线性规划及单纯形法
单纯形法与线性规划问题
单纯形法与线性规划问题线性规划是一种优化问题，其基本形式是在给定的约束条件下，使目标函数最大或最小。
这种问题在工业、商业、农业和社会等领域有着广泛的应用。
在解决线性规划问题时，单纯形法是一种经典和常用的算法。
本文将介绍单纯形法和其在线性规划问题中的应用。
一、单纯形法概述单纯形法是一种基于向量空间的方法，其基本思想是沿着可行解空间中的边缘逐步搜索找到最优解。
单纯形法的运算是建立在基向量的概念上，基向量是指满足线性不可约条件的可行解基组成的向量。
单纯形法的步骤如下：1. 构造首行，确定初始基向量。
2. 选择离目标函数最远并且为正的变量，称为入基变量。
3. 选择离约束最近的基变量，称为出基变量。
4. 通过 Gauss-Jordan 消元法计算新的基向量组，确定更新后的基向量。
5. 重复步骤 2-4 直至无法选择入基变量为止。
6. 找到目标函数的最优解。
二、线性规划问题线性规划问题的一般形式如下：$$\max_{x_1,x_2,\dots,x_n\ge0}f(x_1,x_2,\dots,x_n)$$$$\text{s.t.}\begin{cases}\sum_{j=1}^na_{1j}x_j\le b_1\\\sum_{j=1}^na_{2j}x_j\le b_2\\\dots\dots\\\end{cases}$$其中，$f(x_1,x_2,\dots,x_n)$ 为线性目标函数，$a_{ij}$ 和$b_i$ 均为常数。
三、单纯形法解决线性规划问题1. 转化为标准型单纯形法只能用于标准型的线性规划问题，因此需要将原始问题转化为标准型。
标准型的形式如下：$$\max_{x_1,x_2,\dots,x_n\ge0}\sum_{j=1}^nc_jx_j$$$$\text{s.t.}\begin{cases}\sum_{j=1}^na_{1j}x_j\le b_1\\\sum_{j=1}^na_{2j}x_j\le b_2\\\dots\dots\\\end{cases}$$2. 添加松弛变量将约束条件转化为等式形式时需要添加松弛变量，松弛变量是一种关于决策变量的人工变量，其值可以取负数。
第二章线性规划及单纯形法总结
第一章
工厂需要的原棉存放在三个仓库中，现将原棉运往工 厂以满足工厂生产的需求。已知原棉运到各个工厂的单位 运费如表所示。问使总运费最小的运输方案？
仓库\工厂
1 2 3 需求
1
2 2 3 40
2
1 2 4 15
3
3 4 2 35
库存
50 30 10
2．线性规划数学模型
解：设xij为i 仓库运到 j工厂的原棉数量(i =1,2,3
1．线性规划介绍
第一章
线性规划研究的主要问题： 有一定的人力、财力、资源条件下，如何 合理安排使用，效益最高?
某项任务确定后，如何安排人、财、物， 使之最省?
2．线性规划数学模型
第一章
例1 美佳公司计划制造I，II两种家电产品。已知各 制造一件时分别占用的设备A、B的台时、调试时间及A、 B设备和调试工序每天可用于这两种家电的能力、各售出 一件时的获利情况如表I—l所示。问该公司应制造A、B两 种家电各多少件，使获取的利润为最大？
第一章
j =1,2,3)
minZ= 2x11 + x12+3x13+2x21 +2x22 +4x23 +3x31 +4x32 +2x33 x11 +x12+x13 x21+x22+x23 x31+x32+x33 50 30 10 40
st.
