что такое симплекс отношение

Алгоритм симплексного метода

Алгоритм симплексного метода рассмотрим на знакомом уже нам примере решения задачи планирования производства.

Основные этапы алгоритма симплексного метода:

1. Приведение системы ограничений к каноническому виду;

2. Поиск опорного решения задачи;

3. Нахождение базиса задачи;

4. Построение первой симплексной таблицы

5. Проверка плана на оптимальность

6. Последовательное улучшение плана до получения оптимального.

1. Приведение системы ограничений к каноническому виду

В этих целях в каждое ограничение задачи вводят по одной дополнительной переменной:

Дополнительные переменные в ограничениях типа £ обозначают недоиспользованные ресурсы.

Дополнительные переменные вводятся в целевую функцию задачи с нулевыми коэффициентами:

2. Поиск опорного решения задачи;

Для нахождения опорного решения необходимо основные переменные приравнять к нулю, тогда дополнительные переменные будут равны соответствующим свободным членам:

Переменные, которые были в системе ограничений до приведения ее к каноническому виду, называются основными переменными задачи.

3. Нахождение базиса задачи

Переменные, отличные от нуля в опорном решении называются базисными переменными.

В нашем примере базисными переменными будут

4. Построение первой симплексной таблицы

На любом этапе задачи базисные переменные всегда равны соответствующим свободным членам.

Если задача решается на максимум, то коэффициенты целевой функции заносятся в С-строку (нижнюю, индексную) с противоположным знаком, а при решении задачи на минимум знак при коэффициентах не изменяют.

В первой симплексной таблице значение целевой функции равно 0, т.к. значение основных переменных равно 0.

5. Проверка плана на оптимальность

План считается оптимальным при решении задачи на максимум в том случае, если в индексной строке отсутствуют отрицательные коэффициенты.

При решении задачи на минимум наоборот добиваются не положительности коэффициентов индексной строки (С-строки).

В нашем случае план не оптимален, следовательно необходимо переходить к этапу последовательного улучшения плана.

6. Последовательное улучшение плана

Последовательное улучшение плана сводится к отысканию нового базиса задачи. Для перехода к новому базису из старого удаляется одна из переменных и вместо нее вводится другая из числа свободных.

Чтобы определить какую из переменных надо ввести в базис необходимо найти разрешающий столбец. Для этого просматриваем индексную строку симплексной таблицы:

ü если решаем задачу на максимум, то разрешающим будет столбец, содержащий наибольший по модулю отрицательный элемент:

ü если решаем задачу на минимум – то наибольший положительный:

В нашем случае разрешающим столбцом, будет столбец содержащий переменную х2.

Для определения переменной, которую необходимо из базиса вывести определяется разрешающая строка. Для ее определения необходимо вычислить симплексное отношение.

Среди полученных отношений выбирают наименьшее неотрицательное симплексное отношение (как при решении задачи на минимум, так и при решении на максимум). В нашем случае это строка содержащая переменную х4.

Нулевое симплексное отношение определяет разрешающую строку в том случае, если в знаменателе этого отношения находится положительное число.

Если получилось несколько одинаковых симплексных отношений, то выбирают любую строку в качестве разрешающей.

На пересечении разрешающей строки и столбца находится разрешающий элемент.

После отыскания разрешающего элемента переходят к построению новой симплексной таблицы. Построим макет новой симплексной таблицы. В нашем случае мы должны ввести в базис переменную х2, а вывести переменную х4.

Для расчета новой симплексной таблицы используют следующие правила:

ü На месте разрешающего элемента в новой таблице ставят 1;

ü Элементы новой таблицы, соответствующие разрешающему столбцу равны 0;

ü Элементы, соответствующие разрешающей строке в новой таблице рассчитываются путем деления каждого на разрешающий элемент;

ü Обыкновенные элементы (т.е. все остальные) рассчитываются по правилу прямоугольника, выраженному формулой:

b_ij – обыкновенный элемент новой симплексной таблицы;

a_rs – разрешающий элемент (в старой симплексной таблице);

a_ij – элемент главной диагонали прямоугольника старой симплексной таблицы;

a_is, a_rj – элементы побочной диагонали прямоугольника старой симплексной таблицы.

