Kapittel 1 og 2: eksempel og simpleksmetoden

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

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

Kapittel 2: simpleksmetoden, forts.

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

LP. Leksjon 3. Kapittel 3: degenerasjon.

Kapittel 5: dualitetsteori

Kapittel 3: degenerasjon.

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

Moderne optimering mer enn å derivere!!

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

LP. Leksjon 4. Kapittel 4: effektivitet av simpleksmetoden

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

Kapittel 4: effektivitet av simpleksmetoden

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

UNIVERSITETET I OSLO

LP. Leksjon 7. Kapittel 13: Nettverk strøm problemer

Lineære likningssystemer og matriser

UNIVERSITETET I OSLO

LP. Kap. 17: indrepunktsmetoder

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

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

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

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN HØST 2012 I TIØ4120 OPERASJONSANALYSE, GRUNNKURS

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

4.4 Koordinatsystemer

Lineære likningssett.

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

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

Lineære ligningssystem og matriser

Lineære likningssystemer

Lineære ligningssystem; Gauss-eliminasjon, Redusert echelonmatrise

Forelesning i Matte 3

Spesialisering i økonomistyring og investeringsanalyse DST 9530

LP. Leksjon Spillteori

Svar til. EKSAMEN I EMNE TIØ4120 OPERASJONSANALYSE, GK Onsdag 10. august 2011 Tid: kl Bokmål

Lineærtransformasjoner

Repetisjon: Om avsn og kap. 3 i Lay

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

ECON3610 Samfunnsøkonomisk lønnsomhet og økonomisk politikk Forelesning 5

Elementære eliminasjonsmatriser

Hvorfor er lineær algebra viktig? Linear

Løsningsforslag for obligatorisk øving 1

MAT1120 Repetisjon Kap. 1, 2 og 3

6 Determinanter TMA4110 høsten 2018

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

4.9 Anvendelser: Markovkjeder

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

Egenverdier og egenvektorer

System av likninger. Den andre likningen løses og gir x=1, hvis man setter x=1 i første likning får man

Repetisjon: om avsn og kap. 3 i Lay

Lineær algebra-oppsummering

TMA4110 Eksamen høsten 2018 EKSEMPEL 1 Løsning Side 1 av 8. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer: x 1 7x 4 = 0

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

Inverse matriser. E.Malinnikova, NTNU, Institutt for matematiske fag. September, 2009

UNIVERSITETET I OSLO

Lineær Algebra og Vektorrom. Eivind Eriksen. Høgskolen i Oslo, Avdeling for Ingeniørutdanning

PXT: Det regner mat! Introduksjon. Steg 1: Grunnlag. Sjekkliste. Skrevet av: Helene Isnes

10 Radrommet, kolonnerommet og nullrommet

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

Løsningsforslag Øving 5 TMA4140 Diskret matematikk Høsten 2010

Forelesning 29: Kompleksitetsteori

MAT1030 Diskret Matematikk

Tallfølger er noe av det første vi treffer i matematikken, for eksempel når vi lærer å telle.

3x + 2y 8, 2x + 4y 8.

4 Matriser TMA4110 høsten 2018

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 11 Eulers metode. Løsningsforslag

Alle hele tall g > 1 kan være grunntall i et tallsystem.

MAT1120. Obligatorisk oppgave 1 av 2. Torsdag 20. september 2018, klokken 14:30 i Devilry (devilry.ifi.uio.no).

Steg 1: Streken. Steg 2: En hoppende helt. Sjekkliste. Sjekkliste. Introduksjon. Hei der! Hoppehelt

7 Egenverdier og egenvektorer TMA4110 høsten 2018

Ma Linær Algebra og Geometri Øving 1

Eksamen - INF 283 Maskinlæring

6.4 Gram-Schmidt prosessen

Determinanter til 2 2 og 3 3 matriser

b) Lag to likninger med ulik vanskegrad (en ganske lett og en vanskelig), der svaret i begge skal bli x = -3. Løs også likningene.

