Модифицированный симплексный метод решения задач целевого программирования. Модифицированный симплексный метод

Основная идея модифицированного симплекс-метода заключается в использовании текущей обратной матрицы (и исходных данных задачи) при выполнении вычислений, необходимых для определения включаемой и исключаемой переменных. Представление обратной матрицы в мультипликативной форме позволяет вычислять последовательность обратных матриц непосредственно по исходным данным без использования многократных операций обращения каждого базиса. Как и в обычном симплекс-методе, в данном случае исходный базис всегда представляет собой единичную матрицуI, обратной к которой является сама эта матрица. Поэтому, если
- последовательность обратных матриц, соответствующих итерациям 1, 2,…,i, а
- последовательность соответствующих им матриц, то

Последовательность подстановок приводит к следующей формуле:

(2.23)

Следует подчеркнуть, что мультипликативное представление обратной матрицы не является необходимой процедурой для реализации вычислительной схемы модифицированного симплекс-метода, и на каждой итерации можно применять любой из способов обращения текущего базиса. При использовании модифицированного симплекс-метода важно то, что обратные матрицы вычисляются способом, позволяющим уменьшить влияние машинных ошибок округления.

Шаги алгоритма модифицированного симплекс-метода, по существу, такие же, как и в алгоритме обычного симплекс-метода. После нахождения начального базиса Iопределяется соответствующий ему вектор коэффициентов целевой функции, элементы которого формируются в зависимости от того, являются ли начальные базисные переменные остаточными (избыточными) или искусственными.

1. 2.7.2. Мультипликативное представление обратной матрицы

При мультипликативном представлении обратной матрицы используется операция алгебры матриц, позволяющая вычислять элементы матрицы, обратной к новой матрице базисных векторов, по известной обратной матрице предыдущего базиса при условии, что два рассматриваемых базиса отличаются только одним вектор-столбцом. Такой способ представления обратной матрицы удобно использовать именно в вычислительной схеме симплекс-метода, так как базисы, соответствующие каждым двум последовательным итерациям, отличаются лишь одним столбцом (в результате замены исключаемого вектор-столбца текущего базиса новым вектор-столбцом). Другими словами, текущая базисная матрица и новая базисная матрица
, соответствующая следующей итерации, отличаются только одним столбцом. При мультипликативном представлении обратной матрицы
, соответствующей новому базису, она вычисляется путём умножения слева обратной текущей матрицы
на формируемую по определённым правилам матрицу.

Определим единичную матрицу следующим образом:

(2.24)

где - единичный вектор-столбец сi-м элементом, равным единице, и остальными элементами, равными нулю. Допустим, что известны матрицыи
, и векторматрицызаменяется новым вектором; как принято при описании симплекс-метода, векторопределяется как включаемый в базис, а вектор- как исключаемый из базиса. Для упрощения записи математических соотношений используем следующее определение
,при этомбудет представлять собойk-й элемент
. Тогда новую обратную матрицу
можно вычислить по следующей формуле:

(2.25)

при условии, что
. Если
, матрицы
не существует. Заметим, что матрицаполучается из матрицыпутём замены еёr-го вектор-столбцастолбцом.

С учетом возможностей современных ППП, использующих модифицированный симплекс-метод с мультипликативным представлением матрицы, отнесение очередного вектора к классу векторов, обеспечивающих совместность или несовместность, требует проведения всего нескольких итераций после модификации обобщенной матрицы  

МОДИФИЦИРОВАННЫЙ СИМПЛЕКС-МЕТОД  

Вычислительная схема, основанная на преобразовании обратных матриц. Анализируя вычислительную процедуру симплекс-метода с позиций оценки трудоемкости, нетрудно заметить, что наиболее критичным в этом плане является э ап пересчета значений А и b при переходе от одного базисного плана к другому (п. 3 алгоритма). Однако в том случае, когда число ограничений задачи m явно меньше количества переменных я, можно добиться существенной экономии, выполняя на очередной итерации q преобразование Жордана-Гаусса не над матрицей Л(р() по Д Чр(ведущий столбец аЧр О. Данные соображения положены в основу вычислительной схемы симплекс-метода , основанной на преобразовании обратных матриц, которую также называют модифицированным симплекс-методом. Впервые данный алгоритм был предложен в 1951 г. в работах Л. В. Канторовича.  

Вычислительной схеме модифицированного симплекс-метода соответствует система таблиц 7] и T q). Таблица 7J (рис. 1.7) является общей для всех итераций и служит для получения  

По аналогии с п. 1.4.1 опишем формальную схему алгоритма модифицированного симплекс-метода.  

