Kapittel 3: degenerasjon.

Like dokumenter
LP. Leksjon 3. Kapittel 3: degenerasjon.

Kapittel 2: simpleksmetoden, forts.

LP. Leksjon 2. Kapittel 2: simpleksmetoden, forts. initialisering to faser ubegrenset løsning geometri

Kapittel 1 og 2: eksempel og simpleksmetoden

LP. Leksjon 1. Kapittel 1 og 2: eksempel og simpleksmetoden

Kapittel 4: effektivitet av simpleksmetoden

LP. Leksjon 4. Kapittel 4: effektivitet av simpleksmetoden

LP. Leksjon 5. Kapittel 5: dualitetsteori. motivasjon det duale problemet svak og sterk dualitet det duale til LP problemer på andre former

LP. Leksjon 6: Kap. 6: simpleksmetoden i matriseform, og Seksjon 7.1: følsomhetsanalyse

Kapittel 5: dualitetsteori

UNIVERSITETET I OSLO

LP. Leksjon 9: Kapittel 13: Nettverk strøm problemer, forts.2

η = 2x 1 + x 2 + x 3 x 1 + x 2 + x 3 + 2x 4 3 x x 3 4 2x 1 + x 3 + 5x 4 1 w 1 =3 x 1 x 2 x 3 2x 4 w 2 =4 x 1 x 3 w 3 =1 2x 1 x 3 5x 4

UNIVERSITETET I OSLO

LP. Leksjon 8: Kapittel 13: Nettverk strøm problemer, forts.1

LP. Leksjon 7. Kapittel 13: Nettverk strøm problemer

UNIVERSITETET I OSLO

Moderne optimering mer enn å derivere!!

Lineære likningssystemer og matriser

LP. Kap. 17: indrepunktsmetoder

ingen Fase I nødvendig konvergerer dersom LP er begrenset og konsistent skifter mellom primal og dual pivotering MoD233 - Geir Hasle - Leksjon 8 2

LP. Leksjon Spillteori

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

Gauss-Jordan eliminasjon; redusert echelonform. Forelesning, TMA4110 Fredag 18/9. Reduserte echelonmatriser. Reduserte echelonmatriser (forts.

Egenverdier og egenvektorer

Avanserte flytalgoritmer

Lineære ligningssystemer. Forelesning, TMA4110 Torsdag 17/9. Lineære ligningssystemer (forts.) Eksempler

Lineærtransformasjoner

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

Innhold og forelesningsplan Eksempler på LP Begreper Løsning av enkelt eksempel Praktisk relevans Leksjon 2: Simpleksmetoden for løsning av LP

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

Lineære likningssett.

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

Repetisjon: om avsn og kap. 3 i Lay

6.5 Minste kvadraters problemer

Matematikk 1 (TMA4100)

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

6.4 (og 6.7) Gram-Schmidt prosessen

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

MAT Onsdag 7. april Lineær uavhengighet (forts. 1.8 Underrom av R n, nullrom, basis MAT Våren UiO. 7.

Repetisjon: Om avsn og kap. 3 i Lay

MAT1120 Repetisjon Kap. 1, 2 og 3

MAT 1110: Bruk av redusert trappeform

4 Matriser TMA4110 høsten 2018

6.4 Gram-Schmidt prosessen

x 1 x 2 x = x n b 1 b 2 b = b m Det kan være vanskelig (beregningsmessig) og bearbeide utrykk som inneholder

Sekventkalkyle for utsagnslogikk

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN HØST 2012 I TIØ4120 OPERASJONSANALYSE, GRUNNKURS

Side 1 av 13. Svar til. EKSAMEN I EMNE TIØ4120 OPERASJONSANALYSE, GK Torsdag 2. desember 2010 Tid: kl Bokmål

