A lineáris programozás 1 A geometriai megoldás



Hasonló dokumentumok
Bevezetés a lineáris programozásba

Lineáris programozás. Modellalkotás Grafikus megoldás Feladattípusok Szimplex módszer

Disztribúciós feladatok. Készítette: Dr. Ábrahám István

MIKROÖKONÓMIA I. Készítette: K hegyi Gergely és Horn Dániel. Szakmai felel s: K hegyi Gergely június

MATEMATIKA 9. osztály Segédanyag 4 óra/hét

JANUS PANNONIUS TUDOMÁNYEGYETEM. Schipp Ferenc ANALÍZIS I. Sorozatok és sorok

Dualitás Dualitási tételek Általános LP feladat Komplementáris lazaság 2015/ Szegedi Tudományegyetem Informatikai Tanszékcsoport

Első sorozat (2000. május 22. du.) 1. Oldjamegavalós számok halmazán a. cos x + sin2 x cos x. +sinx +sin2x =

2) = 0 ahol x 1 és x 2 az ax 2 + bx + c = 0 ( a,b, c R és a 0 )

Feladatok a koordináta-geometria, egyenesek témaköréhez 11. osztály, középszint

Széchenyi István Egyetem, 2005

9. ÉVFOLYAM. Tájékozottság a racionális számkörben. Az azonosságok ismerete és alkalmazásuk. Számok abszolútértéke, normál alakja.

Az áprilisi vizsga anyaga a fekete betűkkel írott szöveg! A zölddel írott rész az érettségi vizsgáig még megtanulandó anyag!

2. Interpolációs görbetervezés

További programozási esetek Hiperbolikus, kvadratikus, integer, bináris, többcélú programozás

NT Matematika 9. (Heuréka) Tanmenetjavaslat

Feladatok MATEMATIKÁBÓL a 12. évfolyam számára

Kosztolányi József Kovács István Pintér Klára Urbán János Vincze István. tankönyv. Mozaik Kiadó Szeged, 2013

MATEMATIKA Kiss Árpád Országos Közoktatási Szolgáltató Intézmény Vizsgafejlesztő Központ

Helyi tanterv Német nyelvű matematika érettségi előkészítő. 11. évfolyam

Tanmenet Matematika 8. osztály HETI ÓRASZÁM: 3,5 óra ( 4-3) ÉVES ÓRASZÁM: 126 óra

MATEMATIKA GYAKORLÓ FELADATGYŰJTEMÉNY

MATEMATIKA TANTERV Bevezetés Összesen: 432 óra Célok és feladatok

Témakörök az osztályozó vizsgához. Matematika

I. Gondolkodási módszerek: (6 óra) 1. Gondolkodási módszerek, a halmazelmélet elemei, a logika elemei. 1. Számfogalom, műveletek (4 óra)

5.10. Exponenciális egyenletek A logaritmus függvény Logaritmusos egyenletek A szinusz függvény

MAGISTER GIMNÁZIUM TANMENET OSZTÁLY

Síklefedések Erdősné Németh Ágnes, Nagykanizsa

Számsorozatok Sorozat fogalma, példák sorozatokra, rekurzív sorozatokra, sorozat megadása Számtani sorozat Mértani sorozat Kamatszámítás

MATEMATIKA I. RÉSZLETES ÉRETTSÉGI VIZSGAKÖVETELMÉNY A) KOMPETENCIÁK

Elsôfokú egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlôtlenségek

Helyi tanterv. Batthyány Kázmér Gimnázium Matematika emelt ( óra/hét) 9-12 évfolyam Készült: 2013 február

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

Operációkutatás. Vaik Zsuzsanna. ajánlott jegyzet: Szilágyi Péter: Operációkutatás

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI VIZSGA ÁLTALÁNOS KÖVETELMÉNYEI

Valószínűségszámítás

Tartalom. Matematikai alapok. Termékgyártási példafeladat. Keverési példafeladat Szállítási példafeladat Hátizsák feladat, egészértékű feladat

Matematika POKLICNA MATURA

MATEMATIKA TANMENET SZAKKÖZÉPISKOLA 9.A-9.C-9.D OSZTÁLY HETI 4 ÓRA 37 HÉT/ ÖSSZ 148 ÓRA

A szimplex algoritmus

Lineáris Algebra gyakorlatok

Komáromi Éva LINEÁRIS PROGRAMOZÁS

Természetes számok: a legegyszerűbb halmazok elemeinek. halmazokat alkothatunk, ezek elemszámai természetes 3+2=5

EGYENLETEK, EGYENLŐTLENSÉGEK, EGYENLETRENDSZEREK

Lineáris Algebra GEMAN 203-B. A három dimenziós tér vektorai, egyenesei, síkjai

TERMELÉSMENEDZSMENT. Gyakorlati segédlet a műszaki menedzser szak hallgatói számára. Összeállította: Dr. Vermes Pál főiskolai tanár 2006.