В завершение подчеркнем, что в силу приведенных выше преимуществ именно модифицированный симплекс-метод реально применяется в программном обеспечении , предназначенном для решения канонических задач линейного программирования.  

Пример решения ЗЛП модифицированным симплекс-методом. Приведем решение рассмотренной ранее задачи (1.34)-(1.35), основанное на использовании процедуры модифицированного симплекс-метода. По аналогии с п. 1.4.3  

Еще раз вернемся к таблице Т (рис. 1.8), получаемой на финальной итерации процедуры модифицированного симплекс--метода. Более подробно рассмотрим нулевую строку матрицы A 4p(

Таким образом, существенным преимуществом модифицированного симплекс-метода является то, что он позволяет одновременно найти оптимальные планы как прямой, так и двойственной задачи.  

В заключение отметим, что в настоящем параграфе был рассмотрен вариант двойственного алгоритма, соответствующий стандартному симплекс-методу . Нетрудно догадаться, что существует и вариант, построенный на базе модифицированного симплекса (схемы, связанной с преобразованием обратных матриц), но, поскольку этот вопрос представляет интерес в основном с точки зрения техники организации вычислений, мы на нем останавливаться не будем. При желании с глубоким и детальным описанием данной версии алгоритма можно ознакомиться в . Отметим лишь, что она обладает теми же принципиальными преимуществами, что и модифицированный симплекс-метод.  

Модифицированный симплекс-метод - вычислительная схема, связанная с преобразованием обратных матриц.  

Сформулируйте основные отличия модифицированного симплекс-метода по отношению к стандартному.  

Перечислите преимущества модифицированного симплекс-метода.  

Будет ли отличаться количество итераций при решении одной и той же задачи при решении ее стандартным и модифицированным симплекс-методом  

Метод разложения (декомпозиции) был разработан для решения задач линейного программирования большой размерности, имеющих блочную структуру. Его вычислительная процедура главным образом основана на идеях модифицированного симплекс-метода. Однако значение метода Данцига-Вулфа состоит не только и (не столько) в его вычислительных преимуществах, сколько в возможности дать содержательную экономическую интерпретацию . Метод предусматривает разложение исходной задачи (5.6)-(5.9) на локальные задачи, соответствующие обособленным частям объединения (в данном случае предприятиям), и главную задачу (соответствует объединению в целом и связывает эти локальные задачи).  

Р. Б. Д у б и н а, К. Е. Ч е р н и н. Программа образования и записи на М. Б. матрицы для модифицированного симплекс-метода.- Сборник программ для ЭВМ Урал. Л., Аркт. и антаркт. ин-т, 1966.  

Среди методов нахождения оптимального решения наибольшее распространение приобрёл метод последо -ват. улучшения допустимого решения (МНУ), к-рый имеет большое число вычислит, реализаций (

Для решения задач линейного программирования существует множество методов. Рассмотрим один из них улучшенный (модифицированный) симплекс-метод

Для начала расскажем, что такое симплекс-метод. Слово SIMPLEX в обычном смысле означает простой, несоставной, в противоположность слову COMPLEX.

Данный метод получил несколько различных форм (модификаций) и был разработан в 1947 году Г. Данцигом.

Сущность симплекс-метода заключается в том, что если число неизвестных больше числа уравнений, то данная система неопределенная с бесчисленным множеством решений. Для решения системы все неизвестные произвольно подразделяют на базисные и свободные. Число базисных переменных определяется числом линейно-независимых уравнений. Остальные неизвестные свободные. Им придают произвольные значения и подставляют в систему. Любому набору свободных неизвестных можно придать бесчисленное множество произвольных значений, которые дадут бесчисленное множество решений. Если все свободные неизвестные приравнять к нулю, то решение будет состоять из значений базисных неизвестных. Такое решение называется базисным.

В теории линейного программирования существует теорема, которая утверждает, что среди базисных решений системы можно найти оптимальное, а в некоторых случаях и несколько оптимальных решений, но все они обеспечат экстремум целевой функции. Таким образом, если найти какой-либо базисный план, а затем улучшить его, то получится оптимальное решение. На этом принципе и построен симплекс-метод.

Одним из модификаций симплекс-метода является улучшенный симплекс-метод. В литературе этот метод встречается также под названием метода обратной матрицы или модифицированного симплекс-метода.

При решении задач линейного программирования, в которых n (количество переменных) существенно больше m (количество ограничений), улучшенный симплекс-метод требует по сравнению с другими значительно меньшего количества вычислительных операций и объема памяти ЭВМ.

