z*=17以上的求解过程可以以上的求解过程可以用一个树形图表示如用一个树形图表示如右:右:LP1x1=1,x2=3Z(1)16LPx1=18/11,x2=40/11Z(0)19.8LP2x1=2,x2=10/3Z(2)18.5LP21x1=12/5,x2=3Z(21)17.4LP22无可无可行解行解LP211x1=2,x2=3Z(211)17LP212x1=3,x2=5/2Z(212)15.5x11x12x23x24x12x13Page179分支定界法分支定界法例例4.5用分枝定界法求解用分枝定界法求解解解:先求对应的松弛问题(记为先求对应的松弛问题(记为LP0)用图解法得到最优解用图解法得到最优解X(3.57,7.14),Z0=35.7,如下图所如下图所示。示。Page180分支定界法分支定界法1010松弛问题松弛问题LP0的最优解的最优解X=(3.57,7.14),Z0=35.7x1x2oABCPage181
52、分支定界法分支定界法10x2oABCLP1LP234LP1:X=(3,7.6),Z1=34.8LP2:X=(4,6.5),Z2=35.5Page182分支定界法分支定界法10x1x2oABCLP1LP2134LP21:X=(4.33,6),Z21=35.336Page183分支定界法分支定界法10x1x2oACLP1346LP211:X=(4,6),Z211=34LP212:X=(5,5),Z212=355LP212Page184分支定界法分支定界法上述分枝过程可用下图表示:上述分枝过程可用下图表示:上述分枝过程可用下图表示:上述分枝过程可用下图表示:LP0:X=(3.57,7.14),Z0=35.7LP1:X=(3,7.6)Z1=34.8LP2:X=(4,6.5)Z2=35.5x13x14LP21:X=(4.33,6)Z21=35.33x26LP211:X=(4,6)Z211=34LP212:X=(5,5)Z212=35x14x15LP22无可行解无可行解x27Page185小结小结学习要点:学习要点: 掌握一般整数规划问题概念及模型结构掌握一般整数规划问题概念及模型结构 掌握分支定
53、界法原理掌握分支定界法原理 能够用分支定界法求解一般整数规划问题能够用分支定界法求解一般整数规划问题课后练习:课后练习:Page186分配问题与匈牙利法分配问题与匈牙利法指派问题的数学模型的标准形式:指派问题的数学模型的标准形式:指派问题的数学模型的标准形式:指派问题的数学模型的标准形式:设设n个人被分配去做个人被分配去做n件工作,规定每个人只做一件工作,件工作,规定每个人只做一件工作,每件工作只有一个人去做。已知第每件工作只有一个人去做。已知第i个人去做第个人去做第j件工作的效率件工作的效率(时间或费用)为时间或费用)为Cij(i=1.2n;j=1.2n)并假设并假设Cij0。问。问应如何分配才能使总效率(应如何分配才能使总效率(时间或费用)最高?时间或费用)最高?设决策变量设决策变量Page187分配问题与匈牙利法分配问题与匈牙利法指派问题的数学模型为:指派问题的数学模型为:Page188分配问题与匈牙利法分配问题与匈牙利法克尼格定理克尼格定理克尼格定理克尼格定理 : :如果从分配问题效率矩阵如果从分配问题效率矩阵aij的每一行元素中分别减的每一行元素中分别减去去(或加上或加上)一
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