Реферат: Симплекс-метод 2
Название: Симплекс-метод 2 Раздел: Рефераты по математике Тип: реферат | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ «МАТИ» — РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО
Кафедра «Моделирование систем и информационные технологии» «СИМПЛЕКС-МЕТОД» Преподаватель: Смирнов Н. Я. Студент: Асосков А.В. Группа: 14АСУ-3ДС-025 Вариант: 3 2010 г. Часть 1. ВведениеВ последние годы в прикладной математике большое внимание уделяется новому классу задач оптимизации, заключающихся в нахождении в заданной области точек наибольшего или наименьшего значения некоторой функции, зависящей от большого числа переменных. Это так называемые задачи математического программирования, возникающие в самых разнообразных областях человеческой деятельности и прежде всего в экономических исследованиях, в практике планирования и организации производства. Изучение этого круга задач и методов их решения привело к созданию новой научной дисциплины, получившей позднее название линейного программирования. В конце 40-х годов американским математиком Дж. Данцигом был разработан эффективный метод решения данного класса задач – симплекс-метод. К задачам, решаемых этим методом в рамках математического программирования относятся такие типичные экономические задачи как «Определение наилучшего состава смеси», «Задача об оптимальном плане выпуска продукции», «Оптимизация межотраслевых потоков», « Задача о выборе производственной программы», «Транспортная задача», «Задача размещения», «Модель Неймана расширяющейся экономики» и другие. Решение таких задач дает большие выгоды как народному хозяйству в целом, так и отдельным его отраслям. Решение задач математического программирования при помощи симплекс-метода традиционными способами требует затрат большого количества времени. В связи с бурным развитием компьютерной техники в последние десятилетия естественно было ожидать, что вычислительная мощность современных ЭВМ будет применена для решения указанного круга задач. Симплекс метод – является универсальным методам, которым можно решить любую задачу линейного программирования. Часть 2. ОсновнаяМатематическое описание метода.Допустим, имеется система уравнений ограничений:
Допустим, требуется вывести из числа свободных переменных какую – либо переменную, например, х2 и перевести ее в базисную, а в замен ее ввести в число свободных какую то базисную, например у3 , т. е. х2 ↔у3 . Если проводить этот процесс математическим способом то, необходимо было бы переразрешать каждое уравнение в системе ограничений относительно новой свободной переменной, т. е. новое получившееся уравнение, в котором была произведена замена необходимо подставить во все остальные уравнения, а так же целевую функцию. Данная процедура является громоздкой, поэтому проще задачу решить с помощью определенного алгоритма и записывать все промежуточные результаты в таблицу. Чтобы этот алгоритм был проще и лучше запоминался необходимо произвести следующие преобразования: Избавляемся от отрицательных коэффициентов, для этого принимаем Данная форма записи уравнений называется стандартной.
При пересечении разрешающей строки у3 и разрешающего столбца х2 получаем разрешающий элемент а32. Необходимо найти коэффициенты, которые получатся в разрешающей строке после обмена х2 ↔ у3 .
Алгоритм преобразования коэффициентов стандартной таблицы.
При всей легкости данных вычислений более удобно все промежуточные расчеты писать в той же таблице. Алгоритм преобразования x j ↔ yi стандартной таблицы сводится к следующим операциям: 1. Выделить в таблице разрешающий элемент. Вычислить ее обратную величину и записать в нижней части этой же ячейки, например в правом нижнем углу. 2. Все элементы разрешающей строки, кроме самого разрешающего элемента умножить на , результат записать в нижней части той же ячейки. 3. Все элементы разрешающего столбца, кроме всего разрешающего элемента умножить на – a, записать в нижней части той же ячейки. 4. Подчеркнуть в разрешающей строке все верхние числа (прежние элементы) за исключением самого разрешающего элемента. А в разрешающем столбце все новые элементы, кроме самого разрешающего элемента. 5. Для каждого из элементов не принадлежащих ни к разрешающей строке, ни к разрешающему столбцу в нижней часть ячейки записать произведение выделенных чисел, стоящих в той же строке и в том же столбце, что и данный элемент. 6. Переписать таблицу, заменив: · xj наyi ; · элемент разрешающей строки и столбца, числами, стоящими в нижней части тех же ячеек; · каждый из остальных элементов суммой чисел стоящей в верхней и нижней части той же ячейки. В любой задаче ОЗЛП существует так же линейная функция L, которая в общем случае выглядит следующим образом:
Для решения ее табличным способом ее так же можно привести к стандартному виду.
