Обобщение графического метода решения задач линейного программирования

Тема 2. Графический метод решения задач линейного программирования.

2.1 Область применения.

2.2 Примеры задач, решаемых графическим методом.

2.1 Область применения.

Графический метод основан на геометрической интерпретации задачи линейного программирования и применяется в основном при решении задач двумерного пространства и только некоторых задач трехмерного простран6тва, так как довольно трудно построить многогранник решений, который образуется в результате пересечения полупространств. Задачу пространства размерности больше трех изобразить графически вообще невозможно.

Пусть задача линейного программирования задана в двумерном пространстве, т. е. ограничения содержат две переменные.

Найти минимальное значение функции:

Z = С₁х₁+С₂х₂ (2.1)

при

a₁₁x₁ + a₂₂x₂ b₁

a₂₁x₁ + a₂₂x₂ b₂ (2.2)

................

a_M1x₁ + a_M2x₂ b_M

х₁ 0, х₂ 0 (2.3)

Допустим, что система (2.2) при условии (2.3) совместна и ее многоугольник решений ограничен. Каждое из неравенств (2.2) и (2.3), как отмечалось выше, определяет полуплоскость с граничными прямыми: a_i1x₁ + a_i2x₂ + a_i3x₃ = b_i,(i = 1, 2,..., n), х₁=0, х₂=0. Линейная функция (2.1) при фиксированных значениях Z является уравнением прямой линии: С₁х₁ + С₂х₂ = const. Построим многоугольник решений системы ограничений (2.2) и график линейной функции (2.1) при Z = 0. Тогда поставленной задаче линейного программирования можно дать следующую интерпретацию. Найти точку многоугольника решений, в которой прямая С₁х₁ + С₂х₂ = const опорная и функция Z при этом достигает минимума. Значения Z = С₁х₁ + С₂х₂ возрастают в направлении вектора N =(С₁, С₂), поэтому прямую Z = 0 передвигаем параллельно самой себе в направлении вектора Х Если многоугольник решений представляет собой неограниченную многоугольную область, то возможны два случая.

Случай 1. Прямая С₁х₁ + С₂х₂ = const, передвигаясь в направлении вектора N или противоположно ему, постоянно пересекает многоугольник решений и ни в какой точке не является опорной к нему. В этом случае линейная функция не ограничена на многоугольнике решений как сверху, так и снизу.

Случай 2. Прямая, передвигаясь, все же становится опорной относительно многоугольника решений. Тогда в зависимости от вида области линейная функция может быть ограниченной сверху и неограниченной снизу, ограниченной снизу и неограниченной сверху, либо ограниченной как снизу, так и сверху.

2.2 Примеры задач, решаемых графическим методом.

Решим графическим методом задачи использования сырья и составления рациона.

Задача использования сырья. Для изготовления двух видов продукции Р₁ и Р₂ используют три вида сырья: S₁, S₂, S₃. Запасы сырья, количество единиц сырья, затрачиваемых на изготовление единицы продукци, а так же величина прибыли, получаемая от реализации единицы продукции, приведены в таблице 1.

Таблица.1.

Вид сырья	Запас сырья	Количество единиц сырья, идущих на изготовление единицы продукции
Р1	Р2
S1
S2
S3
Прибыль от единицы продукции, руб.

Необходимо составить такой план выпуска продукции, чтобы при ее реализации получить максимальную прибыль.

Решение.

Обозначим через х₁ количество единиц продукции Р₁, а через х₂ – количество единиц продукции Р₂. Тогда, учитывая количество единиц сырья, расходуемое на изготовление продукции, а так же запасы сырья, получим систему ограничений:

2х₁ + 5х₂ 20

8х₁ + 5х₂ 40

5х₁ + 6х₂ 30

которая показывает, что количество сырья, расходуемое на изготовление продукции, не может превысит имеющихся запасов. Если продукция Р₁ не выпускается, то х₁=0; в противном случае x₁ 0. То же самое получаем и для продукции Р₂. Таким образом, на неизвестные х₁ и х₂ должно быть наложено ограничение неотрицательности: х₁ 0, х₂ 0.

Конечную цель решаемой задачи – получение максимальной прибылипри реализации продукции – выразим как функцию двух переменных х₁ и х₂. Реализация х₁ единиц продукции Р₁ и х₂ единиц продукции Р₂ дает соответственно 50х₁ и 40х₂ руб. прибыли, суммарная прибыль Z = 50х₁ + 40х₂ (руб.)

Условиями не оговорена неделимость единица продукции, поэтому х₁ и х₂ (план выпуска продукции) могут быть и дробными числами.

Требуется найти такие х₁ и х₂, при которых функция Z достинает максимум, т.е. найти максимальное значение линейной функции Z = 50х₁ + 40х₂ при ограничениях

2х₁ + 5х₂ 20

8х₁ + 5х₂ 40

5х₁ + 6х₂ 30

х₁ 0, х₂ 0.

