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数学建模——线性规划(1)

数学建模——线性规划(1)

目录

线性规划

线性规划的实例与定义

线性规划的 Matlab 标准形式

线性规划的图解法


线性规划

在人们的生产实践中,经常会遇到如何利用现有资源来安排生产,以取得最大经济效益的问题。此类问题构成了运筹学的一个重要分支—数学规划,

而线性规划则是数学规划的一个重要分支。自1947 年提出求解线性规划的单纯形方法以来,线性规划在理论上趋向成熟,在实用中日益广泛与深入。特别是在计算机能处理成千上万个约束条件和决策变量的线性规划问题之后,线性规划的适用领域更为广泛了,已成为现代管理中经常采用的基本方法之一。

线性规划的实例与定义

例1: 某机床厂生产甲、乙两种机床,每台销售后的利润分别为4000 元与3000 元。生产甲机床需用 A、B机器加工,加工时间分别为每台 2 小时和 1 小时;生产乙机床需用 A、B、C三种机器加工,加工时间为每台各一小时。若每天可用于加工的机器时数分别为A 机器10 小时、B 机器8 小时和C 机器7 小时,问该厂应生产甲、乙机床各几台,才能使总利润最大?

利润:

甲、乙——销售后的利润分别为4000 元与3000 元。

加工时间

甲需用 A、B——加工时间分别为每台 2 小时和 1 小时;

乙需用 A、B、C——加工时间为每台各一小时。

机器工作时长:

每天——A 10 小时——B 8 小时和——C 7 小时,

上述问题的数学模型:设该厂生产x_{1}台甲机床和x_{2} 乙机床时总利润最大,总利润为z,则 x_{1} ,x_{2} 应满足 

目标函数

max z=4x_{1}+3x_{2}                                                (1)

约束条件(s.t):

s.t\left\{\begin{matrix} 2x_{1}+x_{2}\geq 10\\ x_{1}+x_{2}\leq 8 \\ x_{2}\leq 7 \\x_{1},x_{2}\geq 0 \end{matrix}\right.                                               (2)

这里变量x_{1} ,x_{2} 称之为决策变量

(1)式被称为问题的目标函数,

(2)中的几个不等式是问题的约束条件,记为s.t.(即subject to)。

由于上面的目标函数及约束条件均为线性函数,故被称为线性规划问题。
线性规划问题是在一组线性约束条件的限制下,求一线性目标函数最大或最小的问题
在解决实际问题时,把问题归结成一个线性规划数学模型是很重要的一步,但往往也是困难的一步,模型建立得是否恰当,直接影响到求解。而选适当的决策变量,是我们建立有效模型的关键之一。

线性规划的 Matlab 标准形式

线性规划的目标函数可以是求最大值,也可以是求最小值,约束条件的不等号可以是小于号也可以是大于号。为了避免这种形式多样性带来的不便,Matlab 中规定线性规划的标准形式为

\min_{x}c^{T}x

s.t\left\{\begin{matrix} Ax\leq b \\ Aeq*x=deq \\ lb\leq x\leq ub \end{matrix}\right.

其中 c 和x 为n 维列向量, A 、Aeq 为适当维数的矩阵, b 、beq 为适当维数的列向量。

例如:

线性规划:        \max_{x}c^{T}x            s.t     Ax\geq b

Matlab标准型: \min_{x} -c^{T}x         s.t    -Ax\leq - b

线性规划的图解法

图解法简单直观,有助于了解线性规划问题求解的基本原理。我们先应用图解法来求解。

图形画法:

画出

s.t\left\{\begin{matrix} 2x_{1}+x_{2}= 10\\ x_{1}+x_{2}=8 \\ x_{2}=7 \\x_{1},x_{2}= 0 \end{matrix}\right.

接着根据小于,大于划分区域。

对于每一固定的值z ,使目标函数max z=4x_{1}+3x_{2}值等于z 的点构成的直线称为目标函数等位线,当z变动时,我们得到一族平行直线(关于4x_{1}+3x_{2}=0的平行线,如蓝色虚线所示)

对于例1,显然等位线越趋于右上方,其上的点具有越大的目标函数值。不难看出,本例的最优解为x* = (2,6)^{T},最优目标值z* = 4*2+3*6=26。

从上面的图解过程可以看出并不难证明以下断言:
(1)可行域R 可能会出现多种情况。R 可能是空集也可能是非空集合,当R 非空时,它必定是若干个半平面的交集(除非遇到空间维数的退化)。R 既可能是有界区域,也可能是无界区域。
(2)在R 非空时,线性规划既可以存在有限最优解,也可以不存在有限最优解(其目标函数值无界)。

(3)若线性规划存在有限最优解,则必可找到具有最优目标函数值的可行域R 的“顶点”

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