Найти графическое решение линейного программирования. Графический метод решения злп

f = –х 1 + 5х 2 ¾> min ;

4х 1+ 3х 2 £ 24,

х 1– 10х 2 £ 0,

8х 1– 3х 2 ³ 0,

5х 1+ 3х 2 ³ 15,

х 1³0, х 2³ 0. (1)

Совокупность переменных хj , удовлетворяющих условию (1), называется областью допустимых решений. Допустимое решение, обращающее целевую функцию в min или max , называется оптимальным. Для его определения необходимо построить область допустимых решений (область определения). Так как в условии задачи заданы две переменные, то область допустимых решений находится на плоскости х 10х 2. Каждое неравенство (1) определяет полуплоскость, а равенство – прямую. Для построения полуплоскости необходимо найти ее границу и установить, с какой стороны от нее лежит искомая полуплоскость. Перепишем условия (1) в виде равенств (2) и пронумеруем их.

4х 1+ 3х 2	=	24 (I ),
х 1– 10х 2	=	0 (II ),
8х 1– 3х 2	=	0 (III ),
5х 1+ 3х 2	=	15 (IV ).	(2)

Введем систему координат х 10х 2 и построим последовательно эти прямые – границы полуплоскостей. Для построения прямой на плоскости необходимо определить любые две точки, лежащие на этой прямой. Если прямая пересекает оси 0х 1и 0х 2, то можно найти координаты точек ее пересечения с осями координат. Определим координаты пересечения прямой (I ) с осью 0х 1: х 1=0; Þ 3х 2= 24; Þ х 2= 8. Соответственно определим координаты второй точки пересечения первой прямой с осью 0х 2: х 2=0; Þ 4х 1= 24; Þ х 1= 6. Следовательно, точки пересечения прямой (I ) с осями координат равны (0,8) и (6,0). Построим эту прямую (рис. 1).

Определим полуплоскость. Для этого подставим в первое неравенство (1) координаты любой точки, не лежащей на данной прямой, например (0,0). Тогда из первого условия следует: 4×0+3×0 £24, значит, неравенство справедливо, откуда следует, что полуплоскость лежит с той стороны прямой, где находится точка с координатами (0,0).

Аналогичным образом строятся и другие полуплоскости. Необходимо учесть, что прямые (II) и (III) проходят через начало координат, т.е. точку (0,0). Координаты второй точки желательно брать пропорционально коэффициентам в уравнении искомой прямой. Например, для второй прямой – точки (0,0) и (10,1), а для третьей – (0,0) и (3,8). После построения всех полуплоскостей область допустимых решений примет следующий вид (рис. 3):

Целевая функция f определяет на плоскости прямую, которая должна проходить через точку или сторону многоугольника и иметь наименьшее значение. Построим направляющий вектор для этой прямой. Данный вектор перпендикулярен искомой прямой, и его направление всегда определяет максимум целевой функции. Противоположное направление вектора определяет минимум. Обозначим этот вектор через . Он проходит через точку (0,0) и (–1,5). Координаты второй точки берут из коэффициентов целевой функции и с их помощью определяют направление вектора. Перпендикулярно ему построим прямую –х 1+ 5х 2=0. Как было сказано выше, вектор всегда показывает направление возрастания значения целевой функции (max ) , противоположный ему вектор –– направление убывания значения целевой функции (min ). Перемещаем прямую –х 1+5х 2=0 по области определения параллельно самой себе в направлении min . Целевая функция f достигнет своего минимального значения в точке С (рис. 4).

Оптимальному решению задачи (1) соответствует точка С , которая лежит на пересечении прямых (I ) и (II ):

4х 1+ 3х 2= 24;

х 1– 10х 2= 0.

Для решения данной системы уравнений умножить второе уравнение на 4 и сложить соответственно по элементам с 1-м уравнением:

4х 1+ 3х 2 = 24;

4х 1– 40х 2 = 0.

Вычтем из первого уравнения второе, получим: 43х2= 24 Þ х 2= 0,56.

Подставив найденное значение х 2во второе уравнение, получим:

х 1= 10х 2Þ х 1=5,6. Подставив координаты точки С в целевую функцию, получим следующий результат:

f min = – 5,6 + 5×0,56 = – 2,8.

Окончательный результат задачи запишем в следующем виде:

х 1= 5,6, х 2= 0,56;f min = – 2,8.

Решение данного примера на ПЭВМ осуществляется программным комплексом «Блок-3». С его помощью производятся ввод, решение и вывод результативной информации на внешний носитель. Простота и доступность комплекса позволит без труда освоить его и применять на практике.

Задача № 1.1.2.

f = 2х 1+ 3х 2 ¾> max;

2х 1+ 3х 2 £ 12,

2х 1– 5х 2 £ 0,

7х 1– 2х2³ 0,

х 1, х 2³ 0. (3)

Определения и построение области допустимых решений аналогичны заданию 1.1.1. Окончательный вид области допустимых решений представлен на рис. 5 многоугольником АВС (точка А совпадает с точкой 0).

Очевидно, что прямая, определяющая целевую функцию, совпадает с прямой, образующей сторону многоугольника ВС . Отсюда следует, что решением данной ЭММ являются точки, лежащие на стороне ВС много-

угольника АВС . Для записи решения ЭММ необходимо найти координату x 1B – точки В и x 1C – точки С . Определив их, мы сможем найти отрезок, лежащий на оси 0x 1(рис. 6).

