运筹学胡运权第五版课件(第1章).ppt
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1、运 筹 学(Operations Research)一、古代朴素的运筹学思想一、古代朴素的运筹学思想例如:田忌赛马例如:田忌赛马二、运筹学的起源二、运筹学的起源国外国外英文原名英文原名 Operations Research 简称简称“O.R.”直译为:运用研究或作业研究直译为:运用研究或作业研究正式出现于正式出现于19381938年年7 7月英国一份关于防空作战月英国一份关于防空作战系统运行的研究报告中系统运行的研究报告中绪绪 论论国内国内19561956年成立第一个运筹学小组年成立第一个运筹学小组19571957年从年从“夫运筹策帷幄之中,决胜于千里之外夫运筹策帷幄之中,决胜于千里之外”中
2、中摘取摘取“运筹运筹”二字,将二字,将O.R.正式翻译为正式翻译为“运筹学运筹学”三、运筹学的定义三、运筹学的定义研究工具:数学,计算机科学及其他相关科学研究工具:数学,计算机科学及其他相关科学研究目的:对有限资源进行合理规划、使用,并提供研究目的:对有限资源进行合理规划、使用,并提供 优化决策方案。优化决策方案。研究对象:复杂系统的组织和管理研究对象:复杂系统的组织和管理参考参考大英百科全书大英百科全书、辞海辞海、中国企业管理百科全书中国企业管理百科全书等。等。四、运筹学研究的基本特点四、运筹学研究的基本特点 系统的整体优化系统的整体优化 多学科的配合多学科的配合 模型方法的应用模型方法的应
3、用五、运筹学研究的基本步骤五、运筹学研究的基本步骤 分析与表述问题分析与表述问题 建立数学模型建立数学模型 对问题求解对问题求解 对模型和模型导出的解进行检验对模型和模型导出的解进行检验 建立对解的有效控制建立对解的有效控制 方案的实施方案的实施第一章第一章 线性规划及单纯形法线性规划及单纯形法Linear Programming and Simplex Methodxa此为无约束的极值问题此为无约束的极值问题1.1 一般线性规划问题的数学模型一般线性规划问题的数学模型1-1 1-1 问题的提出问题的提出例例1 1 用一块边长为用一块边长为a的正方形铁皮做一个无盖长方体容器,的正方形铁皮做一个
4、无盖长方体容器,应如何裁剪可使做成的容器的容积最大?应如何裁剪可使做成的容器的容积最大?例例2 2 常山机器厂生产常山机器厂生产 I I、IIII 两型产品。这两型两型产品。这两型产品都分别要在产品都分别要在A A、B B、C C三种不同设备上加工。按三种不同设备上加工。按工艺规定,生产每件产品工艺规定,生产每件产品I I需占用各设备分别为需占用各设备分别为2h2h、4h4h、0h0h,生产每件产品,生产每件产品IIII需占用各设备分别为需占用各设备分别为2h2h、0h0h、5h5h。己知各设备计划期内用于生产这两种产品。己知各设备计划期内用于生产这两种产品的能力分别为的能力分别为12h12h
5、、16h16h、15h15h,又知每生产一件产,又知每生产一件产品品I I企业能获利企业能获利2 2元利润,每生产一件产品元利润,每生产一件产品IIII企业能企业能获利获利3 3元利润,问该企业应安排生产两种产品各多元利润,问该企业应安排生产两种产品各多少件,使总的利润收入为最大。少件,使总的利润收入为最大。1-2 1-2 线性规划问题的数学模型线性规划问题的数学模型原型原型模型模型数学模型数学模型提炼提炼数学工具数学工具1 1、原型原型:现实世界中人们关心、研究的实际对象。:现实世界中人们关心、研究的实际对象。模型模型:将某一部分信息简缩、提炼而构造的原型替代物。:将某一部分信息简缩、提炼而
6、构造的原型替代物。数学模型数学模型:对现实世界的一个特定对象,为达到一定目的,:对现实世界的一个特定对象,为达到一定目的,根据内在规律做出必要的简化假设根据内在规律做出必要的简化假设,并运用适当数学工具得到并运用适当数学工具得到的一个数学结构。的一个数学结构。3 3、规划问题数学模型的三要素、规划问题数学模型的三要素(2 2)目标函数目标函数:问题要达到的目标要求,表示为决策变量的:问题要达到的目标要求,表示为决策变量的函数。用函数。用 z=f(x1 1,x2 2,xn n)表示。表示。(1 1)决策变量决策变量:决策者为实现规划目标采取的方案、措施,:决策者为实现规划目标采取的方案、措施,是