ВСЕ РАСЧЕТЫ ПРОИЗВОДЯТСЯ В СТАРОЙ СИМПЛЕКСНОЙ ТАБЛИЦЕ, В НОВУЮ ЗАНОСЯТСЯ ТОЛЬКО РЕЗУЛЬТАТЫ ЭТИХ РАСЧЕТОВ.

Смотрим новую симплексную таблицу и проверяем ее на условие оптимальности.

И так повторяем до тех пор, пока не выполнится условие оптимальности (не будет отрицательных элементов в индексной строке.

Для наглядности первую таблицу приведем еще раз.

Источник

Подробный разбор симплекс-метода

Пролог

Недавно появилась необходимость создать с нуля программу, реализующую алгоритм симплекс-метода. Но в ходе решения я столкнулся с проблемой: в интернете не так уж много ресурсов, на которых можно посмотреть подробный теоретический разбор алгоритма (его обоснование: почему мы делаем те или иные шаги) и советы по практической реализации — непосредственно, алгоритм. Тогда я дал себе обещание — как только завершу задачу, напишу свой пост на эту тему. Об этом, собственно, и поговорим.

Замечание. Пост будет написан достаточно формальным языком, но будет снабжен комментариями, которые должны внести некоторую ясность. Такой формат позволит сохранить научный подход и при этом, возможно, поможет некоторым в изучении данного вопроса.

§1. Постановка задачи линейного программирования

Определение: Линейное программирование – математическая дисциплина, посвященная теории и методам решения экстремальных задач на множествах n- мерного пространства, задаваемых системами линейными уравнений и неравенств.

Общая задача линейного программирования (далее – ЛП) имеет вид:

§2. Каноническая форма задачи ЛП

Каноническая форма задачи ЛП:

Замечание: Любая задача ЛП сводится к канонической.

Алгоритм перехода от произвольной задачи ЛП к канонической форме:

Замечание: ≥0.

§3. Угловые точки. Базисные/свободные переменные. Базисные решения

Определение: Точка называется угловой точкой, если представление возможно только при .

Иными словами, невозможно найти две точки в области, интервал проходящий через которые содержит (т.е. – не внутренняя точка).

Графический способ решения задачи ЛП показывает, что нахождение оптимального решения ассоциируется с угловой точкой. Это является основной концепцией при разработке симплекс-метода.

Определение: Пусть есть система m уравнений и n неизвестных (m

Источник

симплексное отношение

Найти отношение длин математических маятников, отношение периодов которых равно 2
6) Найти отношение длин математических маятников, отношение периодов которых равно 2.

Докажите что отношение делимости на множестве натуральных чисел есть отношение нестрогого порядка
Докажите что отношение делимости на множестве натуральных чисел есть отношение нестрогого порядка.

Доказать, что данное отношение есть отношение эквивалентности
Пускай на множестве NxN задано отношение ((a,b),(c,d)) є R a + d = c + b. Доказать, что данное.

берем допустим строку х1 ведущей, симплексное отношение определяется по формуле

для строки х8 получаем отношение 0/1=0, либо минимальное отношение берется в строке х6?

konsul777, хм. а откуда вы взяли такую формулу? Какая у вас целевая функция и ограничения?
Обычно, рассматривают только положительные значения. Предположу, что в вашем случае, наверное, все с точностью наоборот. Значит считать для элементов >=0 не нужно.

По-моему, вы правильно выбрали ключевой элемент. Почему вас смутил 0 в b?

Если у вас задание из методички, то решайте по тем формулам. Остаеться надеяться, что те задания были прорешены прежде чем их выдали студентам. В противном случае, советую воспользоваться нормальными формулами из литературы.