MAT-1004 Vårsemester 2017 Obligatorisk øving 2

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 5 for-løkker

Oversikt over det kinesiske restteoremet

Husk at minustegn foran et tall eller en variabel er å tenke på som tallet multiplisert med det som kommer etter:

Hoppehelt. Introduksjon. Steg 1: Streken. Sjekkliste. Skrevet av: Geir Arne Hjelle

Obligatorisk oppgave 1 MAT1120 H15

Eksamen i ELE Matematikk valgfag Torsdag 18. mai Oppgave 1

Øving 3 Determinanter

LØSNINGSFORSLAG KONTINUASJONSEKSAMEN VÅR 2013 I TIØ4120 OPERASJONSANALYSE, GK

Løsning, funksjoner av flere variable.

Tryll bort heksa. Introduksjon. Sjekkliste Følg instruksjonene på lista. Huk av etter hvert. Test. Lagre 2/8

Løsningsforslag øving 7

Numerisk lineær algebra

Biseksjonsmetoden. biseksjonsmetode. Den første og enkleste iterativ metode for ikke lineære likninger er den så kalt

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 7 Løsningsforslag

EKSAMEN I EMNE TIØ4120 OPERASJONSANALYSE, GK. Torsdag 2. desember 2010 Tid: kl

Kapittel 8. Inntekter og kostnader. Løsninger

Lineære likningssystemer

Elementær Matriseteori

Emne 9. Egenverdier og egenvektorer

UNIVERSITETET I OSLO

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

Transkript:

LP. Leksjon 1 Kapittel 1 og 2: eksempel og simpleksmetoden et eksempel fra produksjonsplanlegging simpleksalgoritmen, noen begreper algoritmen LP. Leksjon 1: #1 of 14

Eksempel: produksjonsplanlegging Produkter: glassdør vindu Produksjonsanlegg: Anlegg 1: alum. ramme produksjon Anlegg 2: treramme produksjon Anlegg 3: glassproduksjon og montering Produksjon (av hvert produkt) foregår i serier på 200 stk. Data: Timer/serie Timer disp. dør vindu Anlegg 1 1 0 4 Anlegg 2 0 2 12 Anlegg 3 3 2 18 Fortjeneste/serie 3000 5000 Problem: Hvor mye bør vi produsere av hvert produkt for å maksimere fortjenesten? LP. Leksjon 1: #2 of 14

Produksjonsplan som LP problem maksimer 3x 1 + 5x 2 forutsatt at x 1 4 2x 2 12 3x 1 + 2x 2 18 x 1 0, x 2 0. Vi vil finne en optimal løsning, dvs. en vektor (x 1,x 2 ) som oppfyller alle begrensningene og som har maksimal verdi på funksjonen 3x 1 + 5x 2. En vektor som oppfyller alle begrensningene kalles en tillatt løsning. Funksjonen vil ønsker å maksimere kalles objektivfunksjonen. Simpleksmetoden: metode for å løse alle LP problemer. Skal etterhvert skille mellom simpleksmetoden og simpleksalgoritmen, men behøver ikke tenke på dette nå. Metoden ble utviklet av George B. Dantzig rundt 1947 i forbindelse med transportproblemer i U.S. Air Force. Arbeidet ble publisert i 1951. LP. Leksjon 1: #3 of 14

Simpleksalgoritmen, eksempel Andre tidlige bidragsytere var T.J.Koopmans og L.V.Kantorovich, og disse to fikk Nobel prisen i økonomi for dette arbeidet i 1975. Eksempel: Vil løse maksimer 5x 1 + 4x 2 + 3x 3 forutsatt at (i) 2x 1 + 3x 2 + x 3 5 (ii) 4x 1 + x 2 + 2x 3 11 (iii) 3x 1 + 4x 2 + 2x 3 8 x 1,x 2,x 3 0. Konverterer til likninger ved å innføre slakkvariable for hver -ulikhet: f.eks. erstattes (i) av w 1 = 5 2x 1 3x 2 x 3 og w 1 0. LP. Leksjon 1: #4 of 14

