Подготовка опорного плана. Большая энциклопедия нефти и газа

ГМ состоит из двух этапов.

2) Среди всех решений необходимо найти такое решение при котором Z достигает своего либо max или min.

Grad показывает наискорейшее возрастание функции. (С – коэффициент) (линии уровня)

Возможные случаи

1. задача имеет единственное решение.

2. Задача имеет – бесконечно много решений.

3. Задача не имеет решений а) нет ОДР б) в случаи когда zmax - ф-ия не ограниченной сверху линией уровня и наоборот.

Графический метод можно применять если имеется только две переменные или задача может быть приведена с помощью эквивалентных преобразований к задаче с двумя переменными.

Свойства допустимых планов.

1) Выпуклая линейная комбинация точек. х1 х2 …хk сумма вида α1х1+ α2х2+ ...+ αkxk , где αi =1 (αi>=0 αi – коэффициент линейной комбинации).

2) Выпуклым множеством называется такое множество т. Д на плоскости, когда вместе с любыми двумя точками Х1є Д; Х2 є Д принадлежащим множеству Д. Ему принадлежит и их выпуклая Л.К. х=tx1+(1-t)x2 є Д 0<=t<=1

3) Крайняя точка – т.Х выпуклого множества называется крайней если она не может быть представлена в виде выпуклой Л.К. любых двух точек этого множества (n=2)

Опорное решение – это допустимое базисное решение имеющая не более чем m положительных элементов, и причем векторы столбца матрицы соответственно положительны координатам вектора линейны независимы.

Свойства допустимых планов.

Теорема №1

Множество допустимых планов З.Л.П. выпукла если оно не пусто.

Дано: Д- не является пустым множеством – ОДР

Доказать Ж Д- выпуклое множество.

Х1 єД; Х2 єД,то оно удовлетворяет системе ограничений в З.Л.П. Z=cx->max Ax=b X>=0

Ax1=b 0<=t<=1

Ax2=b (1-t) => tAx1+(1-t)Ax2=bt+b(1-t) = A=b

x1; x2>=0 => x>=0

Ax=b X- решение задачи.

Х = tx1+(1-t)x2 0<=t<=1, согласно опр. Имеем выпуклое множество – Д, т.к. с любыми двумя точками ему принадлежит и их выпуклая Л.К.

Теорема № 2

Если целевая функция имеет максимум на выпуклом многограннике решений, то это максимум достигается в вершине многогранника..

Дано: Zmax->X 0 Док-ть X 0- вершина.

Док-во: Дан многогранник. А,В,С,Д,Е – вершины. (Док-во проведем от противного)

X 0 – не вершина, тогда согласно опр. Крайней точки, X 0 – не крайняя точка, и может быть представлена в виде выпуклой Л.К. точек хi є ОДР

C X 0 >Cxi (т.к. С X 0 ->max)

X 0 = αiXi αi=1 αi>=0

Найдем значение функции Z=C X 0 =CαiXi=αiCXi<αiCX 0 =CX 0 αi=CX 0

В каждом слагаемом сменим Xi на Х 0

СХ 0

Теорема №3

Об альтернативном оптимуме.

Если целвевая функция достигает своего оптимального значения в нескольких вершинах (т) х1 х2 хk , то она достигает оптимального значения в их выпуклой линейной комбинации.

Дано: Док-ть: х= αiXi

Xi , i:=1,k αi=1 αi>=0 CX=d

Найдем Z=СХ=CαiXi=αiCXi=αid=dαi=d

Теорема № 4

Вектор Х является опорным решением тогда и только тогда, если он является вершиной многогранника.

Если переменных n>3 то говорят гиперплоскость, положение точек в т – мерном пространстве.

ИДЕЯ СИМПЛЕКС МЕТОДА.

Симплекс метод является универсальным.

Симплекс метод – аналитический метод.

1. Находятся первоначальное, опорное решение. А)система ограничений должна быть записана в виде равенств (каноническая форма)

Б)Преобразовать что бы bi >=0 i=1,m

С)Привести систему к единичному базисному виду с неотрицательной правой частью.

Поэтому за разрешающий элемент выбирается строго положительный элемент.

Д)Приравниваем свободные к 0 , получаем первоначальное базисное неотрицательное

решение, которое является опорным решением данной задачи и соответствует вершине.

2. Рассматривая функцию цели выясняем является ли полученное решение оптимальным.