Не совсем понял вопрос, но я уверен, что вы легко его найдете в литературе. Краткое описание алгоритма на скриншотах:

Допустим выбрали ведущий столбец (по максимальному модулю отрицательного коэффициента в строке целевой функции), дальше ищем ведущую (разрешающую) строку, для ее определения, мы делим каждый элемент столбца свободных членов на соответствующий ему элемент в ведущем столбце, наименьшее значение деления и укажет, какая переменная покинет базис, т.е. какая строка станет разрешающей. Так вот мне не ясно, если один из свободных членов (в столбце В) равен нулю, для строки, в которой он встретился, нужно считать отношение 0/r или для этой строки это отношение не считается, а разрешающей выбирается другая строка с наименьшим значением от деления свободного члена на элемент в ведущем столбце, где результат этого деления больше нуля?

Добавлено через 56 минут
вроде как разобрался, если в ходе решения одна из базисных переменных становится равной нулю (коэффициент B=0), в этом случае речь идет о вырожденности базиса

konsul777, все, наконец-то я понял в чем вопрос. У вас один из элементов правой части B равен 0. Вы уверены, что правильно записали условие задачи? т.к в стандартной постановке на b наложено ограничение: b > 0

Добавлено через 6 минут
konsul777, в той книге, о которой я говорил, проблеме вырожденности посвещен пункт 5 второй главы.

Источник

Алгоритм и пример симплекс-метода (ММЭ)

Пример 5.1. Решить следующую задачу линейного программирования симплекс-методом:

Решение:

I итерация:

1 этап: формирование исходной симплекс-таблицы.

Исходная задача линейного программирования задана в стандартной форме. Приведем ее к каноническому виду путем введения в каждое из ограничений-неравенств дополнительной неотрицательной переменной, т.е.

В полученной системе уравнений примем в качестве разрешенных (базисных) переменные х3, х4, х5, х6, тогда свободными переменными будут х1,х2. Выразим базисные переменные через свободные:

Приведем целевую функцию к следующему виду:

На основе полученной задачи сформируем исходную симплекс-таблицу:

Таблица 5.3

Исходная симплекс-таблица

2 этап: определение базисного решения.

Согласно определению базисного решения свободные переменные равны нулю, а значения базисных переменных – соответствующим значениям свободных чисел, т.е.:

.

3 этап: проверка совместности системы ограничений ЗЛП.

На данной итерации (в таблице 5.3) признак несовместности системы ограничений (признак 1) не выявлен (т.е. нет строки с отрицательным свободным числом (кроме строки целевой функции), в которой не было бы хотя бы одного отрицательного элемента (т.е. отрицательного коэффициента при свободной переменной)).

4 этап: проверка ограниченности целевой функции.

На данной итерации (в таблице 5.3) признак неограниченности целевой функции (признак 2) не выявлен (т.е. нет колонки с отрицательным элементом в строке целевой функции (кроме колонки свободных чисел), в которой не было бы хотя бы одного положительного элемента).

5 этап: проверка допустимости найденного базисного решения.

Так как найденное базисное решение не содержит отрицательных компонент, то оно является допустимым.

6 этап: проверка оптимальности.

Найденное базисное решение не является оптимальным, так как согласно признаку оптимальности (признак 4) в строке целевой функции не должно быть отрицательных элементов (свободное число данной строки при рассмотрении данного признака не учитывается). Следовательно, согласно алгоритму симплекс-метода переходим к 8 этапу.

8 этап: определение разрешающего элемента.

8.1. Определение разрешающей колонки.

Так как найденное базисное решение допустимое, то поиск разрешающей колонки будем производить по следующей схеме: определяем колонки с отрицательными элементами в строке целевой функции (кроме колонки свободных чисел). Согласно таблице 5.3, таких колонок две: колонка «х1» и колонка «х2». Из таких колонок выбирается та, которая содержит наименьший элемент в строке целевой функции. Она и будет разрешающей. Колонка «х2» содержит наименьший элемент (–3) в сравнении с колонкой «х1». Следовательно, ее принимаем в качестве разрешенной.

8.2. Определение разрешающей строки.

