机械优化设计-6.线性规划.ppt

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第六章第六章第六章第六章线性规划线性规划线性规划线性规划一一.线性规划的基本概念线性规划的基本概念二二.求解线性规划的单纯形法求解线性规划的单纯形法三三.初始基本可行解初始基本可行解11/5/20221某某厂厂生生产产甲甲、乙乙两两种种产产品品，已已知知：

两两种种产产品品分分别别由由两两条条生生产产线线生生产产。

第第一一条条生生产产甲甲，每每天天最最多多生生产产99件件，第第二二条条生生产产乙乙，每每天天最最多多生生产产77件件；该该厂厂仅仅有有工工人人2424名名，生生产产甲甲每每件件用用22工工日日，生生产产乙乙每每件件用用33工工日日；产产品品甲甲、乙乙的的单单件件利利润润分分别别为为0.40.4万万元元和和0.80.8万万元元。

问问工工厂厂如如何何组组织织生生产产才才能能获获得最大利润？

得最大利润？

一）应用实例一）应用实例6-16-16-16-1线性规划的基本概念线性规划的基本概念线性规划的基本概念线性规划的基本概念11/5/20222日日利润最大利润最大生产能力限制生产能力限制劳动力限制劳动力限制变量非负变量非负解解:

设甲、乙两种产品的日产件数分别为设甲、乙两种产品的日产件数分别为s.t.11/5/20223二二）线性规划的一般形式线性规划的一般形式s.t.s.t.特点特点:

1）1）为极小化问题为极小化问题;2）;2）约束取等号约束取等号;3）3）限定系数非负限定系数非负;4）;4）变量非负变量非负.式式中，中，价值系数；价值系数；结构系数结构系数限定系数限定系数11/5/20224将数学模型化为标准型的方法将数学模型化为标准型的方法11）将极大化问题化为极小化问题）将极大化问题化为极小化问题松弛变量松弛变量（开关变量）（开关变量）（两边乘（两边乘-1-1）44）将负的限定系数化为正值）将负的限定系数化为正值33）将任意变量化为非负变量）将任意变量化为非负变量22）将不等式约束变为等式约束：

）将不等式约束变为等式约束：

目标函数变号；目标函数变号；11/5/20225s.t.化为标准型化为标准型:

11/5/20226三）线性规划的基本概念三）线性规划的基本概念s.t.1.1.线性规划的图解线性规划的图解x2x10F=0F*=6.2（1.5,7）11/5/20227s.t.标准型标准型:

x2x10F=0F*=-6.2（1.5,7）11/5/202282.2.线性规划的基本概念线性规划的基本概念11）可行解）可行解满足约束条件及变量非负条件的解。

满足约束条件及变量非负条件的解。

（DD内及其边界上的解）内及其边界上的解）22）基本解）基本解基本解对应于约束边界的交点基本解对应于约束边界的交点.33）基本可行解）基本可行解可行域中的基本解可行域中的基本解（即（即DD的顶点）的顶点）44）基本变量与非基本变量）基本变量与非基本变量预先取为零值的预先取为零值的n-mn-m个变量为非个变量为非基本变量，其余基本变量，其余mm个为基本变量。

个为基本变量。

x2x10F=0F*=-6.2（1.5,7）s.t.使使nn-mm个个变变量量等等于于00，解解约约束束方方程程组组（共有共有mm个约束方程个约束方程）所得的解。

所得的解。

11/5/20229四）线性规划的基本性质四）线性规划的基本性质11）可行域）可行域DD为凸集，每个基本可行解对应于为凸集，每个基本可行解对应于DD上的上的一个顶点；一个顶点；22）只要可行域存在且封闭，则起码有一个基本可）只要可行域存在且封闭，则起码有一个基本可行解为最优点；行解为最优点；*）若最优点所在的边界线与等值线平行，则该）若最优点所在的边界线与等值线平行，则该边界线上的点均为最优点；边界线上的点均为最优点；）若可行域不封闭，则可能有无界解。

）若可行域不封闭，则可能有无界解。

3）3）最优点可在最优点可在DD的顶点中寻找。

的顶点中寻找。

11/5/2022106-26-26-26-2求解线性规划的单纯形法求解线性规划的单纯形法求解线性规划的单纯形法求解线性规划的单纯形法一一.基本思路基本思路先先取取DD的的一一个个顶顶点点作作为为初初始始点点,由由此此出出发发朝朝可可使使目目标标函函数数降降低低最最快快的的方方向向依依次次经经过过一一系系列列的的基基本可行解本可行解,直至达到最优解直至达到最优解.*1）1）需获得一个初始基本可行解需获得一个初始基本可行解;2）2）每次迭代只更换一个非基本变量每次迭代只更换一个非基本变量;3）3）保证下降性和可行性保证下降性和可行性.11/5/202211二二.计算实例计算实例s.t.s.t.1.1.初始基本可行解初始基本可行解取取xx55,x,x66为为基本变量基本变量,则有则有:

000045T11/5/2022122.2.第一次变换顶点第一次变换顶点

（1）

（1）选取进基变量选取进基变量原则原则:

考虑下降性考虑下降性,且下降得最快且下降得最快判别数判别数:

假定假定xx22进基进基,则有则有取取相应的目标函数变化量相应的目标函数变化量:

即即11/5/202213写成写成一般形式一般形式:

最小最小,x,x33应为进基变量应为进基变量推论推论:

若若线线性性规规划划的的一一个个基基本本可可行行解解的的所所有有进进基基判判别别数数均均为非负为非负,则该解为最优解则该解为最优解.终止判别条件终止判别条件11/5/202214

（2）

（2）确定离基变量确定离基变量原则原则:

