Основные теоремы линейного программирования.

Определение: Множество точек называется выпуклым, если вместе с его любыми двумя точками ему принадлежит и весь отрезок, соединяющий их.

На рис. 33.1 изображено выпуклое множество (выпуклый многоугольник), а на рис. 33.2 - невыпуклое.

рис. 33.1	рис. 33.2

Утверждение: Пересечение конечного числа выпуклых множеств также выпуклое множество.

Определение: Точка выпуклого множества называется угловой (или крайней), если через неё нельзя провести ни одного отрезка, состоящего только из точек данного множества и для которого она была бы внутренней.

Для выпуклого многоугольника угловыми точками являются все его вершины. В пространстве выпуклое множество с конечным числом угловых точек называется выпуклым многогранником.

Утверждение: множеством решений системы m линейных неравенств с n переменными является выпуклый многогранник в n -мерном пространстве (исключая случай, когда система несовместна).

Как известно, любая задача линейного программирования может быть приведена к канонической модели минимизации линейной целевой функции с линейными ограничениями типа равенств. Поскольку число переменных в задаче линейного программирования больше числа ограничений (n > m), то можно получить решение, приравняв нулю (n - m) переменных, называемых свободными. Оставшиеся m переменных, называемых базисными, можно легко определить из системы ограничений-равенств обычными методами линейной алгебры. Если решение существует, то оно называется базисным. Если базисное решение допустимо, то оно называется базисным допустимым ( опорным планом ). Геометрически, базисные допустимые решения соответствуют вершинам (угловым точкам) выпуклого многогранника, который ограничивает множество допустимых решений. Если задача линейного программирования имеет оптимальные решения, то по крайней мере одно из них является базисным.

Приведенные соображения означают, что при поиске оптимального решения задачи линейного программирования достаточно ограничиться перебором базисных допустимых решений. Число базисных решений равно числу сочетаний из n переменных по m:

и может быть достаточно велико для их перечисления прямым перебором за реальное время. То, что не все базисные решения являются допустимыми, существо проблемы не меняет, так как чтобы оценить допустимость базисного решения, его необходимо получить. Такой путь решения задачи хотя и возможен, но весьма трудоемок, так как число допустимых базисных решений может быть весьма большим.

Теорема 33.1: Множество всех допустимых решений системы ограничений задачи линейного программирования является выпуклым.

Ранее говорилось, что ограничениями любой задачи линейного программирования являются либо система линейных уравнений, либо система линейных неравенств. Совокупность решений таких систем при условии их совместности, образует выпуклые множества с конечным числом угловых точек. В частном случае, когда в систему ограничений - неравенств входят только две переменные и это множество можно изобразить на плоскости (рис. 33.2, 33.3).

Теорема 33.2: Если существует, и при том единственное, оптимальное решение задачи линейного программирования, то оно совпадает с одной из угловых точек множества допустимых решений. Если линейная форма принимает минимальное (максимальное) значение более чем в одной угловой точке, то она достигает того же значения в любой точке, являющейся выпуклой линейной комбинацией этих точек.

 

Из теоремы 2 следует, что поиски оптимального решения можно ограничить перебором конечного числа угловых точек (их число меньше , где n - число неизвестных, а m – число ограничений), однако построение возможно только для двух и трёхмерных пространств, поэтому нужны аналитические методы, позволяющие находить координаты угловых точек.

Теорема 33.3: Каждому допустимому базисному решению задачи линейного программирования соответствует угловая точка области допустимых решений системы ограничений, и наоборот.