3. Если полученное решение не является оптимальным, то необходимо перейти к следующей вершине (опорному решению) Переход осуществляется по определенному правилу по которому: только одна изи базисных переменных должна перейти в свободную и только одна из свободных перейти в базисную.

Алгебра симплекс метода.

12.3. ПОСТРОЕНИЕ ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО ОПОРНОГО ПЛАНА

Для определения опорного плана существует несколько методов: метод северо-западного угла (диагональный метод), метод наименьшей стоимости (минимального элемента ), метод двойного предпочтения и метод аппроксимации Фогеля .

Кратко рассмотрим каждый из них:

1. Метод северо-западного угла. Следуя этому методу, начинают с того, что приписывают неизвестной (расположенной в северо-западном углу таблицы) максимальное значение, допускаемое ограничениями на спрос и объем производства. После этого вычеркивают соответствующий столбец (или строку), фиксируя этим, что остальные неизвестные вычеркнутого столбца (строки) полагаются равными нулю. Если ограничения, представляемые столбцом и строкой, выполняются одновременно, то можно вычеркнуть либо столбец, либо строку (это условие автоматически гарантирует обнаружение нулевых базисных переменных, если таковые встречаются). После того спрос и объем производства во всех невычеркнутых строках и столбцах, приведены в соответствие с установленным значением переменной, максимально допустимое значение приписывается первому невычеркнутому элементу нового столбца (строки). Процесс завершается, когда остается невычеркнутой в точности одна строка (или один столбец).

2. Метод наименьшей стоимости. Суть метода заключается в том, что из всей таблицы стоимостей выбирают наименьшую и в клетку (i , j ), которая ей соответствует, помещают меньшее из чисел и . Затем из рассмотрения исключают либо строку, соответствующую поставщику, запасы которого полностью израсходованы, либо столбец, соответствующий потребителю, потребности которого полностью удовлетворены, либо и строку и столбец, если израсходованы запасы поставщика и удовлетворены потребности потребителя. Из оставшейся части таблицы стоимостей снова выбирают наименьшую стоимость, и процесс размещения запасов продолжают, пока все запасы не будут распределены, а потребности удовлетворены.

3. Метод двойного предпочтения. Суть метода заключается в следующем. В каждом столбце отмечают знаком «√» клетку с наименьшей стоимостью. Затем то же проделывают в каждой строке. В результате некоторые клетки имеют отметку «√√». В них находится минимальная стоимость, как по столбцу, так и по строке. В эти клетки помещают максимально возможные объемы перевозок, каждый раз исключая из рассмотрения соответствующие столбцы или строки. Затем распределяют перевозки по клеткам, отмеченным знаком «√». В оставшейся части таблицы перевозки распределяют по наименьшей стоимости.

4. Метод аппроксимации Фогеля. Алгоритм состоит из следующих шагов:

1. Вычислить штраф для каждой строки (столбца), вычитая наименьший элемент этой строки (столбца) из следующего за ним по величине элемента той же строки (столбца).

2. Отметить строку или столбец с самым большим штрафом (если таких несколько, выбрать из них любую строку или любой столбец). В отмеченной строке или столбце выбрать переменную с самой низкой стоимостью и придать ей наибольшее возможное значение. Скорректировать объем производства и спроса и вычеркнуть строку или столбец, соответствующие выполненному ограничению. Если ограничения по строке и столбцу выполняются одновременно, то вычеркнуть либо строку, либо столбец, а оставшемуся столбцу (строке) приписать нулевой спрос (объем производства). Строка (или столбец) с нулевым объемом производства (или спросом) не используется в дальнейших вычислениях (на шаге 3).

3. а) Если невычеркнутой остается только одна строка или один столбец, то закончить вычисления.

Б) Если невычеркнутой остается только одна строка (столбец) с положительным объемом производства (спроса), найти базисные переменные в этой строке (столбце), используя метод наименьшей стоимости.

В) Если всем невычеркнутым строкам и столбцам соответствуют нулевые объемы производства и величины спроса, найти нулевые базисные переменные, используя метод наименьшей стоимости.

Г) В других случаях вычислить новые значения штрафов для невычеркнутых строк и столбцов и перейти к шагу 2 (строки и столбцы с нулевыми значениями объема производства и спроса не должны использоваться при вычислении этих штрафов).

Наибольшее распространение для нахождения начальных опорных планов получили:

Метод северо- западного угла и

Метод минимального элемента.

Метод северо-западного угла используют для нахождения произвольного опорного плана ТЗ. Основную идею метода рассмотрим на конкретном примере.