Diagonalisering. Kapittel 10

Løsningsforslag øving 6

7 Egenverdier og egenvektorer TMA4110 høsten 2018

10 Radrommet, kolonnerommet og nullrommet

Spesialisering i økonomistyring og investeringsanalyse DST 9530

LØSNINGSFORSLAG KONTINUASJONSEKSAMEN VÅR 2013 I TIØ4120 OPERASJONSANALYSE, GK

Forelesning i Matte 3

13 Oppsummering til Ch. 5.1, 5.2 og 8.5

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

Løsningsforslag øving 7

Sensitivitet og kondisjonering

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

Eksamensoppgave i MA1201 Lineær algebra og geometri

Korteste vei problemet (seksjon 15.3)

Obligatorisk innleveringsoppgave, løsning Lineær algebra, Våren 2006

INF3140 Modeller for parallellitet INF3140/4140: Programanalyse

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

Kontinuasjonseksamen i tdt4125 Algoritmekonstruksjon, videregående kurs

MA1201, , Kandidatnummer:... Side 1 av 5. x =.

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

12 Projeksjon TMA4110 høsten 2018

Homogene lineære ligningssystem, Matriseoperasjoner

Reelle tall på datamaskin

MAT3000/ Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse

Lineære likningssystemer

5.5 Komplekse egenverdier

Avdeling for lærerutdanning. Lineær algebra. for allmennlærerutdanningen. Inger Christin Borge

Løsningsforslag til prøveunderveiseksamen i MAT-INF 1100, H-03

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

4.4 Koordinatsystemer

12 Diagonalisering av matriser og operatorer (Ch. 5.1, 5.2 og 8.5)

Løsningsforslag Øving 5 TMA4140 Diskret matematikk Høsten 2010

Opp til nå har problemstilling vart: Gitt en funksjon f, finn for hvilket verdier av de variabler f tar en bestemt verdi. Ax = b, f(x) = 0.

Noen regneregler som brukes i Keynes-modeller

Forelesning 14 torsdag den 2. oktober

Egenverdier for 2 2 matriser

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

MAUMAT644 ALGEBRA vår 2016 Første samling Runar Ile

4.4 Koordinatsystemer

45011 Algoritmer og datastrukturer Løsningsforslag eksamen 13. januar 1992

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

(a) R n defineres som mengden av kolonnevektorer. a 1 a 2. a n. (b) R n defineres som mengden av radvektorer

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

Forelesning 25. MAT1030 Diskret Matematikk. Litt repetisjon. Litt repetisjon. Forelesning 25: Trær. Dag Normann

MAT1030 Forelesning 25

6 Determinanter TMA4110 høsten 2018

Transkript:

LP. Leksjon 3 Kapittel 3: degenerasjon. degenerasjon eksempel på sirkling den leksikografiske metoden andre pivoteringsregler fundamentaleoremet i LP LP. Leksjon 3: #1 of 15

Repetisjon simpleksalgoritmen: sekvens av pivoteringer med tillatt startbasisliste (tillatt basisløsning) simpleksmetoden: 2 ganger simpleksalgoritmen: Fase I og Fase II Fase I: løser fase I problemet for å finne, om mulig, en initiell tillatt løsning. I så fallfår vi også en tillatt startbasisliste for neste oppgave Fase II: løser fase I problemet med løsningen fra Fase I som startløsning. Finner ved simpleksalgoritmen en optimal løsning av det opprinnelige LP problemet ubegrenset problem: ingen basisvariabel blir null, og finner da en stråle der η går mot uendelig LP. Leksjon 3: #2 of 15

Degenerasjon Betrakt LP problemet: maksimer n j=1 c j x j forutsatt at n j=1 a i,jx j b i for i = 1,...,m x j 0 for j = 1,...,n. Ved starten av en pivotering har vi en basisliste: η = η + j N c j x j x i = b i j N ā i,j x j for i B. Vi kaller basislisten degenerert dersom b i = 0 for minst en i. Vihardaendegenerert basisløsning. Merk at vi alltid har b i 0. Hvorfor? Jo, det er slik vi starter og dette bevares under hver pivotering fordi vi ikke øker inngående variable for mye. Hittil har vi antatt at b i > 0. Konsekvens: vi har alltid kunnet øke inngående basisvariable til en positiv verdi. LP. Leksjon 3: #3 of 15

