Целочисленное программирование. Метод ветвей и границ

Необходимо найти максимальное значение целевой функции F = 4x1+3x2 → max, при системе ограничений:

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x1≥0

(3)

x2≥0

(4)

где x1, x1 - целые числа.

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

Рисунок 1 - Решение задач линейного программирования графическим методом online
или
Решение задач линейного программирования графическим методом online

Границы области допустимых решений
Пересечением полуплоскостей будет являться область, координаты точек которого удовлетворяют условию неравенствам системы ограничений задачи.
Обозначим границы области многоугольника решений.
Рисунок 2 - Решение задач линейного программирования графическим методом

Рассмотрим целевую функцию задачи F = 4x1+3x2 → max.
Построим прямую, отвечающую значению функции F = 0: F = 4x1+3x2 = 0. Будем двигать эту прямую параллельным образом. Поскольку нас интересует максимальное решение, поэтому двигаем прямую до последнего касания обозначенной области. На графике эта прямая обозначена пунктирной линией.
Рисунок 3 - Пример решения графическим методом

Равный масштаб
Рисунок 4 - Линейное программирование. Графический метод

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (1) и (2), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
3x1+2x2≤16
2x1+3x2≤18

Решив систему уравнений, получим: x1 = 2.4, x2 = 4.4
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*2.4 + 3*4.4 = 22.8
Оптимальное значение переменной x1=2.4 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 1 на две подзадачи 11 и 12.
В первой из них к условиям задачи 11 добавляется условие х1 ≥ 3, а к задаче 12 — условие х1 ≤ 2.
Эта процедура называется ветвлением по переменной х1.


Решим графически задачу 11 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x1≥3

(3)

x1≥0

(4)

x2≥0

(5)

Область допустимых решений представляет собой треугольник.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке B. Так как точка B получена в результате пересечения прямых (1) и (3), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
3x1+2x2≤16
x1≥3

Решив систему уравнений, получим: x1 = 3, x2 = 3.5
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*3 + 3*3.5 = 22.5
Целочисленное программирование. Графический метод


Решим графически задачу 12 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x1≤2

(3)

x1≥0

(4)

x2≥0

(5)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке D. Так как точка D получена в результате пересечения прямых (2) и (3), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x1+3x2≤18
x1≤2

Решив систему уравнений, получим: x1 = 2, x2 = 4.6667
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*2 + 3*4.6667 = 22
Целочисленное программирование. Графический метод
Оптимальное значение переменной x2=3.5 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 11 на две подзадачи 111 и 112.
В первой из них к условиям задачи 111 добавляется условие х2 ≥ 4, а к задаче 112 — условие х2 ≤ 3.


Решим графически задачу 111 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x1≥3

(3)

x2≥4

(4)

x1≥0

(5)

x2≥0

(6)


Задача не имеет допустимых решений. ОДР представляет собой пустое множество (рис. б).

Многоугольные области: а - ограниченное множество; б - пустое множество; в - неограниченное множество
Целочисленное программирование. Графический метод


Задача 111 не имеет решения, поэтому для нее процесс ветвления прерываем.


Решим графически задачу 112 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x1≥3

(3)

x2≤3

(4)

x1≥0

(5)

x2≥0

(6)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (1) и (4), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
3x1+2x2≤16
x2≤3

Решив систему уравнений, получим: x1 = 3.3333, x2 = 3
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*3.3333 + 3*3 = 22.3333
Целочисленное программирование. Графический метод

Оптимальное значение переменной x1=3.33 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 112 на две подзадачи 1121 и 1122.
В первой из них к условиям задачи 1121 добавляется условие х1 ≥ 4, а к задаче 1122 — условие х1 ≤ 3.


Решим графически задачу 1121 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x1≥3

(3)

x2≤3

(4)

x1≥4

(5)

x1≥0

(6)

x2≥0

(7)

Область допустимых решений представляет собой треугольник.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке B. Так как точка B получена в результате пересечения прямых (1) и (5), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
3x1+2x2≤16
x1≥4

Решив систему уравнений, получим: x1 = 4, x2 = 2
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*4 + 3*2 = 22
Целочисленное программирование. Графический метод

Решение задачи получилось целочисленным.
Новое значение текущего рекорда будет равно F(X) = 22.
Так как найденная точка является первым целочисленным решением, то ее и соответствующее ей значение ЦФ следует запомнить. Сама точка называется текущим целочисленным рекордом или просто рекордом, а оптимальное значение целочисленной задачи — текущим значением рекорда. Это значение является нижней границей оптимального значения исходной задачи Z*.


Решим графически задачу 1122 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x1≥3

(3)

x2≤3

(4)

x1≤3

(5)

x1≥0

(6)

x2≥0

(7)


Сведем систему ограничений к следующему виду:

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x1=3

(3)

x2≤3

(4)

x1≥0

(5)

x2≥0

(6)

Область допустимых решений представляет собой одну точку.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке B. Так как точка B получена в результате пересечения прямых (3) и (4), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
x1=3
x2≤3

Решив систему уравнений, получим: x1 = 3, x2 = 3
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*3 + 3*3 = 21
Целочисленное программирование. Графический метод


Текущий рекорд Z=22≥21, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины
Оптимальное значение переменной x2=4.4 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 1 на две подзадачи 11 и 12.
В первой из них к условиям задачи 11 добавляется условие х2 ≥ 5, а к задаче 12 — условие х2 ≤ 4.
Эта процедура называется ветвлением по переменной х2.