x11 +x21+x31 =
x12 +x22+x32 =
x13 +x23+x33 = xij 0
15
35
2．线性规划数学模型
第一章
练习4 连续投资10万元 A：从第1年到第4年每年初投资，次年末回收本利1.15； B：第3年初投资，到第5年末回收本利1.25，最大投资4万元； C：第2年初投资，到第5年末回收本利1.40，最大投资3万元； D：每年初投资，每年末回收本利1.11。 求：使5年末总资本最大的投资方案。 分析： A 1 x1A 2 x2A x2C x1D x2D x3D x4D x5D 3 x3A 4 x4A 5
第一章 线性规划及单纯形法
线性规划问题的标准形式： 线性规划问题的标准形式：
max f = ∑ c j x
j =1 j n
n ∑ aij x j = bi , i = 1,2,L , m j =1 x j ≥ 0, j = 1,2,L , n
日产量（ 日产量（吨） 9 5 7 21
11
）（模型 例2（运输问题）（模型） （运输问题）（模型）
minf = 2 x11 + 9 x12 + 10 x13 + 7 x14 + x21 + 3 x22 + 4 x23 + 2 x24 + 8 x31 + 4 x32 + 2 x33 + 5 x34 x11 + x12 + x13 + x14 = 9 x +x +x +x =5 23 24 21 22 x31 + x32 + x33 + x34 = 7 x11 + x21 + x31 = 3 s.t. x12 + x22 + x32 = 8 x13 + x23 + x33 = 4 x14 + x24 + x34 = 6 xij ≥ 0(i = 1,2,3; j = 1,2,3,4)
18
3、（线性规划）数学模型的三要素 、（线性规划） 、（线性规划 变量/决策变量 决策变量； ①变量 决策变量； 目标函数（ ②目标函数（max/min）； ）； 约束条件。 ③约束条件。
19
决策变量： ①变量/决策变量：指决策者为实现规划目标采 变量 决策变量 取的方案、措施，是问题中要确定的未知量； 取的方案、措施，是问题中要确定的未知量；
线性规划与单纯形法
线性规划与单纯形法线性规划（Linear Programming）是一种在资源有限的情况下，通过最优化目标函数来确定最佳解决方案的数学优化方法。
而单纯形法（Simplex Method）则是一种常用的求解线性规划问题的算法。
本文将介绍线性规划与单纯形法的基本概念和运算步骤，以及实际应用中的一些注意事项。
一、线性规划的基本概念线性规划的基本思想是在一组线性不等式约束条件下，通过线性目标函数的最小化（或最大化）来求解最优解。
其中，线性不等式约束条件可表示为：```a1x1 + a2x2 + ... + anxn ≤ b```其中，x1、x2、...、xn为决策变量，a1、a2、...、an为系数，b为常数。
目标函数的最小化（或最大化）可表示为：```min(c1x1 + c2x2 + ... + cnxn)```或```max(c1x1 + c2x2 + ... + cnxn)```其中，c1、c2、...、cn为系数。
二、单纯形法的基本思想单纯形法是由乔治·丹尼尔·丹齐格尔（George Dantzig）于1947年提出的求解线性规划问题的算法。
其基本思想是通过逐步迭代改进当前解，直至达到最优解。
三、单纯形法的运算步骤1. 初等列变换：将线性规划问题转化为标准型，即将所有约束条件转化为等式形式，并引入松弛变量或人工变量。
2. 初始化：确定初始可行解。
通常使用人工变量法来获得一个初始可行解。
3. 检验最优性：计算当前基础解的目标函数值，若目标函数值小于等于零，则该基础解即为最优解。
否则，进入下一步。
