Programowanie liniowe

Podobne dokumenty
Algorytm simplex i dualność

Programowanie liniowe

Teoretyczne podstawy programowania liniowego

Układy równań i nierówności liniowych

Programowanie liniowe

Programowanie liniowe

Definicja problemu programowania matematycznego

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

1 Podstawowe pojęcia. 1.1 Co to jest programowanie liniowe? Łukasz Kowalik, Wstęp do programowania liniowego 1

TOZ -Techniki optymalizacji w zarządzaniu

1 Przykładowe klasy zagadnień liniowych

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

PROGRAMOWANIE KWADRATOWE

Algebra liniowa z geometrią

Wprowadzenie do badań operacyjnych - wykład 2 i 3

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

Programowanie liniowe metoda sympleks

Elementy modelowania matematycznego

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

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

Badania Operacyjne Ćwiczenia nr 2 (Materiały)

Zbiory wypukłe i stożki

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

Programowanie nieliniowe. Badania operacyjne Wykład 3 Metoda Lagrange a

Formy kwadratowe. Rozdział 10

Programowanie liniowe

Wykład z modelowania matematycznego. Algorytm sympleks.

13 Układy równań liniowych

Zagadnienie Dualne Zadania Programowania Liniowego. Seminarium Szkoleniowe Edyta Mrówka

Metody wielokryterialne. Tadeusz Trzaskalik

Układy równań liniowych

Programowanie liniowe metoda sympleks

Układy równań liniowych

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

Formy kwadratowe. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 14. wykład z algebry liniowej Warszawa, styczeń 2017

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

Standardowe zadanie programowania liniowego. Gliwice 1

Document: Exercise*02*-*manual /11/ :31---page1of8 INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 2

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

Laboratorium Metod Optymalizacji

Metoda Karusha-Kuhna-Tuckera

Programowanie celowe #1

Wykład z modelowania matematycznego. Zagadnienie transportowe.

Wielokryteriowa optymalizacja liniowa

19 Własności iloczynu skalarnego: norma, kąt i odległość

PROGRAMOWANIE NIELINIOWE

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

Układy liniowo niezależne

Dualność w programowaniu liniowym

Własności wyznacznika

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

WYKŁADY Z MATEMATYKI DLA STUDENTÓW UCZELNI EKONOMICZNYCH

Programowanie liniowe. Tadeusz Trzaskalik

Programowanie liniowe metoda sympleks

3. Wykład Układy równań liniowych.

Metody systemowe i decyzyjne w informatyce

1 Zbiory i działania na zbiorach.

Ekonometria - ćwiczenia 10

Ćwiczenia laboratoryjne - Dobór optymalnego asortymentu produkcji programowanie liniowe. Logistyka w Hutnictwie Ćw. L.

Przekształcenia liniowe

Elementy Modelowania Matematycznego Wykład 7 Programowanie nieliniowe i całkowitoliczbowe

Programowanie nieliniowe

Układy równań liniowych

3 Przestrzenie liniowe

ZAGADNIENIA PROGRAMOWANIA LINIOWEGO

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Jak łatwo zauważyć, zbiór form symetrycznych (podobnie antysymetrycznych) stanowi podprzestrzeń przestrzeni L(V, V, K). Oznaczamy ją Sym(V ).

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Algebra liniowa. Macierze i układy równań liniowych

Przekształcenia liniowe

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

Zastosowania wyznaczników

Badania operacyjne. te praktyczne pytania, na które inne metody dają odpowiedzi jeszcze gorsze.

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ MACIERZE ODWZOROWAŃ LINIOWYCH

Przestrzenie liniowe

Wykład 7. Informatyka Stosowana. Magdalena Alama-Bućko. 16 kwietnia Magdalena Alama-Bućko Wykład 7 16 kwietnia / 23

ALGEBRA LINIOWA Z GEOMETRIĄ, LISTA ZADAŃ NR 8

Wprowadzenie do badań operacyjnych

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

Formy kwadratowe. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. wykład z algebry liniowej Warszawa, styczeń 2009

Rozdział 1 PROGRAMOWANIE LINIOWE

Programowanie liniowe

Formy kwadratowe. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 14. wykład z algebry liniowej Warszawa, styczeń 2011

Elementy Modelowania Matematycznego

14. Przestrzenie liniowe

. : a 1,..., a n F. . a n Wówczas (F n, F, +, ) jest przestrzenią liniową, gdzie + oraz są działaniami zdefiniowanymi wzorami:

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

1 Elementy logiki i teorii mnogości

Funkcje analityczne. Wykład 4. Odwzorowania wiernokątne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

Rozdział 6 PROGRAMOWANIE WYPUKŁE I KWADRATOWE

Przestrzenie wektorowe

Aproksymacja. j<k. L 2 p[a, b] l 2 p,n X = Lemat 1. Wielomiany ortogonalne P 0,P 1,...,P n tworza przestrzeni liniowej Π n. Dowód.

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

METODA SYMPLEKS. Maciej Patan. Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Uniwersytet Zielonogórski

Badania operacyjne. 1 Programowanie liniowe. kierunek Informatyka, studia II stopnia ćwiczenia. 1.1 Modelowanie

Funkcje analityczne. Wykład 4. Odwzorowania wiernokątne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) dla każdego s = (s.