Координаты точки В – x1B определяются в результате пересечения прямых 2х 1+ 3х 2 = 12 и 7х 1– 2х 2 = 0. Для этого необходимо решить систему уравнений:

2х 1+ 3х 2= 12 ´ 2 Þ 4х 1+ 6х 2= 24;

7х 1– 2х 2= 0 ´ 3 Þ 21х 1– 6х2= 0.

Сложив два последних уравнения, получим: 25х 1=24, х 1=0,96. Из этого следует, что x 1B =0,96. Координата точки С – x 1C определяется в результате пересечения прямых 2х 1+ 3х 2=12 и 2х 1–5х 2=0. Решим систему уравнений:

2х 1+ 3х 2= 12 ´ 5 Þ 10х 1+ 15х 2= 60;

2х 1– 5х 2= 0 ´ 3 Þ 6х 1 – 15х 2= 0.

Сложив два последних уравнения, получим: 16х 1= 60, х 1= 3,75, откуда следует, что x 1C = 3,75.

Значение целевой функции для данной ЭММ равно 12 (так как уравнение прямой, на которой определен отрезок ВС – 2х 1+3х 2= 12).

Таким образом, ответ данной задачи:

x 1Î[x 1B ; x 1C ] Þ x 1Î;

2х 1+ 3х 2=12 Þ 3х 2= 12 – 2х 1Þ х 2= (12 – 2х 1)/3.

Полный ответ данного примера запишется в следующем виде:

x 1Î; x 2= (12 – 2х 1)/3; f max = 12.

Задача № 1.1.3.

f = 2х 1+ 3х 2 ¾> max;

2х 1+ 3х 2 ³ 12,

2х 1– 5х 2 £ 0,

7х 1– 2х 2³ 0,

х 1, х 2 ³0. (4)

Используя схему построения области допустимых решений задач 1.1.1–1.1.2, получим следующий график (рис. 7):

f = 2х 1+ 3х 2 ¾> max ;

х 1+ х2 £ 2,

2х 1+ 3х 2³ 12,

2х 1– 5х 2£ 0,

7х 1– 2х 2³ 0,

х 1, х 2³ 0. (5)

Используя график задачи 1.1.3 и достроив первую полуплоскость х 1+х2£ 2, получим область определения, показанную на рис. 8.

Из графика (рис. 8) видно, что для данной ЭММ области допустимых решений нет. Ответ: нет области допустимых решений.

Задача № 1.1.5.

f = – х 1+ 5х 2 ¾> min;

10х 1+ 3х 2£ 30,

10х 1+ 5х 2³ 50,

2х 1– 6х 2£ 0,

х 1, х 2³ 0. (6)

Область определения ЭММ (6) представлена на рис. 9. Из анализа графика следует, что областью допустимых решений будет являться точка А с координатами (0,10) (10х 1+ 5х 2= 50, х 1= 0, 5х 2= 50, х 2=10). В случае, когда решением ЭММ является единственная точка, целевую функцию можно не строить.

Ответ: x 1= 0; x 2=10; fmin = 0+5×10 = 50.

Таким образом, при решении задач ЭММ ЛП возможны следующие ситуации:

– задача имеет одно оптимальное решение;

– задача имеет бесконечное число оптимальных решений;

– задача не имеет оптимального решения;

– задача не имеет области допустимых решений.

На практике ЭММ ЛП не имеет решений только в том случае, если некорректна постановка задачи.

Как показывает опыт разработки ЭММ, основная сложность состоит в описании экономико-технологических процессов в модели и выборе критерия оптимизации. Отсюда следует, что необходимо точно определить нормативные параметры. Это в свою очередь требует поставленного учета и анализа на исследуемом объекте. В то же время особое значение в составлении модели приобретает уровень подготовки специалиста. От его умения выявить основные звенья технологического процесса, определить этапы решения задачи и сформулировать цели исследования будет зависеть и качество решения данной проблемы.

Задача № 1.1.6.

Предприятие может организовать производство своей продукции двумя способами. При первом способе предприятие за месяц выпускает C 1 тыс. изделий, при втором – C 2 тыс. изделий. Расход производственных, людских ресурсов, амортизация оборудования и ограничения ресурсов, приведены ниже в таблице.

Сколько месяцев должно работать предприятие, каким способом организовать производство, чтобы обеспечить максимальный выпуск продукции.

1) Решить графическим способом;

2) Решить на базе комплекса «Блок-3»;

3) Симплекс-методом.

Рассмотрим сначала простейший случай, когда в ЗЛП включены ровно две переменные:

Каждое из неравенств (a)-(b) системы ограничений задачи (3.8) геометрически определяет полуплоскость соответственно с граничными прямыми , Х 1 =0 и Х 2 =0. Каждая из граничных прямых делит плоскость х 1 Ох 2 на две полуплоскости. Все решения исходного неравенства лежат в одной из образованных полуплоскостей (все точки полуплоскости) и, следовательно, при подстановке координат любой ее точки в соответствующее неравенство обращает его в верное тождество. С учетом этого и определяется та полуплоскость, в которой лежат решения неравенства, т.е. путем выбора любой точки из какой-либо полуплоскости и подстановки ее координат в соответствующее неравенство. Если неравенство выполняется для данной точки, то оно выполняется и для любой другой точки из этой же полуплоскости. В противном случае решения неравенства лежат в другой полуплоскости.

