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线性规划(Linear Programming,LP)是一种在数学规划领域中应用广泛的最优化问题解决方法。其基本思想是在一系列约束条件下,通过建立线性数学模型来描述目标函数,以求得使目标函数最大或最小的决策变量值。线性规划在运筹学、经济学、管理学等领域得到了广泛的应用,能够有效地优化资源分配和决策制定。
一般线性规划模型可以表示为如下形式:
max
(
w
)
=
c
1
x
1
+
c
2
x
2
+
…
+
c
n
x
n
s.t.
{
a
11
x
1
+
a
12
x
2
+
…
+
a
1
n
x
n
≤
b
1
a
21
x
1
+
a
22
x
2
+
…
+
a
2
n
x
n
≤
b
2
…
a
m
1
x
1
+
a
m
2
x
2
+
…
+
a
m
n
x
n
≤
b
m
x
1
,
x
2
,
…
,
x
n
≥
0
其中, w w w为目标函数的值, c 1 , c 2 , … , c n c_1, c_2, \ldots, c_n c1,c2,…,cn为目标函数的系数, x 1 , x 2 , … , x n x_1, x_2, \ldots, x_n x1,x2,…,xn为决策变量, a i j a_{ij} aij为约束条件的系数, b i b_i bi为约束条件的右侧常数。
单纯形法是解线性规划问题最经典的方法之一。它通过在可行解空间内移动顶点,逐步逼近最优解。单纯形法的优势在于对于一般情况下能够高效找到最优解,但在特殊情况下可能存在退化、循环等问题。
内点法是另一种解线性规划问题的方法,它通过在可行解空间内寻找内点,逐步逼近最优解。相比于单纯形法,内点法在处理大规模问题时通常更具优势。
在实际应用中,线性规划问题的求解可以借助各种数学建模与求解工具。其中,MATLAB等数学软件提供了强大的线性规划求解功能,使用户能够方便地建立模型、求解问题,并分析优化结果。
线性规划在实际应用中有着广泛的应用,包括但不限于:
生产计划与资源分配: 在制造业中,线性规划可以用于优化生产计划,确保资源的有效利用,最大程度地提高生产效益。
供应链管理: 在供应链中,线性规划可以帮助优化物流、库存和生产计划,降低成本,提高整体供应链效率。
金融投资组合: 在金融领域,线性规划被用于构建最优的投资组合,以最大化投资回报或降低投资风险。
运输与物流规划: 在交通运输领域,线性规划可用于优化货物运输路线、运输成本,提高物流效率。
市场营销决策: 在市场营销中,线性规划可以用于制定广告投放策略、产品定价策略等,以最大化市场份额或利润。
解:
设 使用设备A1生产产品1:x1件,使用设备A2生产产品1:x2件,使用设备B1生产产品1:x3件,使用设备B2生产产品1:x4件,使用设备B3生产产品1:x5件,使用设备A1生产产品2:x6件,使用设备A2生产产品2:x7件,使用设备B1生产产品2:x8件,使用设备A1(B1)生产产品3:x9件。
梳理如下:
值得注意的是,上述所有变量都是整数。
由题目所给数据可建立如下线性规划模型:
max
w
=
(
1.25
−
0.25
)
×
(
x
1
+
x
2
)
+
(
2
−
0.35
)
×
(
x
6
+
x
7
)
+
(
2.8
−
0.5
)
×
x
9
−
300
6000
×
(
5
x
1
+
10
x
6
)
−
321
10000
×
(
7
x
2
+
9
x
7
+
12
x
9
)
−
250
4000
×
(
6
x
3
+
8
x
8
)
−
783
7000
×
(
4
x
4
+
11
x
9
)
−
200
4000
×
7
x
5
s.t.