Задача линейного программирования в стандартной форме с двумя переменными имеет вид:

(33.1)

(33.2)

(33.3)

Эти задачи допускают простое геометрическое истолкование.
Рассмотрим вначале геометрическое истолкование системы ограничений задачи. Каждую совокупность значений переменных x₁, x₂ можно изобразить точкой на плоскости, если ввести систему координат и по одной оси откладывать x₁, а по другой x₂. Выясним, что геометрически означает совокупность решений одного отдельно взятого неравенства:

Рассмотрим прямую на плоскости с уравнением:

Эта прямая делит плоскость на две полуплоскости, в одной из которых справедливо наше неравенство, а в другой - противоположное. Для того, чтобы проверить, какая из полуплоскостей состоит из решений нашего неравенства, следует взять точку из какой-либо полуплоскости и проверить, выполняется ли наше неравенство в этой точке. Множество решений отдельно взятого линейного неравенства представляет собой полуплоскость. Для системы из нескольких таких неравенств точки, координаты которых удовлетворяют всем неравенствам одновременно, должны находиться во всех соответствующих полуплоскостях, т.е. принадлежать теоретико-множественному пересечению этих полуплоскостей. Множество точек на плоскости, удовлетворяющих системе ограничений, составляет, таким образом, некоторую выпуклую многоугольную область (область допустимых решений). Условия неотрицательности переменных x₁ ≥ 0 и x₂ ≥ 0 приводят к тому, что эта область находится в первой координатной четверти.

При решении двумерных задач линейного программирования возможны следующие ситуации (ОДР - область допустимых решений):

Рис. 33.1

1. Основной случай - получающаяся область имеет вид ограниченного (замкнутого) выпуклого многоугольника (см. рис. 33.2).

2. Не основной случай - получается неограниченный (незамкнутый) выпуклый многоугольник, имеющий вид, подобный изображенному на рис. 33.3

рис. 33.2	рис. 33.3

3. Наконец, возможен случай, когда неравенства противоречат друг другу, и допустимая область вообще пуста.

Двумерные задачи линейного программирования решаются графически. Для случая N=3 можно рассмотреть трехмерное пространство и целевая функция будет достигать своё оптимальное значение в одной из вершин многогранника.

В общем виде, когда в задаче участвуют N -неизвестных, можно сказать, что область допустимых решений, задаваемая системой ограничивающих условий, представляется выпуклым многогранником в n -мерном пространстве и оптимальное значение целевой функции достигается в одной или нескольких вершинах. Решить данные задачи графически, когда количество переменных более трех весьма затруднительно. Существует универсальный способ решения задач линейного программирования, называемый симплекс-методом.

 

Симплекс-метод.

Симплекс-метод является основным в линейном программировании. Решение задачи начинается с рассмотрений одной из вершин многогранника условий. Если исследуемая вершина не соответствует максимуму (минимуму), то переходят к соседней, увеличивая значение функции цели при решении задачи на максимум и уменьшая при решении задачи на минимум. Таким образом, переход от одной вершины к другой улучшает значение функции цели. Так как число вершин многогранника ограничено, то за конечное число шагов гарантируется нахождение оптимального значения или установление того факта, что задача неразрешима.

Этот метод является универсальным, применимым к любой задаче линейного программирования в канонической форме. Система ограничений здесь - система линейных уравнений, в которой количество неизвестных больше количества уравнений. Если ранг системы равен r, то мы можем выбрать r неизвестных, которые выразим через остальные неизвестные. Для определенности предположим, что выбраны первые, идущие подряд, неизвестные x₁, x₂,..., x_r. Тогда наша система уравнений может быть записана как

(34.1)

К такому виду можно привести любую совместную систему, например, методом Гаусса. Правда, не всегда можно выражать через остальные первые r неизвестных (мы это сделали для определенности записи). Однако такие r неизвестных обязательно найдутся. Эти неизвестные (переменные) называются базисными, остальные свободными.

Придавая определенные значения свободным переменным и вычисляя значения базисных (выраженных через свободные), мы будем получать различные решения нашей системы ограничений. Таким образом, можно получить любое ее решение. Нас будут интересовать особые решения, получаемые в случае, когда свободные переменные равны нулю. Такие решения называются базисными, их столько же, сколько различных базисных видов у данной системы ограничений. Базисное решение называется допустимым базисным решением или опорным решением, если в нем значения переменных неотрицательны. Если в качестве базисных взяты переменные x₁, x₂,..., x_r, то решение (b₁, b ₂ ,..., b _r, 0,..., 0) будет опорным при условии, что b₁, b ₂ ,..., b _r ≥ 0.