Tartalom. Descartes-koordináták. Geometriai értelmezés. Pont. Egyenes. Klár Gergely 2010/2011. tavaszi félév

Ezeket az előírásokat az alábbiakban mutatjuk be részletesebben:

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI október 18. EMELT SZINT I.

A DÖNTÉSELMÉLET ELEMEI

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2007/2008-as tanév 2. forduló haladók I. kategória

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Geometria I.

MATEMATIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

GAZDASÁGMATEMATIKA KÖZÉPHALADÓ SZINTEN

4. modul Poliéderek felszíne, térfogata

Szimplex módszer, szimplex tábla Példaként tekintsük a következ LP feladatot:

Szeminárium-Rekurziók

4) Az ABCD négyzet oldalvektorai körül a=ab és b=bc. Adja meg az AC és BD vektorokat a és b vektorral kifejezve!

Miskolci Egyetem. Diszkrét matek I. Vizsga-jegyzet. Hegedűs Ádám Imre

Az alap- és a képfelület fogalma, megadási módjai és tulajdonságai

Geometriai alapfogalmak

MATEMATIKA tankönyvcsaládunkat

MATEMATIKA évfolyam

Középszintű érettségi feladatsorok és megoldásaik Összeállította: Pataki János; dátum: november. I. rész

Gráfelmélet/Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. Párosítások

Komputer statisztika gyakorlatok

Az ablakos problémához

Halmazok Halmazok, részhalmaz, halmazműveletek, halmazok elemszáma

S T A T I K A. Az összeállításban közremûködtek: Dr. Elter Pálné Dr. Kocsis Lászlo Dr. Ágoston György Molnár Zsolt

2) Írja fel az alábbi lineáris függvény grafikonjának egyenletét! (3pont)

Áttekintés a felhasznált lineáris algebrai ismeretekről.

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI május 9. EMELT SZINT

Nemlineáris optimalizálás

MATEMATIKA évfolyam. Célok és feladatok. Fejlesztési követelmények

Bevezetés a játékelméletbe Kétszemélyes zérusösszegű mátrixjáték, optimális stratégia

9. Áramlástechnikai gépek üzemtana

hogy a megismert fogalmakat és tételeket változatos területeken használhatjuk Az adatok, táblázatok, grafikonok értelmezésének megismerése nagyban

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Miskolci Egyetem GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR. Analízis I. példatár. (kidolgozott megoldásokkal) elektronikus feladatgyűjtemény

Kétfázisú szimplex algoritmus és speciális esetei

Egy irányított szakasz egyértelműen meghatároz egy vektort.

8. előadás EGYÉNI KERESLET

Az ERSTE Vienna Insurance Group Biztosító Zrt. ERSTE LOJALITÁS Fix Életbiztosítási Programjának Különös Feltételei

11. Előadás. 11. előadás Bevezetés a lineáris programozásba

függvény grafikonja milyen transzformációkkal származtatható az f0 : R R, f0(

Egyenletek, egyenlőtlenségek grafikus megoldása TK. II. kötet 25. old. 3. feladat

MATEMATIKA FELADATGYŰJTEMÉNY

Matematika emelt szintû érettségi témakörök Összeállította: Kovácsné Németh Sarolta (gimnáziumi tanár)

A továbbhaladás feltételei fizikából és matematikából

Optimalizálás alapfeladata Legmeredekebb lejtő Lagrange függvény Log-barrier módszer Büntetőfüggvény módszer 2017/

Az osztályozó, javító és különbözeti vizsgák (tanulmányok alatti vizsgák) témakörei matematika tantárgyból

HELYI TANTERV MATEMATIKA tanításához Szakközépiskola évfolyam

Matematika 8. PROGRAM. általános iskola 8. osztály nyolcosztályos gimnázium 4. osztály hatosztályos gimnázium 2. osztály. Átdolgozott kiadás

Parciális differenciálegyenletek numerikus módszerei számítógépes alkalmazásokkal Karátson, János Horváth, Róbert Izsák, Ferenc

Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a kötőcsavarok szilárdsági tulajdonságainak jelölési módját!

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI május 5. KÖZÉPSZINT I.

LINEÁRIS ALGEBRA PÉLDATÁR MÉRNÖK INFORMATIKUSOKNAK

MATEMATIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Geometriai példatár 2.

