Teoretyczne podstawy programowania liniowego

Podobne dokumenty
Programowanie liniowe

1 Przykładowe klasy zagadnień liniowych

Układy równań i nierówności liniowych

Programowanie liniowe

Zbiory wypukłe i stożki

Układy liniowo niezależne

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

Programowanie liniowe

Programowanie liniowe

1 Zbiory i działania na zbiorach.

Kolejny krok iteracji polega na tym, że przechodzimy do następnego wierzchołka, znajdującego się na jednej krawędzi z odnalezionym już punktem, w

Programowanie celowe #1

Metoda simpleks. Gliwice

Przekształcenia liniowe

= Zapiszemy poniższy układ w postaci macierzy. 8+$+ 2&=4 " 5 3$ 7&=0 5$+7&=4

Zadania z algebry liniowej - sem. I Przestrzenie liniowe, bazy, rząd macierzy

cx cx 1,cx 2,cx 3,...,cx n. Przykład 4, 5

Programowanie liniowe metoda sympleks

Wykład z modelowania matematycznego. Zagadnienie transportowe.

3 Przestrzenie liniowe

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Rozdział 1 PROGRAMOWANIE LINIOWE

Treść wykładu. Układy równań i ich macierze. Rząd macierzy. Twierdzenie Kroneckera-Capellego.

wszystkich kombinacji liniowych wektorów układu, nazywa się powłoką liniową uk ładu wektorów

Wykład 5. Ker(f) = {v V ; f(v) = 0}

Własności wyznacznika

Wykład 5. Metoda eliminacji Gaussa

Układy równań liniowych

Metoda graficzna może być stosowana w przypadku gdy model zawiera dwie zmienne decyzyjne. Metoda składa się z dwóch kroków (zobacz pierwszy wykład):

Układy równań liniowych. Ax = b (1)

Rozwiązania, seria 5.

Wprowadzenie do badań operacyjnych - wykład 2 i 3

Równania liniowe. Rozdział Przekształcenia liniowe. Niech X oraz Y będą dwiema niepustymi przestrzeniami wektorowymi nad ciałem

METODA ANALITYCZNA Postać klasyczna: z = 5 x 1 + 6x 2 MAX 0,2 x 1 + 0,3x 2 < 18 0,6 x 1 + 0,6x 2 < 48 x 1, x 2 > 0

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

Programowanie liniowe. Tadeusz Trzaskalik

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

ZAGADNIENIA PROGRAMOWANIA LINIOWEGO

Algebra liniowa z geometrią

Algorytm simplex i dualność

13 Układy równań liniowych

PROGRAMOWANIE KWADRATOWE

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

Algebra liniowa. Macierze i układy równań liniowych

1 Wartości własne oraz wektory własne macierzy

Plan wykładu. Przykład. Przykład 3/19/2011. Przykład zagadnienia transportowego. Optymalizacja w procesach biznesowych Wykład 2 DECYZJA?

Układy równań liniowych

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

Elementy Modelowania Matematycznego

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Wielokryteriowa optymalizacja liniowa

Układy równań liniowych

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

Zagadnienie Dualne Zadania Programowania Liniowego. Seminarium Szkoleniowe Edyta Mrówka

Techniki Optymalizacji: Optymalizacja wypukła

Programowanie liniowe

Zaawansowane metody numeryczne

MATEMATYKA I SEMESTR ALK (PwZ) 1. Sumy i sumy podwójne : Σ i ΣΣ

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ BAZY PRZESTRZENI WEKTOROWYCH

14. Przestrzenie liniowe

Praca domowa - seria 6

Analiza funkcjonalna 1.

Rozdział 6 PROGRAMOWANIE WYPUKŁE I KWADRATOWE

1 Rząd macierzy. 2 Liniowa niezależność. Algebra liniowa. V. Rząd macierzy. Baza podprzestrzeni wektorowej

Wektory i wartości własne

2 1 3 c c1. e 1, e 2,..., e n A= e 1 e 2...e n [ ] M. Przybycień Matematyczne Metody Fizyki I

3. Wykład Układy równań liniowych.

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

A. Kasperski, M. Kulej Badania Operacyjne- metoda sympleks 1

Funkcje liniowe i wieloliniowe w praktyce szkolnej. Opracowanie : mgr inż. Renata Rzepińska

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

Programowanie liniowe metoda sympleks

Wektory i wartości własne

doc. dr Beata Pułska-Turyna Zarządzanie B506 mail: mgr Piotr J. Gadecki Zakład Badań Operacyjnych Zarządzania B 505.

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

Laboratorium Metod Optymalizacji

Wykład z modelowania matematycznego. Algorytm sympleks.

Ekonometria - ćwiczenia 10

Programowanie liniowe metoda sympleks

Algebra liniowa. 1. Macierze.