Симплекс-метод основан на теореме, которая называется фундаментальной теоремой симплекс-метода: среди оптимальных планов задачи линейного программирования в канонической форме обязательно есть опорное решение ее системы ограничений. Если оптимальный план задачи единственен, то он совпадает с некоторым опорным решением. Различных опорных решений системы ограничений конечное число.

Поэтому решение задачи в канонической форме можно было бы искать перебором опорных решений и выбором среди них того, для которого значение самое большое (или самое маленькое). Но, во-первых, все опорные решения неизвестны, и их нужно находить, a, во-вторых, в реальных задачах этих решений очень много и прямой перебор вряд ли возможен. Симплекс-метод представляет собой некоторую процедуру направленного перебора опорных решений. Исходя из некоторого, найденного заранее опорного решения по определенному алгоритму симплекс-метода мы подсчитываем новое опорное решение, на котором значение целевой функции не меньше (не больше), чем на старом. После ряда шагов мы приходим к опорному решению, которое является оптимальным планом.

Итак, симплексный метод вносит определенный порядок как при нахождении первого (исходного) базисного решения, так и при переходе к другим базисным решениям. Его идея состоит в следующем.

Имея систему ограничений, приведенную к общему виду, то есть к системе m линейных уравнений с n переменными (m < n), находят любое базисное решение этой системы, заботясь только о том, чтобы найти его как можно проще.

Если первое же найденное базисное решение оказалось допустимым, то проверяют его на оптимальность. Если оно не оптимально, то, осуществляется переход к другому, обязательно допустимому базисному решению.

Симплексный метод гарантирует, что при этом новом решении линейная форма, если и не достигнет оптимума, то приблизится к нему. С новым допустимым базисным решением поступают так же, пока не найдут решение, которое является оптимальным.

Если первое найденное базисное решение окажется недопустимым, то с помощью симплексного метода осуществляется переход к другим базисным решениям, которые приближают нас к области допустимых решений, пока на каком-то шаге решения либо базисное решение окажется допустимым и к нему применяют алгоритм симплексного метода, либо мы убеждаемся в противоречивости системы ограничений.

Таким образом, применение симплексного метода распадается на два этапа: нахождение допустимого базисного решения системы ограничений или установление факта ее несовместности; нахождение оптимального решения.

При этом каждый этап может включать несколько шагов, соответствующих тому или иному базисному решению. Но так как число базисных решений всегда ограниченно, то ограниченно и число шагов симплексного метода.

Вычисления по симплекс-методу организуются в виде симплекс-таблиц, которые являются сокращенной записью задачи линейного программирования в канонической форме. Перед составлением симплекс-таблицы задача должна быть преобразована, система ограничений приведена к допустимому базисному виду, c помощью которого из целевой функции должны быть исключены базисные переменные. Вопрос об этих предварительных преобразованиях мы рассмотрим ниже. Сейчас же будем считать, что они уже выполнены и задача имеет вид:

(34.2)

Здесь для определенности записи считается, что в качестве базисных переменных можно взять переменные x₁, x₂,..., x_r и что при этом b₁, b ₂ ,..., b _r ≥ 0 (соответствующее базисное решение является опорным).

Для составления симплекс-таблицы во всех равенствах в условии задачи члены, содержащие переменные, переносятся в левую часть, свободные оставляются справа, т.е. задача записывается в виде системы равенств:

(34.3)

Далее эта система оформляется в виде симплекс-таблиц:

Таблица 34.1

базис	св. члены			…
Z				…
				…
				…
…	…	…	…	…	…
				…

Примечание: Названия базисных переменных здесь взяты лишь для определенности записи и в реальной таблице могут оказаться другими.