POD- I NADOKREŚLONE UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

BADANIA OPERACYJNE pytania kontrolne

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

Transkrypt:

Programowanie liniowe Łukasz Kowalik Instytut Informatyki, Uniwersytet Warszawski April 8, 2016 Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 1 / 15

Problem diety Tabelka wit. A (µg) wit. B1 (µg) wit. C (µg) (kcal) kotlet schabowy 500 0 0 237 ziemniaki 70 0,8 1 60 kasza gryczana 90 0,5 0 141 sałatka 300 0,1 75 25 zapotrzebowanie 1000 1,2 100 Zadanie zminimalizuj 237x k + 60x z + 141x g + 25x s z zachowaniem warunków 500x k + 70x z + 90x g + 300x s 1000 0.8x z + 0.5x g + 0.1x s 1.2 x z + 75x s 100 x k, x z, x g, x s 0 Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 2 / 15

Co to jest program liniowy? Definicja Program liniowy (w skrócie PL) jest to problem minimalizacji/maksymalizacji liniowej funkcji celu o n argumentach x 1, x 2,..., x n przy zachowaniu pewnej liczby równości lub nierówności liniowych (będziemy je nazywać ograniczeniami) zawierających zmienne x i. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 3 / 15

PL a dyskretne problemy algorytmiczne Wiele problemów algorytmicznych możemy zapisać jako programy liniowe. Np. maksymalny przepływ: zmaksymalizuj v V f sv z zachowaniem warunków f vw c(v, w) v, w V f vw = f wv v, w V w V f vw = 0 v V \ {s, t} Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 4 / 15

PL a dyskretne problemy algorytmiczne Wiele problemów algorytmicznych możemy zapisać jako programy liniowe. Np. maksymalny przepływ: zmaksymalizuj v V f sv z zachowaniem warunków f vw c(v, w) v, w V f vw = f wv v, w V w V f vw = 0 v V \ {s, t} Najtańszy przepływ o wartości x? Proszę bardzo: zminimalizuj v,w V a(v, w)f vw z zachowaniem warunków f vw c(v, w) v, w V f vw = f wv v, w V w V f vw = 0 v V \ {s, t} v V f sv = x. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 4 / 15

Notacja Rozważmy PL o n zmiennych x 1,..., x n. Wartościowanie zmiennych: wektor x R n. liniowa funkcja celu ma postać: n c j x j, j=1 dla pewnego wektora c = (c 1,..., c n ) R n. Inny zapis funkcji celu (iloczyn skalarny): cx Czasem piszemy też (jako iloczyn macierzy): c T x Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 5 / 15

Definicje x R n jest rozwiązaniem dopuszczalnym PL gdy x spełnia wszystkie ograniczenia. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 6 / 15

Definicje x R n jest rozwiązaniem dopuszczalnym PL gdy x spełnia wszystkie ograniczenia. x jest rozwiązaniem optymalnym PL gdy x jest dopuszczalny i optymalizuje f-cję celu, tzn Dla każdego rozwiązania dopuszczanego y R n, (dla problemu minimalizacyjnego) cx cy Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 6 / 15

Definicje x R n jest rozwiązaniem dopuszczalnym PL gdy x spełnia wszystkie ograniczenia. x jest rozwiązaniem optymalnym PL gdy x jest dopuszczalny i optymalizuje f-cję celu, tzn Dla każdego rozwiązania dopuszczanego y R n, (dla problemu minimalizacyjnego) cx cy PL jest dopuszczalny gdy istnieje rozwiązanie dopuszczalne, wpp. jest sprzeczny. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 6 / 15

Definicje x R n jest rozwiązaniem dopuszczalnym PL gdy x spełnia wszystkie ograniczenia. x jest rozwiązaniem optymalnym PL gdy x jest dopuszczalny i optymalizuje f-cję celu, tzn Dla każdego rozwiązania dopuszczanego y R n, (dla problemu minimalizacyjnego) cx cy PL jest dopuszczalny gdy istnieje rozwiązanie dopuszczalne, wpp. jest sprzeczny. PL jest nieograniczony gdy istnieje rozwiązanie dopuszczalne, ale nie ma rozwiązań optymalnych, tzn. λ R rozw. dopuszczalne x R n t.ż. xc < λ Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 6 / 15

Postać kanoniczna zmaksymalizuj z zachowaniem warunków n j=1 c jx j n j=1 a ijx j b i i = 1,..., m gdzie {a ij, b i, c j } są dane. Zapis macierzowy: Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 7 / 15

Postać kanoniczna zmaksymalizuj z zachowaniem warunków n j=1 c jx j n j=1 a ijx j b i i = 1,..., m gdzie {a ij, b i, c j } są dane. Zapis macierzowy: zmaksymalizuj z zachowaniem warunków c T x Ax b Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 7 / 15