В том случае, если система неравенств (a)-(b) совместна, то область её решений есть множество точек, принадлежащих всем указанным полуплоскостям. Так как множество точек пересечения данных полуплоскостей выпуклое, то область допустимых решений задачи (3.8) является выпуклое множество, которое называется многоугольником решений (введённый ранее термин “многогранник решений” обычно употребляется, если n 3). Стороны этого многоугольника лежат на прямых, уравнения которых получаются из исходной системы ограничений заменой знаков неравенств на знаки точных равенств.

Таким образом, исходная ЗЛП состоит в нахождении такой точки многоугольника решений, в которой целевая функция F принимает максимальное (минимальное) значение.

Эта точка существует тогда, когда многоугольник решений не пуст и на нём целевая функция ограничена сверху. При указанных условиях в одной из вершин многоугольника решений целевая функция принимает максимальное значение. Для определения данной вершины строят линию уровня L: c 1 x 1 +c 2 x 2 =h (где h – некоторая постоянная), перпендикулярную вектору-градиенту и проходящую через многоугольник решений, и передвигают её параллельно вдоль вектора-градиента до тех пор, пока она не пройдёт через последнюю её общую точку пересечения с многоугольником решений (при построении вектора-градиента откладывают точку (с 1 ; с 2) в плоскости х 1 Ох 2 и проводят к ней из начала координат направленный отрезок). Координаты указанной точки и определяют оптимальный план данной задачи.

Суммируя все выше изложенное, приведем алгоритм графического метода решения ЗЛП.

Алгоритм графического метода решения ЗЛП

1. Построить многоугольник решений, задаваемый системой ограничений исходной ЗЛП.

2. Если построенный многоугольник решений – пустое множество, то исходная ЗЛП решений не имеет. В противном случае построить вектор-градиент и провести произвольную линию уровня L, перемещая которую при решении задачи на максимум в направлении вектора (или в обратном направлении для задачи на минимум) определить крайнюю точку многоугольника решений, где и достигается максимум (минимум) целевой функции задачи.

3. Вычислить координаты найденной оптимальной точки , решив систему уравнений двух граничных прямых, пересекающихся в ней.

4. Подстановкой найденного оптимального решения в целевую функцию задачи вычислить оптимальное ее значение, т.е.: .

При графическом построении множества допустимых решений ЗЛП (многоугольника решений) возможны следующие ситуации.

Наиболее простым и наглядным методом линейного программирования (ЛП) является графический метод. Он применяется для решения задач ЛП с двумя переменными. Рассмотрим задачу ЛП в стандартной форме:

max f(x 1 , x 2 , ..., x n) = ,

, i = 1, 2, …, m,

x j 0, j = 1, 2, …, n.

Положим n=2 и будем рассматривать задачу на плоскости. Пусть система неравенств совместна (имеет хотя бы одно решение).

Каждое неравенство этой системы геометрически определяет полуплоскость с граничной прямой а i 1 х 1 + а i 2 х 2 = b i , i = 1, 2,…, m. Условия неотрицательности определяют полуплоскости с гра­ничными прямыми х 1 = 0, х 2 = 0 соответственно. Система со­вместна, поэтому полуплоскости, как выпуклые множества, пересекаясь, образуют общую часть, которая является выпуклым множеством и представляет собой совокупность точек, где ко­ординаты каждой точки являются решением данной системы. Совокупность этих точек называют многоугольником решений. Он может быть точкой, отрезком, лучом, ограниченным и неограни­ченным многоугольником.

Таким образом, геометрически ЗЛП представляет собой отыс­кание такой точки многоугольника решений, координаты которой доставляют линейной функции цели максимальное (минимальное) значение, причем допустимыми решениями являются все точки многоугольника решений.

Линейное уравнение описывает множество точек, лежащих на одной прямой. Линейное неравенство описывает некоторую об­ласть на плоскости. Определим, какую часть плоскости описыва­ет неравенство 2х 1 + Зх 2 12.

Во-первых, построим прямую 2х 1 + Зх 2 = 12. Она проходит через точки (6; 0) и (0; 4). Для того чтобы определить, какая полуплоскость удовлетворяет неравенству, необходимо выбрать любую точку на графике, не принадлежащую прямой, и подставить ее координаты в неравенство. Если неравенство будет вы­полняться, то данная точка является допустимым решением, и полуплоскость, содержащая точку, удовлетворяет неравенству. Для подстановки в неравенство удобно использовать точку начала координат. Подставим х 1 = х 2 = 0 в неравенство 2х 1 + Зх 2 12. Получим 2х0 + 3х0 12. Данное утверждение является верным, следовательно, неравенству 2х 1 + Зх 2 12 соответствует нижняя полуплоскость, содержащая точку (0; 0). Это отражено на графике, изображенном на рис. 1.1.

Аналогично графически можно изобразить все ограничения задачи ЛП.

Решением каждого неравенства системы ограничений ЗЛП является полуплоскость, содержащая граничную прямую и расположенная по одну сторону от нее. Пересечение полуплоскостей, каждая из которых определяется соответствующим неравенством системы, называется областью допустимых решений, или областью определения. Необходимо помнить, что область допустимых решений удовлетворяет условиям неотрицательности (х j 0, j = 1, 2, …, n). Координаты любой точки, принадлежащей области определения, являются допустимым решением задачи.

Для нахождения экстремального значения целевой функции при графическом решении задач ЛП используют вектор-гради­ент, координаты которого являются частными производными целевой функции, т.е.