Пример 1. Условия ТЗ заданы транспортной таблицей (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Требуется найти опорное решение (построить опорный план).

Решение. Будем заполнять таблицу 3.1 перевозками постепенно, начиная с левой верхней ячейки(1.1) (северо-западного угла).Будем рассуждать при этом следующим образом.

Пункт В 1 подал заявку на 18 единиц товара. Удовлетворим эту заявку за счет запаса 48, имеющегося в пункте А 1 , и запишем перевозку 18 в клетке (1.1). После этого заявка пункта В 1 удовлетворена, а в пункте А 1 осталось еще 30 единиц товара. Удовлетворим за счет них заявку пункта В 2 (27 единиц), запишем 27 единиц в клетке (1,2); оставшиеся 3 единицы пункта А 1 назначим пункту В 3 . В составе заявке пункта В 3 остались неудовлетворенными 39 единиц. Из них 30 покроем за счет пункта А 2 , чем его запас будет исчерпан, и еще 9 возьмем из пункта А 3 . Из оставшихся 18 единиц пункта А 3 12 выделим пункту В 4 ; оставшиеся 6 единиц назначим пункту В 5 , что вместе со всеми 20 единицами пункта А 4 покроет его заявку (табл. 3.2).

Таблица 3.2

На этом распределение запасов закончено. Каждый пункт назначения получил согласно своей заявке. Это выражается в том, что сумма перевозок в каждой строке равна запасу, а в столбце – заявку.

Таким образом, нами составлен план перевозок, удовлетворяющий балансовым условиям. Полученное решение является не только допустимым, но и опорным решением ТЗ.

Клетки таблицы, в которых стоят ненулевые перевозки, являются базисными, их число удовлетворяет условию r = n + m – 1 = 8. Остальные клетки -- свободные, в них стоят нулевые перевозки, их число равно (n – 1)(m – 1) = 12.Значит, составленный план -- опорный и поставленная задача построения опорного плана решена.

Но является ли этот план оптимальным? Нет, так как при его совершенно не учитывались стоимости перевозок с i j . И даже, если мы стоимость этого плана перевозок

18 10 + 27 8 + 3 5 + 30 8 + 9 10 + 12 8 + 6 7 + 20 8 = 1039

гарантировать, что этот план оптимальный еще нельзя. Ниже мы рассмотрим способы улучшения

плана с целью получения оптимального.

Пример 2. Особенности построения «вырожденного плана»

План, в котором некоторые из базисных перевозок оказываются равными нулю, называют «вырожденным»

Дана транспортная таблица (табл.3.3) Построить опорный план.

Решение. Применяя метод северо-западного угла, получим таблицу 3.3.

Опорный план составлен. Особенностью его является то, что в нем только шесть, а не восемь отличных от нуля перевозок. Значит, некоторые из базисных перевозок, которых должно быть

быть m + n -- 1 = 8, оказались равными нулю.

Отчего это произошло? При распределении запасов по пунктам назначения

в некоторых случаях остатки оказывались равными нулю и в соответствующую клетку не попадали.

Такие случаи «вырождения « могут возникать не только при составлении опорного плана, но и при его преобразовании, оптимизации.

В дальнейшем нам удобно будет всегда в транспортной таблице m + n -- 1 базисных клеток, хотя в некоторых из них, может быть, будут стоять и нулевые значения перевозок. Для этого можно ничтожно мало изменить запасы или

Таблица 3,3

Таблица 3.4

Таблица 3.5

заявки, так чтобы общий баланс не нарушился, а лишние «промежуточные» балансы уничтожались. Достаточно в нужных местах изменить запасы или заявки, например, на величину ε , а после нахождения оптимального решения положить ε = 0.

Как перейти от вырожденного плана к невырожденному можно понять на примере таблиц 3.4 и 3.5. Изменим слегка запасы в первой строке и положим их равными 20 + ε . Кроме того, в третьей строке проставим запасы 25 + ε. Чтобы «свести баланс» , в четвертой строке ставим запасы 20 -- 2 ε (табл. 3,5). Для этой таблицы строим опорный план методом северо-западного угла.

В табл. 3,5 уже содержится столько базисных переменных, сколько требуется:

m + n -- 1 = 8. В дальнейшем после оптимизации плана, можно будет положить

Метод минимального элемента позволяет построить начальный опорный план

транспортной задачи и является вариантом метода северо-западного угла, учитывающего специфику матрицы С = c i j . В отличие от метода северо-западного угла данный метод позволяет сразу получит достаточно экономичный план, сокращая количество итераций.

