Математическое программирование

Математическое программирование для студентов сельхозакадемии

Математическое программирование для студентов сельскохозяйственной академии

СИММЕТРИЧНЫЕ ДВОЙСТВЕННЫЕ ЗАДАЧИ

1. Двойственность в линейном программировании

Рассмотрим пару задач следующего вида:

(I)

(II)

Задачу (I) называют прямой задачей ЛП, а (II) – двойственной. Но задача, двойственная к (II), есть исходная прямая задача (I). Поэтому можно считать любую из такой пары задач прямой, а другую двойственной. Неравенства задач (I) и (II), соответствующие друг другу, называются сопряженными (они отмечены стрелочками). Множество оптимальных решений задач (I) и (II) будем обозначать DI и DII соответственно.

Для каждой задачи ЛП можно построить двойственную ей задачу по правилам:

1) если прямая задача на максимум, то двойственная ей – на минимум (и наоборот).
2) неравенствам прямой задачи соответствуют неотрицательные переменные двойственной задачи; уравнениям соответствуют переменные, не имеющие ограничения на знак (и наоборот).

Пример 1.

Построить двойственную задачу к следующей задаче линейного программирования
2×1 – x2 ? 3
— 3 x1 + 2×2 ? -1
— x1 + x2 = -2
x1 ? 0
Zmax = 5×1 – x2

Так как данная задача на максимум, то двойственная к ней будет задачей на минимум. Однако прежде чем ее строить, необходимо согласовать знаки неравенств в ограничениях задачи с целевой функцией. Задаче на максимум соответствует знак ?, а задаче на минимум ?. Поэтому умножим второе неравенство на (-1). Затем каждому неравенству прямой задачи сопоставим неотрицательную переменную двойственной задачи, а равенству – переменную произвольного знака, и наоборот. Получим пару двойственных задач линейного программирования:

(I) (II)
Zmax = 5×1 – x2
2×1 – x2 ? 3
— 3 x1 + 2×2 ? -1
— x1 + x2 = -2
x1 ? 0
x2 – любое
Wmin = 3y1 + y2 – 2y3
y1 ? 0
y2 ? 0
y3 – любое
2y1 + 3y2 – y3 ? 5
— y1 – 2y2 + y3 = -1

Двойственность является одним из фундаментальных понятий в теории линейного программирования. Исключительно важную роль играют следующие утверждения, получившие названия теорем двойственности.

Первая теорема двойственности

Если одна из пары двойственных задач (I), (II) разрешима, то разрешима и другая задач, причем оптимальные значения целевых функций совпадают, т.е. Z(x*) = W(y*), где x* и y* — оптимальные решения задач (I), (II) соответственно.

Говорят, что оптимальные решения x € DI и y € DII удовлетворяют условиям дополняющей нежесткости (УДН), если при подстановке этих векторов в любую пару сопряженных неравенств, хотя бы одно из них обращается в равенство.

Вторая теорема двойственности

Решения xDI и yDII оптимальны в задачах (I), (II) тогда и только тогда, когда они удовлетворяют УДН.

Пример 2. Задача о распределении ресурсов.

Предприятие планирует использовать отходы основного производства. Для этого намечается выпускать два вида изделий из трех видов ресурсов. Нормы расхода каждого ресурса на единицу продукции каждого вида, запасы ресурсов и доход от реализации единицы товара приведены в таблице:

Ресурсы

Затраты ресурсов

Запасы ресурсов

I изд

II изд

1

3

3

15

2

2

6

18

3

4

0

16

Доход

2

3

max

Кроме того, изучение рынка сбыта показало, что объем выпуска изделий I не должен превышать объем выпуска изделий II более, чем на 3 единицы. Какое количество изделий каждого вида должно выпускать предприятие, чтобы суммарный доход был максимален?

Математическая запись задачи ЛП:
3×1 + 3×2 ? 15
2×1 + 6×2 ? 18
4×1 ? 16
x1 — x2 ? 3
x1 ? 0, x2 ? 0
Zmax = 2×1 + 3×2     Ответ: Zmax = 12, Хопт = (3,2)

Пример 3. Решить двойственную задачу к задаче о распределении ресурсов из примера 2, используя теоремы двойственности.

Выпишем пару двойственных задач.

(I) (II)
Zmax = 2×1 + 3×2
3×1 + 3×2 ? 15
2×1 + 6×2 ? 18
4×1 ? 16
x1 — x2 ? 3
x1 ? 0
x2 ? 0
Wmin = 15y1 + 18y2 + 16y3 + 3y4
y1 ? 0
y2 ? 0
y3 ? 0
y4 ? 0
3y1 + 2y2 + 4y3 + y4 ? 0
3y1 + 6y2 — y4 ? 0

Выпишем условия дополняющей нежесткости (УДН), используя каждую пару сопряженных неравенств:

(3х1 + 3х2 — 15)у1 = 0
(2х1 + 3х2 — 18)у2 = 0
(4х1 — 16)у3 = 0
(х1 — х2 — 3)у4 = 0
х1(3у1 + 2у2 + 4у3 + у4 — 2) = 0
х2(3у1 + 6у2 — у4 — 3) = 0

Решение задачи (I) нам известно: Хопт = (3,2) – оптимальное решение, Zmax = 12. По первой теореме двойственности задача (II) также разрешима, причем Zmax = Wmin = 12. Найдем оптимальное решение Уопт = (у1*, у2*, у3*, у4*) задачи (II), используя вторую теорему двойственности. подставим координаты векторов Хопт и Уопт в УДН. Получим:

(3*3 + 3*2 — 15)у1* = 0
(2*3 + 3*2 — 18)у2* = 0
(4*3 — 16)у3* = 0
(1*3 – 1*2 — 3)у4* = 0
3*(3у1* + 2у2* + 4у3* + у4* — 2) = 0
2*(3у1* + 6у2* — у4* — 3) = 0

Так как в третьем уравнении выражение в скобках не равно нулю (4*3 – 16 = -4), то в силу УДН неравенство у3*?0 должно выполняться как равенство, то есть у3*=0. Аналогично получаем у4*=0. Далее, так как х1* = 3, х2*= 2, то в силу УДН 3у1* + 2у2* + 4у3* + у4* — 2 = 0, 3у1* + 6у2* — у4* — 3 = 0.