Этот вектор показывает направление наискорейшего измене­ния целевой функции. Прямая с 1 х 1 + с 2 х 2 = f(х 0) , перпендикуляр­ная вектору-градиенту, является линией уровня целевой функции. В любой точке линии уровня целевая функция принимает одно и то же значение. Приравняем целевую функцию постоянной величине «а» . Меняя значение «а», получим семейство параллельных прямых, каждая из которых является линией уровня целевой функции.

Важное свойство линии уровня линейной функции состоит в том, что при параллельном смещении линии в одну сторону уро­вень только возрастает, а при смещении в другую сторону - только убывает.

С геометрической точки зрения в задаче линейного программи­рования ищется такая угловая точка или набор точек из допусти­мого множества решений, на котором достигается самая верхняя (нижняя) линия уровня, расположенная дальше (ближе) осталь­ных в направлении наискорейшего роста.

Графический метод решения ЗЛП состоит из следующих этапов.

1. Строится многоугольная область допустимых решений (ОДР) ЗЛП.

2. Строится вектор-градиент целевой функции (ЦФ) в какой-нибудь точке х 0 , принадлежащей ОДР:

3. Линия уровня с 1 х 1 + с 2 х 2 = а (а - постоянная величина) - прямая, перпендикулярная вектору-градиенту , - передви­гается в направлении этого вектора в случае максимизации f(x 1 , х 2) до тех пор, пока не покинет пределов ОДР. Предельная точка (или точки) области при этом движении и является точ­кой максимума f(x 1 , х 2).

4. Для нахождения координат точки максимума достаточно решить два уравнения прямых, получаемых из соответствую­щих ограничений и дающих в пересечении точку максимума. Значение f(x 1 , х 2), найденное в получаемой точке, является мак­симальным.

При минимизации (максимизации) функции f(x 1 , х 2) линия уровня перемещается в направлении, противоположном вектору-градиенту. Если прямая, соответствующая линии уровня, при своем движении не покидает ОДР, то минимум (максимум) функ­ции f(x 1 , х 2) не существует.

Если линия уровня параллельна какому-либо функциональ­ному ограничению задачи, то оптимальное значение ЦФ будет достигаться в любой точке этого ограничения, лежащей между двумя оптимальными угловыми точками, и, соответственно, любая из этих точек является оптимальным решением ЗЛП. Возможные ситуации графического решения задач ЛП представлены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

№	Вид ОДР	Вид оптимального решения	Примечания
	Многоугольная замкнутая	Единственное решение
	Единственное решение
	Многоугольная	ЦФ не ограничена снизу
	ЦФ не ограничена сверху
	Многоугольная незамкнутая	Единственное решение
	Бесконечное множество решений
	Отрезок	Единственное решение

Рассмотрим графическое решение задач линейного программирования на следующем примере.

Пример 1.1. Планирование выпуска продукции пошивочного предприятия (задача о костюмах).

Намечается выпуск двух видов костюмов – мужских и женских. На женский костюм требуется 1м шерсти, 2м лавсана и 1 чел./день трудозатрат. На мужской костюм – 3,5м шерсти, 0,5м лавсана и 1 чел./день трудозатрат. Всего имеется 350м шерсти, 240м лавсана и 150 чел./дней трудозатрат. Требуется определить, сколько костюмов каждого вида необходимо сшить, чтобы обеспечить максимальную прибыль, если прибыль от реализации женского костюма составляет 10 денежных единиц, а от мужского – 20 денежных единиц. При этом следует иметь в виду, что необходимо сшить не менее 60 мужских костюмов.

Введем следующие обозначения: х 1 - число женских костюмов; х 2 – число мужских костюмов. Прибыль от реализации женских костюмов составляет 10х 1 , а от реализации мужских - 20х 2 , т.е. необходимо максимизировать целевую функцию:

10х 1 + 20х 2

Ограничения задачи имеют вид:

х 1 + х 2 150,

2 х 1 + 0,5х 2 240,

х 1 + 3,5х 2 350,

х 2 60,

х 1 0.

Первое ограничение по труду х 1 + х 2 150. Прямая х 1 + х 2 = 150 проходит через точки (150; 0) и (0; 150) (рис. 1.2).

Второе ограничение по лавсану 2 х 1 + 0,5х 2 240. Прямая 2 х 1 + 0,5х 2 = 240 проходит через точки (120; 0) и (0; 480). Третье ограничение по шерсти х 1 + 3,5х 2 350. Добавим четвертое ограничение по количеству мужских костюмов х 2 60. Решением этого неравенства является полуплоскость, лежащая выше прямой х 2 = 60. На рис. 1.3 заштрихована область допустимых решений. Для определения направления движения к оптимуму построим вектор-градиент , координаты которого являются частными производными целевой функции, т.е.

Чтобы построить такой вектор, нужно соединить точку (10;20) с началом координат. При максимизации целевой функции необходимо двигаться в направлении вектора-градиента, а при минимизации – в противоположном направлении. Для удобства можно строить вектор, пропорциональный вектору . Так, на рис. 1.4 изображен вектор-градиент (30;60).

Для определения направления движения к оптимуму построим вектор-градиент , координаты которого являются частными производными целевой функции, т.е.

В нашем случае движение линии уровня будем осуществлять до ее выхода из области допустимых решений. В крайней, угловой, точке достигается максимум целевой функции. Для нахождения координат этой точки достаточно решить два уравнения прямых, получаемых из соответствующих ограничений и дающих в пере­сечении точку максимума:

х 1 + 3,5х 2 = 350,

х 1 + х 2 = 150.