4. 基本可行解的变换：选择一个入基变量和一个出基变量，并进行基本变换，得到新的基础解。
5. 迭代求解：根据目标函数值是否小于等于零，判断是否达到最优解。
若达到最优解，则算法终止；若未达到最优解，则返回步骤3进行下一轮迭代。
四、单纯形法的实际应用注意事项1. 线性规划问题的约束条件必须是线性的，且可行解集合必须是有界的。
第1章-线性规划及单纯形法-课件(1)
✓ x1、 x2 0
IБайду номын сангаас
设备
1
原材料 A 4
原材料 B 0
利润
2
II 资源限量
2 8 台时
0
16kg
4
12kg
3
第一章 线性规划及单纯形法 运筹学
该计划的数学模型
✓ 目标函数 ✓ 约束条件
Max Z = 2x1 + 3x2
x1 + 2x2 8 4x1 16 4x2 12 x1、 x2 0
x1
✓ 美国航空公司关于哪架飞机用于哪一航班和哪些 机组人员被安排于哪架飞机的决策。
✓ 美国国防部关于如何从现有的一些基地向海湾运 送海湾战争所需要的人员和物资的决策。
✓ ……
第一章 线性规划及单纯形法 运筹学
二、线性规划问题的数学模型
✓ 1、一般形式 ✓ 2、简写形式 ✓ 3、表格形式 ✓ 4、向量形式 ✓ 5、矩阵形式
1、唯一最优解
max Z 2 x 1 3 x 2
2 x 1 2 x 2 12 ⑴
x1 4 x1
2 x2
8 16
⑵ ⑶
4 x 2 12 ⑷
x 1 0 , x 2 0
1 234 56
x2
⑶ ⑷
(4，2)
0 1 234 5678
x1
⑵
⑴
✓最优解：x1 = 4,x2 = 2，有唯一最优解Z=14。
第一章 线性规划及单纯形法 运筹学
三、线性规划模型的标准形式
✓ 1、标准形式 ✓ 2、转换方式
第一章 线性规划及单纯形法 运筹学
1、标准形式
maZx cjxj
xj
aijxj 0
bi
第1章线性规划及单纯形法
表1-17
原料 甲
乙
丙
A ≥60% ≥3%
B C ≤20% ≤50% ≤60 加工费 0.50 0.40 0.30 (元/kg) 售价 3.4 2.85 2.25 (元/kg)
原料成本 每月限 (元/kg) 制用量
(kg)
2.00 2000
1.50 2500
1.00 1200
（二） 产品计划问题
Min z= 13x1 +9x2 +10x3 +11x4 +12x5 +8x6
s.t.
x1 +x4 =300
x2 +x5 =500
x3 +x6 =400
0.4x1 +1.1x2
+x3 ≤700
0.5x4 +1.2x5 +1.3x6 ≤800
xj ≥0 （j＝1， 2， …， 6）
例3：某昼夜服务的公共交通系统每天各时间段 （ 每4小时为一个时间段）所需的值班人数如下表， 这些值班人员在某一时段开始上班后要连续工作8个 小时 （ 包括轮流用膳时间在内），问该公交系统至
少需多少名工作人员才能满足值班的需要。
班次
时间段
所需人数
1
6:00—10:00
60
2
10:00—14:00
70
3
14:00—18:00
60
4
18:00—22:00
50
5
22:00—2:00
20
6
2:00—6:00
30
设xi为第i个时段开始上班的人员数，由此可得数 学模型如下：
Min z= x1 +x2
+x3 +x4 +x5 +x6
运筹学线性规划与单纯形法
整理课件
16
Max Z= x1-2x2+3x3' -3x3" + 0x4 +0x5 s.t. x1+x2+ x3' - x3" +x4 =7
x1-x2+ x3' - x3" -x5=2
-3x1+x2+2x3' -2x3" =5 x1, x2,x3',x3", x4,x5 0
第一节小结：建立模型；三个组成要素；四种形式； 化为标准形（4个条件5点）
.
