Bài giảng Lý thuyết cơ bản về quy hoạch tuyến tính (Phần 1)
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
CHƯƠNG I
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH
TUYẾN TÍNH
Chương này trình bày cách xây dựng mô hình quy hoạch tuyến tính của những
bài toán dạng đơn giản. Đây là những kiến thức quan trọng để xây dựng mô hình cho
những bài toán phức tạp hơn trong thực tế sau này. Các khái niệm về ‘’ lồi’’ đuợc
trình bày để làm cơ sở cho phương pháp hình học giải quy hoạch tuyến tính. Một ví
dụ mở đầu được trình bày một cách trực quan để làm rõ khái niệm về phương án tối
ưu của quy hoạch tuyến tính.
Nội dung chi tiết của chương bao gồm :
I- GIỚI THIỆU BÀI TOÁN QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
1- Bài toán vốn đầu tư
2- Bài toán lập kế hoạch sản xuất
3- Bài toán vận tải
II- QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH TỔNG QUÁT VÀ CHÍNH TẮC
1- Quy hoạch tuyến tính tổng quát
2- Quy hoạch tuyến tính dạng chính tắc
3- Phương án
III- ĐẶC ĐIỂM CỦA TẬP HỢP CÁC PHƯƠNG ÁN
1- Khái niệm lồi và tính chất
2- Đặc điểm của tập các phương án
3- Phương pháp hình học
IV- MỘT VÍ DỤ MỞ ĐẦU
V- DẤU HIỆU TỐI ƯU
1- Ma trận cơ sở - Phương án cơ sở - Suy biến
2- Dấu hiệu tối ưu
5
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
CHƯƠNG I
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
I- GIỚI THIỆU BÀI TOÁN QUY HOẠCH TUYẾN
TÍNH
Có thể tạm định nghĩa quy hoạch tuyến tính là lĩnh vực toán học nghiên cứu
các bài toán tối ưu mà hàm mục tiêu (vấn đề được quan tâm) và các ràng buộc (điều
kiện của bài toán) đều là hàm và các phương trình hoặc bất phương trình tuyến tính.
Đây chỉ là một định nghĩa mơ hồ, bài toán quy hoạch tuyến tính sẽ được xác định rõ
ràng hơn thông qua các ví dụ .
Các bước nghiên cứu và ứng dụng một bài toán quy hoạch tuyến tính điển
hình là như sau :
a- Xác định vấn đề cần giải quyết, thu thập dữ liệu.
b- Lập mô hình toán học.
c- Xây dựng các thuật toán để giải bài toán đã mô hình hoá bằng ngôn ngữ
thuận lợi cho việc lập trình cho máy tính.
d- Tính toán thử và điều chỉnh mô hình nếu cần.
e- Áp dụng giải các bài toán thực tế.
1- Bài toán vốn đầu tư
Người ta cần có một lượng (tối thiểu) chất dinh dưỡng i=1,2,..,m do các thức
ăn j=1,2,...,n cung cấp. Giả sử :
aij là số lượng chất dinh dưỡng loại i có trong 1 đơn vị thức ăn loại j
(i=1,2,...,m) và (j=1,2,..., n)
bi là nhu cầu tối thiểu về loại dinh dưỡng i
cj là giá mua một đơn vị thức ăn loại j
Vấn đề đặt ra là phải mua các loại thức ăn như thế nào để tổng chi phí bỏ ra ít
nhất mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về dinh dưỡng. Vấn đề được giải quyết theo mô
hình sau đây :
Gọi xj ≥ 0 (j= 1,2,...,n) là số lượng thức ăn thứ j cần mua .
Tổng chi phí cho việc mua thức ăn là :
6
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
CHƯƠNG I
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH
TUYẾN TÍNH
Chương này trình bày cách xây dựng mô hình quy hoạch tuyến tính của những
bài toán dạng đơn giản. Đây là những kiến thức quan trọng để xây dựng mô hình cho
những bài toán phức tạp hơn trong thực tế sau này. Các khái niệm về ‘’ lồi’’ đuợc
trình bày để làm cơ sở cho phương pháp hình học giải quy hoạch tuyến tính. Một ví
dụ mở đầu được trình bày một cách trực quan để làm rõ khái niệm về phương án tối
ưu của quy hoạch tuyến tính.