Отсюда легко записать решение исходной ЗЛП: max f(x) = 2300 и достигается при х 1 = 70 и х 2 = 80 (см. рис. 1.4).

1.3.ТЕХНОЛОГИЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЛИНЕЙНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ НАДСТРОЙКИ ПОИСК РЕШЕНИЯ В СРЕДЕ EXCEL

1.3.1. Общие сведения о работе с табличным процессором Excel

Рассмотрим некоторые аспекты работы с табличным процессором Excel, которые позволят упростить расчеты, необ­ходимые для решения оптимизационных задач. Табличный процессор - это программный продукт, предназначенный для ав­томатизации обработки данных табличной формы.

Элементы экрана Excel. После запуска Excel на экране появля­ется таблица, вид которой показан на рис 1.5.

Это изображение называют рабочим листом. Оно представляет собой сетку строк и столбцов, пересечения которых образуют пря­моугольники, называемые ячейками. Рабочие листы предназначены для ввода данных, выполнения расчетов, организации информа­ционной базы и т.п. Окно Excel отображает основные программные элементы: строку заголовка, строку меню, строку состояния, кноп­ки управления окнами.

Работа с формулами. В программах электронных таблиц формулы служат для выполнения множества разнообразных расчетов. С помощью Excel можно быстро создать формулу. Формула состоит из трех основных частей:

1) знака равенства;

2) совокупности значений или ссылок на ячейках, с которыми выполняются расчеты;

3) операторов.

4) Если знак равенства отсутствует, то Excel интерпретирует данные не как формулу, а как ввод данных в ячейку. Формулы можно вводить непосредственно в ячейку или в строку формул – как текст, так и число. При этом нужно выполнить следующие действия:

· выделить ячейку, которая должна содержать формулу и ввести знак (=);

· ввести оператор или знак действия;

· выделить другую ячейку, включаемую в формулу;

· нажать на клавишу Enter.

В строке формул появится введенная формула, в ячейке – результат расчета.

Использование в формулах функций. Чтобы облегчить ввод формул, можно воспользоваться функциями Excel. Функции - это встроенные в Excel формулы. Excel содержит множество формул. Они сгруппированы по различным типам: логические, математи­ческие, инженерные, статистические и др.

Для активизации той или иной формулы следует нажать кноп­ки Вставка, Функции. В появившемся окне Мастер функций слева содержится перечень типов функций. После выбора типа справа будет помещен список самих функций. Выбор функции осуществ­ляется щелчком клавиши мыши на соответствующем названии.

Различные функции выполняют разные типы вычислений по определенным правилам. Когда функция является единичным объектом в ячейке рабочего листа, она начинается со знака (=), далее следует название функции, а затем - аргументы функции, заключенные в скобки.

Поиск решения - это надстройка Excel, которая позволяет решать оптимизационные задачи. Если в меню Сервис отсутствует коман­да Поиск решения, значит, необходимо загрузить эту надстройку. Выберите команду Сервис => Надстройки и активизируйте над­стройку Поиск решения. Если же этой надстройки нет в диалоговом окне Надстройки, то вам необходимо обратиться к панели управления Windows, щелкнуть на пиктограмме Установка и уда­ление программ и с помощью программы установки Excel (или Office) установить надстройку Поиск решения.

После выбора команд Сервис => Поиск решения появится диало­говое окно Поиск решения.

В диалоговом окне Поиск решения есть три основных пара­метра;

Установить целевую ячейку.

Изменяя ячейки.

Ограничения.

Сначала нужно заполнить поле Установить целевую ячейку. Во всех задачах для средства Поиск решения оптимизируется результат в одной из ячеек рабочего листа. Целевая ячейка связана с другими ячейками этого рабочего листа с помощью формул. Средство Поиск решения использует формулы, которые дают результат в целевой ячейке, для проверки возможных решений. Можно выбрать по­иск наименьшего или наибольшего значения для целевой ячейки или установить конкретное значение.

Второй важный параметр средства Поиск решения - это пара­метр Изменяя ячейки. Здесь указываются ячейки, значения в которых будут изменяться для того, чтобы оптимизировать ре­зультат в целевой ячейке. Для поиска решения можно указать до 200 изменяемых ячеек. К этим ячейкам предъявляется два основ­ных требования: они не должны содержать формул и изменение их значений должно отражаться на изменении результата в целе­вой ячейке. Другими словами, целевая ячейка зависит от изменя­емых ячеек.

Третий параметр, который нужно вводить на вкладке Поиск решения, - это ограничения.

Для решения задачи необходимо:

1) указать адреса ячеек, в которые будет помещен результат реше­ния (изменяемые ячейки);

2) ввести исходные данные;

3) ввести зависимость для целевой функции;

4) ввести зависимости для ограничении,

5) запустить команду Поиск решений;

6) назначить ячейку для целевой функции (установить целевую ячейку);

7) ввести ограничения;

8) ввести параметры для решения ЗЛП.

Рассмотрим технологию решения, используя условия примера 1.1 (задача о костюмах).

Экономико-математическая модель задачи

Пусть х 1 - число женских костюмов; х 2 - число мужских костюмов,

10 х х 1 + 20 х х 2 max

Ограничения задачи имеют вид:

х 1 + х 2 150 - ограничение по труду;

2 x х 1 + 0,5 х х 2 240 - ограничение по лавсану;

х 1 + 3,5 х х 2 350 - ограничение по шерсти;

х 2 60 - ограничение по мужским костюмам;

х 1 0 - ограничение по женским костюмам.