Postać kanoniczna zmaksymalizuj z zachowaniem warunków n j=1 c jx j n j=1 a ijx j b i i = 1,..., m gdzie {a ij, b i, c j } są dane. Zapis macierzowy: zmaksymalizuj z zachowaniem warunków c T x Ax b Fakt 1 Każdy program liniowy można sprowadzić do równoważnego programu w postaci kanonicznej. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 7 / 15

Równoważność programów liniowych Rozważmy PL L i L, maksymalizacyjne, z funkcjami celu c i c. L i L są równoważne gdy dla każdego rozw. dopuszczalnego x programu L istnieje rozw. dopuszczalne x programu L tż. cx = c x. dla każdego rozw. dopuszczalnego x programu L istnieje rozw. dopuszczalne x programu L tż. cx = c x. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 8 / 15

Równoważność programów liniowych Rozważmy maksymalizacyjny PL L i minimalizacyjny PL L, z funkcjami celu c i c. L i L są równoważne gdy dla każdego rozw. dopuszczalnego x programu L istnieje rozw. dopuszczalne x programu L tż. cx = c x. dla każdego rozw. dopuszczalnego x programu L istnieje rozw. dopuszczalne x programu L tż. cx = c x. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 9 / 15

Postać standardowa wersja max: zmaksymalizuj z zachowaniem warunków wersja min: zminimalizuj z zachowaniem warunków c T x Ax b x 0 c T x Ax b x 0 Fakt 2 Każdy program liniowy można sprowadzić do równoważnego programu w postaci standardowej. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 10 / 15

Postać dopełnieniowa zmaksymalizuj z zachowaniem warunków c T x Ax = b x 0 Fakt 3 Każdy program liniowy można sprowadzić do równoważnego programu w postaci dopełnieniowej. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 11 / 15

Geometria programów liniowych f (x) 4 x 2 = x 1 + 2 3 max x 1 + 2x 2 x 2 x 1 + 2 2x 1 + x 2 4 2x 2 + x 1 0 x 2 0 2 2x 1 + x 2 = 3 1 x 2 1 0 1 2 3 1 2 2x 1 + x 2 = 4 2x 2 + x 1 = 0 Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 12 / 15

Wnioski 2 zmienne: ogólnie: ograniczenia półpłaszczyzny zbiór rozwiązań dopuszczalnych wielokąt (wypukły), być może nieograniczony. zbiór punktów spełniających ax = b hiperpłaszczyzna zbiór punktów spełniających ax b półprzestrzeń zbiór rozwiązań dopuszczalnych PL wielościan (wypukły). Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 13 / 15

Równoważność pojęć wierzchołka Wierzchołkiem wielościanu P nazywamy dowolny punkt x P, który jest jedynym rozwiązaniem optymalnym dla pewnej funkcji celu c. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 14 / 15

Równoważność pojęć wierzchołka Wierzchołkiem wielościanu P nazywamy dowolny punkt x P, który jest jedynym rozwiązaniem optymalnym dla pewnej funkcji celu c. Punktem ekstremalnym wielościanu P nazywamy dowolny punkt x P, który nie jest wypukłą kombinacją dwóch innych punktów y, z P. (tzn. dowolny punkt postaci λy + (1 λ)z dla pewnego λ [0, 1].) Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 14 / 15

Równoważność pojęć wierzchołka Wierzchołkiem wielościanu P nazywamy dowolny punkt x P, który jest jedynym rozwiązaniem optymalnym dla pewnej funkcji celu c. Punktem ekstremalnym wielościanu P nazywamy dowolny punkt x P, który nie jest wypukłą kombinacją dwóch innych punktów y, z P. (tzn. dowolny punkt postaci λy + (1 λ)z dla pewnego λ [0, 1].) Bazowe rozwiązanie dopuszczalne (brd) PL o n zmiennych to rozwiązanie dopuszczalne x R n takie, że istnieje n liniowo niezależnych ograniczeń (w sensie wektorów współczynników przy x i, tzn. x 1 + 2x 2 1 i x 1 + 2x 2 2 są liniowo zależne), które dla x są spełnione z równością. Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 14 / 15

Równoważność pojęć wierzchołka Fakt 4 Wierzchołkiem wielościanu P nazywamy dowolny punkt x P, który jest jedynym rozwiązaniem optymalnym dla pewnej funkcji celu c. Punktem ekstremalnym wielościanu P nazywamy dowolny punkt x P, który nie jest wypukłą kombinacją dwóch innych punktów y, z P. (tzn. dowolny punkt postaci λy + (1 λ)z dla pewnego λ [0, 1].) Bazowe rozwiązanie dopuszczalne (brd) PL o n zmiennych to rozwiązanie dopuszczalne x R n takie, że istnieje n liniowo niezależnych ograniczeń (w sensie wektorów współczynników przy x i, tzn. x 1 + 2x 2 1 i x 1 + 2x 2 2 są liniowo zależne), które dla x są spełnione z równością. Powyższe pojęcia są równoważne (dowód tablica) Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 14 / 15

Struktura rozwiązań optymalnych Twierdzenie Każdy ograniczony PL w postaci standardowej max c T x, Ax b, x 0 ma rozwiązanie optymalne, które jest punktem ekstremalnym. (dowód tablica) Łukasz Kowalik (UW) LP April 8, 2016 15 / 15