9x1+4x2 ≤ 360
90 80 60 40 20
4x1+5x2 ≤200
B C
HI G
Z=70x1+120x2 3x1+10x2 ≤300
0
20 D40 E 60
80 1F00 x1
整理课件
30
二、解的几种可能情况
1．唯一最优解。目标函数直线与凸多边形只有 一个切点； 2．无穷多最优解，目标函数图形与某个约束条 件平行。 3．无界解（无最优解）----可行域无界。一般是 漏了一些约束条件。 4．无可行解----可行域为空。
Ⅰ
Ⅱ 计划期可用能力
2
2
12
1
2
8
4
0
16
0
4
12
2
3
问：应如何安排生产计划，才能使总利润最大？
整理课件
3
解：用数学的语言进行描述:
1.决策变量：设产品I、II的产量分别为 x1、x2 2.目标函数：问题要求获取利润最大，该公司获取
利润为2 x1 + 3 x2，令z = 2 x1 + 3 x2，则max z = 2 x1 + 3 x2， max z 是该公司获取利润的目标 值，它是变量x1、 x2的函数，称为目标函数。
第一章线性规划及单纯形法
第一章线性规划及单纯形法6.6单纯形法小结Drawingontheexampl,thetwoaxisinterceptsareplotted.2、求初始基可行解并进行最优性检验Cj比值CBXBb 检验数?jx1x2x3x4x53500081010012020103634001x3x4x5000035000令非基变量x1=0，x2=0，找到一个初始基可行解：x1=0，x2=0，x3=8，x4=12，x5=36，σj＞0，此解不是最优（因为z=3x1+5x2+0x3+0x4+0x5)即X0=(0,0,8,12,36)T，此时利润Z=03、寻找另一基可行解Cj比值CBXBb检验数?jx1x2x3x4x53500081010012020103634001x3x4x5000035000-12/2=636/4=9主元首先确定入基变量再确定出基变量检验数?j81010060101/2012300-21x3x2x5050-30300-5/20Cj比值CBXBb检验数?jx1x2x3x4x53500081010012020103634001x3x4x5000035000-12/2=636/4=9令x1=0，x4=0，得x2=6，x3=8，x5=12，即得基可行解X1=(0,6,8,0,12)T此时Z＝30σ1=3＞0，此解不是最优迭代4、寻找下一基可行解Cj比值CBXBb检验数?jx1x2x3x4x53500081010060101/2012300-21x3x2x5050-30300-5/208-4检验数?j40012/3-1/360101/204100-2/31/3x3x2x1053-42000-1/2-1令x4=0，x5=0，得x1=4，x2=6，x3=4，即X0=(4,6,4,0,0)T?j＜0最优解:X=(4,6,4,0,0)T最优值:Z=42小结：单纯形表格法的计算步骤①将线性规划问题化成标准型。
②找出或构造一个m阶单位矩阵作为初始可行基，建立初始单纯形表。
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目 录
CH1 线性规划及单纯形法 §1.1 线性规划问题及其数学模型 §1.2 线性规划问题的解 §1.3 线性规划的单纯形法 §1.4 单纯形表 §1.5 单纯形法应用的几个问题 §1.6 线性规划建模举例
运筹学
西南科技大学制造科学与工程学院工业工程与设计系 石宇强
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小结：线性规划求解流程图（ 小结：线性规划求解流程图（P35)
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表示第i班次时开始上班的司机和乘务人员数, 解：设 xi 表示第i班次时开始上班的司机和乘务人员数, 这样建立如下的数学模型。 这样建立如下的数学模型。 目标函数： 目标函数： Min x1 + x2 + x3 + x4 + x5 + x6 约束条件： 约束条件：s.t. x1 + x6 ≥ 60
x3 8 x1 + 6 x2 + 4 x + 2 x + 1.5 x 2 3 1 2 x1 + 1.5 x2 + 0.5 x3 x2 x1 , x3 x2 ,
运筹学
≤ 48 ≤ 20 ≤8 ≤5 ≥0
第12页 页
西南科技大学制造科学与工程学院工业工程与设计系 石宇强
LP OPTIMUM FOUND AT STEP 2 OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) 280.00000 VARIABLE XI X2 X3 VALUE 2.000000 .000000 8.000000 最优目标值