Для определения разрешающей строки находим положительные оценочные отношения свободных чисел к элементам разрешающей колонки, строка, которой соответствует наименьшее положительное оценочное отношение, принимается в качестве разрешенной.

Таблица 5.4

Исходная симплекс-таблица

В таблице 5.4 наименьшее положительное оценочное отношение соответствует строке «х5», следовательно, она будет разрешающей.

Элемент, расположенный на пересечение разрешающей колонки и разрешающей строки, принимается в качестве разрешающего. В нашем примере – это элемент , который расположен на пересечении строки «х5» и колонки «х2».

9 этап: преобразование симплекс-таблицы.

Разрешающий элемент показывает одну базисную и одну свободную переменные, которые необходимо поменять местами в симплекс-таблице, для перехода к новому «улучшенному» базисному решению. В данном случае это переменные х5 и х2, в новой симплекс-таблице (таблице 5.5) их меняем местами.

9.1. Преобразование разрешающего элемента.

Разрешающий элемент таблицы 5.4 преобразовывается следующим образом:

Полученный результат вписываем в аналогичную клетку таблицы 5.5.

9.2. Преобразование разрешающей строки.

Элементы разрешающей строки таблицы 5.4 делим на разрешающий элемент данной симплекс-таблицы, результаты вписываются в аналогичные ячейки новой симплекс-таблицы (таблицы 5.5). Преобразования элементов разрешающей строки приведены в таблице 5.5.

9.3. Преобразование разрешающей колонки.

Элементы разрешающей колонки таблицы 5.4 делим на разрешающий элемент данной симплекс-таблицы, а результат берется с обратным знаком. Полученные результаты вписываются в аналогичные ячейки новой симплекс-таблицы (таблицы 5.5). Преобразования элементов разрешающей колонки приведены в таблице 5.5.

9.4. Преобразование остальных элементов симплекс-таблицы.

Преобразование остальных элементов симплекс-таблицы (т.е. элементов не расположенных в разрешающей строке и разрешающей колонке) осуществляется по правилу «прямоугольника».

К примеру, рассмотрим преобразование элемента, расположенного на пересечении строки «х3» и колонки «», условно обозначим его «х3». В таблице 5.4 мысленно вычерчиваем прямоугольник, одна вершина которого располагается в клетке, значение которой преобразуем (т.е. в клетке «х3»), а другая (диагональная вершина) – в клетке с разрешающим элементом. Две другие вершины (второй диагонали) определяются однозначно. Тогда преобразованное значение клетки «х3» будет равно прежнему значению данной клетки минус дробь, в знаменателе которой разрешающий элемент (из таблицы 5.4), а в числителе произведение двух других неиспользованных вершин, т.е.:

«х3»: .

Аналогично преобразуются значения других клеток:

«х3 х1»: ;

«х4»: ;

«х4 х1»: ;

«х6»: ;

«х6 х1»: ;

« »: ;

« х1»: .

В результате данных преобразований получили новую симплекс- таблицу (таблица 5.5).

II итерация:

1 этап: составление симплекс-таблицы.

По результатам симплекс-преобразований предыдущей итерации составляем новую симплекс-таблицу:

Таблица 5.5

Симплекс-таблица II итерации

Источник

Понятие и алгоритм

Под симплексным методом понимается последовательный переход от одного базисного нахождения системы решений к другому. Эта перестановка повторяется до тех пор, пока переменная величина цели не достигнет своего наибольшего или наименьшего значения. Такой подход является универсальным, его можно использовать для решения любой задачи последовательного программирования.

Метод был разработан в 1947 году математиком из США Бернардом Данцигом. Предложенный способ оказался весьма эффективным для решения задач, связанных с оптимизацией использования ограниченных ресурсов. То есть он позволяет оценить и откорректировать параметры системы, а также получить качественные аналитические результаты.