Zastosowania wyznaczników

ALGEBRA LINIOWA Z GEOMETRIĄ, LISTA ZADAŃ NR 8

Metody wielokryterialne. Tadeusz Trzaskalik

3 1 + i 1 i i 1 2i 2. Wyznaczyć macierze spełniające własność komutacji: [A, X] = B

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

Przekształcanie równań stanu do postaci kanonicznej diagonalnej

Przestrzeń unitarna. Jacek Kłopotowski. 23 października Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej SGH

R n = {(x 1, x 2,..., x n ): x i R, i {1,2,...,n} },

Zestaw zadań 5: Sumy i sumy proste podprzestrzeni. Baza i wymiar. Rzędy macierzy. Struktura zbioru rozwiązań układu równań.

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

1 Elementy logiki i teorii mnogości

Metody systemowe i decyzyjne w informatyce

Przestrzenie wektorowe

Zagadnienie transportowe

Systemy liczbowe. 1. Przedstawić w postaci sumy wag poszczególnych cyfr liczbę rzeczywistą R = (10).

DB Algebra liniowa semestr zimowy 2018

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

Transkrypt:

Teoretyczne podstawy programowania liniowego

Elementy algebry liniowej Plan

Kombinacja liniowa Definicja Kombinacja liniowa wektorów (punktów) x 1, x 2,, x k R n to wektor x R n k taki, że x = i=1 λ i x i, gdzie λ i R, i = 1,2,, k. Kombinacja liniowa jest nieujemna wtedy i tylko wtedy, gdy i λ i 0, i = 1,2,, k. Kombinacja liniowa wektorów jest wypukła, gdy jest k nieujemna oraz λ i = 1 i=1

Liniowa zależność O wektorach x 1, x 2,, x k R n mówimy, że tworzą układ liniowo niezależny jeżeli k i=1 λ i x i = 0 (λ i R, i = 1,2,, k) wtedy i tylko wtedy, gdy λ i = 0 (i = 1,2,, k) i k Jeżeli implikacja i=1 λ i x i = 0 λ 1 = λ 2 = = λ k = 0 nie zachodzi, to wektory x 1, x 2,, x k nazywamy liniowo zależnymi, a zbiór tych wektorów układem liniowo zależnym

Wnioski Z poprzednich definicji wynika, że: Układ wektorów jest liniowo zależny, jeżeli chociaż jeden jest kombinacją liniową pozostałych W układzie wektorów liniowo niezależnych żadnego wektora nie można przedstawić jako kombinacji liniowej pozostałych Szczególnym przypadkiem są wersory przestrzeni R n

Twierdzenia 1 i 2 Twierdzenie Dowolny układ wektorów zawierający wektor zerowy jest układem liniowo zależnym Twierdzenie Maksymalna liczba liniowo niezależnych wektorów w przestrzeni R n wynosi n Wniosek Dowolny układ n + k (k 1) wektorów należących do R n jest liniowo zależny

Wektory rozpinające zbiór Definicja Niech S R n. Układ wektorów b 1, b 2,, b k S rozpina zbiór S, jeżeli dla każdego a S istnieją takie λ i R (i = 1,2,, k), że k a = i=1 λ i b i, tzn. każdy element a S można przedstawić jako kombinację liniową wektorów rozpinających b 1, b 2,, b k. Przykład S = 2 1, 0 1, 4 3, 0 5, 2 5, wektory 2 1 oraz 0 1 rozpinają zbiór S

Baza zbioru wektorów Definicja Bazą zbioru S nazywamy liniowo niezależny układ wektorów b 1, b 2,, b p S rozpinający zbiór S. Przykład a) S 1 = 2 1, 0 1, 4 3, 0 5, 2 5, wektory 2 1 oraz 0 1 rozpinają zbiór S 1 i są jego bazą (są liniowo niezależne). b) S 2 = 0 0, 1 1, 2,5 2,5, 2 2, wektory 2 2 oraz 1 1 rozpinają zbiór S 2, ale nie są jego bazą (są liniowo zależne).

Twierdzenie 3 Twierdzenie Liczba wektorów stanowiących bazę zbioru S jest równa maksymalnej liczbie liniowo niezależnych wektorów należących do S. Wniosek Dowolny zbiór n liniowo niezależnych wektorów należących do R n jest bazą przestrzeni R n. Każdy element przestrzeni R n można przedstawić za pomocą tych wektorów

Twierdzenie 4 Twierdzenie Dla ustalonej bazy B = b 1, b 2,, b p zbioru S dowolny wektor a S można w jednoznaczny sposób przedstawić jako kombinację liniową wektorów bazy.

Twierdzenie 5 Twierdzenie Niech B = b 1, b 2,, b p będzie bazą zbioru S. Jeżeli a S spełnia następujące warunki: 1) a 0 p 2) a = i=1 λ i b i, gdzie λ r 0 to zastąpienie wektora b r w bazie B wektorem a daje zbiór wektorów B = B b r a będący nową bazą zbioru S.