Elsőfokú egyenletek...

Átírás:

A lineáris programozás A geometriai megoldás Készítette: Dr. Ábrahám István

A döntési, gazdasági problémák optimalizálásának jelentős részét lineáris programozással oldjuk meg. A módszer lényege: Az adott feladathoz matematikai modellt veszünk fel, ebben általában lineáris formulák, egyenlőtlenségek és egyenlőségek szerepelnek. Majd az egyenletrendszerek megoldási algoritmusára alapuló eljárásokkal kiszámoljuk a szóban forgó döntéshez tartozó legjobb változatokat. A gyakorlatban a megoldáshoz számítógépet használnak és a végső döntést általában további megfontolásokat (közgazdasági, politikai, stb.) figyelembe véve hozzák. A matematikai modell felvétele. A normál feladat matematikai modellje A normál lineáris programozási (LP) feladat bevezetéséhez tekintsük a következő példát: Példa: Egy üzem kétféle terméket készít erőforrás felhasználásával, amelyek a termékek egy-egy egységébe rendre,,, illetve, 0, mennyiségben épülnek be. Az egyes erőforrás kapacitásokból legfeljebb 8, 6, egységnyi használható fel. A késztermékek egy-egy darabjának ára, illetve pénzegység. Adjuk meg azt a termelési programot, amely megvalósításával a lehető legnagyobb árbevétel érhető el!

Megoldás: Célszerű az adatokat táblázatba foglalni. Jelölje az erőforrásokat A, B, C, a termékeket I, II. A táblázat: A B C Ár I II 0 Kapacitás 8 6 Az első termékből gyártsunk x darabot, a másodikból x -t, ezek lesznek a feladat változói (döntési változók). Nyilvánvalóan igaz: x, x 0. Vektor alakban: x=[ x x ]* 0 Ez az induló feltételünk. A kapacitáskorlátok figyelembe vétele: az I. termék minden darabjába az A erőforrásból egységnyi épül be, a gyártásra kerülő x darabhoz tehát x, a II. termék minden darabjába az A-ból egységnyi épül be, az x darabhoz: x. összesen: x +x, ami nem lehet több, mint amennyi rendelkezésre áll: x +x 8 A második erőforrásra hasonló megfontolással adódó feltétel: x +0 x 6 A harmadikra: x +x Ezeket az egyenlőtlenségeket korlátozó feltételeknek nevezzük. A feladatban a cél a maximális árbevétel. Az I. termék darabjáért pénzegységet kapunk, az x darabért x -et, a II. termékért pedig összesen x -t, a cél a z=x +x maximuma. Ez a célfüggvény.

Példában felvetett probléma matematikai modellje: A korlátozó feltételek mátrixaritmetikai alakban is írhatók: jelöljük a termelés mátrixát A-val, a jobboldalon lévő számokat b-vel, esetünkben : A = 0 b = 8 6 Nyilván: b 0. Felírható: A z függvényt tekinthetjük az x vektorváltozó skalárfüggvényének: z = f(x). A z célfüggvény felírható az árvektor: c*=[ ] és az x skalárszorzataként: Így a célfüggvény: z=f(x)=c* x max. A matematikai modell általánosan: x 0 A x b (b 0) (Korlátozó feltétel) z=c* x max. (Célfüggvény) A normál LP feladatokat manuálisan geometriai módszerekkel oldhatjuk meg, vagy algebrai úton, az ú.n. szimplex módszerrel. 0 x x = 8 6 (Induló (triviális) feltétel) A gyakorlat nagy terjedelmű optimumszámítási feladatait célszoftverekkel, gépi úton oldják meg. A modellek helyes felállításához, a megoldások során jelentkező speciális esetek megértéséhez hasznos a kisebb terjedelmű feladatok kézi megoldása.

A normál feladat megoldása geometriai módszerrel A konkrét példában szereplő feladat matematikai modellje: x, x 0 x +x 8 x 6 x +x z=x +x max. A normál LP feladat feltételeit és a célt koordináta rendszerben ábrázoljuk. Jelöljük a koordináta rendszer vízszintes tengelyét x -gyel, a függőlegest x -vel. Az x, x 0 feltételnek eleget tevő pontok a koordináta rendszer I. síknegyedében találhatók, az ábrázoláskor ezt a részt használjuk. A x +x 8 feltétel azokat a pontokat határozza meg, amelyek a x +x = 8 egyenes határolta félsíkon találhatók. Az egyenlőtlenségnek megfelelő félsíkot legegyszerűbben úgy állapíthatjuk meg, hogy megvizsgáljuk: egy kiválasztott pont koordinátái kielégítik-e az egyenlőtlenség feltételét. Ez a pont most legyen (0;0). 9 8 7 6 6 7

