Zredwidowana metoda symplex w MATLABIE

Algebra liniowa, algebra, wektory, liczby zespolone
Otrzymałeś(aś) rozwiązanie do zamieszczonego zadania? - podziękuj autorowi rozwiązania! Kliknij
janusz55
Fachowiec
Fachowiec
Posty: 2057
Rejestracja: 01 sty 2021, 09:38
Podziękowania: 4 razy
Otrzymane podziękowania: 489 razy

Zredwidowana metoda symplex w MATLABIE

Post autor: janusz55 »

Zrewidowana metoda symplex jest jedną z najbardziej popularnych w implementacji komputerowej metod symplex. Służy do rozwiązywania zadań programowania liniowego (LP):

Znaleźć minimum

\( z =\vec{c}^{T} \cdot \vec{x} \ \ (1) \)

przy warunkach :

\( A\cdot \vec{x} \leq \vec{b}, \ \ (2)\)

\( \vec{x}\geq 0 \ \ (3)\)

gdzie

\( A \) jest daną macierzą o wymiarach \( m\times n, \ \ m\leq n. \)

\( \vec{c}^{T} \) - wektorem kosztów

\( \vec{b} \) - wektorem ograniczeń.

\( \vec{x} \) - wektorem niewiadomych.

Wiele praktycznych zagadnień w ekonomii, technice , finansach w badaniach operacyjnych w teorii podejmowania decyzji może być sformułowanych jako modele LP.

To sprawia, że programowanie liniowe jest popularne i że w ostatnich czterdziestu latach dokonał się fenomenalny jego rozwój.
Do tego przyczyniły się: rozwój algebry opartej na równaniach i nierównościach liniowych i szybki rozwój komputerów jako narzędzia PL.

George Dantzing, Leonid Kantorowicz, Charles Koopmans, Allan Tucker, Cleve Moller - należą do tych wielkich matematyków, którzy rozwinęli teorię, metody obliczeniowe i zastosowania PL.

Na czym polega zrewidowana metoda symplex?

Rozważamy zagadnienie PL w postaci standardowej ze zmiennymi dopełniającymi

\( A\cdot \vec{x} = \vec{b}\)

Zakładając, że macierz \( A \) jest rzędu \( m \) - wydzielamy z niej podmacierz \( B \) stopnia \( m \) i pozostałą podmacierz \( N \) stopnia \( n- m.\)

Zagadnienie PL możemy zapisać w postaci

\( \begin{bmatrix} B & N \end{bmatrix}\cdot \begin{bmatrix} x_{B} \\ x_{N} \end{bmatrix} = \vec{b} \ \ (4)\)

gdzie: \( x_{B}, \ \ x_{N} \) mają odpowiednio \( m \) i \( n-m \) składowych.

Jeśli \( x_{N} \) równa się zero to rozwiązanie \( (4) \) nazywa się rozwiązaniem bazowym \( \vec{x}_{B} = B^{-1}\cdot \vec{b}, \) a nieosobliwą macierz \( B \) nazywa się bazą.

Jeśli ponadto \( x \geq 0 \) to \( \vec{x} \) nazywamy bazowym rozwiązaniem dopuszczalnym.

Następujące twierdzenie pochodzące od twórcy metody simplex George Dantzinga [1] określa ważną rolę bazowych rozwiązań dopuszczalnych.

Twierdzenie
Jeśli istnieje rozwiązanie dopuszczalne spełniające \( (1) - (3) \) to istnieje bazowe rozwiązanie dopuszczalne. Co więcej, jeśli istnieje rozwiązanie optymalne minimalizujące \( z \), to istnieje optymalne rozwiązanie bazowe.

Dowód tego twierdzenia można znaleźć na przykład w [2].

To podstawowe twierdzenie stanowi klucz do algorytmu simplex, najpotężniejszej metody rozwiązywania programów liniowych.

Istnieje kilka różnych wersji tej metody i wiele implementacji numerycznych.

Opiszemy algorytm prymalnej metody symplex w wersji zrewidowanej.

Krok 1
Wybieramy taką bazę, że \( \vec{x}_{B} = = B^{-1}\cdot \vec{b}\geq 0\)

Krok 2
Riozwiązanie równania \( B^{T}\cdot \lambda = c_{B} \) względem wektora mnożników sympleksowych \( \lambda\)

Krok 3
Wybranie z \( N \) takiej kolumny \( a_{k} \), że \( \vec{p}_{k} = = \vec{c}_{N_{k}} -\lambda^{T}\cdot a_{k} < 0.\)

Jeżeli \( p_{T} = \vec{c}_{N}^{T} - \lambda^{T}\cdot N \geq 0, \) to bieżące rozwiązanie jest optymalne.