Przykład B = 2 1, 1 2 jest bazą w przestrzeni R2 wektor 3 0 jest następująca kombinacją liniową wektorów bazy: 3 0 = 2 2 1 1 1 2 Ponieważ λ 1 = 2 0 to na podstawie twierdzenia 5 można stworzyć nową bazę B = 3 0, 1 lub ze 2 względu na λ 2 = 1 0 bazę B = 2 1, 3 0

Bazy sąsiednie Definicja Dwie bazy nazywamy sąsiednimi jeśli różnią się od siebie tylko jednym wektorem

Macierz A Jeżeli zbiór S R m zawiera skończoną liczbę n wektorów to można go przedstawić w postaci macierzy typu m n. Tj. jeśli S = a 1, a 2,, a n, to z wektorów a j S R m można utworzyć macierz A = a 1, a 2,, a n

Od macierzy A do rozwiązania układu Ax=b Dana macierz A = a 1, a 2,, a n typu m n, gdzie a j R m dla j = 1,2,, n. Jeżeli rząd macierzy r A = m, to macierz można podzielić na dwie części A = A B, A R, gdzie: A B jest macierzą typu m m i rzędu m złożoną z kolumn bazowych macierzy A, A R jest macierzą typu m (n m) złożoną z pozostałych kolumn.

Od macierzy A do rozwiązania układu Ax=b c.d. Niech B oznacza zbiór numerów kolumn macierzy A będących bazą tej macierzy B = j 1, j 2,, j m. Wówczas A B = a j1, a j2,, a jm k = 1,2,, m, gdzie j k B dla

Od macierzy A do rozwiązania układu Ax=b c.d. Załóżmy, że mamy następujący układ równań Ax = b, n który można przedstawić jako j=1 a j x j = b, gdzie x j R (j = 1,2,, n) i jest składową wektora x, co można przedstawić jako j B a j x B j + j B a j x R j = b, gdzie x j B są składowymi wektora x stojącymi przy kolumnach bazowych j B, a x j B są składowymi wektora x stojącymi przy kolumnach niebazowych j B

Od macierzy A do rozwiązania układu Ax=b c.d. Jeżeli wektor x podzielimy na dwie części, to otrzymamy wektor x = xb x R, gdzie xb R m, a x R R n m, przy czym x B = x 1 B x 2 B x m B, a x R = Wektor x B ma m składowych ponieważ r A R x 1 R x 2. xr n m = m.

Od macierzy A do rozwiązania układu Ax=b c.d. Układ sprowadza się więc do postaci: A B x B + A R x R = b gdzie: x j B to zmienne bazowe x j R to zmienne niebazowe (wtórne) x B wektor zmiennych bazowych x R wektor zmiennych bazowych

Od macierzy A do rozwiązania układu Ax=b c.d. Zatem: x B = A B 1 b A B 1 A R x R Jeśli w układzie Ax = b ustalimy dowolną bazę A B składającą się z kolumn macierzy A, to wektor zmiennych bazowych x B można przedstawić powyższą zależnością. Jeżeli x R ustalimy w dowolny sposób, a następnie wyznaczymy x B, to rozwiązanie x = xb R jest rozwiązaniem x układu Ax = b.

Przykład Układ: x 1 + x 2 + 2x 3 x 4 = 6 x 2 x 3 + 2x 4 = 2 Co jest równoważne zapisowi: 1 0 x 1 + 1 1 x 2 2 + 1 x 3 + 1 2 x 4 = 6 2 Jedna z baz to A B = 1 1 0 1, zmienne x 1i x 2 będą zmiennymi bazowymi, czyli x B = x 1 x, natomiast A R = 2 1 2 1 2, a xr = x 3 x. 4

Przykład c.d. Układ można zapisać jako: Macierz odwrotna Stąd Czyli x 1 x 2 = 1 1 0 1 1 1 0 1 6 2 1 1 0 1 x 1 x 2 + 2 1 1 2 A 1 B = 1 1 0 1 2 1 1 2 x 3 x 4 = 6 2 x 3 x 4 = 4 2 3 3 1 2 x 3 x 4 x 1 = 4 3x 3 + 3x 4 x 2 = 2 + x 3 2x 4 Jeżeli teraz ustalimy dowolne x 3 i x 4 np. x 3 = 1 i x 4 = 2, to wówczas x 1 = 7 a x 2 = 1. Jest to jedno z wielu rozwiązań tego układu.