Таким образом, в стандартной таблице появляется еще одна строка L. С ней производятся только такие же вычисления как со всеми остальными ячейками таблицы, строка L никогда не может быть разрешающей строкой. С помощью табличного алгоритма обмена переменных в управлениях ОЗЛП можно решить любую задачу линейного программирования или убедиться, что она не имеет решения. Нахождение решения каждой задачи распадается на два этапа: 1. нахождение опорного плана; 2. отыскание оптимального решения. В процессе первого этапа выясняется, имеет ли данная задача допустимые не отрицательные решения, если да, то находиться опорное решение, для которого все остальные переменные равны 0, а все базисные не отрицательные. В процессе второго этапа выясняется, ограничена ли снизу функция L, которая стремиться к минимуму, если нет, то оптимального решения не существует. Если да, то оно отыскивается после замены x на y. Двойственные задачи ОЗЛП.В процессе расчета задачи ОЗЛП может получиться один или несколько отрицательных свободных членов, это означает, что полученное решение не является опорным, соответственно не может быть оптимальным. Рассмотрим случай, когда среди свободных членов есть отрицательный. Для того, чтобы избавиться от них необходимо пересчитать таблицу обмена базисных и свободных переменных пока не придем к опорному решению или не убедимся в том, что решение не существует. Необходимо так обменивать базисные и свободные переменные, чтобы эта процедура приближала к области допустимых решений, чтобы число отрицательных свободных членов убывало или по крайне мере убывали их абсолютные величины. Допустим, имеется одно из уравнений с отрицательным свободным членом:
Ищем в данной строке (y2 ) отрицательный элемент aij ,если такого элемента нет, то данная система уравнений не совместна. При отсутствии отрицательных элементов в строке вся правая часть соответствующего уравнения может быть только отрицательной, а это противоречит условиям не отрицательных переменных. Если такой элемент есть, то выбираем столбец, в котором он находиться в качестве разрешающего. Далее необходимо найти сам разрешающий элемент. Для рассмотрения берем в данном столбце только те элементы, которые имеют одинаковый знак со свободным членом. Находим отношения свободного члена и элемента в той же строке и среди полученных отношений берем min по модулю, таким образом находиться разрешающая строка.
