【数学建模-线性规划】

目录

定义

求解线性规划

 整数规划以及求解方法

分支定界法

 割平面法

​编辑

0-1整数规划

指派问题

匈牙利算法

 非线性规划算法

 非线性规划的数学模型


定义

线性规划 :目标函数与约束条件都是线性的
可行解 :满足约束条件的解
可行集:全体可行解(可行点)组成的集合
无约束问题:可行集是整个空间

求解线性规划

 有些看起来不是线性规划的问题也可以转化为线性规划

 整数规划以及求解方法

纯整数规划:所有决策变量要求取非负整数(这时引进的松弛变量和剩余变量可以不要求取整数)。

全整数规划:除了所有决策变量要求取非负整数外,系数aij和常数bi也要求取整数(这时引进的松弛变量和剩余变量也必须是 整数)。
混合整数规划:只有一部分的决策变量要求取非负整数,另一部分可以取非负实数。
0-1整数规划:所有决策变量只能取 0 或 1 两个整数。

补充一个知识点 整数规划(ILP)和松弛问题

 

整数规划的最优解不能够按照实数最优解进行简单的取整得到,那么使用以下几个方法进行求解

分枝定界法——求纯或混合整数线性规划;
割平面法——求纯或混合整数线性规划;
隐枚举法——求解“0-1”整数规划;
过滤隐枚举法。
分枝隐枚举法。
匈牙利法——解决指派问题;
蒙特卡罗法——解决各种类型规划问题。

分支定界法

其实很简单,在得到最优解之后,变量的取值不是整数,就要向整数靠拢

这里举两个例子

 

 割平面法

 

 两个蓝色小三角就是切掉的部分,因为这部分带有小数

步骤:

先求解线性规划最优解即松弛最优解

再把要求解的变量通过一系列方法划分为整数部分和小数部分,类似于线性代数里的化行最简,一系列操作下来可以得到新的约束条件,再把约束条件放在原约束里面求整数最优解

 流程图如下

 

在下例中,增加了4个新变量,上例增加了2个

0-1整数规划

顾名思义,变量的取值在0和1之间

指派问题

许多实际应用问题可以归结为指派的形式:将不同的任务分派给若干人去完成,由于任务的难易程度以及人员的素质高低不尽相同,因此每个人完成不同任务的效率存在差异。于是需要考虑应该分派何人去完成哪种任务能够使得总效率最高。这一类问题通常称为指派问题。

 

下面看一个具体例子

 

 

在实际应用中,常会遇到各种非标准形式的指派问题—广义指派问题。通常的处理方法是先将它们转化为标准形式

比如:

人数与任务数不等:人少任务多,添加效率为0假人;人多任务少,添加被任何人完成效率都为0假任务

一个人可完成多个任务:添加 分身 ,看作相同的几个人,完成同一任务的效率相等
某些任务限定不能让某个人完成,将相应的效率值(成本型)取成足够大的数即可。

 在看一个例子

 

         设决策变量   表示第i辆车上第j种包装的数量,分别表示第j种包装的厚度重量件数。由于规定是按面包片重叠那样的装法,故尽可能在体积上多装等价于使两辆车上的装箱总厚度尽可能大。

匈牙利算法

指派问题采用匈牙利解法

步骤:

第一步:变换指派问题的系数(也称效率)矩阵(cij) 为(bij),使在(bij) 的各行各列中都出现0元素,即
(1) 从 (cij) 的每行元素都减去该行的最小元素;
(2) 再从所得新系数矩阵的每列元素中减去该列的最小元素。

第二步:进行试指派,以寻求最优解。在(bij)中找尽可能多的独立0元素,若能找出n个独立0元素,就以这n个独立0元素对应解矩阵(xij)中的元素为1,其余为0,这就得到最优解。找独立0元素,常用的步骤为:
(1)从只有一个0元素的行(列)开始,给这个0元素加圈,记作◎ 。然后划去◎ 所在列(行)的其它0元素,记作Ø ;这表示这列所代表的任务已指派完,不必再考虑别人了。
(2)给只有一个0元素的列(行)中的0元素加圈,记作◎;然后划去◎ 所在行的0元素,记作Ø .
(3)反复进行(1),(2)两步,直到尽可能多的0元素都被圈出和划掉为止。

(4)若仍有没有划圈的0元素,且同行(列)的0元素至少有两个,则从剩有0元素最少的行(列)开始,比较这行各0元素所在列中0元素的数目,选择0元素少的那列的这个0元素加圈(表示选择性多的要“礼让”选择性少的)。然后划掉同行同列的其它0元素。可反复进行,直到所有0元素都已圈出和划掉为止。
(5)若◎ 元素的数目m 等于矩阵的阶数n,那么这指派问题的最优解已得到。若m < n, 则转入下一步。

第三步:作最少的直线覆盖所有0元素。
(1)对没有◎的行打√号;
(2)对已打√号的行中所有含Ø元素的列打√号;
(3)再对打有√号的列中含◎ 元素的行打√号;

(4)重复(2),(3)直到得不出新的打√号的行、列为止;
(5)对没有打√号的行画横线,有打√号的列画纵线,这就得到覆盖所有0元素的最少直线数 l 。l 应等于m,若不相等,说明试指派过程有误,回到第二步(4),另行试指派;若 l=m < n,须再变换当前的系数矩阵,以找到n个独立的0元素,为此转第四步。
第四步:变换矩阵(bij)以增加0元素。在没有被直线覆盖的所有元素中找出最小元素,然后打√各行都减去这最小元素;打√各列都加上这最小元素(以保证系数矩阵中不出现负元素)。新系数矩阵的最优解和原问题仍相同。转回第二步。

上实例!!!

 表格表示人员完成任务的时间

得到bij

 

 第二部是在bij基础上进行的,先看行,标记行的0,划掉列的0,再看列,标记列的0,划掉行的0。

再来一个例子!!!

 

 

 非线性规划算法

 

 非线性规划的数学模型

 上实例!!!

问题一是一个线性规划,问题二是非线性规划,只看问题二

 

 

 

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