Degenerasjon Degenerasjon og problemer: degenerasjon behøver ikke gi problemer degenerasjon kan gi problemer. F.eks. kan en basisliste være degenerert basisliste være optimal η = 2 3x 4 x 5 x 1 = 1 + x 4 + x 5 x 2 = 2 + 5x 4 + x 5 x 3 = x 5 Helt uproblematisk. Tilsvarende ved ubegrenset løsning. Men: hvis en degenerert basisliste gir en degenerert pivotering,kanvifå problemer. Dette betyr at inngående variabel ikke kan økes θ = 0). Eksempel: η = 2 + 3x 4 x 5 x 1 = x 4 + x 5 x 2 = 2 + 5x 4 + x 5 x 3 = x 5 LP. Leksjon 3: #4 of 15

Degenerasjon Vi ønsker åøkex 4, men ser at dette ikke er mulig fordi da blir x 1 negativ. Vi kan likevel gjøre denne degenererte pivoteringen ved åtax 4 inn og x 1 ut av basis. Men løsningen x er den samme og derfor vil ikke η endre seg. Altså: vi har gjort en pivotering, men står likevel stille (i IR n ). Gir degenererte pivoteringer problemer? Ikke nødvendigvis. Men hvis vi får en sekvens av bare degenererte pivoteringer der vi f.eks. etter 10 slike pivoteringer kommer tilbake til samme basis, da har vi et problem! For da vil denne sekvensen på10 pivoteringer gjentas i det uendelige, og algoritmen vil da ikke finne optimal løsning. Dette fenomenet kalles sirkling. Verdt å vite om degenerasjon og sirkling: sirkling er knapt noe problem i praksis. ForLP problemer i praktiske situasjoner er knapt noen forekomst av sirkling rapportert. degenerasjon forkommer ofte i praktiske LP problemer. Dette er et problem fordi av og til er mange, kanskje de fleste, pivoteringene degenererte. Men dette er ikke nødvendigvis lett å unngå (med simpleksalgoritmen). sirkling kan forekomme. Første eksempel påetlp problem med sirkling ble funnet i 1953 av Alan Hoffman. LP. Leksjon 3: #5 of 15

Sirkling, eksempel Bruker pivoteringsregel: velg inngående variable med c j størst mulig, og utgående variabel med lavest indeks. Basisliste 0: η = 10x 1 57x 2 9x 3 24x 4 w 1 = 0.5x 1 + 5.5x 2 + 2.5x 3 9x 4 w 2 = 0.5x 1 + 1.5x 2 + 0.5x 3 x 4 w 3 = 1 x 1 Basisliste 1: η = 20w 1 + 53x 2 + 41x 3 204x 4 x 1 = 2w 1 + 11x 2 + 5x 3 18x 4 w 2 = w 1 4x 2 2x 3 + 8x 4 w 3 = 1 + 2w 1 11x 2 5x 3 + 18x 4 Basisliste 2: η = 6.75w 1 13.25w 2 + 14.5x 3 98x 4 x 1 = 0.75w 1 2.75w 2 0.5x 3 + 4x 4 x 2 = 0.25w 1 0.254w 2 0.5x 3 + 2x 4 w 3 = 1 0.75w 1 13.25w 2 + 0.5x 3 4x 4 LP. Leksjon 3: #6 of 15

Sirkling, eksempel Basisliste 3: η = 15w 1 93w 2 29x 1 + 18x 4 x 3 = 1.5w 1 5.5w 2 2x 1 + 8x 4 x 2 = 0.5w 1 + 2.5w 2 + x 1 2x 4 w 3 = 1 x 1 Basisliste 4: η = 10.5w 1 70.5w 2 20x 1 9x 2 x 3 = 0.5w 1 + 4.5w 2 + 2x 1 4x 2 x 4 = 0.25w 1 + 1.25w 2 + 0.5x 1 0.5x 2 w 3 = 1 x 1 Basisliste 5: η = 21x 3 + 24w 2 + 22x 1 93x 2 w 1 = 2x 3 + 9w 2 + 4x 1 8x 2 x 4 = 0.5x 3 w 2 0.5x 1 + 1.5x 2 w 3 = 1 x 1 LP. Leksjon 3: #7 of 15