7、问题中要确定的未知量。用是问题中要确定的未知量。用x1 1,x2 2,xn n表示。表示。(3 3)约束条件约束条件:决策变量取值时受到的各种可用资源的限制,:决策变量取值时受到的各种可用资源的限制,表示为含决策变量的等式或不等式。表示为含决策变量的等式或不等式。2 2、规划问题、规划问题即求目标函数在若干约束条件下的最值。即求目标函数在若干约束条件下的最值。4 4、线性规划问题(、线性规划问题(Linear Programming)的数学模型)的数学模型(2 2)一般形式一般形式:(1 1)条件条件:决策变量为可控的连续变量,目标函数和约束条:决策变量为可控的连续变量,目标函数和约束条件都是
8、线性的。简记为件都是线性的。简记为“L.P.”max(或或 min)z=c1x1+c2x2+cnxn s.t.a11x1+a12x2+a1nxn (=,)b1 a21x1+a22x2+a2nxn (=,)b2 am1x1+am2x2+amnxn(=,)bm x1,x2,xn0(3 3)其他形式其他形式:连加形式连加形式1-3 1-3 线性规划问题的标准形式线性规划问题的标准形式1 1、标准形式、标准形式或或2 2、条件、条件目标函数求极大值目标函数求极大值约束条件全是等式(线性方程组)约束条件全是等式(线性方程组)决策变量全非负决策变量全非负右端常数全非负右端常数全非负3 3、标准化方法、标准
9、化方法(1)若目标函数求极小值,即)若目标函数求极小值,即则令则令 转化为转化为(2 2)若约束条件为不等式,)若约束条件为不等式,则依次引入松弛变量或剩余变量(统称为松弛变量),则依次引入松弛变量或剩余变量(统称为松弛变量),转化为等式约束条件。转化为等式约束条件。注意注意:松弛变量在目标函数中系数全为:松弛变量在目标函数中系数全为0。约束为约束为不等式,减去松弛变量,化为等式约束条件;不等式,减去松弛变量,化为等式约束条件;约束为约束为不等式,加上松弛变量,化为等式约束条件。不等式,加上松弛变量,化为等式约束条件。多多退退少少补补例:例:max z=2 x1+3 x2 2 x1+2 x2
10、124x1 16 5 x2 15x1 0,x2 0 s.t.标准化标准化(3 3)若决策变量)若决策变量xj0,则令,则令(4 4)若决策变量)若决策变量xj取值无限制,则令取值无限制,则令(5 5)若约束等式的右端常数)若约束等式的右端常数bi 0 0,则,则其中其中(“一分为二一分为二”)等式两边同时乘以等式两边同时乘以“-1”。例例3:将下列线性规划模型化为标准形式。将下列线性规划模型化为标准形式。例例4:在下述线性规划问题中,列出全部基、基解、基:在下述线性规划问题中,列出全部基、基解、基可行解,并指出最优解。可行解,并指出最优解。解:系数矩阵为解:系数矩阵为若取基为若取基为 B=(P
11、1,P2,P3),则基变量为则基变量为x1,x2,x3,非基变量为非基变量为x4,x5令令x4=x5=0,代入约束方程组,代入约束方程组解得解得x1=4,x2=3,x3=-2从而得到一个基解从而得到一个基解 X=(4,3,-2,0,0)T这个基解不是基可行解!这个基解不是基可行解!该该 L.P.共有共有8个基解。个基解。若取基为若取基为 B=(P3,P4,P5)=I3,则基变量为则基变量为x3,x4,x5,非基变量为非基变量为x1,x2令令x1=x2=0,代入约束方程组,代入约束方程组从而得到一个基解从而得到一个基解 X=(0,0,12,16,15)T这个基解是基可行解!这个基解是基可行解!(
12、注意:选择单位矩阵为基可以较方便的求出一个基可行解。)(注意:选择单位矩阵为基可以较方便的求出一个基可行解。)同理可得其他基解同理可得其他基解.基基B基解基解是基是基可行可行解?解?目标目标函数函数值值x1x2x3x4x5P1P2P34 43 3-2-20 00 0否否1717P1P2P43 33 30 04 40 0是是1515P1P2P54 42 20 00 05 5是是1414P1P3P54 40 04 40 01515是是8 8P1P4P56 60 00 0-8-81515否否1212P2P3P40 03 36 616160 0是是9 9P2P4P50 06 60 01616-15-1