Смысл метода заключается в том, что элементы матрицы С нумеруют, начиная от минимального в порядке их возрастания, затем в этом же порядке заполняют матрицу Х. Другими словами сначала удовлетворяют заявки, используя самые дешевые перевозки, а затем по мере возрастания их стоимости.

Решение транспортной задачи, как и всякой задачи линейного программирования, начинается с нахождения опорного решения, или, как мы будем говорить, опорного плана. В отличие от общего случая ОЗЛП с произвольными ограничениями и минимизируемой функцией, решение ТЗ всегда существует. Действительно, из чисто физических соображений ясно, что хоть какой-то допустимый план существовать должен. Среди допустимых планов непременно имеется оптимальный (может быть, не один), потому что линейная функция L - стоимость перевозок заведомо неотрицательна (ограничена снизу нулем). В данном параграфе мы покажем, как построить опорный план. Для этого существуют различные способы, из которых мы остановимся на простейшем, так называемом «способе северо-западного угла». Пояснить его проще всего будет на конкретном примере.

Пример 1. Условия ТЗ заданы транспортной таблицей (см. табл. 10.1).

Требуется найти опорное решение ТЗ (построить опорный план).

Решение. Перепишем табл. 10.1 и будем заполнять ее перевозками постепенно, начиная с левой верхней ячейки (1,1) («северо-западного угла» таблицы). Будем рассуждать при этом следующим образом. Пункт подал заявку на 18 единиц груза. Удовлетворим эту заявку за счет запаса 48, имеющегося в пункте и запишем перевозку 18 в клетке (1,1). После этого заявка пункта й, удовлетворена, а в пункте осталось еще 30 единиц груза. Удовлетворим за счет них заявку пункта единиц), запишем 27 в клетке (1,2); оставшиеся 3 единицы пункта назначим пункту . В составе заявки пункта остались неудовлетворенными 39 единиц.

Таблица 10.1

Из них 30 покроем за счет пункта , чем его запас будет исчерпан, и еще 9 возьмем из пункта . Из оставшихся 18 единиц пункта выделим пункту оставшиеся 6 единиц назначим пункту что вместе со всеми 20 единицами пункта покроет его заявку (см. табл. 10.2).

На этом распределение запасов закончено: каждый пункт назначения получил груз согласно своей заявке. Это выражается в том, что сумма перевозок в каждой строке равна соответствующему запасу, а в столбце - заявке.

Таким образом, нами сразу же составлен план перевозок, удовлетворяющий балансовым условиям. Полученное решение является не только допустимым, но и опорным решением транспортной задачи.

Таблица 10.2

Клетки таблицы, в которых стоят ненулевые перевозки, являются базисными, их число удовлетворяет условию Остальные клетки - свободные (пустые), в них стоят ненулевые перевозки, их число равно Значит, наш план - опорный и поставленная задача построения опорного плана решена.

Возникает вопрос: а является ли этот план оптимальным по стоимости? Разумеется, нет! Ведь при его построении мы совсем не учитывали стоимостей перевозок Естественно, план не получился оптимальным. Действительно, стоимость этого плана, которая найдется, если умножить каждую перевозку на соответствующую стоимость, равна .

Таблица 10.3

Попробуем улучшить этот план, перенеся, например, 18 единиц из клетки (1,1) в клетку (2,1) и, чтобы не нарушить баланса, перенеся те же 18 единиц из клетки (2,3) в клетку (1,3). Получим новый план, приведенный в табл. 10.3.

Нетрудно убедиться, что стоимость нового плана равна т. е. на 126 единиц меньше стоимости плана, приведенного в табл. 10.3.

Таким образом, за счет циклической перестановки 18 единиц груза из одних клеток в другие нам удалось понизить стоимость плана. На этом способе уменьшения стоимости в дальнейшем и будет основан алгоритм оптимизации плана перевозок.

Остановимся на одной особенности плана перевозок, которая может встретиться как при построении опорного плана, так и при его улучшении. Речь идет о так называемом «вырожденном» плане, в котором некоторые из базисных перевозок оказываются равными нулю. Рассмотрим конкретный пример возникновения вырожденного плана.

Пример 2. Дана транспортная таблица (без стоимостей перевозок, так как речь идет только о построении опорного плана) - см. табл. 10.4.

