單純形法 -- 求解線性規劃
目前,運用最廣的線性規劃方法就是著名的單純形方法。這種方法是G.B.Dantzig在1947年提出的。幾十年的實踐證明,單純形方法的確是一種使用方便、行之有效的重要演算法。如今,它已經成為線性規劃的中心內容。
單純形法的基本思路是有選擇地取(而不是列舉所有的)基本可行解,即是從可行域的一個頂點出發,沿著可行域的邊界移到另一個相鄰的頂點,要求新頂點的目標函式值不比原目標函式值差,如此迭代,直至找到最優解,或判定問題無界。
線性規劃問題及其表示
線性規劃問題可表示為如下形式:
變數滿足約束條件(8.2)-(8.5)式的一組值稱為線性規劃問題的一個可行解。
所有可行解構成的集合稱為線性規劃問題的可行區域
使目標函式取得極值的可行解稱為最優解。
在最優解處目標函式的值稱為最優值。
有些情況下可能不存在最優解。
通常有兩種情況:
(1)根本沒有可行解,即給定的約束條件之間是相互排斥的,可行區域為空集;
(2)目標函式沒有極值,也就是說在n 維空間中的某個方向上,目標函式值可以無限增大,而仍滿足約束條件,此時目標函式值無界。
例:
這個問題的解為
線性規劃基本定理
約束條件(8.2)-(8.5)中
若
線性規劃基本定理:
上述定理的重要意義在於,它把一個最優化問題轉化為一個組合問題,即在(8.2) -(8.5)式的
由此可知,只要對各種不同的組合進行測試,並比較每種情況下的目標函式值,直到找到最優解。
Dantzig於1948年提出了線性規劃問題的單純形演算法。
單純形演算法的特點是:
(1)只對約束條件的若干組合進行測試,測試的每一步都使目標函式的值增加;
(2)一般經過不大於
約束標準型線性規劃問題的單純形演算法
當線性規劃問題中沒有不等式約束(8.2)和(8.4)式,而只有等式約束(8.3)和變數非負約束(8.5)時,稱該線性規劃問題具有標準形式。
先考察一類更特殊的標準形式線性規劃問題。這一類線性規劃問題中,每一個等式約束中,至少有一個變數的係數為正,且這個變數只在該約束中出現。
在每一約束方程中選擇一個這樣的變數,並以它作為變數求解該約束方程。這樣選出來的變數稱為左端變數或基本變數,其總數為m個。剩下的n-m個變數稱為右端變數或非基本變數。
這一類特殊的標準形式線性規劃問題稱為約束標準型線性規劃問題。
雖然約束標準型線性規劃問題非常特殊,但是對於理解線性規劃問題的單純形演算法是非常重要的。
任意一個線性規劃問題可以轉換為約束標準型線性規劃問題。
例:
任何約束標準型線性規劃問題,只要將所有非基本變數都置為0,從約束方程式中解出滿足約束的基本變數的值,可求得一個基本可行解。
單純形演算法的基本思想就是從一個基本可行解出發,進行一系列的基本可行解的變換。
每次變換將一個非基本變數與一個基本變數互調位置,且保持當前的線性規劃問題是一個與原問題完全等價的標準線性規劃問題。
基本可行解
單純形法計算步驟如下:
單純形演算法的第1步:
選出使目標函式增加的非基本變數作為入基變數。
檢視單純形表的第1行(也稱之為
選出使目標函式增加的非基本變數作為入基變數。
z行中的正係數非基本變數都滿足要求。
在上面單純形表的z行中只有1列為正,即非基本變數相應的列,其值為3。
選取非基本變數
單純形演算法的第2步:
選取離基變數。
在單純形表中考察由第1步選出的入基變數所相應的列。
在一個基本變數變為負值之前,入基變數可以增到多大。
如果入基變數所在的列與基本變數所在行交叉處的表元素為負數,那麼該元素將不受任何限制,相應的基本變數只會越變越大。
如果入基變數所在列的所有元素都是負值,則目標函式無界,已經得到了問題的無界解。
如果選出的列中有一個或多個元素為正數,要弄清是哪個數限制了入基變數值的增加。
受限的增加量可以用入基變數所在列的元素(稱為主元素)來除主元素所在行的“常數列”(最左邊的列)中元素而得到。所得到數值越小說明受到限制越多。
應該選取受到限制最多的基本變數作為離基變數,才能保證將入基變數與離基變數互調位置後,仍滿足約束條件。
上例中,惟一的一個值為正的z行元素是3,它所在列中有2個正元素,即4和3。
入基變數x3取值為3。
單純形演算法的第3步:
轉軸變換。
轉軸變換的目的是將入基變數與離基變數互調位置。
給入基變數一個增值,使之成為基本變數;
修改離基變數,讓入基變數所在列中,離基變數所在行的元素值減為零,而使之成為非基本變數。
解離基變數所相應的方程,將入基變數
再將其代入其他基本變數和所在的行中消去
代入目標函式得到
形成新單純形表
單純形演算法的第4步:
轉回並重復第1步,進一步改進目標函式值。
不斷重複上述過程,直到z行的所有非基本變數係數都變成負值為止。這表明目標函式不可能再增加了。
在上面的單純形表中,惟一的值為正的z行元素是非基本變數
因此,選取非基本變數
它所在列中有惟一的正元素
因此,選取
再經步驟3的轉軸變換得到新單純形表。
新單純形表z行的所有非基本變數係數都變成負值,求解過程結束。
整個問題的解可以從最後一張單純形表的常數列中讀出。
目標函式的最大值為11;
最優解為:
例子
上述方法嚴格按照步驟,雖然思路清晰,但過程冗長,不方便操作。下面用表格形式的單純形方法來解上題。
在引進鬆弛變數,並將問題轉化成標準形式後,建立初始單純形表:
上述題目求解的是目標函式的min,下面再分享一道求解目標函式max的情況。兩種情況極其類似,只是在判別式選擇上的差異。