西南科技大学制造学院IE系 西南科技大学制造学院IE系
§1.6
线性规划建模举例
线性规划技术应用广泛：军事、工业、农业… 线性规划技术应用广泛：军事、工业、农业… 财富500强公司中， 85%使用线性规划技术帮助决 500强公司中 财富500强公司中，有85%使用线性规划技术帮助决 企业决策：生产计划、运输、财务、营销… 策．企业决策：生产计划、运输、财务、营销… 建模步骤： 建模步骤： 理解要解决的问题，了解解题的目标和条件； 1.理解要解决的问题，了解解题的目标和条件； 2.定义决策变量（ x1 ，x2 ，… ，xn ），每一组值表 ），每一组值表 2.定义决策变量（ 定义决策变量 示一个方案； 示一个方案； 3.用决策变量的线性函数形式写出目标函数， 3.用决策变量的线性函数形式写出目标函数，确定最 用决策变量的线性函数形式写出目标函数 大化或最小化目标； 大化或最小化目标； 4.用一组决策变量的等式或不等式表示解决问题过程 4.用一组决策变量的等式或不等式表示解决问题过程 中必须遵循的约束条件
设司机和乘务人员分别在各时间段一开始时上班， 设司机和乘务人员分别在各时间段一开始时上班，并连 续工作八小时，问该公交线路怎样安排司机和乘务人员， 续工作八小时，问该公交线路怎样安排司机和乘务人员， 既能满足工作需要，又配备最少司机和乘务人员? 既能满足工作需要，又配备最少司机和乘务人员?
运筹学 西南科技大学制造科学与工程学院工业工程与设计系 石宇强
IP Bound 显示整数规划的界 Branches Elapsed Time Update Time Interrupt Solver Close
显示结果如下
•单纯行法迭代两次得到最优解
•最优目 标值 •影子价格： •最优解 各变量 的值
表示该非基变量增 加一个单位而其他 变量不变时目标函 数减少的量（对 max型问题）
Lingo
Optimizer字首的缩写 字首的缩写， Linear Interactive and General Optimizer字首的缩写， 交互式的线性和通用优化求解器” 即“交互式的线性和通用优化求解器”
Matlab ……
运筹学
西南科技大学制造科学与工程学院工业工程与设计系 石宇强
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ROW SLACK OR SURPLUS 2) 3) 4) 5) 24.000000 .000000 .000000 5.000000
Ⅰ 人力资源分配的问题
例1．某昼夜服务的公交线路每天各时间段内所需司机 和乘务人员数如下： 和乘务人员数如下：
班次 1 2 3 4 5 6 时间 6：00 —— 10：00 10：00 —— 14：00 14：00 —— 18：00 18：00 —— 22：00 22：00 —— 2：00 2：00 —— 6：00 所需人数 60 70 60 50 20 30
时间 星期日 星期一 星期二 星期三 星期四 星期五 星期六 所需售货员人数 28 15 24 25 19 31 28
x1 + x2 ≥ 70 x2 + x3 ≥ 60 x3 + x4 ≥ 50 x4 + x5 ≥ 20 x5 + x6 ≥ 30 x1,x2,x3,x4,x5,x6 ≥ 0
班次 1 2 3 4 5 6
时间 6：00 —— 10：00 10：00 —— 14：00 14：00 —— 18：00 18：00 —— 22：00 22：00 —— 2：00 2：00 —— 6：00
LINDO在2次迭代后得到最优 解。
REDUCED COST .000000 5.000000 .000000 DUAL PRICES .000000 10.000000 10.000000 .000000 检验数
x1 = 2 最优解 x2 = 0 x = 8 3
x1 = 2 x =0 2 带有松弛 x3 = 8 变量的最 x4 = 24 x =0 优解 5 x6 = 0 x7 = 5
所需人数 60 70 60 50 20 30
例2．一家中型的百货商场，它对售货员的需求经 一家中型的百货商场， 过统计分析如下表所示。 过统计分析如下表所示。为了保证售货人员充分休 售货人员每周工作5 休息两天， 息，售货人员每周工作5天，休息两天，并要求休 息的两天是连续的。 息的两天是连续的。问应该如何安排售货人员的作 既满足工作需要， 息，既满足工作需要，又使配备的售货人员的人数 最少？ 最少？
⑥ ⑦
有一家具制造车间,制造书桌(DESK) (DESK)、 例 有一家具制造车间,制造书桌(DESK)、桌子 (TABLE)、 椅子(CHAIR), 所用原料及木工、 (TABLE)、 椅子(CHAIR), 所用原料及木工、漆工 的数据如表1 的数据如表1所示 .