Krok 4
Rozwiązać układ równań \( B\cdot \vec{y} = a_{k}, \) wzlędem \( \vec{y}.\)

Krok 5
Znaleźć \( \theta = \frac{x_{0l}}{y_{l}} = \min\left [ \frac{x_{0i}}{y_{i}}: y_{i}> 0, \ \ 1\leq i \leq m \right], \)

Jeśli żadne \( y_{i} \) nie jest dodatnie, to zbiór rozwiązań układu \( A\cdot \vec{x} = \vec{b}, \vec{x} \geq 0 \) jest nieograniczony i \( z \) może przyjąć dowolnie dużą wartość ujemną, Zakończyć obliczenia.

Krok 6
Uaktualnić rozwiązanie bazowe, korzystając z równania \( \vec{x}_{B} = \vec{x}_{0} - B^{-1}\cdot \vec{a}_{k}\cdot \vec{x}_{N_{k}} \)

\( \overline{x}_{i} = x_{i} - \theta\cdot , \ \ i\neq k , \)

\( \overline{x}_{k} \) jest nową zmienną bazową.

Krok 7
Uaktualnić bazę \( B \) i wrócić do kroku 2.

Implementacja zrewidowanej metody sympleks w programie MATLAB.

Kod: Zaznacz cały

function[Binv ,B, xB]=rsm(A, c ,B, xB, Binv , v )
% wejście:macierz rozszerzona A, wektor kosztów c , 
%baza B,  vector bazowy xB,  
% macierz dentycznościowa Binv , znienna niebazowa v
%wyjście: baza B, vektor bazowy  xB
[ ~ , n]= size (A) ;
format rat
Cb=c(B);
Cdd=setdiff(1 : n ,B) ;
D=A( : ,Cdd );
Cd=c(1 ,Cdd );
L=Cb*Binv ;
disp('L=');
disp(L );
r=Cd -(L*D);
disp('r= ');
disp(r) ;
[~ , aa]= pivotcolumn(r,v);
% sprawdzenie warunku optymalności
if aa==0
disp('siągnięto rozwiązanie optymalne');
return
else
a=Cdd(aa);
disp('q=');
disp (a) ;
y=Binv*A(: , a);
Y=sprintf('%s ',' y= ');
disp(Y);
disp(y);
revise =[Binv xB y];
[m,n]= size(revise);
min=Inf;
arg_min=0;
end
% wybór elementu głównego
for k=1:m
if revise(k , n)>0
row=revise(k,n-1)/revise(k,n);
if row < min
min=row ;
arg_min=k ;
end
end
end
% rozwiązanie nieograniczone
if arg_min==0
x=sprintf('%c','unbounded');
disp(x);
return
else
disp('p=');
disp(arg_min) ;
% poprawiona tablca simplex
revise=simplex(revise, arg_min, n);
disp('revise');
disp(revise) ;
Binv=revise(:, 1:n-2);
B(arg_min)=a;
xB=revise(:, n-1);
end
end
PRZYKŁAD 1

Kod: Zaznacz cały

> A=[2 -1 2 1 0; 1 0 4 0 1]

A =

       2             -1              2              1              0       
       1              0              4              0              1       

>> c= [-6 2 -3 0 0]

c =

      -6              2             -3              0              0       

>> Binv=eye(2)

Binv =

       1              0       
       0              1       

>> v=3

v =

       3       

>> B=[4 5]

B =

       4              5       

>> xB=[2;4]

xB =

       2       
       4       

>> [Binv,B,xB]=rsm(A,c,B,xB,Binv,v)
L=
       0              0       

r= 
      -6              2             -3       

q=
       1       

 y=  
       2       
       1       

p=
       1       

revise
       1/2            0              1              1       
      -1/2            1              3              0       


Binv =

       1/2            0       
      -1/2            1       


B =

       1              5       


xB =

       1       
       3  
  
PRZYKŁAD 2

Kod: Zaznacz cały

>> A=[1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 ;
0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0;
78 71 36 46 45 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0;
0 0 0 16 98 66 57 54 88 33 41 36 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0;
4125 4021 2018 2898 4335 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0;
0 0 0 638 7548 4638 3812 3905 12497 3990 3841 3277 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]