В улучшенном симплекс-методе реализуется та же основная идея, что и в обычном симплекс-методе, но здесь на каждой итерации пересчитывается не вся матрица A -1 , обратная матрице ограничений A, а лишь та часть, которая относится к текущему базису A x .

Рассмотрим поэтапно шаги решения задачи линейного программирования улучшенным симплекс-методом:

• 1. В начале первого цикла нам известны обратная матрица (единичная матрица), базисное решение x b = b.
• 2. Образуем для каждой небазисной переменной характеристическую разность j , используя уравнение:

j = c j -- = c j -- P j , (2)

где - двойственные переменные, которые можно найти следующим образом:

где c x - вектор коэффициентов целевой функции при базисных переменных.

3. Предполагая, что используется стандартное правило выбора вводимого столбца, находим:

• 4. Если s 0 - процедура останавливается. Текущее базисное решение является оптимальным.
• 5. Если s 0, вычисляем преобразованный столбец:

= (, ...,) . (2.4)

Если все 0 - процедура останавливается: оптимум неограничен.

7. В противном случае находим выводимую из базиса переменную:

8. Строим увеличенную матрицу:

и трансформируем ее с ведущим элементом. Первые m столбцов дают матрицу, обратную новому базису.

9. Преобразуем базисное решение:

x b i x b i -- * , i r, (2.7)

и переходим к этапу 2.

Этот вариант называют также модифицированным симплекс-методом, поскольку он уменьшает объем вычислений на каждом шаге. Идея заключается в том, что на каждом шаге каноническую форму задачи для текущего базиса можно получить независимо от других таких форм непосредственно из исходной записи стандартной задачи ЛП.

Для этого нужно:

• 1. Сохранять исходную запись задачи на протяжении всей работы метода, это та цена, которую приходится платить за больше быстродействие;
• 2. Использовать так называемые симплекс - множители р - коэффициенты для непосредственного перехода от исходной записи задачи к ее текущей канонической форме базиса;
• 3. Использовать обращенный базис ВО№ - матрицу размера m x m, позволяющую вычислять на каждом шаге ведущий столбец aґs и обновлять симплекс - множители р.

Улучшенный симплекс-метод, обладает значительными преимуществами по сравнению со стандартной формой. Это относится к точности, скорости и требованиям к памяти. Большая часть этих преимуществ определяется тем фактором, что, как правило, матрицы больших линейных задач (то есть с n>m>100) являются слабо заполненными, содержат малый процент ненулевых элементов.

Обычной является плотность 5% или менее. Улучшенная форма симплекс-метода в большей степени способна использовать преимущества, вытекающие из этого факта. В этой форме характеристические разности и ведущий вектор вычисляются непосредственно по исходным данным. Поскольку исходная матрица слабо заполнена, а перемножение следует производить только тогда, когда оба сомножителя отличны от нуля, то время вычислений значительно сокращается.

В дополнение к этому использование только исходных данных приводит к тому, что уменьшается возможность накопления ошибок округления. Наоборот, стандартные симплексные таблицы, даже если они первоначально являются слабо заполненными, в ходе итеративного процесса быстро заполняются ненулевыми элементами. Таким образом, время вычислений увеличивается, и, поскольку каждая таблица вычисляется из предшествующей, накопление ошибок может начать играть более серьезную роль.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Геометрический способ решения стандартных задач линейного программирования с двумя переменными. Универсальный метод решения канонической задачи. Основная идея симплекс-метода, реализация на примере. Табличная реализация простого симплекс-метода.

реферат , добавлен 15.06.2010


Виды задач линейного программирования и формулировка задачи. Сущность оптимизации как раздела математики и характеристика основных методов решения задач. Понятие симплекс-метода, реальные прикладные задачи. Алгоритм и этапы решения транспортной задачи.

курсовая работа , добавлен 17.02.2010


Решение задачи линейного программирования графическим и симплекс-методом. Решение задачи двойственной к исходной. Определение оптимального плана закрепления потребителей за поставщиками однородного груза при условии минимизации общего пробега автомобилей.

контрольная работа , добавлен 15.08.2012


Использование симплексного метода решения задач линейного программирования для расчета суточного объема производства продукции. Проверка плана на оптимальность. Пересчет симплексной таблицы методом Жордана-Гаусса. Составление модели транспортной задачи.

контрольная работа , добавлен 18.02.2014


Экономико-математическая модель получения максимальной прибыли, её решение графическим методом. Алгоритм решения задачи линейного программирования симплекс-методом. Составление двойственной задачи и её графическое решение. Решение платёжной матрицы.

контрольная работа , добавлен 11.05.2014


Основы математического моделирования экономических процессов. Общая характеристика графического и симплексного методов решения прямой и двойственной задач линейного программирования. Особенности формулирования и методика решения транспортной задачи.