Таблица 10.4

Таблица 10.5

Таблица 10.6

Составить опорный план перевозок.

Решение. Применяя способ северо-западного угла, получим табл. 10.5.

Нетрудно заметить, отчего это произошло: при распределении запасов по пунктам назначения в некоторых случаях остатки оказывались равными нулю и в соответствующую клетку не попадали.

Такие случаи «вырождения» могут возникать не только при составлении опорного плана, но и при его преобразовании, оптимизации.

В дальнейшем нам удобно будет всегда иметь в транспортной таблице базисных клеток, хотя в некоторых из них, может быть, будут стоять и нулевые значения перевозок. Для этого можно ничтожно мало изменить запасы или заявки, так чтобы общий баланс не нарушился, а лишние, «промежуточные» балансы уничтожились. Достаточно в нужных местах изменить запасы или заявки, например, на величину , а после нахождения оптимального решения положить

Покажем, как перейти от вырожденного плана к невырожденному на примере табл. 10.5. Изменим слегка запасы в первой строке и положим их равными . Кроме того, в третьей строке проставим запасы . Чтобы «свести баланс», в четвертой строке ставим запасы 20 - 2е (см. табл. 10.6). Для этой таблицы строим опорный план способом северо-западного угла.

В табл. 10.6 уже содержится столько базисных переменных, сколько требуется: . В дальнейшем, после оптимизации плана, можно будет положить .

Cтраница 1

Опорный план, отвечающий рассматриваемому базису, оптимален, если все AV неотрицательны.

Опорный план будет невырожденным, если он содержит т положительных компонент, в противном случае опорный план называется вырожденным.

Опорный план территории поселения - картографическое отображение фактически сложившейся градостроительной и экологической ситуаций на территории поселения.

Получив первый опорный план, следует проверить его оптимальность и, если требуется, перейти к новому опорному плану с лучшим значением целевой функции Z. Для этого применяют метод потенциалов.

Пусть теперь первый опорный план найден. Существует ряд методов проверки координат вершины на оптимальность.

Находят опорный план расширенной задачи.

Базисом опорного плана будем называть произвольную линейно независимую систему из т столбцов матрицы А, включающую в себя все столбцы, соответствующие ненулевым координатам опорного плана.

Базисом опорного плана называется произвольная линейно независимая система из т столбцов матрицы А, включающая в себя все столбцы, соответствующие ненулевым координатам опорного плана.

По данному опорному плану каждому пункту (производителю или потребителю) сопоставляется число, наз. Предварит, потенциалы определяются из условия: разность предварит, потенциалов нары пунктов (производитель, потребитель) равна стоимости перевозки (СП) единицы продукта между этими пунктами, если связывающая их коммуникация является основной. Далее, для каждой пары пунктов (производитель и потребитель) вычисляется относит, стоимость перевозки единицы продукта, равная разности предварит, потенциалов этих пунктов. Если относит, стоимость перевозки не превосходит СП для любой пары пунктов, то имеющийся план оптимален, а предварит, потенциалы являются потенциалами задачи. Соединим / - и пункт-производитель с i - м пунктом-потребителем обходным маршрутом, составленным из осн.

По данному опорному плану каждому пункту (производителю или потребителю) сопоставляется число, паз. Предварит, потенциалы определяются из условия: разность предварит, потенциалов нары пунктов (производитель, потребитель) равна стоимости перевозки (СП) единицы продукта между этими пунктами, если связывающая их коммуникация является основной. Далее, для каждой пары пунктов (производитель и потребитель) вычисляется относит, стоимость перевозки единицы продукта, равная разности предварит, потенциалов этих пунктов. СП для любой пары пунктов, то имеющийся план оптимален, а предварит, потенциалы являются потенциалами задачи. Пусть это условие не выполняется для нек-рых пар пунктов, одна из к-рых содержит пункты с номерами / и i. Соединим / - и пункт-производитель с i - м пунктом-потребителем обходным маршрутом, составленным из оси.

С новым опорным планом повторяется та же процедура, что и с предыдущим. Один из этих случаев обязательно наступит через конечное число шагов.

Когда в опорный план вводится новая переменная, то для сохранения его базпсности из него должна быть исключена одна из базисных неременных. Таким образом, на каждой итерации симплексного метода новая дуга вводится в план, а одна из базисных дуг исключается. После изменения плана он проверяется на соблюдение условий оптимальности с помощью расчетов, равноценных проверке выполнения всех неравенств (2) при текущих значениях двойственных неременных.