Существует два подхода решения задачи:

Первый можно использовать для оптимизационного решения двухмерных задач. Например, существует два производственных цикла по сборке ящиков. Выпуск товара характеризуется ограничением в поставках древесины и временем формовки изделия. Для одного необходимо 30 досок, а для другого — 40. Поставщики доставляют в неделю 2 тыс. единиц материала. Первый ящик собирается за 15 минут, а второй — за 30. Нужно определить, какое количество ящиков необходимо производить за неделю на первом конвейере и на втором. При этом первое изделие приносит 10 рублей прибыли, а второе — пять. Время изготовление ограничено 160 часами.

Решение заключается в принятии за Х1 и Х2 количество выпущенных ящиков. Затем — в нахождении максимальной еженедельной прибыли и описании процесса ограничения в виде уравнения.

Это типовая двухмерная задача, условия неотрицательности которой определяются границами прямых: 30*Х1 + 4 0*Х 2 ≤ 2000 (для досок) и 20*Х 1 ≤ 50*Х 2 = 1600 (для сборки). Отложив по оси ординат Х1, а Х2 по абсцисс, и указав на них точки соответствующие уравнениям, можно будет подобрать оптимальное решение для использования сырья и времени.

Графический метод удобно применять для двухмерных задач, но его невозможно использовать при решениях, связанных с размерностью, превышающей три. При этом во всех алгоритмах оптимальный результат принимается допустимым базисному. Симплекс-метод же является вычислительной процедурой, использующей принятое положение, описываемое в алгебраической форме.

Симплекс-метод при базисном решении

Впервые способ был изложен Данцигом в книге «Линейное программирование, его обобщения и применения», изданной на русском языке в 1966 году. Эта теория основывалась на вычислительной процедуре и представлялась в виде стандартных алгебраических форм. Основное направление метода заключается в указании способа нахождения опорного решения, переходе к другому, более оптимальному расчёту и определении критериев, позволяющих остановить перебор опорных вариантов.

Алгоритм решения задачи линейного программирования симплекс методом следующий:

Другими словами, указывается оптимальное опорное решение, способ перехода от одного нахождения ответа к другому, варианты улучшения расчётов. После нахождения первоначального решения с «единичным базисом» вычисляется оценка разложения векторов по базису и заполняется симплексная таблица.

В тех случаях, когда затруднительно найти первоначальный опорный план исходной задачи, используют метод с искусственным базисом. Это симплекс-метод с так называемой М-задачей (ММЭ), решаемый способом добавления к левой части системы уравнений искусственных единичных векторов. При этом новая матрица должна содержать группу единичных линейно-независимых векторов.

Двухфазный способ

Двойственный метод используется при анализе задач линейного программирования, записанного в форме основной задачи. При этом среди векторов, m уравнений, составленных из коэффициентов, должны быть единичные. Такой метод можно использовать, когда свободные члены уравнений являются любыми числами.

Например, существует ограниченность, описываемая функцией:

F = C 1 X 1+ C 2 X 2+…+ CnXn. Используется условие, что Х1Р1+Х2Р2+…+Х(m +1) P (m +1)+ +… XnPn = Р0, где Х j больше либо равно 0 (j =1, n). Принимается, что среди чисел bi (i =1, m) имеются отрицательные.

Решением будет выражение: х= (b1; b2;…; bm ;0;…;0), однако этот ответ не будет разрешать задание, так как к нему могут относиться и отрицательные числа. Так как векторы Р1, Р2… Рм единичные, то каждый из них можно описать линейной областью, состоящей из них же. При этом коэффициентами разложения векторов Рj по области будут числа: Xij = aij (i =1, m; j =1, n) по модулю.

Выражение х= ( b1; b2;…; bm ;0;…;0) определяется базисом. Называют его псевдоплан. Считается, что если дельта j больше либо равна нулю, то для любого: j ( j =1, n ) по модулю. В то же время если в псевдоплане с находимым базисом существует хотя бы одно отрицательное число, то тогда задача вообще не будет иметь планов. Но когда для этих отрицательных чисел верно, что аij меньше нуля, то можно будет перейти к новому псевдоплану.