Получаем систему линейных уравнений:

у3*=0
у4*=0
3у1* + 2у2* + 4у3* + у4* — 2 = 0
3у1* + 6у2* — у4* — 3 = 0
у3*=0
у4*=0
3у1* + 2у2* = 2
3у1* + 6у2* = 3
у3*=0
у4*=0
у1* = 1/2
у2* = 1/4

Решения Хопт = (3,2) € DI и Уопт = (1/2, 1/4, 0, 0) € DII удовлетворяют УДН и, следовательно, в силу второй теоремы двойственности, являются оптимальными в задачах (I) и (II) соответственно.

2. Экономическая интерпретация двойственных переменных и теорем двойственности

Если задача ЛП имеет содержательный экономический смысл, то и двойственная к ней задача также имеет экономический смысл. При этом связь между прямой и двойственной задачами ЛП, устанавливае­мая теоремами двойственности, получает содержательную экономиче­скую трактовку.

Рассмотрим задачу о распределении ресурсов и двойственную к ней задачу ЛП. Предположим, что при изучении вопроса об использовании ресурсов появилась возможность их прямой реализации. Спрашивает­ся, какую минимальную цену нужно установить за единицу каждого сырья, чтобы доход от реализации всех видов сырья не был меньше до­ходов от реализации продукции, которая могла быть выпущена из это­го сырья. Обозначим за уi предполагаемую цену i—го сырья. Каждому линейному ограничению первой задачи (то есть каждому ресурсу) ста­вится в соответствие неотрицательная переменная, i = 1, …, 4. Эти переменные удовлетворяют двум линейным неравенствам, каждое из которых связывает затраты всех ресурсов на производство единицы продукции с величиной получаемого при этом дохода. Так как правые части неравенств задачи (II) измеряются в единицах стоимости, то и левые части должны измеряться в этих же единицах. То есть перемен­ные уiэто некоторые условные цены ресурсов. Линейные ограниче­ния задачи (II) означают, что эти условные цены должны быть таки­ми, чтобы суммарная условная цена всех ресурсов, затрачиваемых на производство единицы продукции, была не меньше дохода от продажи единицы продукции.

Целевая функция W = 15y1 + 18y2 + 16y3 + 3y4 выражает сум­марную условную цену всех имеющихся запасов ресурсов. Согласно первой теореме двойственности для оптимальных векторов Хопт = (3,2) и Уопт = (1/2, 1/4, 0, 0) имеет место равенство Z = W = 12, То есть максимальный доход от продажи всей готовой продукции совпадает с минимальной условной ценой всех ресурсов. Оптимальные условные цены указывают, какова наименьшая стоимость ресурсов, дающая воз­можность обращения этих ресурсов в продукцию.

В силу второй теоремы двойственности оптимальный план Хопти оптимальный вектор условных цен Уоптдолжны удовлетворять УДН. Это означает что:

1) если при производстве продукции в соответствии с оптимальным планом Хопткакой-то ресурс не расходуется полностью ( в нашем при­мере это ресурсы 3 и 4, так как 4 — 3 = 12 < 16 и 1*3 — 1*2 = 1 < 3. соответственно), то их условные цены равны нулю (у3=0 и у4=0). И наоборот, ресурсы, имеющие ненулевую оптимальную условную цену, используются полностью (из у1*=1/2 и у2*= 1/4 следует, соответ­ственно, 3*3 + 3*2 = 15, 2*3 + 6*2 = 18);

2) если при оптимальном способе производства продукция с номером iвыпускается (в нашем случае и первая, и вторая продукция, так как х1 = 3 > 0, х2 = 2 > 0), то производство этой продукции неубыточ­но, поскольку суммарные условные цены затрат на производство этой продукции равны доходу от ее реализации (3у1* + 2у2* + 4у3* + у4* — 2 = 0, 3у1* + 6у2* — у4* — 3 = 0). И наоборот, продукция, издержки на производ­ство которой превышают доход от нее, при оптимальном производстве не должна выпускаться, соответствующая переменная хi*

должна быть равна нулю (в нашем примере такая продукция отсутствует).

Дополнительные переменные х3, х4, х5, х6, введенные в задачу (I) при решении симплекс-методом, можно экономически истол­ковать как количество единиц неизрасходованного сырья соответству­ющего вида. В оптимальной (последней) симплексной табли­це х3 = 0, х4 = 0, поэтому первый п второй ресурсы оптимальным пла­ном расходуются полностью, эти ресурсы дефицитные, и их опенки у1*= 1/2, у2* = 1/4 — положительны. Переменные х5 и х6 не равны нулю (х5 = 4, х6 = 2), третий и четвертый ресурсы расходуются не полно­стью, они остаются, соответственно, в количестве 4 и 2 единиц. Эти ресурсы недефицитные, их оценки у3*= у4*= 0.