Simpleksalgoritmen, eksempel Får da problemet på basislisteform (dictionary): maksimer η = 5x 1 + 4x 2 + 3x 3 forutsatt at (i) w 1 = 5 2x 1 3x 2 x 3 (ii) w 2 = 11 4x 1 x 2 2x 3 (iii) w 3 = 8 3x 1 4x 2 2x 3 x 1,x 2,x 3,w 1,w 2,w 3 0. Venstre side: avhengige variable = basisvariable. Høyre side: uavhengige variable = ikkebasisvariable. Startløsning: Lar x 1 = x 2 = x 3 = 0ogdermedfår vi w 1 = 5,w 2 =11,w 3 =8. Vi lar alltid ikkebasisvariable være 0. Basisvariablene blir bestemt entydig, nemlig lik konstantene på høyre side. LP. Leksjon 1: #5 of 14

Simpleksalgoritmen, eksempel Har vi optimal løsning? Nei!! Vi kan f.eks. øke x 1 mens vi fortsatt lar x 2 = x 3 = 0. Da vil η øke vi får nye verdier på basisvariablene som blir bestemt fra x 1 jo mer vi øker x 1 jo mer øker η! men pass på: w j -ene nærmer seg null! Maksimal økning av x 1 : vil unngå at basisvariable blir negative. Fra w 1 = 5 2x 1, w 2 = 11 4x 1 og w 3 = 8 3x 1 får vi at x 1 5/2, x 1 11/4, x 1 8/3 så vi kan øke x 1 til den minste verdien, nemlig 5/2. Dette gir den nye løsningen x 1 = 5/2, x 2 = x 3 = 0 og dermed w 1 = 0,w 2 =1,w 3 =1/2. Og nå er η=25/2. Altså: en mye bedre løsning!! Hvordan komme videre? Basislisteform er fin for å teste optimalitet, så vi vil komme over i neste basisliste! LP. Leksjon 1: #6 of 14

Simpleksalgoritmen, eksempel Vi ønsker at x 1 og w 1 skal bytte side. Altså: x 1 skal gå inn i basis, mens w 1 går ut av basis. Dette kan gjøres ved åbrukew 1 -likningen til å eliminere x 1 fra alle andre likninger. Ekvivalent: bruker elementære radoperasjoner på systemet for å eliminere x 1 : (i) løser for x 1 : x 1 = 5/2 (1/2)w 1 (3/2)x 2 (1/2)x 3, og (ii) adderer passende multippel av denne likningen til de andre slik at x 1 forsvinner og erstattes av ledd med w 1. Husk: elementære radoperasjoner endrer ikke løsningsmengden. Resultat: η = 12.5 2.5w 1 3.5x 2 + 0.5x 3 x 1 = 2.5 0.5w 1 1.5x 2 0.5x 3 w 2 = 1 + 2w 1 + 5x 2 w 3 = 0.5 + 1.5w 1 + 0.5x 2 0.5x 3 Vi har nå gjennomført en pivotering: bruk av elem. radoperasjoner for å bytte to variable (en inn og en ut av basis). LP. Leksjon 1: #7 of 14

Simpleksalgoritmen, eksempel Gjentar prosessen! Optimal? Nei: kan øke η ved åøkex 3 fra null! Kan øke til x 3 = 1 for da blir w 3 = 0 (mens de andre basisvariablene er ikkenegative). Gjennomfører en ny pivotering: x 3 inn i basis, og w 3 ut av basis. Får den nye basislisten: η = 13 w 1 3x 2 w 3 x 1 = 2 2w 1 2x 2 + w 3 w 2 = 1 + 2w 1 + 5x 2 x 3 = 1 + 3w 1 + x 2 2w 3 Her ser vi at alle koeffisientene foran ikkebasisvariable er ikkepositive (faktisk negative) i likningen for η. Da vil enhver økning av en eller flere ikkebasisvariable gi en løsning med η 13. Men enhver tillatt løsning kan finnes ved passende verdier på ikkebasisvariablene! Hvorfor? Konklusjon: vi har funnet en optimal løsning! Den er w 1 = x 2 = w 3 = 0ogx 1 =2,w 2 =1,x 3 =1. Verdien på η er da 13, og dette kalles optimal verdi. LP. Leksjon 1: #8 of 14