表 1 木料 漆工 木工 成品单价 每个书桌 8单位 4单位 2单位 60单位 60单位 每个桌子 6单位 2单位 1.5单位 1.5单位 30单位 30单位 每个椅子 资源总数 1单位 48单位 48单位 1.5单位 20单位 1.5单位 20单位 0.5单位 0.5单位 8单位 20单位 20单位
LINDO,可以用来求解线性规划(LP--Linear LINDO,可以用来求解线性规划(LP--Linear Programming )、 )、 整数规划( --Integer 整数规划( IP --Integer Programming )和 二次规划(QP-)和 二次规划(QP-Quadratic Programming )问题. )问题. 这套软件包由美国芝加哥大学的Linus Scharge教授于1980 这套软件包由美国芝加哥大学的Linus Scharge教授于1980 年前后开发，专门用于求解最优化问题，后经不断完善和扩 LINDO 充，并成立LINDO公司进行商业化运作，取得了巨大的成功。 充，并成立LINDO公司进行商业化运作，取得了巨大的成功。 全球《财富》杂志500强的企业中，一半以上使用该公司产 全球《财富》杂志500强的企业中，一半以上使用该公司产 品，其中前25强企业中有23家使用该产品。 品，其中前25强企业中有23家使用该产品。 该软件包功能强大，版本也很多，而我们 使用的只是演示 版（试用版），演示版与正式版功能基本上是 类似的，只是 能够求解问题的规模受到限制，总变量数不超过30个，这在 能够求解问题的规模受到限制，总变量数不超过30个，这在 我们目前的使用过程中，基本上是足够。
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西南科技大学制造科学与工程学院工业工程与设计系 石宇强
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若要求桌子的生产量不超过 5 件,问如何安排三种产品的 产量可使收入最大 ? 分别表示书桌、桌子、椅子的生产量.建立LP 用 x1 , x2 , x3 分别表示书桌、桌子、椅子的生产量.建立 模型 :
max Z = 60 x1 + 30 x院工业工程与设计系 石宇强
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初试 LINDO LINDO 中己假设所有的变量都是非负的, LINDO 中己假设所有的变量都是非负的,所以非负约束 条件不必再输入到计算机中; 条件不必再输入到计算机中; LINDO LINDO 也不区分变量中的大小写字符 ; 约束条件中的“<=”及 可用“<” 约束条件中的“<=”及“>=” 可用“<” 及 “>” 代 “<=” 替.
运筹学 西南科技大学制造科学与工程学院工业工程与设计系 石宇强
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线性规划求解工具简介 Excel Solver Optimizer字首的缩 Lindo Linear Interactive and Discrete Optimizer字首的缩
写，即“交互式的线性和离散优化求解器” 交互式的线性和离散优化求解器”
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西南科技大学制造科学与工程学院工业工程与设计系 石宇强
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《
解决一个简单的线性规划（ ） 解决一个简单的线性规划（LP）问题
例
max
z = 2x + 3y
4 x + 3 y ≤ 10 s.t. 3x + 5 y ≤ 12 x, y ≥ 0
其Lindo程序为：
现在我们用Lindo软件来求解这个模型，单击工具栏中的 Lindo求解器运行状态窗口各项的含义 名称 Status 含义 显示当前求解状态：Optimal表示已经达到 最优解；其他可能的显示：Feasible， Infeasible，Unbounded