Блок – схема алгоритма.Пример решения задачи с использованием симплекс-метода.Даны данные: из которых составляется система уравнений вида:
Целевая функция этой системы уравнений стремится в максимум, и имеет вид: Базисное решение является допустимым, так как в правой части неравенств не содержатся отрицательные значения. В данной системе 3 – уравнения с 3 – неизвестными, принимают за основные X4 , X5, X6 – переменных. После этого выражают основные переменные (добавочные) через неосновные, и находят базисное решение соответствующее. Вводим добавочные неотрицательные переменные (которые еще называют «неосновные»), и сводим систему неравенств к эквивалентной системе уравнений. Так как в полученной системе уравнений нет отрицательных свободных членов, то базисное решение является допустимым (0; 0; 0; 60; 100; 36). Выразим целевую функцию через неосновные переменные: для этого находят абсолютные величины отношений свободных членов уравнений, к коэффициентам при переменной, переводимой в основные, причем только из тех уравнений, в которых эти коэффициенты положительны. Х2 : {60/1; 100/1; 36/1} переводим Х2 в основные переменные: из третьего уравнения, так как 36/1=36 наименьший коэффициент. Подставим в целевую функцию =>Х2 : Рассмотрим полученную систему уравнений и целевую функцию: Если отыскивается максимум линейной формы, и в ступени выражений нет основных переменных с положительным знаком, то критерий оптимальности выполнен и полученное базисное решение служит оптимальным (задача решена), но в примере еще есть две переменные с положительным знаком. Переходим к новому базисному решению {0; 5; 0; 0; 20; 50}. Из не основных переменных, входящих в линейную форму (уравнения) с положительным коэффициентом выбираем ту, которой соответствует наибольший коэффициент и переводит ступени в основные. Рассмотрим переменную Х1 {10; 10; 17}. Выразим из первого уравнения переменную Х1 : Рассмотрим полученную систему уравнений и целевую функцию: Если отыскивается максимум линейной формы, и в ступени выражений нет основных переменных с положительным знаком, то критерий оптимальности выполнен и полученное базисное решение служит оптимальным (задача решена), но в примере еще есть одна переменная с положительным знаком (Х3 ). Переходим к новому базисному решению {10; 0; 0; 0; 40; 20}. Из не основных переменных, входящих в линейную форму с положительным коэффициентом выбираем Х3 , которой соответствует наибольший коэффициент (5) и переводит ступени в основные. Рассмотрим переменную Х3 {0; 8; 20}. Выразим из второго уравнения переменную Х3 : Рассмотрим полученную систему уравнений и целевую функцию: Отыскивается максимум линейной формы, так как в ступени выражений нет основных переменных с положительным знаком – критерий оптимальности выполнен и полученное базисное решение служит оптимальным (задача решена). То есть при Х1 =10; Х2 =0; X3 =8 максимальное значение функции равно 80 (Lmax=80). Листингпрограммы.Program Simplex_Metod; Uses