A =

  Columns 1 through 15

           1           1           1           1           1           0           0           0           0           0           0           0           0           0           0
           0           0           0           1           1           1           1           1           1           1           1           1           0           0           0
          78          71          36          46          45           0           0           0           0           0           0           0           0           0           0
           0           0           0          16          98          66          57          54          88          33          41          36           0           0           0
        4125        4021        2018        2898        4335           0           0           0           0           0           0           0           0           0           0
           0           0           0         638        7548        4638        3812        3905       12497        3990        3841        3277           0           0           0

  Columns 16 through 22

           0           0           1           0           0           0           0
           0           0           1           0           0           0           0
           0           0           0           1           0           0           0
           0           0           0           0           1           0           0
           0           0           0           0           0           1           0
           0           0           0           0           0           0           1

>> c = [-5334 -4670 -3701 -68305 -16387 -5024 -4193 -5572 -18907 -12165 -7176 -8732 40 40 0.14 0.14 0 0 0 0 0 0]

c =

   1.0e+04 *

  Columns 1 through 18

   -0.5334   -0.4670   -0.3701   -6.8305   -1.6387   -0.5024   -0.4193   -0.5572   -1.8907   -1.2165   -0.7176   -0.8732    0.0040    0.0040    0.0000    0.0000         0         0

  Columns 19 through 22

         0         0         0         0

>> Binv = eye(6)

Binv =

     1     0     0     0     0     0
     0     1     0     0     0     0
     0     0     1     0     0     0
     0     0     0     1     0     0
     0     0     0     0     1     0
     0     0     0     0     0     1

>> v = 16

v =

    16

>> xB=[3.44;3.44;661;5800;5800]

xB =

   1.0e+03 *

    0.0034
    0.0034
    0.6610
    5.8000
    5.8000

>> B=[17 18 19 20 21 22]

B =

    17    18    19    20    21    22

>> [Binv,b,xB]=rsm(A,c,B,xB,Binv,v)
L=
       0              0              0              0              0              0       

r= 
  Columns 1 through 13

   -5334          -4670          -3701         -68305         -16387          -5024          -4193          -5572         -18907         -12165          -7176          -8732             40       

  Columns 14 through 16

      40              7/50           7/50    

q=
       4       

 y=  
       1       
       1       
      46       
      16       
    2898       
     638       


>> xB=[3.44;3.44;661;661;5800;5800]

xB =

      86/25    
      86/25    
     661       
     661       
    5800       
    5800       


>> [Binv,b,xB]=rsm(A,c,B,xB,Binv,v)
L=
       0              0              0              0              0              0       

r= 
  Columns 1 through 13

   -5334          -4670          -3701         -68305         -16387          -5024          -4193          -5572         -18907         -12165          -7176          -8732             40       

  Columns 14 through 16

      40              7/50           7/50    

q=
       4       

 y=  
       1       
       1       
      46       
      16       
    2898       
     638       

p=
       5       

revise
       1              0              0              0             -1/2898         0           1125/782          0       
       0              1              0              0             -1/2898         0           1125/782          0       
       0              0              1              0             -1/63           0          35843/63           0       
       0              0              0              1             -8/1449         0          28304/45           0       
       0              0              0              0              1/2898         0           1451/725          1       
       0              0              0              0           -319/1449         1         113078/25           0       


Binv =

       1              0              0              0             -1/2898         0       
       0              1              0              0             -1/2898         0       
       0              0              1              0             -1/63           0       
       0              0              0              1             -8/1449         0       
       0              0              0              0              1/2898         0       
       0              0              0              0           -319/1449         1       


b =

      17             18             19             20              4             22       


xB =

    1125/782   
    1125/782   
   35843/63    
   28304/45    
    1451/725   
  113078/25
  
Literatura :

[1] George Bernard Dantzing. Linear Programming and Extension. Princeton University Press 1963.

[2] David Luenberger. INTRODUCTION to DYNAMIC SYSTEMS. Theory and models. Stanford University Press 1979.

[3] Maciej M. Sysło Narshing Deo Janusz Kowalik. ALGORYTMY OPTYMALIZACJI DYSKRETNEJ Z PROGRAMAMI W JĘZYKU PASCAL.
Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 1993,
ODPOWIEDZ