Terminering Basisliste 6: η = 10x 1 57x 2 9x 3 24x 4 w 1 = 0.5x 1 + 5.5x 2 + 2.5x 3 9x 4 w 2 = 0.5x 1 + 1.5x 2 + 0.5x 3 x 4 w 3 = 1 x 1 Vi ser at basisliste 6 er den samme som basisliste 0, så vi får sirkling! Sirkling er derfor et (teoretisk) problem. Men sirkling viser seg å være det eneste problemet vi kan få, fordi... TEOREM 3.1: Hvis simpleksmetoden ikke terminerer, så må den sirkle. Bevis: Hvor mange basislister finnes? En øvre skranke er m + n n = (m + n)!/(n!m!) som er antall måter å velge m elementer (basisvariablene) blant n + m elementer (alle variablene). (Mange av disse valgene vil faktisk ikke go basislister.) Hvis simpleksmetoden ikke terminerer, vil en av disse basislistene forekomme to ganger, og vil vi få sirkling. LP. Leksjon 3: #8 of 15

Den leksikografiske metoden Den leksikografiske metoden (perturbasjonsmetoden) er en metode for å unngå sirkling. Idé: perturbere høyresidene slik at man unngår degenerasjon! Hvis perturbasjonene er små nok, vil problemet endres så lite at man stadig finner en korrekt optimal løsning. Eksempel (med degenerert basisløsning): η = 4 +2x 1 x 2 w 1 = 0.5 x 2 w 2 = 2x 1 + 4x 2 w 3 = x 1 3x 2 Innfører nå symboler (uspesifiserte små tall) der 0 <ɛ 3 ɛ 2 ɛ 1 alle data og den perturberte basislisten η = 4 +2x 1 x 2 w 1 = 0.5 +ɛ 1 x 2 w 2 = +ɛ 2 2x 1 + 4x 2 w 3 = +ɛ 3 +x 1 3x 2 Ikke degenerert! Pivoterer: x 1 inn, og w 2 ut. LP. Leksjon 3: #9 of 15

Den leksikografiske metoden Fortsettelse: η = 4 +ɛ 2 +2w 2 + 3x 2 w 1 = 0.5 +ɛ 1 x 2 x 1 = 0.5ɛ 2 0.5w 2 + 2x 2 og... w 3 = 0.5ɛ 2 +ɛ 3 0.5w 2 x 2 η = 4 +2.5ɛ 2 +3ɛ 3 2.5w 2 3w 3 w 1 = 0.5 +ɛ 1 0.5ɛ 2 ɛ 3 +0.5w 2 +w 3 x 1 = 1.5ɛ 2 +2ɛ 3 1.5w 2 2w 3 x 2 = 0.5ɛ 2 +ɛ 3 0.5w 2 w 3 Denne basislisten er optimal. Dropper nå perturbasjonene og får η = 4 2.5w 2 3w 3 w 1 = 0.5 +0.5w 2 +w 3 x 1 = 1.5w 2 2w 3 x 2 = 0.5w 2 w 3 som gir optimal løsning av det opprinnelige LP problemet! LP. Leksjon 3: #10 of 15

Den leksikografiske metoden Perturbasjonene vil bare påvirke konstantleddene, ikke koeffisientene til variablene. (Hvorfor?) Derfor påvirkes ikke valg av inngående variabel. Men utgående variabel blir entydig bestemt hver gang (se under). TEOREM 3.2: Simpleksmetoden vil alltid terminere dersom utgående variabel velges ut fra den leksikografiske regelen. Bevis: Holder åviseatvialdrifår degenerert basisliste. Ser på kostantdelen som innledningsvis er: ɛ 1... eller Iɛ på matriseform (der I er identitetsmatrisen). Ved pivoteringene adderes multiple av en rad til andre rader, og dette svarer til å multiplisere med bestemte ikkesingulære matriser fra venstre. Ved starten påen vilkårlig pivotering er konstantdelen ɛ m r 1,1 ɛ 1... r i,m ɛ m. r m,1 ɛ 1.... r m,m ɛ m dvs på matriseform Rɛ. SidenRer ikkesingulær ville hver rad inneholde en ikkenull. Dermed er ingen rad degenerert! LP. Leksjon 3: #11 of 15

