Programowanie liniowe

Podobne dokumenty
Programowanie liniowe

Programowanie liniowe metoda sympleks

Programowanie liniowe metoda sympleks

Programowanie liniowe metoda sympleks

Układy równań liniowych

1 Przykładowe klasy zagadnień liniowych

Przekształcenia liniowe

Teoretyczne podstawy programowania liniowego

Zastosowania wyznaczników

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

Wyznaczniki. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 6. Wykład z algebry liniowej Warszawa, listopad 2013

Programowanie liniowe

Programowanie liniowe

Układy równań i nierówności liniowych

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

ZAGADNIENIE TRANSPORTOWE

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

Układy liniowo niezależne

Definicja problemu programowania matematycznego

Wykład z modelowania matematycznego. Zagadnienie transportowe.

ZAGADNIENIA PROGRAMOWANIA LINIOWEGO

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

Programowanie liniowe. Tadeusz Trzaskalik

Działania na przekształceniach liniowych i macierzach

Wprowadzenie do badań operacyjnych - wykład 2 i 3

Zbiory wypukłe i stożki

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

Algebra liniowa. Macierze i układy równań liniowych

Rozwiązanie Ad 1. Model zadania jest następujący:

Zagadnienie transportowe

Algorytm simplex i dualność

Algebra liniowa z geometrią

Iloczyn skalarny. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 10. wykład z algebry liniowej Warszawa, grudzień 2013

Programowanie liniowe

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

Wykład z modelowania matematycznego. Algorytm sympleks.

R n jako przestrzeń afiniczna

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

TOZ -Techniki optymalizacji w zarządzaniu

Elementy Modelowania Matematycznego

OPTYMALIZACJA DYSKRETNA

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

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

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

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

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

WYKŁADY Z MATEMATYKI DLA STUDENTÓW UCZELNI EKONOMICZNYCH

PROGRAMOWANIE KWADRATOWE

ZAGADNIENIE TRANSPORTOWE

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

Elementy Modelowania Matematycznego

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

celu przyjmijmy: min x 0 = n t Zadanie transportowe nazywamy zbilansowanym gdy podaż = popyt, czyli n

Metoda simpleks. Gliwice

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

Przestrzenie liniowe

13 Układy równań liniowych

Wstęp do metod numerycznych Uwarunkowanie Eliminacja Gaussa. P. F. Góra

Programowanie liniowe całkowitoliczbowe. Tadeusz Trzaskalik

Rozdział 1 PROGRAMOWANIE LINIOWE

Standardowe zadanie programowania liniowego. Gliwice 1

Elementy Modelowania Matematycznego Wykład 7 Programowanie nieliniowe i całkowitoliczbowe

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

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

Zadanie transportowe i problem komiwojażera. Tadeusz Trzaskalik

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

Badania operacyjne. Dr hab. inż. Adam Kasperski, prof. PWr. Pokój 509, budynek B4 Materiały do zajęć dostępne na stronie:

Lista. Algebra z Geometrią Analityczną. Zadanie 1 Przypomnij definicję grupy, które z podanych struktur są grupami:

Agata Boratyńska ZADANIA Z MATEMATYKI, I ROK SGH GRANICA CIĄGU

Wielokryteriowa optymalizacja liniowa

Zaawansowane metody numeryczne

ZAGADNIENIE TRANSPORTOWE(ZT)

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

Przekształcenia liniowe

Rozdział 6 PROGRAMOWANIE WYPUKŁE I KWADRATOWE

Analiza numeryczna Kurs INP002009W. Wykłady 6 i 7 Rozwiązywanie układów równań liniowych. Karol Tarnowski A-1 p.