crt; label POVZNAC, NACH; var Fo, FunctPr, B, H, Hnew, C, Cnew, CPr, Cprnew, FX: array[1..30] of real; X, Xnew: array[1..30,1..30] of real; BS, Bvsp,ZNAC: array[1..30] of string[3]; MIN, I1, I, J, Kx, Ky, Kit, NachKell, NachY, K_st: integer; PriznacY, KLstr, KLst, ErrCode, Dop_X: integer; P, P1, Mo, F0, Epsilon, Z, CHLEN: real; VSP, S, PrOper: string; F: text; DPx, DPy, MinMax, Kell, SNom: integer; Function MakeIndex (V:integer; S:char): string; var M,Z: string; begin STR(V,M); Z:=S+M; MakeIndex:=Z; end; Procedure enter; var BUF :string; NEXT :boolean; begin clrscr; repeat write ('Введите количество уравнений: '); readln (SNom); if (SNom > 10) or (SNom <=0) then begin writeln ('Введите число 1 до 10: '); readln; end else NEXT:=True; until NEXT; repeat NEXT:=False; write ('Количество элементов: '); readln (Kell); if (Kell > 10) or (Kell <=0) then begin writeln (Введите число от 1 до 10: '); readln; end else NEXT:=True; until NEXT; NachKell:=Kell; DPx:=Kell+1; DPy:=1; Epsilon:=0.00001; for I:=1 to SNom do begin for J:=1 to Kell do begin write ('Введите ',J,'-й элемент ',I,'-го уравнения: '); readln (Xnew [I,J]); end; repeat write ('Введите знак: '); readln (ZNAC [I]); if (ZNAC [I] <> '>=') and (ZNAC [I] <> '=') and (ZNAC [I] <> '<=') then begin write ('Неправильно задан знак!'); readln; end; if (ZNAC [I] = '=') or (ZNAC [I] = '>=') then PriznacY:=1; until (ZNAC [I] = '>=') or (ZNAC [I] = '=') or (ZNAC [I] = '<='); write ('Введите свободный член: '); read (B[I]); end; write ('Введите свободный член целевой функции: '); readln (CHLEN); for J:=1 to Kell do begin write ('Введите ',J,'-й коэффициент целевой функции: '); read (FX[J]); end; readln; write ('Целевая функция стремится к максимуму (Д/Н): '); readln (BUF); if (BUF='Д') or (PrOper='Д') then MinMax:=1 else MinMax:=2; write ('Целочисленное решение (Д/Н): '); readln (PrOper); if (PrOper='Д') or (PrOper='Д') then PrOper:='Д' else PrOper:='Н'; end; procedure DOP_PER; begin if ZNAC[I1]='=' then begin Kell:=Kell+1; Bvsp[Kell]:=MakeIndex (DPy, 'Y'); DPy:=DPy+1; Xnew[I1,Kell]:=1; if MinMax=1 then FX [Kell]:=-1 else FX [Kell]:=1; FunctPr[Kell]:=1; for I:=1 to SNom do if I<>I1 then Xnew [I,Kell]:=0; end; if ZNAC[I1]='>=' then begin Kell:=Kell+1; Bvsp[Kell]:=MakeIndex(DPx,'X'); DPx:=Dpx+1; Dop_X:=Dop_X+1; Xnew[I1,Kell]:=-1; FX[Kell]:=0; for I:=1 to SNom do if I<>I1 then Xnew[I,Kell]:=0; Kell:=Kell+1; Bvsp[Kell]:=MakeIndex(DPy,'Y'); DPy:=DPy+1; Xnew[I1,Kell]:=1; if MinMax=1 then FX[Kell]:=-1 else FX[Kell]:=1; FunctPr[Kell]:=1; for I:=1 to SNom do if I<>I1 then Xnew[I,Kell]:=0; end; if ZNAC[I1]='<=' then begin Kell:=Kell+1; Bvsp[Kell]:=MakeIndex(DPx,'X'); DPx:=DPx+1; Dop_X:=Dop_X+1; Xnew[I1,Kell]:=1; FX[Kell]:=0; for I:=1 to SNom do if I<>I1 then Xnew[I,Kell]:=0; end; end; procedure SOKR; var P:integer; begin Kell:=Kell-1; for P:=NachKell+DOP_X to Kell do if Bvsp[P]=BS[KLstr] then begin for J:=P to Kell do Bvsp[J]:=Bvsp[J+1]; FunctPr[J]:=FunctPr[J+1]; FX[J]:=FX[J+1]; for I:=1 to