Megjegyzés: Az egyenes többféle módon, esetünkben célszerűen a Salmon féle tengelymetszetes alakkal ábrázolható. A tengelymetszetes alak: x + =, ahol az egyenes az x tengelyt a-nál, az x -t b-nél metszi. a b 9 Ábrázoljuk a négy feltételi 8 egyenlőtlenségnek eleget 7 Q (0;6) A Q i pontok által tevő pontok halmazát: 6 x Az L halmazt határoló Q, Q,,Q n pontokat extremális pontoknak nevezzük. L Q(;,) Q (;) Q (0;0) Q (;0) 6 7 8 9 0 határolt L halmaz pontjai alkotják a a lehetséges megoldások halmazát. Az extremális pontok koordinátáinak kiszámolása a megfelelő egyenesek metszéspontjainak meghatározásával történik. Az L halmaz pontjainak koordinátái a feladat lehetséges megoldását adják. Közülük kell kiválasztani azt (vagy azokat), amelyek a feladat optimális megoldását szolgáltatják. Ehhez a z=x +x célfüggvényt használjuk fel. 6

A (kétváltozós) célfüggvényünk a z különböző számértékeihez egymással párhuzamos egyeneseket rendel. Válasszuk a z értékét 0-nak. A 0=x +x, azaz x = x egy origón átmenő iránytangensű egyenes, ez a célfüggvények között az alapegyenes. Ha a z értékét növeljük, az alapegyenessel párhuzamosan jobbra felfelé tolódik el az egyenes, ha csökkentjük a z értékét, akkor balra lefelé tolódnak el az egyenesek. Ez fordítva is igaz: ha növelni akarjuk a z értékét, akkor az alapegyeneshez képest jobbra felfelé kell eltolni a z egyenesét. A maximális z értékhez tartozó egyenesnek még kell, hogy legyen legalább egy közös pontja a lehetséges megoldások halmazával. A célfüggvény a maximális értéke, ezt az x = és az x = esetén veszi fel. z=6 z=0 Q (0;0) Q (;0) 6 7 a másodikból -at gyártunk. Maximálisan pénzegység árbevétel érhető7 el. Q7 6 (0;6) L Q (;,) Q (;) z= (max) Ez a közös pont esetünkben a Q (;) pont. A kapacitások maradványai, az ú.n. eltérésváltozók: u =0; u =0 és u =. Tehát: optimális akkor lesz a termékszerkezet, ha az első termékből -et,

Gyakorló feladat: Egy üzemben erőforrás felhasználásával kétféle terméket állítanak elő. Egy egységnyi termékhez az erőforrásokból, 0,,, illetve,,, egységet használunk fel. Az erőforrás kapacitás: 0, 60, 80, 00. Az egyes termékek eladási ára darabonként 0, illetve 0 pénzegység. Határozzuk meg a maximális árbevételt biztosító termelési programot! Megoldás: A döntési változók a gyártási darabszámok: x és x. A matematikai modell: x, x 0 x + x x 6 x + x 8 x + x 0 z=0x + 0x max. Az optimumok leolvasása: x o =[ ]* u o =[ 0 0 ]* z o =0. Az eltérésváltozókat azok az u i számok adják, amelyek az optimális x i értéknél egyenlőséggé teszik a feltételi egyenlőtlenségeket. Ábrázolás: 0 9 8 7 6 - (;) L halmaz (,;) z max 6 7 8 9 0 8 L halmaz

A tiszta minimum feladat és geometriai megoldása Grafikus úton egyszerűen meg tudunk oldani kétváltozós minimum feladatokat. Elnevezés: A lineáris programozásban tiszta minimum feladatnak az x 0 A x b. (b 0) z= c*x min. alakban felírt feladatot nevezzük. Példa: Egy gazdaságban az állatok etetéséhez kétféle takarmány keveréket használnak, amelyeknek egy-egy egységnyi mennyisége az A, B és C tápanyagokból rendre,, 0 és,, egységet tartalmaz. Az állatok fejlődéséhez az egyes tápanyagokból legalább 6,, egységnyi mennyiségre van szükség. Az egyes takarmány keverékek beszerzési egységárai: és 6 pénzegység. Adjuk meg azt a takarmányozási programot, amely legkisebb beszerzési áron megvalósítható! Megoldás: A feladat változói: az I. keverékből vásároljunk x -et, a II-ból x -t. Készítsünk táblázatot: A B C Ár I. (x ) II. (x 0 6 ) Kapacitás 6 min A matematikai modellt a táblázatból egyszerűen felírhatjuk. 9