ZAGADNIENIE TRANSPORTOWE (część 1)

ZASTOSOWANIE PROGRAMOWANIA LINIOWEGO W ZAGADNIENIACH WSPOMAGANIA PROCESU PODEJMOWANIA DECYZJI

FUNKCJA KWADRATOWA. 1. Definicje i przydatne wzory. lub trójmianem kwadratowym nazywamy funkcję postaci: f(x) = ax 2 + bx + c

Programowanie celowe #1

Rozwiazywanie układów równań liniowych. Ax = b

BADANIA OPERACYJNE Zagadnienie transportowe

Programowanie matematyczne

A. Kasperski, M. Kulej, Badania operacyjne, Wykład 4, Zagadnienie transportowe1

Wyk lad 7 Metoda eliminacji Gaussa. Wzory Cramera

Elementy modelowania matematycznego

Układy równań liniowych

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

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

BADANIA OPERACYJNE pytania kontrolne

Matematyka dyskretna. 1. Relacje

Badania Operacyjne Ćwiczenia nr 1 (Materiały)

Wykład 6. Programowanie liniowe

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

Rozdział 2 PROGRAMOWANIE LINIOWE CAŁKOWITOLICZBOWE

Dualność w programowaniu liniowym

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

PROGRAMOWANIE NIELINIOWE

Transkrypt:

Programowanie liniowe Mirosław Sobolewski Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW wykład z algebry liniowej Warszawa, styczeń 2015 Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 1 / 16

Homo oeconomicus= człowiek gospodarny Zasada najlepszego wykorzystania istniejacych zasobów Typowe przykłady Przykład (Zagadnienie transportowe) Jest n zakładów wydobywczych z możliwościami wydobycia w 1,, w n oraz l przetwórni z popytami p 1,, p l Należy zorganizować przewozy tak, by zaspokoić popyty przetwórni, przy najmniejszym koszcie, jeśli koszt przewozu jednostki środka produkcji z zakładu i do przetwórni j wynosi k ij Mamy n l zmiennych x ij oznaczajacych wielkość przewozu z zakładu i do przetwórni j Zbiór dopuszczalny to podzbiór R n l opisany nierównościami: x ij 0 dla 1 i n, 1 j l (przewozy sa nieujemne), l j=1 x ij w i dla i = 1,, n (łaczna ilość środka produkcji wywiezionego z zakładu i nie przekracza jego możliwości w i ), n i=1 x ij p j, dla 1 j l (łaczny przywóz do przetwórni j zaspokaja jej popyt) Minimalizujemy łaczny koszt przewozów, czyli {1 i n,1 j l} k ijx ij Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 2 / 16

Przykład Problem diety Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 3 / 16

Przykład Problem diety Mamy na rynku n produktów spożywczych P1,, Pn o cenach za jednostkę odpowiednio q 1,, q n Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 3 / 16

Przykład Problem diety Mamy na rynku n produktów spożywczych P1,, Pn o cenach za jednostkę odpowiednio q 1,, q n Produkty zawieraja substancje odżywcze S1,, Sk, ilość jednostek Si w jednostce Pj określa liczba z ij Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 3 / 16

Przykład Problem diety Mamy na rynku n produktów spożywczych P1,, Pn o cenach za jednostkę odpowiednio q 1,, q n Produkty zawieraja substancje odżywcze S1,, Sk, ilość jednostek Si w jednostce Pj określa liczba z ij Normy odżywcze określaja minimalna zawartość substancji odżywczej w diecie Si N i Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 3 / 16

Przykład Problem diety Mamy na rynku n produktów spożywczych P1,, Pn o cenach za jednostkę odpowiednio q 1,, q n Produkty zawieraja substancje odżywcze S1,, Sk, ilość jednostek Si w jednostce Pj określa liczba z ij Normy odżywcze określaja minimalna zawartość substancji odżywczej w diecie Si N i Mamy opracować najtańsza dietę realizujac a te normy, tzn zminimalizować koszt diety K = P1 q 1 + Pn q n tak, by były spełnione normy, tzn P1 z 11 + P2 z12 + + Pn z1n N 1, P1 z 21 + P2 z22 + + Pn z2n N 2,, P1 z k1 + P2 zk2 + + Pn zkn N k Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 3 / 16