Rozwiązanie bazowe Definicja Rozwiązaniem bazowym układu równań Ax = b nazywamy takie rozwiązanie x B R n, w którym wszystkie zmienne wtórne są równe zero x R = 0, tj. x B = xb 0, gdzie x B R n, x B R m. Wniosek Rozwiązanie bazowe układu równań Ax = b można otrzymać podstawiając x R = 0

Rozwiązanie zdegenerowane Definicja Rozwiązanie bazowe nazywamy zdegenerowanym jeżeli choć jedna ze składowych wektora x B jest równa zeru. Uwaga Rozwiązania zdegenerowane, o ile występują w algorytmie simpleks, mogą prowadzić do zapętlenia algorytmu.

Liczba rozwiązań bazowych Każde rozwiązani bazowe odpowiada jednej ustalonej bazie A B. Każdej bazie A B odpowiada inne rozwiązanie bazowe. Zatem liczba różnych rozwiązań bazowych układu równań Ax = b wynosi tyle, ile różnych baz A B można wyodrębnić z macierzy A Prowadzi to do następującego wniosku: Maksymalna liczba rozwiązań bazowych układu Ax = b, w n którym A jest typu m n, r A = m oraz m n wynosi m

Twierdzenie 6 Twierdzenie Jeżeli układ równań Ax = b nie jest sprzeczny to ma co najmniej jedno rozwiązanie bazowe.

Zbiory wypukłe

Zbiór wypukły Definicja Zbiór C R n nazywamy wypukłym wtedy i tylko wtedy, gdy λx 1 + 1 λ x 2 C, dla dowolnych x 1, x 2 C oraz λ 0,1. Przykład

Punkt wierzchołkowy Definicja Punkt x C nazywamy wierzchołkiem zbioru wypukłego C R n wtedy i tylko wtedy, gdy nie istnieją takie dwa punkty x 1, x 2 C (gdzie x 1 x 2 ) spełniajace warunek x = λx 1 + 1 λ x 2 gdzie λ 0,1.

Twierdzenia 7, 8 i 9 Twierdzenie Zbiór rozwiązań układu równań liniowych postaci Ax = b (gdzie A jest typu m n, x R n oraz b R m ) jest zbiorem wypukłym. Twierdzenie Półprzestrzeń postaci a T x d, gdzie a, x R n jest zbiorem wypukłym. Twierdzenie Część wspólna dowolnej rodziny zbiorów wypukłych jest zbiorem wypukłym. Wniosek Zbiór nieujemnych rozwiązań układu równań Ax = b jest zbiorem wypukłym

Wielościenny zbiór wypukły i wielościan wypukły Definicja Wielościennym zbiorem wypukłym nazywamy iloczyn skończonej liczby półprzestrzeni Definicja Wielościanem wypukłym nazywamy wielościenny zbiór wypukły i ograniczony Przykład

Twierdzenia 10 i 11 Twierdzenie Jeżeli zbiór K jest wielościanem wypukłym, to każdy jego punkt da się przedstawić jako wypukłą kombinację liniową punktów wierzchołkowych tego wielościanu. Twierdzenie Zbiór rozwiązań układu Ax = b jest zbiorem wielościennym wypukłym. Wniosek Jeżeli zbiór rozwiązań układu Ax = b jest ograniczony, to jest on wielościanem wypukłym.

Rozwiązania problemu PL Niesprzeczny problem PL: ma skończone rozwiązanie optymalne (jedno lub nieskończenie wiele) nie ma skończonego rozwiązania optymalnego

Własności problemów PL

Twierdzenia 12 i 13 Twierdzenie Zbiór X (zbiór rozwiązań dopuszczalnych problemu PL) jest zbiorem wypukłym Twierdzenie Zbiór X jest zbiorem wielościennym wypukłym

Bazowe rozwiązanie dopuszczalne Definicja Bazowym rozwiązaniem dopuszczalnym nazywamy każde nieujemne rozwiązanie bazowe problemu

Twierdzenia 14 i 15 Twierdzenie Jeżeli wektor x B X jest dopuszczalnym rozwiązaniem bazowym układu równań Ax = b, to jest on również punktem wierzchołkowym zbioru X. Twierdzenie Jeżeli wektor x X jest punktem wierzchołkowym zbioru X, to jest on również dopuszczalnym rozwiązaniem bazowym układu równań Ax = b.

Twierdzenie 16 Twierdzenie Jeżeli problem PLS nie jest sprzeczny oraz funkcja celu jest ograniczona z góry (dołu) w zbiorze X rozwiązań dopuszczalnych problemu, to rozwiązanie optymalne zadania leży w co najmniej jednym punkcie wierzchołkowym zbioru X.

Twierdzenie 17 Twierdzenie Jeżeli problem PLS ma więcej niż jedno rozwiązanie optymalne, to każda kombinacja wypukła tych rozwiązań jest również rozwiązaniem optymalnym. Wniosek Rozwiązań optymalnych należy szukać wśród dopuszczalnych rozwiązań bazowych układu Ax = b i x 0