Bland regel I 1977 publiserte R. Bland en ny og enkel pivoteringsregel for simpleksmetoden. Betrakt et LP problem med variable (x 1,x 2,...,x n )(der noen er slakkvariable; det spiller ingen rolle her). Bland s regel: Hvis det er flere valgmuligheter for inngående variabel, velg den med lavest indeks. Hvis det er flere valgmuligheter for utgående variabel,velg den med lavest indeks. F.eks. hvis vi i en iterasjon har at c 3, c 5, c 9 er positive, mens c j 0 for j 3, 5, 9, sier Bland s regel at vi skal velge x 3 som ny basisvariabel. Merk: Bland s regel skal anvendes både på inngående og utgående variabel. Dette er i motsetning til den leksikografiske metoden som bare omhandler utgående variabel. TEOREM 3.3: Simpleksmetoden vil alltid terminere dersom både inngående og utgående variabel velges ut fra Bland s regel. For bevis, se boka (nokså kryptisk, men slik er alle bevis for dette resultatet, dessverre). LP. Leksjon 3: #12 of 15

Pivoteringsregler Styrker ved Bland s regel: hindrer sirkling, lett åforstå, og lett å programmere. En svakhet ved Bland s regel er at man kan få liten økning på objektivfunksjonen i hver pivotering, og dermed mange pivoteringer og lang regnetid. Dantzig s regel=største koeffisient regel (fra 1951): velg inngående variable med c j størst mulig, og utgående variabel med lavest indeks. Denne regelen er mye brukt i praksis, og fungerer bra (lav regnetid). Men den kan, i teorien, gi sirkling. Det finnes mange andre pivoteringsregler, bla.: Bratteste kant regelen: velg inngående variabel slik at vinkelen mellom retningen x 1 x 0 og c er minst mulig. (Hvorfor?) Her er x 0 og x 1 hhv. gammel og ny basisløsning. Denne regelen viser seg ofte å fungere best i praksis (men gir ingen garanti mot sirkling). Beste forbedringsregelen: velg inngående variabel slik at forbedringen av objektivfunksjonen blir størst mulig. Kan virke smart, men viser seg å kreve for lang regnetid i hver iterasjon. LP. Leksjon 3: #13 of 15

Fundamentalteoremet i LP Det er to teoremer om LP som er viktigere enn alle andre, nemlig Fundamentalteoremet i LP, og Dualitetsteoremet. Vi er klar for det første! (Og dualitet kommer senere.) TEOREM 3.3: For ethvert LP problem gjelder: Hvis det ikke finnes optimal løsning, så er problemet enten ikke tillatt eller ubegrenset. Hvis problemet er tillatt, så fins en tillatt basisløsning. Hvis problemet har en optimal løsning, så finsogså en optimal basisløsning. Bevis: Fase I avgjør om problemet er tillatt og finner, hvis det er tillatt, en tillatt basisløsning. Fase II avklarer om problemet er ubegrenset eller om det fins en optimal løsning. I sistnevnte tilfelle finner vi en optimal basisløsning. Metoden terminerer pga av at vi har vist at antisirklingsregler fins. LP. Leksjon 3: #14 of 15

Geometri og degenerasjon c feasible set x c T x = const. c T x : max. value. eksempel: toppen av en egyptisk pyramide! slakkvariable måler avstand til hyperplan degenerasjon type 1: redundante ulikheter degenerasjon type 2: P IR n,ethjørneliggerpåmer enn n fasetter degenerert pivotering: representerer samme hjørne x på ulike måter (kan være mange utvalg av n lineært uavhengige hyperplan gjennom x) LP. Leksjon 3: #15 of 15