Nội dung chi tiết của chương bao gồm :
I- GIỚI THIỆU BÀI TOÁN QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
1- Bài toán vốn đầu tư
2- Bài toán lập kế hoạch sản xuất
3- Bài toán vận tải
II- QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH TỔNG QUÁT VÀ CHÍNH TẮC
1- Quy hoạch tuyến tính tổng quát
2- Quy hoạch tuyến tính dạng chính tắc
3- Phương án
III- ĐẶC ĐIỂM CỦA TẬP HỢP CÁC PHƯƠNG ÁN
1- Khái niệm lồi và tính chất
2- Đặc điểm của tập các phương án
3- Phương pháp hình học
IV- MỘT VÍ DỤ MỞ ĐẦU
V- DẤU HIỆU TỐI ƯU
1- Ma trận cơ sở - Phương án cơ sở - Suy biến
2- Dấu hiệu tối ưu
5
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
CHƯƠNG I
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
I- GIỚI THIỆU BÀI TOÁN QUY HOẠCH TUYẾN
TÍNH
Có thể tạm định nghĩa quy hoạch tuyến tính là lĩnh vực toán học nghiên cứu
các bài toán tối ưu mà hàm mục tiêu (vấn đề được quan tâm) và các ràng buộc (điều
kiện của bài toán) đều là hàm và các phương trình hoặc bất phương trình tuyến tính.
Đây chỉ là một định nghĩa mơ hồ, bài toán quy hoạch tuyến tính sẽ được xác định rõ
ràng hơn thông qua các ví dụ .
Các bước nghiên cứu và ứng dụng một bài toán quy hoạch tuyến tính điển
hình là như sau :
a- Xác định vấn đề cần giải quyết, thu thập dữ liệu.
b- Lập mô hình toán học.
c- Xây dựng các thuật toán để giải bài toán đã mô hình hoá bằng ngôn ngữ
thuận lợi cho việc lập trình cho máy tính.
d- Tính toán thử và điều chỉnh mô hình nếu cần.
e- Áp dụng giải các bài toán thực tế.
1- Bài toán vốn đầu tư
Người ta cần có một lượng (tối thiểu) chất dinh dưỡng i=1,2,..,m do các thức
ăn j=1,2,...,n cung cấp. Giả sử :
aij là số lượng chất dinh dưỡng loại i có trong 1 đơn vị thức ăn loại j
(i=1,2,...,m) và (j=1,2,..., n)
bi là nhu cầu tối thiểu về loại dinh dưỡng i
cj là giá mua một đơn vị thức ăn loại j
Vấn đề đặt ra là phải mua các loại thức ăn như thế nào để tổng chi phí bỏ ra ít
nhất mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về dinh dưỡng. Vấn đề được giải quyết theo mô
hình sau đây :
Gọi xj ≥ 0 (j= 1,2,...,n) là số lượng thức ăn thứ j cần mua .
Tổng chi phí cho việc mua thức ăn là :
6
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
n
z =
c x = c1x1 + c2x2 + ...... + cnxn
∑
j
j
j=1
Vì chi phí bỏ ra để mua thức ăn phải là thấp nhất nên yêu cầu cần được thỏa mãn
là :
n
min z =
c x = c x + c x + ......+ c x
∑
j
j
1
1
2
2
n
n
j=1
Lượng dinh dưỡng i thu được từ thức ăn 1 là : ai1x1 (i=1→m)
Lượng dinh dưỡng i thu được từ thức ăn 2 là : ai2x2
.........................................................
Lượng dinh dưỡng i thu được từ thức ăn n là : ainxn
Vậy lượng dinh dưỡng thứ i thu được từ các loại thức ăn là :
ai1x1+ai2x2+...+ainxn (i=1→m)
Vì lượng dinh dưỡng thứ i thu được phải thỏa yêu cầu bi về dinh dưỡng loại đó
nên ta có ràng buộc sau :
ai1x1+ai2x2+...+ainxn ≥ bi (i=1→m)
Khi đó theo yêu cầu của bài toán ta có mô hình toán sau đây :
n
min z =
c x = c x + c x + ......+ c x
∑
j
j
1
1
2
2
n
n
j=1
a x + a x + ... + a x ≥ b
⎧
⎪
⎪
11
1
12
2
1n
n
1
a21x1 + a22x2 + ... + a2nxn ≥ b2
⎪
⎪
..........................................
⎨
⎪
⎪
⎪
a x + a x + ... + a x ≥ b
m1
1
m2
2
mn
n
m
⎪
⎩
xj ≥ 0 (j = 1,2,...,n)
2- Bài toán lập kế hoạch sản xuất
Từ m loại nguyên liệu hiện có người ta muốn sản xuất n loại sản phẩm
Giả sử :
aij là lượng nguyên liệu loại i dùng để sản xuất 1 sản phẩm loại j
(i=1,2,...,m) và (j=1,2,..., n)
bi là số lượng nguyên liệu loại i hiện có
cj là lợi nhuận thu được từ việc bán một đơn vị sản phẩm loại j
7
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
Vấn đề đặt ra là phải sản xuất mỗi loại sản phẩm là bao nhiêu sao cho tổng lợi nhuận
thu được từ việc bán các sản phẩm lớn nhất trong điều kiện nguyên liệu hiện có.