1. Указать адреса ячеек, в которые будет помещен результат решения (изменяемые ячейки).

Обозначьте через x 1 , х 2 количество костюмов каждого типа. В нашей задаче оптимальные значения вектора = (х 1 , х 2) будут помещены в ячейках А2:В2, оптимальное значение целевой функ­ции - в ячейке СЗ.

2. Ввести исходные данные.

Введите исходные данные задачи, как показано на рис. 1.6.

3. Ввести зависимость для целевой функции.

· Поместить курсор в ячейку «СЗ», произойдет выделение ячейки.

· Поместить курсор на кнопку Мастер функций, расположенную на панели инструментов.

· Ввести Enter. На экране появляется диалоговое окно Мастер функ­ций шаг 1 из 2.

· В окне Функции выбрать строку СУММПРОИЗВ (рис. 1.7). На экране

· появляется диалоговое окно СУММПРОИЗВ (рис. 1.8).

· В строку Массив 1 ввести А2:В2 .

· В строку Массив 2 ввести АЗ:ВЗ.

Массив 1 будет использоваться при вводе зависимостей для ограничений, поэтому на этот массив надо сделать абсолютную ссылку. На рис. 1.9 показано, что в ячейку СЗ введена функция.

5. Ввести зависимости для ограничений (рис 1.10).

· Поместить курсор в ячейку СЗ.

· На панели инструментов кнопка Копировать в буфер.

· Поместить курсор в ячейку С4.

· Поместить курсор в ячейку С5.

· На панели инструментов кнопка Вставить из буфера.

· Поместить курсор в ячейку Сб.

· На панели инструментов кнопка Вставить из буфера.

· Поместить курсор в ячейку С7.

· На панели инструментов нажать кнопку Вставить из буфера. (Содержимое ячеек С4-С7 необходимо проверить. Они обяза­тельно должны содержать информацию, как это показано для примера на рис. 1.11; в качестве примера представлено содер­жимое ячейки С5.)

· В строке Меню указатель мышки поместить на Сервис. В развер­нутом меню выбрать команду Поиск решения. Появляется диа­логовое окно Поиск решения (рис. 1.12).

5. Запустить команду Поиск решения.

6. Назначить ячейку для целевой функции (установить целевую ячейку), указать адреса изменяемых ячеек.

· Поместить курсор в строку Установить целевую ячейку.

· Ввести адрес ячейки $С$3.

· Ввести тип целевой функции в зависимости от условия вашей задачи. Для этого отметьте, чему равна целевая функция - Максимальному значению или Минимальному значению.

· Поместить курсор в строку Изменяя ячейки.

· Ввести адреса искомых переменных А$2:В$2 (рис. 1.13).

7. Ввести ограничения.

· Поместить указатель мыши на кнопку Добавить. Появляется диалоговое окно Добавление ограничения.

· Ввести знак ограничения.

· В строке Ограничение ввести адрес $D$4 (рис. 1.14).

· Поместить указатель мыши на кнопку Добавить. На экране вновь появится диалоговое окно Добавление ограничения.

· Ввести остальные ограничения задачи по вышеописанному алгоритму.

· После введения последнего ограничения нажать на кнопку ОК. На экране появится диалоговое окно Поиск решения с введенны­ми условиями (рис. 1.15).

8. Ввести параметры для решения задачи линейного программирования.

· В диалоговом окне поместить указатель мышки на кнопку Пара­метры. На экране появится диалоговое окно Параметры поиска решения (рис. 1.16).

· Установить флажки в окнах Линейная модель (это обеспечит применение симплекс-метода) и Неотрицательные значения.

· Поместить указатель мыши на кнопку ОК. На экране появится диалоговое окно Поиск решения.

· Поместить указатель Мыши на кнопку Выполнить.

Через непродолжительное время появятся диалоговое окно Результаты поиска решения и исходная таблица с заполненными ячейками АЗ:ВЗ для значений х i и ячейка СЗ с максимальным значением целевой функции (рис. 1.17).

Если указать тип отчета Устойчивость, то можно получить до­полнительную информацию об оптимальном решении (рис. 1.18).

В результате решения задачи был получен ответ: необходимо сшить 70 шт. женских костюмов и 80 шт. мужских костюмов, чтобы получить максимальную прибыль 2300 у.е.

1.4. ДВОЙСТВЕННОСТЬ В ЗАДАЧАХ ЛИНЕЙНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ

В 1975 г. наш соотечественник Л.В. Канторович был удостоен Нобелевской премии по экономике (совместно с американским экономистом Т. Купмансом) за разработку теории оптимального использования ресурсов (см. Приложение 1).

С каждой задачей линейного программирования тесно связа­на другая линейная задача, называемая двойственной; первона­чальная задача называется исходной, или прямой. Связь исходной и двойственной задач заключается, в частности, в том, что решение одной из них может быть получено непосредственно из решения другой.

Переменные двойственной задачи y i называются объективно обусловленными оценками, или двойственными оценками, или «ценами» ресурсов, или теневыми ценами.

Каждая из задач двойственной пары фактически является са­мостоятельной задачей линейного программирования и может быть решена независимо от другой.