考虑可行性考虑可行性（该变量离基后该变量离基后,能使余下的基本变量为非负能使余下的基本变量为非负）判别数判别数:

由于由于）若取若取（离基离基）,）,则有则有应应取取为正且其值为最小者对应的基本变量离基为正且其值为最小者对应的基本变量离基.（可行可行）（不可行不可行）若取若取（离基离基）,）,则有则有11/5/202215推推论论:

若若线线性性规规划划的的的的所所有有离离基基判判别别数数均均为为负负数数时时,则则问问题题有无界解有无界解.最小最小,x,x66应为离基变量应为离基变量005/302/30T11/5/202216进基进基3.3.第二次变换顶点第二次变换顶点去掉了去掉了

（1）

（2）1）1）确定进基变量确定进基变量（3）（4）11/5/2022172）2）确定离基变量确定离基变量离基离基

（1）

（1）

（2）

（2）008/51/500T（3）（3）（4）（4）11/5/2022184.4.第三次变换顶点第三次变换顶点1）1）确定进基变量确定进基变量故故为最优点为最优点,为最优值为最优值:

008/51/500T11/5/202219三三.用单纯形表求解线性规划用单纯形表求解线性规划例例.用初等变换法求解用初等变换法求解解解:

增广矩阵增广矩阵:

11/5/202220s.t.单单纯纯形形法法实实际际上上是是解解一一系系列列的的线线性性方方程程组组,也也可可用用初初等等变换方法列表求解变换方法列表求解.但需加入判别数的计算但需加入判别数的计算.421235x1x2x3x4x5x611241041231015X0000045F037例例1111/5/202221s.t.进基进基判别数判别数单单纯纯形形法法实实际际上上是是解解一一系系列列的的线线性性方方程程组组,也也可可用用初初等等变换方法列表求解变换方法列表求解.但需加入判别数的计算但需加入判别数的计算.421235基变量基变量x1x2x3x4x5x63x511241045x61231015X0000045F037-4-11-20-15例例1111/5/202222s.t.离离基基判判别别数数进基进基判别数判别数单单纯纯形形法法实实际际上上是是解解一一系系列列的的线线性性方方程程组组,也也可可用用初初等等变换方法列表求解变换方法列表求解.但需加入判别数的计算但需加入判别数的计算.421235基变量基变量x1x2x3x4x5x63x5112410425x612310155/3X0000045F037-4-11-20-15例例1111/5/20222342123基变量基变量x1x2x3x4x5x63x51/3-1/3010/312/30.21x31/32/311/305/35X1005/302/30F111/38/37/3-25/3421235基变量基变量x1x2x3x4x5x63x5112410425x612310155/3X0000045F037-4-11-20-1511/5/20222442123基变量基变量x1x2x3x4x5x63x51/3-1/3010/312/30.21x31/32/311/305/35X1005/302/30F111/38/37/3-25/34212基变量基变量x1x2x3x4x5x62x41/10-1/10010.21x33/107/10101.6X2001.60.200F223.51.5已获得最优解已获得最优解!

11/5/202225-2-300基变量基变量x1x2x3x40x3-1110330x41-4014-1X00034F00-2-3-2-30基变量基变量x1x2x3x4-3x2-1103-30x4-30116-16/3X103016F1-9-5s.t.例例22问题有无界解问题有无界解11/5/202226s.t.例例2211/5/2022276-36-3初始基本可行解初始基本可行解

（1）

（1）大大MM法法引入一组人工变量引入一组人工变量,它们在目标函数中的它们在目标函数中的系数均是非常大的正数系数均是非常大的正数M;M;

（2）

（2）两相法两相法引入一组人工变量引入一组人工变量,在人工变量未完全离在人工变量未完全离基前目标函数为各人工变量之和基前目标函数为各人工变量之和,当人工变当人工变量完全离基后恢复原目标函数。

量完全离基后恢复原目标函数。

当当AA内不包含单位矩阵时内不包含单位矩阵时,需引入由人工变量组需引入由人工变量组成的单位矩阵成的单位矩阵,以方便获得初始可行解以方便获得初始可行解.11/5/202228一一.大大MM法法s.t.采用大采用大MM法法：

s.t.原问题原问题：

因因MM是是比比其其他他价价值值系系数数大大得得多多的的正正数数,且且人人工工变变量量非非负负,迭迭代代的结果会首先使人工变量趋于零的结果会首先使人工变量趋于零,而获得原问题的基本可行解而获得原问题的基本可行解.11/5/202229s.t.411MM基变量基变量x1x2x3x4x5Mx42121042Mx53310131X000043F07M4-5M1-4M1-3M表表一一11/5/202230411MM基变量基变量x1x2x3x4x5Mx42121042Mx53310131X000043F07M4-5M1-4M1-3M411M基变量基变量x1x2x3x4x5Mx40-14/3121.54x1111/3013X110020F14+2M-3+M-1/3-4M/3表表一一表表二二11/5/202231411基变量基变量x1x2x3x4x51x30-3/411.5-24x115/400.50.4X20.501.5F23.5-13/4表表三三411M基变量基变量x1x2x3x4x5Mx40-14/3121.54x1111/3013X110020F14+2M-3+M-1/3-4M/3表表二二11/5/202232411基变量基变量x1x2x3x4x51x30-3/411.5-24x115/400.50.4X20.501.5F23.5-13/4411基变量基变量x1x2x3x4x51x3011.81x2100.4X300.41.8F32.2表表三三表表四四最优解最优解11/5/202233二二.两相法两相法大大MM法的法的MM是一个充分大的正数是一个充分大的正数,有时在计算机上不便处理有时在计算机上不便处理.s.t.原问题：

原问题：

s.t.相相11问题：

问题：

11/