Решим графически задачу 11 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2≥5

(3)

x1≥0

(4)

x2≥0

(5)

Область допустимых решений представляет собой треугольник.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (2) и (3), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x1+3x2≤18
x2≥5

Решив систему уравнений, получим: x1 = 1.5, x2 = 5
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*1.5 + 3*5 = 21
Целочисленное программирование. Графический метод

Текущий рекорд Z=22≥21, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины


Решим графически задачу 12 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2≤4

(3)

x1≥0

(4)

x2≥0

(5)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (1) и (3), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
3x1+2x2≤16
x2≤4

Решив систему уравнений, получим: x1 = 2.6667, x2 = 4
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*2.6667 + 3*4 = 22.6667
Целочисленное программирование. Графический метод

Оптимальное значение переменной x1=2.67 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 12 на две подзадачи 121 и 122.
В первой из них к условиям задачи 121 добавляется условие х1 ≥ 3, а к задаче 122 — условие х1 ≤ 2.


Решим графически задачу 121 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2≤4

(3)

x1≥3

(4)

x1≥0

(5)

x2≥0

(6)

Область допустимых решений представляет собой треугольник.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке B. Так как точка B получена в результате пересечения прямых (1) и (4), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
3x1+2x2≤16
x1≥3

Решив систему уравнений, получим: x1 = 3, x2 = 3.5
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*3 + 3*3.5 = 22.5
Целочисленное программирование. Графический метод


Решим графически задачу 122 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2≤4

(3)

x1≤2

(4)

x1≥0

(5)

x2≥0

(6)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке D. Так как точка D получена в результате пересечения прямых (3) и (4), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
x2≤4
x1≤2

Решив систему уравнений, получим: x1 = 2, x2 = 4
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*2 + 3*4 = 20
Целочисленное программирование. Графический метод


Текущий рекорд Z=22≥20, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины
Оптимальное значение переменной x2=3.5 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 121 на две подзадачи 1211 и 1212.
В первой из них к условиям задачи 1211 добавляется условие х2 ≥ 4, а к задаче 1212 — условие х2 ≤ 3.


Решим графически задачу 1211 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2≤4

(3)

x1≥3

(4)

x2≥4

(5)

x1≥0

(6)

x2≥0

(7)


Сведем систему ограничений к следующему виду:

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2=4

(3)

x1≥3

(4)

x1≥0

(5)

x2≥0

(6)


Задача не имеет допустимых решений. ОДР представляет собой пустое множество (рис. б).

Многоугольные области: а - ограниченное множество; б - пустое множество; в - неограниченное множество
Целочисленное программирование. Графический метод


Задача 1211 не имеет решения, поэтому для нее процесс ветвления прерываем.


Решим графически задачу 1212 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2≤4

(3)

x1≥3

(4)

x2≤3

(5)

x1≥0

(6)

x2≥0

(7)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (1) и (5), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
3x1+2x2≤16
x2≤3

Решив систему уравнений, получим: x1 = 3.3333, x2 = 3
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*3.3333 + 3*3 = 22.3333
Целочисленное программирование. Графический метод

Оптимальное значение переменной x1=3.33 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 1212 на две подзадачи 12121 и 12122.
В первой из них к условиям задачи 12121 добавляется условие х1 ≥ 4, а к задаче 12122 — условие х1 ≤ 3.


Решим графически задачу 12121 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2≤4

(3)

x1≥3

(4)

x2≤3

(5)

x1≥4

(6)

x1≥0

(7)

x2≥0

(8)

Область допустимых решений представляет собой треугольник.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке B. Так как точка B получена в результате пересечения прямых (1) и (6), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
3x1+2x2≤16
x1≥4

Решив систему уравнений, получим: x1 = 4, x2 = 2
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*4 + 3*2 = 22
Целочисленное программирование. Графический метод


Текущий рекорд Z=22≥22, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины


Решим графически задачу 12122 как задачу ЛП.

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2≤4

(3)

x1≥3

(4)

x2≤3

(5)

x1≤3

(6)

x1≥0

(7)

x2≥0

(8)


Сведем систему ограничений к следующему виду:

3x1+2x2≤16

(1)

2x1+3x2≤18

(2)

x2≤4

(3)

x1=3

(4)

x2≤3

(5)

x1≥0

(6)

x2≥0

(7)

Область допустимых решений представляет собой одну точку.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке B. Так как точка B получена в результате пересечения прямых (4) и (5), то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
x1=3
x2≤3

Решив систему уравнений, получим: x1 = 3, x2 = 3
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 4*3 + 3*3 = 21
Целочисленное программирование. Графический метод


Текущий рекорд Z=22≥21, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины
F(X) = 22
x1 = 4
x2 = 2
Дерево решения задачи

Скачать в Word

Рейтинг@Mail.ru

Copyright © Semestr.RU 2006-2013 г ЛП онлайн