Definicja Zadanie programowania liniowego jest to zadanie znalezienia wartości optymalnej (tzn minimalnej badź maksymalnej) funkcji liniowej f (x 1,, x n ) = c 1 x 1 + + c n x n na zbiorze X R n złożonym z punktów spełniajacych wszystkie warunki: a 11 x 1 + + a 1n x n = b 1 a m+1 1 x 1 + + a m+1 n x n b m+1 a m1 x m1 + + a mn x n = b m a m+p 1 x 1 + + a m+p n x n b m+p x 1 0 a m+p+1 1 x 1 + + a m+p+1 n x n b m+p+1 x, s 0 x s+1 0 a m+p+q 1 x 1 + + a m+p+q n x n b m+p+q x s+t 0 pierwsze trzy klamry obejmuja ograniczenia nieelementarne (a), ostatnia elementarne (b) Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 4 / 16

Oznaczenia x 1 a 11 a 1n x =, A =, x n a m1 a mn a m=1 1 a m+1 n a m+p+1 1 a m+p+1 n A =, A = a m+p 1 a m+p n a m+p+q 1 a m+p+q n b = b 1 b m, b = b m+1 b m+p, b = b m+p+1 b m+p+q Warunki (a) moga być wtedy zapisane: Ax = b, A x b, A x b Inne formy zapisu zadania minimalizacji programowania liniowego: Min{f (x) : x X} lub f (x) min przy warunkach (a),(b) Analogicznie dla maksymalizacji Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 5 / 16

Przykład 2x 1 + 3x 2 6x 3 min przy warunkach (a) : x 1 +x 2 x 3 +x 4 = 7 2x 1 +7x 2 x 4 6 3x 1 3x 3 +x 4 5, (b) : x 1 0 Definicja Zbiór X złożony z wektorów przestrzeni R n spełniajacych warunki (a) i (b) nazywamy zbiorem rozwiazań dopuszczalnych zadania programowania liniowego Rozwiazaniem optymalnym zagadnienia minimalizacji (min) nazywamy taki wektor x X, że dla każdego x X zachodzi f (x) f (x), zaś zagadnienia maksymalizacji (max) taki wektor x X, że zachodzi f (x) f (x) Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 6 / 16

Interpretacja geometryczna x 1 + x 2 max przy warunkach (a) 2x 1 + x 2 4, x 1 + 3x 2 6 (b) x 1 0, x 2 0 Szukamy najwyższej poziomicy funkcji f ((x 1, x 2 )) = x 1 + x 2, która zahacza o zbiór X opisany nierównościami (a) i (b) Poziomica ta przechodzi przez punkt p, bedacy przecięciem prostych opisanych równościami 2x 1 + x 2 = 4 i x 1 + 3x 2 = 6 Punkt ten ma współrzędne p 1 = 1, 2, p 2 = 1, 6 Zatem max X f = f (p) = 2, 8 Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 7 / 16

x 2 p X x 1 Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 8 / 16

Definicja Zadanie programowania liniowego dotyczace minimalizacji, w którym występuja jako ograniczenia nieelementarne opisujace zbiór rozwiazań dopuszczalnych tylko równości (odpowiednio: tylko nierówności), zaś warunkami elementarnymi sa dla wszystkich zmiennych warunki x 1 0,, x n 0 nazywamy zadaniem w postaci standardowej (odpowiednio: klasycznej) Twierdzenie Każde zadanie programowania liniowego można sprowadzić do zadania w postaci standardowej Można je także sprowadzić do postaci klasycznej Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 9 / 16

Metody 1 Maksymalizację funkcji f można zastapić minimalizacja funkcji f 2Warunek a i1 x 1 + + a in x n b i można zastapić para warunków: a i1 x 1 + + a in x n + x n+i = b i, x n+i 0, gdzie x n+i jest nowa zmienna, podobnie a i1 x 1 + + a in x n b i można zastapić para warunków a i1 x 1 + + a in x n x n+i = b i, x n+i 0 3 jeśli mamy warunek x j 0 to podstawiamy x j = x j, zastępuj ac go przez x j 0 4 Jeśli pewna zmienna x j nie występuje w żadnym ograniczeniu elementarnym postaci x j 0 lub x j 0, to podstawiamy x j = x + j dołaczamy warunki x + j 0, x j 0 5 Równanie a i1 x 1 + + a in x n = b i można zastapić układem nierówności a i1 x 1 + + a in x n b i, a i1 x 1 + + a in x n b i x j i Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 10 / 16