Построим многоугольник решений.

Для этого в системе координат х1Ох2 на плоскости на плоскости изобразим граничные прямые

2х₁ + 5х₂ = 20 (L₁)

8х₁ + 5х₂ = 40 (L₂)

5х₁ + 6х₂ = 30 (L₃)

х₁ = 0, х₂ = 0.

Взяв какую-нибудь точку, например, начало координат, установим, какую полуплоскость определяет соответствующее неравенство (эти полуплоскости на рис. 2.3 показаны стрелками). Многоугольником решений данной задачи является ограниченный пятиугольник ОАВСD. Для построения прямой 50х₁ + 40х₂ = 0 строим радиус-вектор N = (50;40) = 10(5;4) и через точку O проводим прямую, перпендикулярную ему. Построенную прямую Z = 0 перемещаем параллельно самой себе в направлении вектора N. Точка С лежит на пересечении прямых L₁ и L₂. Для определения ее координат решим систему уравнений

8x₁ + 5х₂ = 40

5х₁ + 6х₂ = 30

Оптимальный план задачи: х₁ = 90/23 = 3,9; х₂ = 40/23 = 1,7. Подставляя значения х₁ и х₂ в линейную функцию, получаем Z_max = 50 3,9 + 40 1,7 = 260,3

Таким образом, для того чтобы получить максимальную прибыль в размере 260,3 руб., необходимо запланировать производство 3,9 ед. продукции Р₁ и 1,7 ед. продукции Р₂.

Задача составления рациона. При откорме каждое животное ежедневно должно получать не менее 9 ед. питательного вещества S₁, не менее 8 ед. вещества S₂ и не менее 12 ед. вещества S₃. Для составления рациона используют два вида корма. Содержание количества елиниц питательных веществ в 1 кг каждого вида корма и стоимость 1 кг корма приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Питательные вещества	Количество единиц питательных веществ в 1 кг корма.
Корм 1	Корм 2
S1
S2
S3
Стоимость 1 кг корма, коп.

Необходимо составить дневной рацион нужной питательности, причем затраты на него должны быть минимальными.

Решение.

Для составления математической модели обозначим через х₁ и х₂ соответственно количество килограммов корма 1 и 2 в дневном рационе. Принимая во внимание значения, приведенные в таблице 2.2, и условие, что дневной рацион удовлетворяет требуемой питательности только в случае, если количество единиц питательных веществ не меньше предусмотренного, получаем систему ограничений

3х₁ + х₂ 9

х₁ + 2х₂ 8

х₁ + 6х₂ 12

х₁ 0, х₂ 0.

Если корм 1 не используется в рационе, то х₁=0; в противном случае x₁ 0. Аналогично имеем х₂ 0. То есть должно выполняться условие неотрицательности переменных: х₁ 0, х₂ 0.

Цель данной задачи – добиться минимальных затрат на дневной рацион, поэтому общую стоимость рациона можно выразить в виде линейной функции Z = 4х₁ + 6х₂ (коп.) Требуется найти такие х₁ и х₂, при которых функция Z принимает минимальное. Таким образом, необходимо найти минимальное значение линейной функции Z = 4х₁ + 6х₂ при ограничениях

3х₁ + х₂ 9

х₁ + 2х₂ 8

х₁ + 6х₂ 12

х₁ 0, х₂ 0.

Построим многоугольник решений. Для этого в системе координат х₁Ох₂ на плоскости изобразим граничные прямые

3х₁ + х₂ = 9 (L₁)

х₁ + 2х₂ = 8 (L₂)

х₁ + 6х₂ = 12 (L₃)

х₁ = 0, х₂ = 0.

Взяв какую-нибудь точку, например, начало координат, установим, какую полуплоскость определяет соответствующее неравенство (эти полуплоскости на рис. 2.4 показаны стрелками). В результате получим неограниченную многоугольную область с угловыми точками А, В, С, D.

Для построения прямой 4х₁ + 6х₂ = 0 строим радиус-вектор N = (4;6) и через точку O проводим прямую, перпендикулярную ему. Построенную прямую Z = 0 перемещаем параллельно самой себе в направлении вектора N. Если прямую перемещать дальше в направлении вектора N, то значения линейной функции на многограннике решений возрастут, значит, в точке В линейная функция Z принимает минимальное значение.

Точка В лежит на пересечении прямых L₁ и L₂. Для определения ее координат решим систему уравнений

3x₁ + х₂ = 9

х₁ + 2х₂ = 8

Имеем: х₁ = 2; х₂ = 3. Подставляя значения х₁ и х₂ в линейную функцию, получаем Z_min = 4 2 + 6 3 = 26.

Таким образом, для того, чтобы обеспечить минимум затрат (26 коп. в день), необходимо дневной рацион составить из 2 кг корма 1 и 3 кг корма 2.

Дата добавления: 2014-01-15