Gọi xj ≥ 0 là số lượng sản phẩm thứ j sẽ sản xuất (j=1,2,...,n)
Tổng lợi nhuận thu được từ việc bán các sản phẩm là :
n
z =
c x = c1x1 + c2x2 + ...... + cnxn
∑
j
j
j=1
Vì yêu cầu lợi nhuận thu được cao nhất nên ta cần có :
n
max z =
c x = c x + c x + ......+ c x
∑
j
j
1
1
2
2
n
n
j=1
Lượng nguyên liệu thứ i=1→m dùng để sản xuất sản phẩm thứ 1 là ai1x1
Lượng nguyên liệu thứ i=1→m dùng để sản xuất sản phẩm thứ 2 là ai2x2
...............................................
Lượng nguyên liệu thứ i=1→m dùng để sản xuất sản phẩm thứ n là ainxn
Vậy lượng nguyên liệu thứ i dùng để sản xuất là các sản phẩm là
ai1x1+ai2x2+...+ainxn
Vì lượng nguyên liệu thứ i=1→m dùng để sản xuất các loại sản phẩm không thể
vượt quá lượng được cung cấp là bi nên :
ai1x1+ai2x2+...+ainxn ≤ bi
(i=1,2,...,m)
Vậy theo yêu cầu của bài toán ta có mô hình sau đây :
n
max z =
c x = c x + c x + ......+ c x
∑
j
j
1
1
2
2
n
n
j=1
a x + a x + ... + a x ≤ b
⎧
⎪
⎪
11
1
12
2
1n
n
1
a21x1 + a22x2 + ... + a2nxn ≤ b2
⎪
⎪
..........................................
⎨
⎪
⎪
⎪
a x + a x + ... + a x ≤ b
m1
1
m2
2
mn
n
m
⎪
⎩
xj ≥ 0 (j = 1,2,...,n)
3- Bài toán vận tải
Người ta cần vận chuyển hàng hoá từ m kho đến n cửa hàng bán lẻ.
Lượng hàng hoá ở kho i là si (i=1,2,...,m) và nhu cầu hàng hoá của cửa hàng j là dj
8
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
(j=1,2,...,n). Cước vận chuyển một đơn vị hàng hoá từ kho i đến của hàng j là cij ≥ 0
đồng.
Giả sử rằng tổng hàng hoá có ở các kho và tổng nhu cầu hàng hoá ở các cửa
hàng là bằng nhau, tức là :
m
n
s =
d
j
∑ ∑
i
i=1
j=1
Bài toán đặt ra là lập kế hoạch vận chuyển để tiền cước là nhỏ nhất, với điều
kiện là mỗi cửa hàng đều nhận đủ hàng và mỗi kho đều trao hết hàng.
Gọi xij ≥ 0 là lượng hàng hoá phải vận chuyển từ kho i đến cửa hàng j. Cước
vận chuyển chuyển hàng hoá i đến tất cả các kho j là :
n
c x
∑
ij ij
j=1
Cước vận chuyển tất cả hàng hoá đến tất cả kho sẽ là :
m
n
z =
c x
∑∑
ij ij
i=1 j=1
Theo yêu cầu của bài toán ta có mô hình toán sau đây :
m
n
min z =
c x
∑∑
ij ij
i=1 j=1
m
⎧
xij = dj
(j = 1,2,...,n)
⎪∑
i=1
⎨
⎪
xij ≥ 0 (i = 1,2,...,m) (j = 1,1,...,n)
⎩
II- QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH TỔNG QUÁT VÀ
CHÍNH TẮC
1- Quy hoạch tuyến tính tổng quát
Tổng quát những bài toán quy hoạch tuyến tính cụ thể trên, một bài toán quy
hoạch tuyến tính là một mô hình toán tìm cực tiểu (min) hoặc cực đại (max) của hàm
mục tiêu tuyến tính với các ràng buộc là bất đẳng thức và đẳng thức tuyến tính. Dạng
tổng quát của một bài toán quy hoạch tuyến tính là :
9
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
n
min/ max z =
c x
(I)
∑
j
j
j=1
n
⎧
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎧
a x = b
(i ∈ I1 )
(i ∈ I2 )
(i ∈ I3 )
⎪∑
ij
j
i
i
i
j=1
⎪
n
⎪
⎪
a x ≤ b
(II)
⎨
∑
ij
j
j=1
⎪
n
⎪
⎪
a x ≥ b
∑
ij
j
⎪
j=1
⎩
⎧
xj ≥ 0
(
(
(
j ∈ J1
j ∈ J2
j ∈ J3
)
)
)
⎪
⎨
⎪
⎩
x ≤ 0
(III)
j
xj tùy ý
Trong đó :
• (I) Hàm mục tiêu
Là một tổ hợp tuyến tính của các biến số, biểu thị một đại lượng nào đó mà ta
cần phải quan tâm của bài toán.
• (II) Các ràng buộc của bài toán
Là các phương trình hoặc bất phương trình tuyến tính n biến số, sinh ra từ điều
kiện của bài toán.