{
5
x
1
+
10
x
6
⩽
6000
7
x
2
+
9
x
7
+
12
x
9
⩽
10
6
x
3
+
8
x
8
⩽
4000
4
x
4
+
11
x
9
⩽
7000
7
x
5
⩽
4000
x
1
+
x
2
=
x
3
+
x
4
+
x
5
x
6
+
x
7
=
x
8
x
i
⩾
0
,
i
=
1
,
2
,
⋯
,
9
化成MATLAB标准型,即:
min
w
=
(
−
1
)
∗
[
(
1.25
−
0.25
)
×
(
x
1
+
x
2
)
+
(
2
−
0.35
)
×
(
x
6
+
x
7
)
+
(
2.8
−
0.5
)
×
x
9
−
300
6000
×
(
5
x
1
+
10
x
6
)
−
321
10000
×
(
7
x
2
+
9
x
7
+
12
x
9
)
−
250
4000
×
(
6
x
3
+
8
x
8
)
−
783
7000
×
(
4
x
4
+
11
x
9
)
−
200
4000
×
7
x
5
]
s. t.
{
[
5
0
0
0
0
10
0
0
0
0
7
0
0
0
0
9
0
12
0
0
6
0
0
0
0
8
0
0
0
0
4
0
0
0
0
11
0
0
0
0
7
0
0
0
0
]
[
x
1
x
2
x
3
x
4
x
5
x
6
x
7
x
8
x
9
]
⩽
[
6000
10000
4000
7000
4000
]
[
1
1
−
1
−
1
−
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
−
1
0
]
[
x
1
x
2
x
3
x
4
x
5
x
6
x
7
x
8
x
9
]
=
[
0
0
]
x
i
⩾
0
,
i
=
1
,
2
,
⋯
,
9
求解的MATLAB程序如下:
clc , clear % pr:profit 每个产品的净利润 pr1 = 1.25 - 0.25; pr2 = 2 - 0.35; pr3 = 2.8 - 0.5; pr = [pr1 * ones(1, 2), zeros(1, 3), pr2 * ones(1, 2), 0, pr3]; % 利润矩阵 % ec:equipment cost 每个设备的单位运行费用 ec1 = 300 / 6000; ec2 = 321 / 10000; ec3 = 250 / 4000; ec4 = 783 / 7000; ec5 = 200 / 4000; ec = [5 * ec1, 7 * ec2, 6 * ec3, 4 * ec4, 7 * ec5, 10 * ec1, 9 * ec2, 8 * ec3, 12 * ec2 + 11 * ec4]; % 设备费用矩阵 % 易错:注意这里要乘以运行时长! f = pr - ec; % 计算出销售利润与机器成本的和矩阵,也就是最终收益 f = -f; % 求min A = [5, 0, 0, 0, 0, 10, 0, 0, 0; ... 0, 7, 0, 0, 0, 0, 9, 0, 12; ... 0, 0, 6, 0, 0, 0, 0, 8, 0; ... 0, 0, 0, 4, 0, 0, 0, 0, 11; ... 0, 0, 0, 0, 7, 0, 0, 0, 0]; b = [6000, 10000, 4000, 7000, 4000]; Aeq = [1, 1, -1, -1, -1, 0, 0, 0, 0; ... 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, -1, 0]; beq = zeros(2, 1); intcon = 1:9; [x, w] = intlinprog(f, intcon, A, b, Aeq, beq, zeros(9, 1)); w = -w; % 求max % 输出结果 format shortG; x w
求得的最优解是:
使用设备A1生产产品1:1200件,使用设备A2生产产品1:230件,使用设备B1生产产品1:0件,使用设备B2生产产品1:859件,使用设备B3生产产品1:571件,使用设备A1生产产品2:0件,使用设备A2生产产品2:500件,使用设备B1生产产品2:500件,使用设备A1和B1生产产品3:324件。
最大利润:1146.4(元)
解:
设 前舱装运货物1:x1吨,前舱装运货物2:x2吨,前舱装运货物3:x3吨,前舱装运货物4:x4吨
中舱装运货物1:x5吨,中舱装运货物2:x6吨,中舱装运货物3:x7吨,中舱装运货物4:x8吨
后舱装运货物1:x9吨,后舱装运货物2:x10吨,后舱装运货物3:x11吨,后舱装运货物4:x12吨
由题目所给数据可建立如下线性规划模型:
max
w
=
3100
×
(
x
1
+
x
5
+
x
9
)
+
3800
×
(
x
2
+
x
6
+
x
10
)
+
3500
×
(
x
3
+
x
7
+
x
11
)
+
2850
×
(
x
4
+
x
8
+
x
12
)
s. t.