курсовая работа , добавлен 12.11.2010


Составление математической модели задачи. Расчёт оптимального плана перевозок с минимальной стоимостью с использованием метода потенциалов. Оптимальный вариант специального передвижного оборудования для технического обеспечения управления производством.

контрольная работа , добавлен 01.06.2014

1.5.1. Вычислительная схема, основанная на преобра­зовании обратных матриц. Анализируя вычислительную процедуру симплекс-метода с позиций оценки трудоемкости, не­трудно заметить, что наиболее критичным в этом плане являет­ся этап пересчета значений А и b при переходе от одного базис­ного плана к другому (п. 3 алгоритма). Однако в том случае, когда число ограничений задачи m явно меньше количества переменных n , можно добиться существенной «экономии», вы­полняя на очередной итерации q преобразование Жордана-Га­усса не над матрицей А (β ( q )), а над матрицей Δ -1 (β ( q )). При этом учитывается и то, что при необходимости, применяя формулу (1.26), всегда можно получить А (β ( q )) по Δ -1 (β ( q )). Более того, для выполнения описанных выше действий симплекс-процедуры нам в действительности не требовалась матрица А (β ( q )) целиком. Реаль­но в ней использовались только строка оценок a 0 (β ( q )) и ведущий столбец a l (β ( q )). Данные соображения положены в основу вы­числительной схемы симплекс-метода, основанной на преобра­зовании обратных матриц, которую также называют модифици­рованным симплекс-методом . Впервые данный алгоритм был предложен в 1951 г. в работах Л. В. Канторовича.

Вычислительной схеме модифицированного симплекс-мето­да соответствует система таблиц T 1 и Т 2 ( q ) . Таблица T 1 (рис. 1.7 ) является общей для всех итераций и служит для получения строки оценок текущего базисного плана a 0 (β ( q )). Если обозна­чить через δ i (β ( q )) (i Î 0: m ) строки матрицы Δ -1 (β ( q )), то из (1.26), в частности, следует, что

Как видно из рис. 1.7 , T 1 состоит из трех блоков:

Ø Ø в центре содержится матрица А ;

Ø Ø в левом блоке таблицы на каждой итерации дописывают­ся нулевые строки матрицы Δ -1 (β ( q ))для текущего ба­зиса ;

Ø Ø нижний блок, расположенный под матрицей А , на каж­дой итерации дополняется строкой оценок текущего плана, вычисленной по формуле (1.42).

Симплекс-таблица Т 2 ( q ) , изображенная на рис. 1.8 , соответ­ствует допустимому базису КЗЛП β ( q ) , получаемому на q -й ите­рации. Столбец N (β ( q )) содержит номера базисных столбцов (в последовательности вхождения в базис); столбец b (β ( q )) - компоненты вектора ограничений относительно текущего ба­зиса β ( q ) ; Δ -1 (β ( q )) - матрица, обратная по отношению к матри­це расширенных столбцов текущего базиса β ( q ) ; графа а l со­держит расширенный вектор условий, вводимый в базис на текущей итерации, а следующая графа - координаты а l (β ( q )) этого же столбца в текущем базисе β ( q ) .

По аналогии с п. 1.4.1 опишем формальную схему алгоритма модифицированного симплекс-метода.

0-этап. Нахождение допустимого базисного плана.

1. Для поиска допустимого базиса может быть применен ме­тод минимизации невязок, рассмотренный в п. 1.4.5. При этом для решения вспомогательной задачи используется процедура модифицированного симплекс-метода. В результате 0-этапа мы получаем допустимый базисный план x (β (1)) и соответствую­щие ему матрицу Δ -1 (β (1)) и вектор b (β (1)).

2. Заполняем центральную часть таблицы T 1 , содержащую матрицу А .

3. Содержимое матрицы Δ -1 (β (1)) и вектора b (β (1)), получен­ных на этапе поиска допустимого базисного плана, переносит­ся в таблицу T 2 (1) .

4. Полагаем номер текущей итерации q равным 1 и перехо­дим к I-этапу.

1-этап. Стандартная итерация алгоритма - выполня­ется для очередного базисного плана x (β ( q )).

1°. Проверка оптимальности текущего базисного плана . Содержимое нулевой строки таблицы T 2 ( q ) - δ 0 (β ( q )) переписы­вается в соответствующую графу таблицы T 1 . По формуле (1.42) рассчитываем и заполняем строку a 0 (β ( q )). Осуществля­ем просмотр строки оценок a 0 (β ( q )). Возможны два варианта:

1΄. a 0 (β ( q ))≥0 -план, соответствующий текущему базису задачи, оптимален. Вычислительный процесс закончен. Со­гласно формулам (1.33) и (1.32) выписываются оптимальный план задачи х * = x (β ( q )) и оптимальное значение целевой функ­ции f (х *) = f (x (β ( q ))).