Simpleksmetoden, generelt maksimer n j=1 c jx j forutsatt at n j=1 a i,j x j b i for i = 1,...,m x j 0 for j = 1,...,n. der vi antar at b i 0 for alle i. Innfører slakkvariable: η w i = n j=1 c j x j = b i n j=1 a i,j x j for i = 1,...,m Behøver ikke skille slakkvariable og opprinnelige variable og får basislisten: η x n+i = n j=1 c j x j = b i n j=1 a i,j x j for i = 1,...,m der vi har erstattet w i med x n+i.såx IR n+m. LP. Leksjon 1: #9 of 14

Simpleksmetoden, generelt Algoritmen starter med basislisten foran der x n+1,...,x n+m er basisvariable og x 1,...,x n er ikkebasisvariable. La B være indeksmengden til basisvariablene N være indeksmengden til ikkebasisvariablene. Så, i starten er B ={n+1,...,n+m}, N ={1,...,n}. Initiell tillatt løsning er x j = 0 for j = 1,...,n x n+i = b i for i = 1,...,m og tilhørende verdi er η = 0. En slik løsning kalles en basisløsning. Hver iterasjon er en pivotering (eller basisskifte) der en indeks k flyttes fra N til B (x k er inngående variabel; ny basisvariabel fordi den øker η), en annen indeks l flyttes fra B til N (x l er utgående variabel; variabel går ut av basis fordi den blir 0) og vi finner en ny basisliste fra den gamle vha. radoperasjoner til den nye basislisten hører en ny tillatt basisløsning. LP. Leksjon 1: #10 of 14

Simpleksmetoden, generelt Ved starten av hver pivotering har vi basislisten (med b i 0): η = η + j N c j x j x i = b i j N ā i,j x j for i B. Valg av inngående variabel: velg en k N med c k > 0. Hvis ingen slik fins, er nåværende løsning optimal og vi stopper. Ofte er mange c j er positive. Da finnes flere prinsipper for valg, men et enkelt, mye brukt prinsipp er å velge k = j med c j størst mulig. Hvorfor? Valg av utgående variabel: Også her kan vi ha valgmuligheter. Må først bestemme maksimal økning av inngående variabel x k.fra x i =b i ā i,k x k for i B ser vi at hvis ā i,k 0, vil x i øke når x k økes. Slike basisvariable vil altså ikke kunne bli null (vi antar foreløpig at b i > 0) hvis derimot ā i,k > 0, vil x i avta og blir null når x k = b i /ā i,k. LP. Leksjon 1: #11 of 14

Simpleksmetoden, generelt Valg av utgående variabel, forts. Altså: vi kan øke x k til verdien θ := min{b i /ā i,k : ā i,k > 0}. Hva skjer når x k = θ? Jo, alle variable er stadig ikkenegative. Bra! Og minst en basisvariabel er blitt 0, faktisk blir x i = 0 for alle i B som oppfyller b i /ā i,k = θ. Konklusjon: Utgående variabel x l velges slik at b l /ā l,k = min{b i /ā i,k : ā i,k > 0}. Pivotregel: en regel som sier hvilken inngående variabel og hvilken utgående variabel som skal velges når det fins valgmuligheter. Dette gir en lang rekke varianter av simpleksmetoden. LP. Leksjon 1: #12 of 14

Simpleksmetoden, generelt Pivoteringen avsluttes med radoperasjonene: anta at x k er inngående og x l er utgående variabel. Da er altså x l på venstre side i likning nr. l : x l = b l j N ā l,j x j For hver likning i l adderer vi ā i,k /ā l,k ganger likning l til likning i. Videre brukes likning l til å uttrykke x k som funksjon av de andre variablene. Resultat: et ekvivalent likningssystem (samme løsninger) med koeffisient 0 foran x k i hver likning i l. Videre er nye basisbariable på venstre side! Dette er den nye basislisten. LP. Leksjon 1: #13 of 14

Avsluttende kommentarer Noen spørsmål som gjenstår: hvordan finne en tillatt startløsning hvis det finnes negative b i er? i en basisliste: hva skjer hvis noen b i er 0? Ødelegger dette for pivoteringen? er det sikkert at algoritmen terminerer? og, hvis ikke, hvordan kan vi eventuelt reparere dette? Skal se på dette i Leksjon 2! LP. Leksjon 1: #14 of 14