Przykład x 1 + x 2 max 2x 1 + x 2 4 x 1 + 3x 2 6 x 1 0, x 2 0 daje postać standardowa x 1 x 2 min 2x 1 + x 2 + x 3 = 4 x 1 + 3x 2 + x 4 = 6 x 1 0, x 2 0, x 3 0, x 4 0 Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 11 / 16

Zbiór wielościenny wypukły dowolny zbiór opisany skończonym układem nieostrych nierówności liniowych odcinek o końcach p, q R n zbiór {tp + (1 t)q R n t [0, 1]} punkt wewnętrzny odcinka o końcach p, q każdy jego punkt różny od p, q Wierzchołek (punkt ekstremalny) zbioru X R n element X, który nie jest punktem wewnętrznym żadnego odcinka zawartego w X Twierdzenie Zbiór rozwiazań dopuszczalnych zadania programowania liniowego jest zbiorem wielościennym wypukłym Twierdzenie Rozpatrzmy zadanie programowania liniowego w postaci standardowej Wówczas funkcja f (x) = c 1 x 1 + + c n x n osiaga wartość minimalna (tzn najmniejsza) na zbiorze rozwiazań dopuszczalnych X f jest ograniczona z dołu na X Ponadto jeśli f osiaga wartość minimalna to osiaga ja również w pewnym wierzchołku (= punkcie ekstremalnym) zbioru X Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 12 / 16

Rozwiazania bazowe Rozpatrujemy zadanie programowania liniowego w postaci standardowej: c 1 x 1 + + c n x n min przy warunkach a 11 x 1 + + a 1n x n = b 1 U :, x 1 0,, x n 0, gdzie b i 0 a m1 x m1 + + a mn x n = b m dla i = 1,, m W skrócie : a 11 a 1n Min{c x : Ax = b, x 0}, gdzie A =, a m1 a mn b = b 1 b m, x = x 1 x n, c = c 1 c n Można założyć, że r(a) = m Kolumny bazowe dowolny układ m liniowo niezależnych kolumn macierzy A, odpowiadajace im zmienne x i zmienne bazowe Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 13 / 16

Pozostałe zmienne to zmienne niebazowe (albo wtórne) Zbiór Z B = {j 1,, j m } indeksów zmiennych bazowych to zbiór bazowy Oznaczmy x B = x j1 x jm wektor zmiennych bazowych, x D = x jm+1 wektor zmiennych niebazowych Rozwiazanie ogólne układu U, w którym zmienne bazowe sa zmiennymi zależnymi, zaś zmienne niebazowe parametrami uzyskamy sprowadzajac (elementarnymi operacjami na wierszach) macierz układu U do postaci, w której w kolumnach o numerach bazowych stoja kolejno 1 0 0 0, 1, 0 0 0 1 x jn Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 14 / 16

Rozwiazania bazowe Niech B = [k j1 k j2 k jm ] M m m (R) podmacierz macierzy A złożona z kolumn bazowych, zaś D = [k jm+1 k jn ] podmacierz kolumn niebazowych Wtedy Ax = b oznacza Bx B + Dx D = b, zatem x B + B 1 Dx D = B 1 b (*) postać bazowa układu U Definicja Rozwiazanie xukładu U, w którym zmienne niebazowe sa równe 0 nazywamy rozwiazaniem bazowym (względem układu bazowego B) Mamy więc x D = 0 czyli z (*) x B = B 1 b Jeśli rozwiazanie bazowe jest nieujemne, tzn x j 0, j = 1,, n to nazywamy je rozwiazaniem bazowym dopuszczalnym Uwaga Zadanie programowania liniowego w postaci standardowej, w którym n > m może mieć najwyżej ( n m) rozwiazań bazowych Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 15 / 16

Twierdzenie Wektor x R n jest wierzchołkiem zbioru rozwiazań dopuszczalnych zadania programowania liniowego w postaci standardowej x jest rozwiazaniem bazowym dopuszczalnym tego układu Mirosław Sobolewski (UW) Warszawa, 2015 16 / 16