Объяснение псевдоплана помогает построить алгоритм двойственного метода. Если взять за основу х = (b1; b2;…; bm ;0;…;0) и представить это выражение псевдопланом, то, учитывая исходные данные, можно составить симплекс-таблицу. В ней часть элементов будет отрицательная. Так как дельта j должна быть больше либо равна нулю, то при отсутствии таких чисел в таблице уже будет записан оптимальный план. В обратном случае выбирается по модулю наибольшее из чисел с минусом.

Принцип решения задачи включает следующее:

Если анализ оптимален, считается, что найдено верное решение. В другом случае устанавливается неразрешимость задачи либо составляется новый псевдоплан. Делается это в результате пересчёта табличных данных, например, методом Жордана-Гаусса.

Пример задачи

Использование метода линейного программирования распространено в решениях транспортных задач. Он помогает в целевых расчётах и нужен для минимизации затрат в условиях ограниченной грузоподъёмности и времени обслуживания заказчиков.

Задачи линейного программирования (ЗЛП) позволяют выбрать оптимальную загрузку при перемещении какого-либо товара из одних мест в другие. Во вводных данных указывается число пунктов отправления (м) и количество мест назначения (n). Первые обозначаются как А1, А2…Ам, а вторые – В1, В2…Вn. За аi принимается объём продукции на складе, а bi – потребность. Затраты на перевозку с i пункта в j обозначаются Сij.

Главная задача — составить план таким образом, чтобы общая стоимость была минимальна. Пусть дано четыре песчаных карьера, с которых необходимо поставить песок на четыре склада. При этом осуществляться перевозки должны за определённую стоимость. Составляем таблицу.

Записываем уравнение ограничения. Сумма всего перевезённого песка с первого карьера должна быть меньше или равна 140. Поэтому можно записать: x11+x12+x12+x14+T1 = 140, где Т1 переменная для хранения остатка. Сумма ограничений будет записана как х11+х21+х31 =115. Аналогичные уравнения составляют и для оставшихся карьеров.

В последней строчке прямоугольника проставляют сумму произведений Сб на этот столбец и вычитают значение суммы перемножения Сб с А0. Делают дополнительное вычисление. Для каждой строки А0 делят на выделенное число, ищут наименьший результат и умножают его на положительные числа из последней строки.

Наибольшее число определяется пересечением ранее выбранных значений, на базе которых создают новый базис. После в соответствии с единичными базисами меняют Сб и Хб. Операцию повторяют до тех пор, пока не исчезнут все положительные числа из последней строки. Заполняют новую таблицу.

Расчёт в Excel

Для включения пакета анализа в программе необходимо перейти в раздел «Параметры» и выбрать строчку «Перейти». В новом окне найти строчку «Пакет анализа», кликнуть по ней и нажать кнопку ОК.

Затем понадобится загрузить и открыть шаблон для проверки в Excel. Используя манипулятор типа «мышь» или клавиатуру, выбрать ячейку G4 и выполнить команду «Сервис/Поиск решения». Далее указать исходные данные, а после нажать кнопку «Выполнить».

Полученное решение можно представить в форме отчёта, содержащего:

Онлайн-сервис для чайников

Метод решения относится к высшей математике, поэтому в нём довольно трудно разобраться даже подготовленному человеку, не говоря уже о чайнике. Существует некоторое количество сайтов с подробным онлайн-решением методом симплекса. На таких сервисах предлагается ввести количество переменных и строк (ограничений). А далее просто заполнить симплекс-таблицу и нажать расчёт. Причём при необходимости вводимые данные можно править, тем самым видеть, как изменяется результат от изменения исходной информации.

Удобным является ещё и то, что обычно на сайтах предлагается создать шаблон решения в Excel или Maple. Решаться любая задача будет почти мгновенно. Подробно можно выполнить расчёт онлайн-калькулятор по методу симплекса на следующих сайтах:

Выполнить расчёт с помощью онлайн-сервисов сможет любой. При этом вероятность ошибки в ответе стремится к нулю. Тем более что для решения задачи даже необязательно знать принцип симплекс-метода.

Источник