• (III) Các các hạn chế về dấu của các biến số
Người ta cũng thường trình bày bài toán quy hoạch tuyến tính dưới dạng ma
trận như sau :
a
a12 ... a1n
x
c
b
⎡
⎡
⎢
⎢
⎢
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎡
⎢
⎢
⎢
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎡ ⎤
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
11
1
1
1
⎢ ⎥
⎢
⎢ ⎥
⎢
b2
a21 a22 ... a2n
x2
c2
⎢ ⎥
⎢
b =
A =
[
aij
]
=
x =
c =
⎢
⎢
⎢ ⎥
⎢
...
......................
...
...
⎢
⎢
⎢ ⎥
⎢
⎢
⎥
⎢
⎥
⎢ ⎥
⎢
⎥
am1 am2 ... amn
xn
cn
bm
⎣
⎦
⎣
⎦
⎣ ⎦
⎣
⎦
Gọi ai (i=1→m) là dòng thứ i của ma trận A, ta có :
10
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
min/max z(x) = cT x
(I)
⎧
⎪
⎪
a x = b
(i ∈ I1 )
(i ∈ I2 )
(i ∈ I3 )
⎧
i
i
i
⎪
a x ≤ b
(II)
⎨
i
⎪
⎪
⎪
⎨
aix ≥ bi
⎩
⎧
⎪
⎨
⎪
⎩
xj ≥ 0
(
(
j ∈ J1
j ∈ J2
)
)
)
⎪
⎪
⎪
x ≤ 0
(III)
j
⎪
xj tùy ý
(
j ∈ J3
⎩
Người ta gọi :
- A là ma trận hệ số các ràng buộc.
- c là vectơ chi phí (cT là chuyển vị của c)
- b là vectơ giới hạn các ràng buộc.
2- Quy hoạch tuyến tính dạng chính tắc
Bài toán quy hoạch tuyến tính chính tắc là bài toán quy hoạch tuyến tính mà
trong đó các ràng buộc chỉ có dấu = và các biến số đều không âm.
n
min/max z =
c x
(I)
∑
j
j
j=1
n
( m≤ n )
⎧
a x = b
(i = 1,2,...,m) (II)
(j = 1,2,...,n) (III)
∑
ij
j
i
⎪
⎪
j=1
⎨
⎪
x ≥ 0
⎪
⎩
j
min/max z(x) = cT x
(I)
rang(A)=m
Ax = b
x ≥ 0
(II)
(III)
⎧
⎪
⎨
⎪
⎩
Người ta có thể biến đổi bài toán quy hoạch tuyến tính dạng tổng quát thành
bài toán quy hoạch tuyến tính dạng chính tắc nhờ các quy tắc sau đây :
- Nếu gặp ràng buộc i có dạng ≤ thì người ta cộng thêm vào vế trái của ràng
buộc một biến phụ xn+i ≥ 0 để được dấu = .
11
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
- Nếu gặp ràng buộc i có dạng ≥ thì người ta trừ vào vế trái của ràng buộc một
biến phụ xn+i ≥ 0 để được dấu = .
Các biến phụ chỉ là những đại lượng giúp ta biến các ràng buộc dạng bất đẳng
thức thành đẳng thức, nó phải không ảnh hưởng gì đến hàm mục tiêu nên không xuất
hiện trong hàm mục tiêu.
- Nếu biến xj ≤ 0 thì ta đặt xj = -x’j với x’j ≥ 0 rồi thay vào bài toán.
′
′′
′
′′
- Nếu biến xj là tuỳ ý thì ta đặt xj = xj − xj với xj , xj đều ≥ 0 rồi thay vào
bài toán.
- Trong trường hợp trong số các ràng buộc có dòng mà vế phải của dòng đó là
giá trị âm thì đổi dấu cả hai vế để được vế phải là một giá trị không âm.
Dựa vào các phép biến đổi trên mà người ta có thể nói rằng bài toán quy
hoạch tuyến tính chính tắc là bài toán quy hoạch tuyến tính mà trong đó các ràng
buộc chỉ có dấu = , vế phải và các biến số đều không âm.