{
x
1
+
x
5
+
x
9
⩽
18
x
2
+
x
6
+
x
10
⩽
15
x
3
+
x
7
+
x
11
⩽
23
x
4
+
x
8
+
x
12
⩽
10
x
1
+
x
2
+
x
3
+
x
4
⩽
10
x
5
+
x
6
+
x
7
+
x
8
⩽
16
x
9
+
x
10
+
x
11
+
x
12
⩽
8
480
x
1
+
650
x
2
+
580
x
3
+
390
x
4
⩽
6800
480
x
5
+
650
x
6
+
580
x
7
+
390
x
8
⩽
8700
480
x
9
+
650
x
10
+
580
x
11
+
390
x
12
⩽
5300
16
(
x
1
+
x
2
+
x
3
+
x
4
)
=
10
(
x
5
+
x
6
+
x
7
+
x
8
)
8
(
x
5
+
x
6
+
x
7
+
x
8
)
=
16
(
x
9
+
x
10
+
x
11
+
x
12
)
x
i
⩾
0
,
i
=
1
,
2
,
⋯
,
12
化成MATLAB标准型,即:
min
w
=
(
−
1
)
∗
[
3100
×
(
x
1
+
x
5
+
x
9
)
+
3800
×
(
x
2
+
x
6
+
x
10
)
+
3500
×
(
x
3
+
x
7
+
x
11
)
+
2850
×
(
x
4
+
x
8
+
x
12
)
]
s. t.
{
[
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
480
650
580
390
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
480
650
580
390
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
480
650
580
390
]
[
x
1
x
2
x
3
x
4
x
5
x
6
x
7
x
8
x
9
x
10
x
11
x
12
]
⩽
[
18
15
23
12
10
16
8
6800
8700
5300
]
[
8
8
8
8
−
5
−
5
−
5
−
5
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
−
2
−
2
−
2
−
2
]
[
x
1
x
2
x
3
x
4
x
5
x
6
x
7
x
8
x
9
x
10
x
11
x
12
]
=
[
0
0
]
x
i
⩾
0
,
i
=
1
,
2
,
⋯
,
12
clc , clear % 按行展开获得f f = [3100 * ones(3, 1), 3800 * ones(3, 1), 3500 * ones(3, 1), 2850 * ones(3, 1)]; f = f'; f = f(:)'; f = -f; % 求min A1 = [eye(4), eye(4), eye(4)]; A2 = blkdiag(ones(1, 4), ones(1, 4), ones(1, 4)); A3 = blkdiag([480, 650, 580, 390], [480, 650, 580, 390], [480, 650, 580, 390]); A = vertcat(A1, A2, A3); b = [18, 15, 23, 12, 10, 16, 8, 6800, 8700, 5300]; Aeq1 = [8 * ones(1, 4), -5 * ones(1, 4), zeros(1, 4)]; Aeq2 = [zeros(1, 4), ones(1, 4), -2 * ones(1, 4)]; Aeq = vertcat(Aeq1, Aeq2); beq = zeros(2, 1); % 获得结果 [x, w] = linprog(f, A, b, Aeq, beq, zeros(12, 1)); format longG; % 转化为3*4的矩阵 x = reshape(x, [4, 3])' % 求和 x = sum(x) % 利润 w = -w % 求max
求得的最优解是:
前舱装运货物1:x1 = 0 吨 前舱装运货物2:x2 = 10.0000 吨 前舱装运货物3:x3 = 0 吨 前舱装运货物4:x4 = 0 吨
中舱装运货物1:x5 = 0 吨 中舱装运货物2:x6 = 0 吨 中舱装运货物3:x7 = 12.9474 吨 中舱装运货物4:x8 = 3.0526 吨
后舱装运货物1:x9 = 0 吨 后舱装运货物2:x10 = 5.0000 吨 后舱装运货物3:x11 = 3.0000 吨 后舱装运货物4:x12 = 0 吨
货物1的总装运量:x1 + x5 + x9 = 0 + 0 + 0 = 0 吨
货物2的总装运量:x2 + x6 + x10 = 10.0000 + 0 + 5.0000 = 15.0000 吨
货物3的总装运量:x3 + x7 + x11 = 0 + 12.9474 + 3.0000 = 15.9474 吨
货物4的总装运量:x4 + x8 + x12 = 0 + 3.0526 + 0 = 3.0526 吨
最大利润:121515.789(元)
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