Двойственная задача по отношению к исходной составляется согласно следующим правилам:

1) целевая функция исходной задачи формулируется на макси­мум, а целевая функция двойственной задачи - на минимум, при этом в задаче на максимум все неравенства в функцио­нальных ограничениях имеют вид (), в задаче на минимум - вид ( );

2) матрица А, составленная из коэффициентов при неизвестных в системе ограничений исходной задачи, и аналогичная мат­рица А Т в двойственной задаче получаются друг из друга транс­понированием;

3) число переменных в двойственной задаче равно числу функци­ональных ограничений исходной задачи, а число ограничений в системе двойственной задачи - числу переменных в исходной;

4) коэффициентами при неизвестных в целевой функции двой­ственной задачи являются свободные члены в системе ограни­чений исходной задачи, а правыми частями в ограничениях двойственной задачи - коэффициенты при неизвестных в це­левой функции исходной; j 0.

Две приведенные задачи образуют пару симметричных двой­ственных задач. Основные утверждения о взаимно двойственных задачах содержатся в двух следующих теоремах.

Первая теорема двойственности. Для взаимно двойственных за­дач имеет место один из взаимоисключающих случаев.

1. В прямой и двойственной задачах имеются оптимальные решения,
при этом значения целевых функций на оптимальных решениях
совпадают

2. В прямой задаче допустимое множество не пусто, а целевая функция на этом множестве не ограничена сверху. При этом у двойственной задачи будет пустое допустимое множество.

3. В двойственной задаче допустимое множество не пусто, а целе­вая функция на этом множестве не ограничена снизу. При этом у прямой задачи допустимое множество оказывается пустым.

4. Обе из рассматриваемых задач имеют пустые допустимые мно­жества.

Вторая теорема двойственности (теорема о дополняющей неже­сткости). Пусть = (x 1 ,х 2 ,..., х п) - допустимое решение прямой задачи, a = (у 1 ,у 2 ,…,у т) - допустимое решение двойственной задачи. Для того чтобы они были оптимальными решениями соот­ветственно прямой и двойственной задач, необходимо и достаточ­но, чтобы выполнялись следующие соотношения:

(1.4)

(1.5)

Условия (1.4) и (1.5) позволяют, зная оптимальное решение одной из взаимно двойственных задач, найти оптимальное реше­ние другой задачи.

Рассмотрим еще одну теорему, выводы которой будут исполь­зованы в дальнейшем.

Теорема об оценках. Значения переменных y i в оптимальном реше­нии двойственной задачи представляют собой оценки влияния сво­бодных членов b i системы ограничений (неравенств) прямой задачи на величину

Решая ЗЛП симплекс-методом, мы одновременно решаем двой­ственную ЗЛП. Переменные двойственной задачи y i называют объективно обусловленными оценками.

Рассмотрим экономическую интерпретацию двойственной за­дачи на примере задачи о коврах.

Пример 1.2. Используя постановку задачи о коврах, выполнить следующие задания.

1. Сформулировать экономико-математическую модель задачи о коврах на максимум общей стоимости продукции, используя данные табл. 1.1.

2. Используя Поиск решения, найти такой план выпуска продук­ции, при котором общая стоимость продукции будет макси­мальной.

3. Сформулировать экономико-математическую модель двой­ственной задачи к задаче о коврах.

4. Найти оптимальный план двойственной задачи, используя теоремы двойственности, пояснить равенство нулю Х 1 и Х 4 .

5. Используя протоколы Поиска решения, выполнить анализ по­лученного оптимального решения исходной задачи.

6. Определить, как изменится общая стоимость и план выпуска продукции при увеличении запаса ресурса труб на 12 ед.

1. Сформулируем экономико-математическую модель задачи.

Обозначим через Х 1 , Х 2 , Х 3 , Х 4 число ковров каждого типа. Целевая функция имеет вид

F(X) = ЗХ 1 + 4Х 2 + ЗХ 3 + Х 4 max,

а ограничения по ресурсам

7Х 1 + 2Х 2 + 2Х 3 + 6Х 4 80,

5Х 1 + 8Х 2 + 4 Х 3 + ЗХ 4 480,

2Х 1 + 4 Х 2 + Х 3 + 8X 4 130,

Х 1 , X 2 , X 3 , Х 4 0.

2. Поиск оптимального плана выпуска.

Решение задачи выполним с помощью надстройки Excel Поиск решения. Технология решения задачи была подробно рассмотрена в задаче о костюмах. В нашей задаче оптимальные значения вектора Х=(Х 1 , X 2 , X 3 , Х 4) будут помещены в ячейках ВЗ:ЕЗ, оптимальное значение целевой функции - в ячейке F4 .

Введем исходные данные. Сначала опишем целевую функцию с помощью функции - СУММПРОИЗВ (рис. 1.19). А потом введем данные для левых частей ограничений. В Поиске решения введем направление целевой функции, адреса искомых переменных, до­бавим ограничения. На экране появится диалоговое окно Поиск решения с введенными условиями (рис. 1.20).

После ввода параметров для решения ЗЛП следует нажать кнопку Выполнить. На экране появится сообщение, что решение найдено (рис. 1.21).

Полученное решение означает, что максимальный доход 150 тыс. руб. фабрика может получить при выпуске 30 ковров второго вида и 10 ковров третьего вида. При этом ресурсы «труд» и «оборудование» будут использованы полностью, а из 480 кг пряжи (ресурс «сырье») будет использовано 280 кг.

Создание отчета по результатам поиска решения. Excel позволяет представить результаты поиска решения в форме отчета (табл. 1.4). Существует три типа таких отчетов:

· Результаты (Answer). В отчет включаются исходные и конечные значения целевой и изменяемых ячеек, дополнительные све­дения об ограничениях.

· Устойчивость (Sensitivity). Отчет, содержащий сведения о чувстви­тельности решения к малым изменениям в изменяемых ячей­ках или в формулах ограничений.