Ví dụ :
Biến đổi bài toán quy hoạch tuyến tính sau đây về dạng chính tắc :
min z(x) = 2x1 − x2 + 2x3 + x4 − 2x5
⎧
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
x − 2x + x + 2x + x ≤ 7
⎧
⎪
1
2
3
4
5
⎪
⎪
x2 + 2x3 + x4 ≥ −1
⎨
2x + x + 3x ≥ 10
⎪
⎪
⎪
3
4
5
x1 + x2 − 2x3 + x4 = 20
x , x ≥ 0
⎨⎩
⎪
⎪
⎧
1
5
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
x ≤ 0
⎨
⎪
4
⎪
⎩
⎪x2 , x3 tùy ý
⎩
Bằng các thay thế :
′
′
x4 = −x4
(x4 ≥ 0)
′
′′
′
′′
x2 = x2 − x2
(x2 , x2 ≥ 0)
′
′′
′
′′
x3 = x3 − x3
(x3 , x3 ≥ 0)
ta được :
12
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
′
′′
′
′′
′
min z(x) = 2x1 − (x2 − x2 ) + 2(x3 − x3 ) − x4 − 2x5
′
′′
′
′′
′
4
x − 2(x − x ) + (x − x ) − 2x + x + x = 7
⎧
1
2
2
3
3
5
6
⎪
⎪
⎨
′
′′
′
′′
3
(x − x ) + 2(x − x ) + x − x = −1
2
2
3
4
7
′
′′
′
2(x3 − x3 ) − x4 + 3x5 − x8 = 10
⎪
⎪
′
′′
′
′′
′
x1 + (x2 − x2 ) − 2(x3 − x3 ) − x4 = 20
⎩
′
′′ ′′
′
′
x1 , x5 ,x6 ,x7 ,x8 ,x2 ,x2 ,x3 ,x3 ,x4 ≥ 0
hay :
′
′′
′
′′
′
min z(x) = 2x1 − (x2 − x2 ) + 2(x3 − x3 ) − x4 − 2x5
′
′′
′
′′
′
4
x − 2(x − x ) + (x − x ) − 2x + x + x = 7
⎧
1
2
2
3
3
5
6
⎪
⎪
⎨
′
′′
′
′′
3
− (x − x ) − 2(x − x ) − x + x = 1
2
2
3
4
7
′
′′
′
2(x3 − x3 ) − x4 + 3x5 − x8 = 10
⎪
⎪
′
′′
′
′′
′
x1 + (x2 − x2 ) − 2(x3 − x3 ) − x4 = 20
⎩
′
′′ ′′
′
′
x1 ,x5 ,x6 ,x7 ,x8 ,x2 ,x2 ,x3 ,x3 ,x4 ≥ 0
3- Phương án
Xét bài toán quy hoạch tuyến tính chính tắc :
min/max z(x) = cT x
(P)
Ax = b
x ≥ 0
⎧
⎨
⎩
• x=[x1 x2 ... xn] T là một phương án của (P) khi và chỉ khi Ax =
b.
• x=[x1 x2 ... xn] T là một phương án khả thi của (P) khi và chỉ
khi Ax = b và x ≥ 0 .
• Một phương án tối ưu của (P) là một phương án khả thi của (P)
mà giá trị của hàm mục tiêu tương ứng đạt min/max.
13
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
III- ĐẶC ĐIỂM CỦA TẬP HỢP CÁC PHƯƠNG ÁN
1- Khái niệm lồi và các tính chất
a- Tổ hợp lồi
- Cho m điểm xi trong không gian Rn . Điểm x được gọi là tổ hợp lồi của các
điểm xi nếu :
m
x = α xi = α x1 + α x2 + ... + α xm
∑
i
1
2
m
i=1
α1 ,α2 ,....,αn ≥ 0
α1 + α2 + .... + αn = 1
- Khi x là tổ hợp lồi của hai điểm x1, x2 người ta thường viết :
x=λx1+(1-λ)x2
(0≤λ≤1)
Nếu 0<λ<1 thì x được gọi là tổ hợp lồi thật sự.
- Ðoạn thẳng
Tập hợp tất cả các tổ tổ hợp lồi của 2 điểm bất kỳ A, B∈ Rn được gọi là đoạn
thẳng nối A và B . Ký hiệu :
δAB= {x = λA + (1-λ)B với λ∈[0,1] }
Định lý
Tổ hợp lồ có tính chất bắc cầu.
b- Tập hợp lồi
Tập con S của Rn được gọi là tập hợp lồi khi S chứa toàn bộ đoạn thẳng nối
hai điểmbất kỳ của S.
λx + (1-λ)y ∈ S ∀x,y∈,λ∈[0,1]
Tập hợp rỗng và tập hợp chỉ có một phần tử được xem là tập hợp lồi.
Định lý
Giao của một số bất kỳ các tập hợp lồi là một tập hợp lồi.
Định lý
Nếu S là một tập hợp lồi thì S chứa mọi tổ hợp lồi của một họ điểm bất kỳ
trong S.
14
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
c- Ðiểm cực biên của một tập hợp lồi
Ðiểm x trong tập lồi S ⊂ Rn được gọi là điểm cực biên nếu không thể biểu
diễn được x dưới dạng tổ hợp lồi thật sự của hai điểm phân biệt của S.
d- Ða diện lồi và tập lồi đa diện
Đa diện lồi
Tập hợp S tất cả các tổ hợp của các điểm x1, x2,....,xm cho trước được gọi là đa
diện lồi sinh ra bởi các điểm đó.
Đa diện lồi là một tập hợp lồi.
Trong đa diện lồi người ta có thể loại bỏ dần các điểm là tổ hợp của các điểm
còn lại. Khi đó người ta thu được một hệ các điểm, giả sử là y1, y2,...,yp (p≤m) . Các
điểm này chính là các điểm cực biên của đa diện lồi, chúng sinh ra đa diện lồi đó.