SNom do Xnew[I,J]:=Xnew[I,J+1]; end; end; procedure OPER; var MAX, Z:real; begin KLstr:=1; MAX:=H[1]-INT(H[I1]); for I1:=2 to SNom do if (H[I1]-int(H[I1]))>=MAX then begin MAX:=H[I1]; KLstr:=I1; end; SNom:=SNom+1; Hnew[SNom]:=H[KLstr]-INT(H[KLstr]); for I1:=1 to Kell do begin Z:=INT(X[KLstr,I1]); if X[KLstr,I1]<0 then Z:=Z-1; Xnew[SNom,I1]:=X[KLstr,I1]-Z; end; ZNAC[SNom]:='>='; end; begin clrscr; Kit:=0; Dop_X:=0; Kx:=1; Ky:=3; enter; for J:=1 to Kell do Bvsp[J]:=MakeIndex(J,'X'); for I1:=1 to SNom do DOP_PER; MIN:=0; if (MinMax=1) and (PriznacY=1) then begin MIN:=MinMax; MinMax:=2; for J:=1 to Kell do FX[J]:=-FX[J]; end; for I1:=NachKell+1 to Kell do for J:=I1+1 to Kell do if Bvsp[J]<Bvsp[I1] then begin VSP:=Bvsp[J]; Bvsp[J]:=Bvsp[I1]; Bvsp[I1]:=VSP; P:=FX[J]; FX[J]:=FX[I1]; FX[I1]:=P; P:= FunctPr[J]; FunctPr[J]:=FunctPr[I1]; FunctPr[I1]:=P; for I:=1 to SNom do begin P:=Xnew[I,I1]; Xnew[I,I1]:=Xnew[I,J]; Xnew[I,J]:=P; end; end; Kit:=1; clrscr; for I:=1 to SNom do begin Hnew[I]:=B[I]; for J:=NachKell+1 to Kell do if Xnew[I,J]=1 then begin BS[I]:=Bvsp[J]; Cnew[I]:=FX[J]; CPrnew[I]:=FunctPr[J]; end; end; NACH:; repeat PriznacY:=0; for I:=1 to SNom do begin if INT(10000*Hnew[I])=0 then H[I]:=+0 else H[I]:=Hnew[I]; C[I]:=Cnew[I]; CPr[I]:=CPrnew[I]; if BS[I][1]='y' then PriznacY:=1; for J:=1 to Kell do if INT(10000*Xnew[I,J])=0 then X[I,J]:=+0 else X[I,J]:=Xnew[I,J]; end; for J:=1 to Kell do Fo[J]:=0; F0:=0; for J:=1 to Kell do Fo[J]:=0; for I1:=1 to SNom do begin if PriznacY=1 then if BS[I1][1]='Y' then begin F0:=F0+H[I1]; for J:=1 to Kell do Fo[J]:=Fo[J]+X[I1,J]; end; if PriznacY=0 then begin F0:=F0+H[I1]*C[I1]; for J:=1 to Kell do Fo[J]:=Fo[J]+C[I1]*X[I1,J]; end; for J:=1 to Kell do if Bvsp[J][1]='Y' then Fo[J]:=+0 else if ABS(Fo[J])<Epsilon then Fo[J]:=+0; end; for J:=1 to Kell do if PriznacY<>1 then Fo[J]:=Fo[J]-FX[J]; P:=0; for J:=1 to Kell do if MinMax=1 then if Fo[J]<-Epsilon then begin P:=1; continue; end else else if Fo[J]>Epsilon then begin P:=1; continue; end; if P<>1 then begin writeln('В ', Kit,'-й итерации было получено оптимальное решение'); for I1:=1 to SNom do if BS[I1][1]='Y' then begin writeln('Но так как из базиса не введены все Y, то '); writeln('можно сделать вывод, что РЕШЕНИЙ НЕТ'); exit; end; for I:=1 to SNom do begin Z:=round(H[I]); if ABS(Z-H[I])<Epsilon then H[I]:=round(H[I]); for J:=1 to Kell do begin if X[I,J]<0 then Z:=round(X[I,J]); if ABS (Z-X[I,J])<Epsilon then X[I,J]:=round(X[I,J]); end; end; P1:=0; for I:=1 to SNom do begin if INT(10000*FRAC(H[I]))<>0 then begin P1:=1; continue; end; for J:=1 to Kell do if BS[I]=Bvsp[J] then for I1:=1 to SNom do if ABS (FRAC(X[I1,J]))>=Epsilon then begin P:=1; continue; end; end; if (PrOper='Y') and (P1=1) then begin oper; NachKell:=Kell; I1:=SNom; DPy:=1; DOP_PER; BS[SNom]:=Bvsp[Kell]; CPrnew[SNom]:=FunctPr[Kell]; Cnew[SNom]:=FX[Kell]; goto NACH; end; ifP1=0 thenwriteln('Решение целочисленное.'); if MIN=1 then begin F0:=-F0; MinMax:=MIN; end; KLst:=1; Mo:=0; for