· Пределы (Limits). Помимо исходных и конечных значений из­меняемых и целевой ячеек, в отчет включаются верхние и ниж­ние границы значений, которые могут принимать влияющие ячейки при соблюдении ограничений.

Графический метод довольно прост и нагляден для решения задач линейного программирования с двумя переменными. Он основан на геометрическом представлении допустимых решений и ЦФ задачи.

Каждое из неравенств задачи линейного программирования (1.2) определяет на координатной плоскости некоторую полуплоскость (рис.2.1), а система неравенств в целом - пересечение соответствующих 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, лучом, одной точкой. В случае несовместности системы ограничений задачи (1.2) ОДР является пустым множеством.

Все вышесказанное относится и к случаю, когда система ограничений (1.2) 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 (см.рис.2.1). 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 (см. рис.2.1). 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 линейного программирования 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.

Рисунок 2.1 Геометрическая интерпретация ограничений и ЦФ задачи.

Методика решения задач ЛП графическим методом.

I. В ограничениях задачи (1.2) заменить знаки неравенств знаками точных равенств и построить соответствующие прямые.

II. Найти и заштриховать полуплоскости, разрешенные каждым из ограничений-неравенств задачи (1.2). Для этого нужно подставить в конкретное неравенство координаты какой-либо точки [например, (0;0)], и проверить 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 необходимо выделить на графике такие прямые.

III. Определить ОДР как часть плоскости, принадлежащую одновременно всем разрешенным областям, и выделить ее. При отсутствии ОДР задача не имеет решений.

IV. Если ОДР - не пустое множество, то нужно построить 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. Построить вектор, который начинается в точке (0;0) и заканчивается в точке. Если целевая прямая и вектор построены верно, то они будут перпендикулярны .

VI. При поиске максимума ЦФ необходимо передвигать целевую прямую в направлении вектора, при поиске минимума ЦФ - против направления вектора. Последняя по ходу движения вершина ОДР будет точкой максимума или минимума ЦФ. Если такой точки (точек) не существует, то можно сделать вывод о неограниченности ЦФ на множестве планов сверху (при поиске максимума) или снизу (при поиске минимум).

VII. Определить координаты точки max (min) ЦФ и вычислить значение ЦФ. Для вычисления координат оптимальной точки необходимо решить систему уравнений прямых, на пересечении которых находится.

Задача. Решить графически задачу линейного программирования, определив экстремальное значение целевой функции:

при ограничениях

Построим область допустимых решений, т.е. решим графически систему неравенств. Для этого построим каждую прямую и определим полуплоскости, заданные неравенствами (полуплоскости обозначены штрихом).

Построим уравнение 3x 1 +x 2 = 9 по двум точкам .
Для нахождения первой точки приравниваем x 1 = 0. Находим x 2 = 9. Для нахождения второй точки приравниваем x 2 = 0. Находим x 1 = 3. Соединяем точку (0;9) с (3;0) прямой линией. Определим полуплоскость, задаваемую неравенством. Выбрав точку (0; 0), определим знак неравенства в полуплоскости: 3 . 0 + 1 . 0 - 9 ≤ 0, т.е. 3x 1 +x 2 - 9≥ 0 в полуплоскости выше прямой.
Построим уравнение x 1 +2x 2 = 8 по двум точкам .
Для нахождения первой точки приравниваем x 1 = 0. Находим x 2 = 4. Для нахождения второй точки приравниваем x 2 = 0. Находим x 1 = 8. Соединяем точку (0;4) с (8;0) прямой линией. Определим полуплоскость, задаваемую неравенством. Выбрав точку (0; 0), определим знак неравенства в полуплоскости: 1 . 0 + 2 . 0 - 8 ≤ 0, т.е. x 1 +2x 2 - 8≥ 0 в полуплоскости выше прямой.
Построим уравнение x 1 +x 2 = 8 по двум точкам .
Для нахождения первой точки приравниваем x 1 = 0. Находим x 2 = 8. Для нахождения второй точки приравниваем x 2 = 0. Находим x 1 = 8. Соединяем точку (0;8) с (8;0) прямой линией. Определим полуплоскость, задаваемую неравенством. Выбрав точку (0; 0), определим знак неравенства в полуплоскости: 1 . 0 + 1 . 0 - 8 ≤ 0, т.е. x 1 +x 2 - 8≤ 0 в полуплоскости ниже прямой.

Пересечением полуплоскостей будет являться область, координаты точек которого удовлетворяют условию неравенствам системы ограничений задачи.
Обозначим границы области многоугольника решений.

Проверить правильность построения графиков функций можно с помощью калькулятора

Рассмотрим целевую функцию задачи F = 4x 1 +6x 2 → min.
Построим прямую, отвечающую значению функции F = 0: F = 4x 1 +6x 2 = 0. Вектор-градиент, составленный из коэффициентов целевой функции, указывает направление минимизации F(X). Начало вектора - точка (0; 0), конец - точка (4; 6). Будем двигать эту прямую параллельным образом. Поскольку нас интересует минимальное решение, поэтому двигаем прямую до первого касания обозначенной области. На графике эта прямая обозначена пунктирной линией.

Прямая F(x) = 4x 1 +6x 2 пересекает область в точке B. Так как точка B получена в результате пересечения прямых (1) и (2) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
3x 1 +x 2 =9
x 1 +2x 2 =8

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 2, x 2 = 3
Откуда найдем минимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*2 + 6*3 = 26