Số điểm cực biên của đa diện lồi là hữu hạn.
Siêu phẳng - Nửa không gian
A=[aij]m.n là ma trận cấp m.n
Ai (i=1,2,...,m) là hàng thứ i của A
Siêu phẳng trong Rn là tập các điểm x=[x1,x2,.....,xn]T thỏa
Ai x = bi
Nửa không gian trong Rn là tập các điểm x=[x1,x2,.....,xn]T thỏa
Ai x ≥ bi
Siêu phẳng và nửa không gian đều là các tập hợp lồi.
Tập lồi đa diện
Giao của một số hữu hạn các nửa không gian trong Rn được gọi là tập lồi đa
diện.
15
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
Tập lồi đa diện là một tập hợp lồi.
Nếu tập lồi đa diện không rỗng và giới nội thì đó là một đa diện lồi
2- Đặc điểm của tập hợp các phương án
Ðịnh lý
Tập hợp các phương án của một quy hoạch tuyến tính là một tập lồi đa diện.
Nếu tập hợp lồi đa diện này không rỗng và giới nội thì đó là một đa diện lồi,
số điểm cực biên của nó là hữu hạn.
Ðịnh lý
Tập hợp các phương án tối ưu của một quy hoạch tuyến tính là một tập lồi.
Xét quy hoạch tuyến tính chính tắc
min/max z(x) = cT x
(I)
Ax = b
x ≥ 0
(II)
(III)
⎧
⎪
⎨
⎪
⎩
Giả sử A=[aij]m.n có cấp m.n, m ≤ n, rang(A)=m .
Gọi Aj (j=1,2,...,n) cột thứ j của ma trận A, quy hoạch tuyến tính chính tắc trên
có thể viết :
min/max z(x) = c1x1 + c2x2 + ... + cnxn
1
2
n
⎧
⎨
⎩
x1A + x2 A + ... + xnA = b
x ≥ 0
Gọi S={x=[x1,x2,...,xn]T ≥ 0 / x1A1+ x2A2+...+ xnAn=b} là tập các phương án
của bài toán.
x0 =
[
x10 ,x02 ,...,xn0
]
T ∈ S là một phương án khác 0.
Định lý
Điều kiện cần và đủ để x0 là phương án cực biên ( điểm cực biên của S) là các
cột Aj ứng với x0j >0 là độc lập tuyến tính.
Hệ quả
Số phương án cực biên của một quy hoạch tuyến tính chính tắc là hữu hạn. Số
thành phần > 0 của một phương án cực biên tối đa là bằng m.
Khi số thành phần > 0 của một phương án cực biên bằng đúng m thì phương
án đó được gọi là một phương án cơ sở.
16
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
Định lý
Nếu tập các phương án của một quy hoạch tuyến tính chính tắc không rỗng thì
quy hoạch tuyến tính đó có ít nhất một phương án cực biên.
Bổ đề
Nếu
x
là một phương án tối ưu của quy hoạch tuyến tính.
x1, x2 là các phương án của quy hoạch tuyến tính.
x là tổ hợp lồi thực sự của x1, x2
thì x1, x2 cũng là phương án tối ưu của quy hoạch tuyến tính.
Định lý
Nếu quy hoạch tuyến tính chính tắc có phương án tối ưu thì thì sẽ có ít nhất
một phương án cực biên là phương án tối ưu.
Ví dụ : xét quy hoạch tuyến tính chính tắc
max z(x) = 2x1 + 3x2
4x + 2x + x = 5
⎧
⎨
⎩
1
2
3
x1 + 3x2 = 1
x1 ,x2 ,x3 ≥ 0
T
13
3
1
10
⎡
⎤
Với hệ A1 A2 ta tính được x1 =
Với hệ A1 A3 ta tính được x2 =
−
0
⎢
⎥
⎣
⎦
T
1 0 1
]
T
1 13
⎡
⎤
Với hệ A2 A3 ta tính được x3 = 0
⎢
⎥
3
3
⎣
⎦
Vì các thành phần của phương án cực biên là > 0 nên ta chi xét x2 và x3 . Khi
đó :
z(x2)=2.1+3.0=2
z(x3)=2.0+3.1/3=1
Vậy x2 =
1 0 1
T là một phương án tối ưu.
]
Định lý
Điều kiện cần và đủ để một quy hoạch tuyến tính có phương án tối ưu là tập
các phương án không rỗng và hàm mục tiêu bị chặn.
17
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
Định lý
Nếu tập các phương án của một quy hoạch tuyến tính không rỗng và là một đa
diện lồi thì quy hoạch tuyến tính đó sẽ có ít nhất một phương án cực biên là phương
án tối ưu.