J:=1 to Kell do if MinMax=1 then if Fo[J]<Mo then Mo:=Fo[J]; for J:=1 to Kell do begin if Bvsp[J][1]<>'Y' then if MinMax=1 then begin if Fo[J]<0 then if Fo[J]>=Mo then begin Mo:=Fo[J]; KLst:=J; end; end else begin if Fo[J]>0 then if Fo[J]>=Mo then begin Mo:=Fo[J]; KLst:=J; end; end; end; P1:=0; K_st:=0; for J:=1 to Kell do if ABS(Mo-Fo[J])<Epsilon then begin K_st:=K_st+1; for I:=1 to SNom do if X[I,KLst]>0 then begin B[I]:=H[I]/X[I,KLst]; P:=B[I]; KLstr:=I; end else begin B[I]:=-1; P1:=P1+1; end; end; if P1=SNom*K_st then begin writeln('Решений нет, так как невозможно определить ключевую строку'); exit; end; P1:=0; for J:=1 to Kell do if ABS (Mo-Fo[J])<Epsilon then for I:=1 to Snom do if B[I]>=0 then begin if B[I]<P then if Bvsp[KLst]<>BS[I] then begin P:=B[I]; KLstr:=I; end; if INT(10000*B[I])=INT(10000*P) then if (BS[I][1]='Y') and (BS[KLstr][1]='X') then if Bvsp[KLst]<>BS[I] then begin P:=B[I]; KLstr:=I; end; end; for I:=1 to SNom do if Bvsp[KLst]=BS[I] then begin writeln('Решений нет, так как в базисном столбце уже есть '); writeln('такая переменная.'); exit; end; if CPr[KLstr]=1 then SOKR; BS[KLstr]:=Bvsp[KLst]; Cnew[KLstr]:=FX[KLst]; CPrnew[KLstr]:=FunctPr[KLst]; for I:=1 to SNom do begin if I=KLstr then Hnew[I]:=H[I]/X[KLstr,KLst] else Hnew[I]:=H[I]-(H[KLstr]*X[I,KLst]/X[KLstr,KLst]); for J:=1 to Kell do begin if (I=KLstr) and (J=KLst) then Xnew[I,J]:=1; if (I=KLstr) and (J<>KLst) then Xnew[I,J]:=X[I,J]/X[KLstr,KLst]; if (I<>KLstr) and (J=KLst) then Xnew[I,J]:=0; if (I<>KLstr) and (J<>KLst) then Xnew[I,J]:=X[I,J]-(X[KLstr,J]*X[I,KLst]/X[KLstr,KLst]); end; end; repeat KLst:=0; KLstr:=0; Kit:=Kit+1; until (Kit=0); end; end. Часть 3. Тестовые примеры.Пример №1.Целевая функция этой системы уравнений стремится в максимум, и имеет вид: Программа выводит данные: В 4-й итерации было получено оптимальное решение. Результат решения: Fmax=80 X1 =10 X3 =8 X6 =12 Пример №2.Целевая функция этой системы уравнений стремится в минимум, и имеет вид: Программа выводит данные: В 6-й итерации было получено оптимальное решение. Результат решения: Fmin=75 X3 =10 X2 =9 X5 =45 Часть 4. Заключение.В курсовой работе проделана работа по изучению следующих вопросов:
Данная программа имеет простой интерфейс, не требует дополнительных ресурсов в виде свободного места на диске. Все вычисления производятся только в оперативной памяти. Тесты, не выявили ни каких отклонений в ходе решения программой поставленных задач. Программа имеет ограничения: количество рассмотренных уравнений и вводимых элементов уравнения не должно превышать 10. Программа не рассчитана на неправильный ввод формата вводимых данных. Часть 5. Литература.1. Зайченко Ю.П., Шумилова С.А. Исследование операций. 2. Лищенко «Линейное и нелинейное программирование», М. 2003 3. А.Н. Карасев, Н.Ш. Кремер, Т.Н. Савельева «Математические методы в экономике», М.2000 4. Орлов А.И. Теория принятия решений. Учебное пособие. - М.: Издательство "Март", 2004 5. Интернет |