13、5否否1818P3P4P50 00 0121216161515是是0 0(最优基)(最优基)(最优解)(最优解)(最优目标函数值)(最优目标函数值)4 4、线性规划问题各种解之间的关系、线性规划问题各种解之间的关系约束方程的约束方程的解空间解空间基解基解可行解可行解非可行解非可行解基可基可行解行解最优解最优解1.2 1.2 图解法图解法1 1、适用范围:仅含两个决策变量的、适用范围:仅含两个决策变量的 L.P.2、步骤:、步骤:(1 1)作平面直角坐标系,标上刻度;)作平面直角坐标系,标上刻度;(2 2)作出约束方程所在直线,确定可行域;)作出约束方程所在直线,确定可行域;(3 3)作出一组目
14、标函数的等值线,判定优化方向;)作出一组目标函数的等值线,判定优化方向;(4 4)沿优化方向移动,确定与可行域相切的点,确定)沿优化方向移动,确定与可行域相切的点,确定最优解,并计算最优目标函数值。最优解,并计算最优目标函数值。例:例:用图解法求解下列线性规划问题。用图解法求解下列线性规划问题。(1)max z=2x1+3x2 s.t.2x1+2x2 12 -4x1 16 -5x2 15 -x1 0,x2 0 x1x222468460 2x1+2x2=12 5x2=15 4x1=16 Z=6Z=0A(3,3)Zmax有有唯一最优解唯一最优解,当当 x1=x2=3 时,时,Zmax=15=15C
15、(4,0)D(0,3)(0,0)B(4,2)顶点顶点基可行解基可行解A(3,3)(3,3,0,4,0)B(4,2)(4,2,0,0,5)C(4,0)(4,0,4,0,15)D(0,3)(0,3,6,16,0)O(0,0)(0,0,12,16,15)一一对应一一对应 (2 2)(3 3)无穷多最优解无穷多最优解无界解无界解x1x1x2 x2 x1x2 无可行解无可行解(4 4)3 3、线性规划问题解的类型、线性规划问题解的类型(1)唯一最优解:只有一个解为最优解)唯一最优解:只有一个解为最优解(2)无穷多最优解:有无穷多个解为最优解)无穷多最优解:有无穷多个解为最优解(3)无界解:目标函数的取值
16、无界)无界解:目标函数的取值无界(4)无可行解:可行域为空集,即存在互相矛盾的约束条)无可行解:可行域为空集,即存在互相矛盾的约束条件。件。4 4、可行域的特征、可行域的特征(1 1)若)若L.P.的可行域不是空集,则可行域为凸集。的可行域不是空集,则可行域为凸集。(2 2)若)若L.P.有最优解,则一定可以在可行域的顶点上找到最有最优解,则一定可以在可行域的顶点上找到最优解。优解。(3 3)L.P.L.P.的顶点与基可行解一一对应。的顶点与基可行解一一对应。3-1 3-1 预备知识:凸集与顶点预备知识:凸集与顶点1.3 1.3 单纯形法单纯形法(Simplex Method)原理原理(1 1
17、)凸集:对于集合)凸集:对于集合C C中任意两点连线段上的点,若全在中任意两点连线段上的点,若全在C C内,内,则称集合则称集合C C为凸集。为凸集。直观特征:图形从内部向外部凸出。直观特征:图形从内部向外部凸出。凸集凸集非凸集非凸集(2 2)顶点:凸集中不在任意两点的连线段内部的点。)顶点:凸集中不在任意两点的连线段内部的点。X1X4X3X5X2单纯形法的计算步骤:单纯形法的计算步骤:初始基可行解初始基可行解使目标函数值增大使目标函数值增大的新的基可行解的新的基可行解是否最优解?是否最优解?结束结束是是否否1.4 1.4 单纯形法的计算步骤单纯形法的计算步骤1 1、前提:标准化的线性规划问题
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- 运筹学 胡运权 第五 课件
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