3- Phương pháp hình học
Từ những kết quả trên người ta có cách giải một quy hoạch tuyến tính hai biến
bằng phương pháp hình học thông qua ví dụ sau :
Ví dụ : xét quy hoạch tuyến tính
max z(x) = 3x1 + 2x2
x − x ≥ −4
⎧
1
2
⎪
⎪
x + 2x ≤ 14
⎨
⎪
⎩
1
2
⎪5x1 + 2x2 ≤ 30
x1 , x2 ≥ 0
x2
C
B
D
x1
O
A
A,B,C,D,O là các điểm cực biên. Giá trị hàm mục tiêu tại đó là :
z(A)=3.6+2.0=18
z(B)=3.4+2.5=22
z(C)=3.2+2.6=18
z(D)=3.0+2.8=8
z(O)=3.0+2.0=0
Phương án tối ưu của bài toán đạt được tại B : x1=4 và x2=5
IV- MỘT VÍ DỤ MỞ ĐẦU
Xét bài toán quy hoạch tuyến tính :
18
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
min z(x) = - 5x1 − 4x2 − 3x3
2x + 3x + x ≤ 5
⎧
1
2
3
⎪
⎨
4x + x + 2x ≤ 11
1
2
3
⎪
3x1 + 4x2 + 2x3 ≤ 8
⎩
x1 ,x2 ,x3 ≥ 0
Đưa bài toán về dạng chính tắc bằng cách đưa vào các biến phụ w1, w2, w3 ≥ 0
( làm cho các ràng buộc bất đẳng thức thành đẳng thức ) . Ta được :
min z(x) = - 5x1 − 4x2 − 3x3
2x + 3x + x + w = 5
⎧
1
2
3
1
⎪
⎨
4x + x + 2x + w = 11
1
2
3
2
⎪
3x1 + 4x2 + 2x3 + w3 = 8
⎩
x1 , x2 , x3 , w1 , w2 , w3 ≥ 0
Thực hiện việc chuyển vế ta được bài toán ban đầu như sau :
min z(x) = - 5x1 − 4x2 − 3x3
w = 5 − 2x − 3x − x
⎧
1
1
2
3
⎪
⎨
w = 11 − 4x − x − 2x
(I)
2
1
2
3
⎪
w3 = 8 − 3x1 − 4x2 − 2x3
⎩
x1 ,x2 ,x3 ,w1 ,w2 ,w3 ≥ 0
Một phương án khả thi xuất phát ( chưa là phương án tối ưu ) của bài toán là :
x1 = x2 = x3 = 0
w1=5
w2=11
w3 = 8
Giá trị tương ứng của hàm mục tiêu là z(x) = 0
Người ta sẽ cải tiến phương án xuất phát này để được một phương án mới tốt
hơn, nó làm cho giá trị của hàm mục tiêu giảm xuống. Người ta làm như sau :
Vì hệ số của x1 trong hàm mục tiêu là âm và có giá trị tuyệt đối lớn nhất nên
nếu tăng x1 từ bằng 0 lên một giá trị dương ( càng lớn càng tốt ) và đồng thời vẫn giữ
x2 và x3 bằng 0 thì giá trị của hàm của hàm mục tiêu sẽ giảm xuống. Khi đó các biến ở
vế trái của bài toán (I) sẽ bị thay đổi theo nhưng phải thoả ≥ 0 . Sự thay đổi của chúng
không ảnh hưởng đến sự thay đổi của hàm mục tiêu. Thực hiện ý tưởng trên ta được :
w = 5 − 2x ≥ 0
⎧
1
1
⎪
⎨
w = 11 − 4x ≥ 0
2
1
⎪
w3 = 8 − 3x1 ≥ 0
⎩
x2 = x3 = 0
19
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
5
2
11
4
8
⎧
⎪
⎪
⎪
x1 ≤
5
2
Suy ra : x ≤
⇒ x1 ≤
(dòng 1 được chọn)
⎨
1
⎪
⎪
x1 ≤
⎪
3
⎩
5
2
Người ta chọn x1 = nên nhận được một phương án tốt hơn được xác định
như sau :
x2 = x3 = w1 = 0
5
2
1
2
x1 =
w2 = 1 w3 =
25
2
Giá trị tương ứng của hàm mục tiêu là z(x) = −
Bước tiếp theo là biến đổi bài toán (I) thành một bài toán tương đương bằng
cách từ dòng 1 ( dòng được chọn ) tính x1 theo các biến còn lại và thế giá trị nhận
được vào các dòng còn lại, ta được :
25
2
5
2
7
2
1
2
min z(x) = -
+
w1 + x2 − x3
5
2
1
2
3
2
1
2
⎧
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎩
x1 =
−
w1 − x2 − x3
(II)
w = 1 + 2w + 5x
2
1
2
1
2
3
2
1
1
w3 =
+
w1 + x2 − x3
2
2
x1 ,x2 ,x3 ,w1 ,w2 ,w3 ≥ 0
Thực hiện tương tự như trên, người ta tăng x3 từ bằng 0 lên một giá trị dương
cho phép và đồng thời vẫn giữ x2 và w1 bằng 0 thì giá trị của hàm của hàm mục tiêu
sẽ giảm xuống. Khi đó các biến ở vế trái của bài toán (II) sẽ bị thay đổi theo nhưng
