线性规划中解的关系

写于:2024年1月2日星期二

修改于:


        本文从两个角度对线性规划中的解做划分,角度一是将解划为基解、基可行解、可行解;角度二是将解划分为无可行解、无界解、最优解(唯一和无穷多)。同时,详细描述各种解的定义、判定、几何意义及其联系。

定义

判定

几何意义

基解

令所有约束中非基变量(不是组成基阵的基变量对应的变量)为0的得到的解

1、对应一个基阵,令非基变量为0,得到对应基B的基解X=[B⁻¹b, 0]ᵀ。非零变量数小于等于基阵的阶数

2、基解中非基变量(=0)个数是否为n-m个(系数矩阵为m*n阶);基变量(非0)对应的Pj组成的矩阵是否满秩(构成基阵);是否满足除变量取值约束外的约束

所有约束条件的交点

可行解

满足线性规划所有约束条件的解

满足所有约束

可行域中的解

基可行解

基解中满足非负约束的解

1、基解+满足非负约束

2、可行解+(m-n)个取值为0的非基变量+取值非零的基变量对应的系数矩阵为基阵(不考虑退化情况)

可行域(凸集)顶点

联系

单纯形法迭代原则便是基可行解之间的迭代

基可行解属于基解,也属于可行解。

可行解 X =(X1,X2,… Xm ,0,…,0) ᵀ是基可行解的充要条件是 X 的非零分量所对应的系数列向量是线性无关的。

数量关系:C(m,n)≥基阵数=基解数≥基可行解,m≤n

2、3、4、6、9为基可行解,所有画圈处为基解,阴影部分为可行解

判定

几何意义

无界解

可行域无界(也为凸集,产生原因是约束条件较松/缺失)

存在非基变量检验数>0,而且该变量对应的系数列向量全部≤0

无解(无可行解)

可行域为空;

检验数≤0时,基变量中含有非零的人工变量;

两阶段法的第一阶段中基变量有人工变量

可行域为空,约束条件冲突

最优解(使目标函数值达到最大的解)

无穷多最优解

所有检验数都≤0,基变量中没有非零的人工变量,但存在非基变量检验数=0

多个最优基可行解在同一个超平面上,且该平面与目标函数等值面平行。

求得一个最优解X₁后,令检验数为0的非基变量作换入基变量,进而求得另一个最优解X₂。无穷多最优解的表示:X =αX₁+(1-α)X₂,α∈(0,1),X₁、X₂为两个最优解,即两最优解连线上的均为最优解

唯一最优解

所有检验数都≤0,基变量中没有非零的人工变量,而且非基变量检验数严格小于0

可行域(凸集)顶点

可行域与解的关系(主要看等值线与边界线的关系)

可行域有界可能有唯一最优解、无穷多最优解

可行域无解可能有唯一最优解、无穷多最优解、无界解、无可行解

退化解(不是一种特殊的解,而是一种现象)

判定:存在基变量取值为0(非零基变量数小于约束个数);(换入)有多个相同的正检验数;(换出)存在两个相同的最小比值。处理方式Bland规则:选择下标小的变量

几何意义:有多余约束,即多个约束方程交于一个顶点,且该顶点对应最优解

### 线性规划问题的求方法 线性规划是一种优化技术,用于在一组线性约束条件下寻找线性目标函数的最大值或最小值[^1]。以下是几种常见的求方法及其应用示例。 #### 单纯形法 单纯形法是一种迭代算法,通过逐步改进当前来找到最优。该方法从一个初始可行开始,沿着可行域的边界移动,直到达到最优[^2]。以下是一个使用单纯形法求线性规划问题的Python代码示例: ```python from pulp import LpProblem, LpMaximize, LpVariable, lpSum # 创建问题实例 prob = LpProblem("Simple_LP_Problem", LpMaximize) # 定义决策变量 x1 = LpVariable("x1", lowBound=0) x2 = LpVariable("x2", lowBound=0) # 定义目标函数 prob += 3 * x1 + 5 * x2 # 添加约束条件 prob += 2 * x1 + x2 <= 10 prob += x1 + 3 * x2 <= 15 # 求问题 prob.solve() # 输出结果 print(f"Optimal solution: x1 = {x1.value()}, x2 = {x2.value()}") ``` #### 内点法 内点法是另一种有效的线性规划方法,尤其适用于大规模问题。与单纯形法不同,内点法通过搜索可行域内部的点来逼近最优[^2]。 #### 使用Excel求 除了编程工具,还可以使用Excel内置的“规划求”功能来线性规划问题。具体步骤包括建立数据源、设置目标函数和约束条件,并加载Excel规划求模块[^2]。 #### 与CPF线性规划中,是指将非变量设为零后,通过求约束方程得到的一组。当两个可行(CPF)位于相同的约束边界上时,它们被认为是相邻的,这种关系有助于理的空间结构[^4]。 #### 可行域与最优 线性规划模型通常需要满足四个本条件:决策变量非负、约束为等式形式、目标函数需最大化或最小化以及约束中的常数项位于右侧[^5]。这些条件确保了问题可以被有效地建模和求。 ### 示例代码释 上述Python代码使用PuLP库构建了一个简单的线性规划问题。定义了两个决策变量 \(x_1\) 和 \(x_2\),目标函数为 \(3x_1 + 5x_2\),并添加了两个约束条件。最终,通过调用 `solve()` 方法获得最优。 ### 注意事项 在实际应用中,选择合适的求方法取决于问题规模和复杂度。对于小规模问题,单纯形法通常是首选;而对于大规模问题,内点法则可能更为高效。
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