1". В строке оценок a 0 (β ( q )) существует по меньшей мере один элемент a 0, j (β ( q ))<0, т. е. имеющий отрицательную оцен­ку. Следовательно, план x (β ( q )) - неоптимален . Выбирает­ся номер l , соответствующий элементу, имеющему минималь­ную (максимальную по абсолютной величине) отрицательную оценку:

l -й столбец матрицы A становится ведущим и должен быть вве­ден в очередной базис. Переходим к пункту 2° алгоритма.

2°. Определение столбца, выводимого из базиса . Перепи­сываем ведущий столбец а l из таблицы T 1 в текущую таблицу Т 2 ( q ) . По формуле а l (β ( q )) = Δ -1 (β ( q ))а l заполняем соответствую­щий столбец в таблице Т 2 ( q ) . Возможны два варианта:

2". Для всех i Î 1: m а i , l (β ( q ))≤0. Делается вывод о неограни­ченности целевой функции и завершается вычислительный процесс.

2". Существует по крайней мере один индекс i Î 1: m , для ко­торого а i , l (β ( q ))>0. Согласно правилу (1.27) определяются мес­то r и номер N r (β ( q )) для столбца, выводимого из базиса. Пере­ходим к пункту 3° алгоритма.

3°. Пересчет относительно нового базиса элементов столбца b и матрицы Δ -1 . Переход к новому базису β ( q +1) , кото­рый получается введением в базис β ( q ) столбца а l и выводом из него столбца а r , осуществляется по формулам, аналогичным формулам (1.28)-(1.31). Они имеют вид:

Полагаем номер текущей итерации q : =q +l и переходим к первому пункту алгоритма.

В завершение подчеркнем, что в силу приведенных выше пре­имуществ именно модифицированный симплекс-метод реально применяется в программном обеспечении, предназначенном для решения канонических задач линейного программирования.

1.5.2. Пример решения ЗЛП модифицированным сим­плекс-методом. Приведем решение рассмотренной ранее за­дачи (1.34)-(1.35), основанное на использовании процедуры модифицированного симплекс-метода. По аналогии с п. 1.4.3 оно начинается с выбора очевидного исходного базиса, обра­зуемого столбцами {5,2,3}. Для него уже были вычислены Δ -1 (β ( q )) и b (β ( q )), поэтому заполнение начальных таблиц T 1 и Т 2 (1) не представляет труда.

На первой итерации мы переписываем нулевую строку

из Т 2 (1) в T 1 и, умножив ее на матрицу A , получаем строку оце­нок

Так как a 0 (β (1)) содержит отрицательные элементы, то делаем вывод о неоптимальности плана, соответствующего базису β (1) , и, выбрав наименьшую отрицательную оценку (-88), получаем номер столбца, вводимого в базис, l = 4.

Переписываем столбец

из таблицы T 1 в Т 2 (1) и пересчитываем его координаты относи­тельно текущего базиса, т. е. умножаем матрицу Δ -1 (β ( q )), рас­положенную в таблице Т 2 (1) слева, на а 4 .

После заполнения таблицы Т 2 (1) данными по вводимому в но­вый базис столбцу можно перейти к определению номера выво­димого столбца. Эта процедура осуществляется в полной ана­логии с обычным симплекс-методом. Рассмотрев отношения элементов b i (β (1)) и a i , l (β (1)) для {i Î1:m| a i , l (β (1))>0} и определив минимальное из них, находим, что r = 2. Следовательно, стол­бец с номером N 2 (β ( q )) = 2 должен быть выведен из базиса. Та­ким образом, получаем очередной допустимый базис задачи с N (β (2)) = {5, 4, 3}. Элемент a 2,3 (β (1)) является ведущим (обведен кружком). Применив формулы (1.43)-(1.46), переходим к сим­плекс-таблице, соответствующей второй итерации Т 2 (2) , и пола­гаем индекс текущей итерации q = 2.

Повторяя те же самые действия (их легко проследить по при­водимым здесь таблицам Т 2 (2) и Т 2 (3) , на третьей итерации мы получим оптимальный план задачи и оптимальное значение целевой функции, которые извлекаются из второго столбца таблицы Т 2 (3) . Легко заметить, что в процессе решения мы «про­шли» по той же самой последовательности допустимых базис­ных планов, которая встречалась в п. 1.4.3.