phải thoả ≥ 0 . Ta được :
5
2
1
2
⎧
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎩
x1 =
−
x3 ≥ 0
x ≤ 5
⎧
⎨
⎩
3
w = 1 ≥ 0
⇒
⇒ x3 ≤ 1 ( dòng 3 được chọn )
2
x3 ≤ 1
1
2
1
2
w3 =
−
x3 ≥ 0
Khi đó người ta chọn x3=1 nên thu được một phương án tốt hơn được xác định
như sau :
20
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
x2 = w1 = w3 = 0
x1 = 2 x3 = 1 w2 = 1
Giá trị tương ứng của hàm mục tiêu là z(x)=-13
Bước tiếp theo là biến đổi bài toán (II) thành một bài toán tương đương bằng
cách từ dòng 3 ( dòng đựợc chọn ) tính x3 theo các biến còn lại và thế giá trị nhận
được vào các dòng còn lại, ta được :
min z(x) = -13 + w1 + 3x2 + w3
x = 2 - 2w − 2x + w
⎧
1
1
2
3
⎪
⎨
w = 1 + 2w + 5x
(III)
2
1
2
⎪
x3 = 1 + 3w1 + x2 − 2w3
⎩
x1 ,x2 ,x3 ,w1 ,w2 ,w3 ≥ 0
Đến đây vì không có hệ số nào của hàm mục tiêu là âm nên không thể làm
giảm giá trị của hàm mục tiêu theo cách như trên nữa. Phương án thu được ở bước sau
cùng chính là phương án tối ưu của bài toán.
Đối với bài toán max, thay cho việc làm tăng biến có hệ số âm trong hàm mục
tiêu người ta làm tăng biến có hệ số dương cho đến khi các hệ số trong hàm mục tiêu
hoàn toàn âm.
V- DẤU HIỆU TỐI ƯU
1- Ma trận cơ sở - Phương án cơ sở - Suy biến
Xét bài toán quy hoạch tuyến tính chính tắc
min/max z(x) = cT x
(P)
Ax = b
x ≥ 0
⎧
⎨
⎩
a- Ma trận cơ sở
Người ta gọi cơ sở của bài toán quy hoạch tuyến tính chính tắc (P) là mọi ma
trận B không suy biến (có ma trận nghịch đảo) mxm trích ra từ m cột của ma trận ràng
buộc A. Các cột còn lại được gọi là ma trận ngoài cơ sở, ký hiệu là N .
b- Phương án cơ sở - Phương án cơ sở khả thi
B là một cơ sở của bài toán (P).
Khi đó, bằng cách hoán vị các cột của A người ta có thể luôn luôn đặt A dưới dạng :
21
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH
A = [ B N ]
Do đó, người ta cũng phân hoạch x và c như sau :
xT = [ xB xN ]
cT = [ cB cN ]
Một phương án x của bài toán (P) thoả :
x
⎡
⎤
B
Ax = b ⇔
[
B N
]
= b ⇔ BxB + NxN = b
⎢
⎣
⎥
⎦
xN
Phương án cơ sở
Người ta gọi một phương án cơ sở tương ứng với cơ sở B là một phương án
đặc biệt, nhận được bằng cách cho :
xN = 0
Khi đó xB được xác định một cách duy nhất bằng cách giải hệ phương trình
tuyến tính bằng phương pháp Cramer :
BxB = b ⇔ xB = B-1b
Phương án cơ sở khả thi
Một phương án cơ sở là phương án cơ sở khả thi nếu :
xB = B-1b ≥ 0
Cơ sở tương ứng với một phương án khả thi được gọi là cơ sở khả thi .
Ví dụ : xét bài toán quy hoạch tuyến tính dạng chính tắc :
min/max z(x) = x1 − x2 + x3 − x4 + x5 + x6
2x + 2x + x = 20
⎧
1
4
5
⎪
⎪
− 3x + 4x − 4x + x = 10
⎨
⎪
1
2
4
6
⎪x1 + 2x2 + x3 + 3x4 = 28
⎩
xj ≥ 0 (j = 1,2,...,6)
Ma trận ràng buộc là
x1 x2 x3 x4 x5 x6
2
0
4
0
0
1
2
- 4
3
1
0
0
0
1
⎡
⎢
⎤
⎥
⎥
⎥
⎢
A = - 3
⎢
⎢
⎥
⎦
1
2
0
⎣
Có thể chọn ba cột bất kỳ và kiểm chứng xem đó có thể là cơ sở không.
Một cơ sở được chọn và sắp xếp lại là
22
Tải về để xem bản đầy đủ
92 trang
13/04/2022
4700
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Lý thuyết cơ bản về quy hoạch tuyến tính (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_ly_thuyet_co_ban_ve_quy_hoach_tuyen_tinh_phan_1.pdf
