Тема 2. Основы линейного программирования

Цель практического занятия №2: Получить навыки решения задач линейного программирования графическим методом

Вопросы по лекционному курсу:

1. Что называется многогранником решений задачи линейного программирования?

2. При каком количестве переменных в задаче целесообразно использовать графический метод ее решения?

3. Назовите этапы, которые включает графический метод решения задач линейного программирования.

Методические указания к практическому занятию

Графический метод довольно прост и нагляден для решения задач линейного программирования (ЛП) с двумя переменными:

Целевая функция (ЦФ), L(X)=c₁x₁+c₂x₂ max (min)

при ограничениях

a₁₁x₁+a₁₂x₂ b₁

a₂₁x₁+a₂₂x₂ b₂

……………………… (2.1)

a_m1x₁+a_m2x₂ b_m

x_1, x₂ 0

Графический метод основан на геометрическом представлении допустимых решений и ЦФ задачи. Каждое из неравенств задачи ЛП (2.1) определяет на координатной плоскости некоторую полуплоскость (рис.2.1), а система неравенств в целом – пересечение соотвествующих плоскостей. Множество точек пересечения данных полуплоскостей называется областью допустимых решений (ОДР). ОДР всегда представляет собой выпуклую фигуру, т.е. обладающую следующим свойством: если две точки А и В принадлежат этой фигуре, то и весь отрезок АВ принадлежит ей. ОДР графически может быть представлена выпуклым многоугольником, неограниченной выпуклой многоугольной областью, отрезком, лучем, одной точкой. В случае несовместности системы ограничений задачи (1.1) ОДР является пустым множеством.

Все вышесказанное относится и к случаю, когда система ограничений (1.1) включает равенства, поскольку любое равенство

можно представить в виде системы двух неравенств (см. рис.2.1)

ЦФ при фиксированном значении определяет на плоскости прямую линию . Изменяя значения L, мы получим семейство параллельных прямых, называемых линиями уровня.

Это связано с тем, что изменение значения L повлечет изменение лишь длины отрезка, отсекаемого линией уровня на оси (начальная ордината), а угловой коэффициент прямой останется постоянным. Поэтому для решения будет достаточно построить одну из линий уровня, произвольно выбрав значение L.

Вектор с координатами из коэффициентов ЦФ при и перпендикулярен к каждой из линий уровня. Направление вектора совпадает с направлением возрастания ЦФ, что является важным моментом для решения задач. Направление убывания ЦФ противоположно направлению вектора .

Суть графического метода заключается в следующем. По направлению (против направления) вектора в ОДР производится поиск оптимальной точки . Оптимальной считается точка, через которую проходит линия уровня ( ), соответствующая наибольшему (наименьшему) значению функции . Оптимальное решение всегда находится на границе ОДР, например, в последней вершине многоугольника ОДР, через которую пройдет целевая прямая, или на всей его стороне.

При поиске оптимального решения задач ЛП возможны следующие ситуации: существует единственное решение задачи; существует бесконечное множество решений (альтернативный оптиум); ЦФ не ограничена; область допустимых решений – единственная точка; задача не имеет решений.

Методика решения задач ЛП графическим методом

I. В ограничениях задачи (2.1) замените знаки неравенств на знаки точных равенств и постройте соответствующие прямые.

II. Найдите полуплоскости, разрешенные каждым из ограничений-неравенств задачи (1.1). Для этого подставьте в конкретное неравенство координаты какой-либо точки [например, (0;0)], и проверьте истинность полученного неравенства.

Если  неравенство истинное,

то    надо заштриховать полуплоскость, содержащую данную точку;

иначе (неравенство ложное) надо заштриховать полуплоскость, не содержащую данную точку.

Поскольку и должны быть неотрицательными, то их допустимые значения всегда будут находиться выше оси и правее оси , т.е. в I-м квадранте.

Ограничения-равенства разрешают только те точки, которые лежат на соответствующей прямой, поэтому выделите на графике такие прямые.

III. Определите ОДР как часть плоскости, принадлежащую одновременно всем разрешенным областям, и выделите ее. При отсутствии ОДР задача не имеет решений, о чем сделайте соответствующий вывод.

IV. Если ОДР – не пустое множество, то постройте целевую прямую, т.е. любую из линий уровня , где L – произвольное число, например, кратное и , т.е. удобное для проведения расчетов. Способ построения аналогичен построению прямых ограничений.

V. Постройте вектор , который начинается в точке (0;0), заканчивается в точке . Если целевая прямая и вектор построены верно, то они будут перпендикулярны.

VI. При поиске max ЦФ передвигайте целевую прямую в направлении вектора , при поиске min ЦФ – против направления вектора . Последняя по ходу движения вершина ОДР будет точкой max или min ЦФ. Если такой точки (точек) не существует, то сделайте вывод о неограниченности ЦФ на множестве планов сверху (при поиске max) или снизу (при поиске min).

VII. Определите координаты точки max (min) ЦФ и вычислите значение ЦФ . Для вычисления координат оптимальной точки решите систему уравнений прямых, на пересечении которых находится .

Пример 1. Решить графическим методом следующую задачу:

Построим ограничения (рис.2.1)

(1) – (2) – (4) –

Прямая (3) – проходит через точку параллельно оси .

Целевую прямую построим по уравнению

,

Определим ОДР. Подставим точку (0;0) в ограничение (2), получим , что является ложным неравенством, поэтому стрелкой (или штрихованием) обозначим полуплоскость, не содержащую точку (0;0), т.е. расположенную правее и выше прямой (2).

Рис.2.1. Графическое решение задачи №2.03

Аналогично определим и укажем допустимые полуплоскости для остальных ограничений (см. рис.2.1). Анализ допустимых полуплоскостей позволяет определить, что ОДР – это незамкнутая область, ограниченная прямыми (2), (3), (4) и осью .

Строим вектор из точки (0;0) в точку (1;-3). Для поиска минимума ЦФ двигаем целевую прямую против направления вектора . Поскольку в этом направлении ОДР не ограничена, то невозможно в этом направлении найти последнюю точку ОДР. Отсюда следует, что ЦФ не ограничена на множестве планов снизу (поскольку идет поиск минимума).

При поиске максимума ЦФ будем двигать целевую прямую по направлению вектора до пересечения с вершиной А – последней точкой ОДР в этом направлении. Определим координаты точки А из системы уравнений прямых ограничений (2) и (4)

.

Максимальное значение ЦФ равно

.

Таким образом, в данной задаче ЦФ не ограничена на множестве планов снизу, а А(1;4) является точкой максимума ЦФ, .