A tiszta minimum feladatban az egyenlőtlenségek nagyobb egyenlő irányúak. A modell: x, x 0 x +x 6 x +x x z=x +6x min. L halmaz Q (;) Q (;) - 6 - z= (min) z=0 Ábrázoljuk a feltételeket, valamint a célfüggvény alapegyenesét és optimumát: Az L halmaz esetünkben nem korlátos. Az optimális célfüggvény egyenesnek az L-lel közös pontjának kell lennie, ehhez most is emelni kell az alapegyenest. Ha elértük az L halmazt az alapegyenessel párhuzamos egyenesekkel, akkor ahhoz az egyeneshez tartozik az optimum. Ez jelen esetben a Q extremális pontban van, azaz optimális az x = és az x = érték. A válaszunk a feladat kérdésére: minimális költségű akkor lesz a takarmányozás, ha mindkét keverékből -t vásárolunk. Ekkor a költség pénzegység. 0

Gyakorló feladat: Három tápanyagból kétféle takarmánykeveréket készítenek, amelyek egy egy egysége az egyes tápanyagokból ; 0;, illetve 0; ; egységnyit tartalmaz. A tápanyagokból legalább ;, illetve egységnyit fel kell használni. A keverékek egységárai: és. Adjuk meg azt a programot, amely a lehető legkisebb költséggel megvalósítható! Megoldás: A döntési változók az egyes keverékek darabszámai: x, x. A matematikai modell: x, x 0 x x x +x Ábrázolás: z=x + x min. ( ; ) L halmaz (; ) Kis gyakorlat után a modell felírásához nem kell feltétlenül táblázatot felvenni. Az L halmaz nem zárt. A célfüggvény alapegyenesét eltoljuk addig, hogy legyen közös pontja L-lel. z=0 z= Az optimális megoldás: x o =[ ]*, z min =.

Megjegyzés: A kétváltozós feladatoknál sem szükségszerű, hogy legyen szöveges (gazdasági) háttere a felvett matematikai modellnek. A feltételek között lehetnek és egyenlőtlenségek egyaránt, és egy L halmazon több célfüggvény optimumait is kereshetjük. Példa: Oldjuk meg a következő lineáris programozási feladatokat: x 0 0 x x 0 x + x 6 x 9 (6;) f(x)=6x +x max. g(x)=x +x min. Megoldás: az L halmaz négyszög, csúcspontjai az extremális pontok: (;0), (8;0), (6;), (;). 9 8 7 6 L halmaz (8;0) - 6 7 8 9 - Mindkét célfüggvény alapegyenese azonos. A minimum cél esetén azt addig kell mozgatni, hogy már elérje L-t. Maximum célnál pedig addig, hogy még legyen közös pontja L-lel. A minimum feladatnál az optimum: x o =[ 0 ]* z o =6. A maximum feladatnál az optimális célfüggvény egyenes az L halmazzal egy egész szakaszon érintkezik. Ilyen esetben alternatív optimum van. Az alapmegoldások: x o =[ 6 ]* és x o =[ 8 0 ]* u o =[ 0 0 9 ]* és u o =[ 6 0 ]*. Az általános megoldás: x o =λx o +( λ)x o, u o =λu o +( λ)u o, ahol: 0 λ, és z o =8.

Különleges esetek az LP feladatok megoldásánál A lineáris programozási feladatoknál a matematikai modell felvétele után a grafikus megoldásban először a lehetséges megoldások halmazát adjuk meg. Ezután a célfüggvény optimumát igyekszünk előállítani. Mindkét lépésnél találkozunk különleges esetekkel..) Az L halmaz nem állítható elő Akkor következik be ez az eset, ha a technológiai feltételek ellentmondók, az általuk meghatározott halmazoknak nincs közös részük. Példa: Ha az egyik feltétel: x +x 6. Ez a határoló egyenestől az origó felé eső pontokat jelenti. a másik pedig: x +x 9. Ez az előző határoló egyenessel párhuzamos, de az a felett lévő egyenestől az origóval ellenkező irányba eső pontokat adja meg. A két halmaznak ekkor nyilván nincs közös eleme. A két feltétel közötti ellentmondás ránézésre látszik: ugyanaz a mennyiség nem lehet egyszerre 6-nál kisebb és 9-nél nagyobb. A feladatnak ilyen esetben nincs megoldása.

.) Van lehetséges megoldás, de nincs optimum Ez az eset például akkor következhet be, ha a lehetséges megoldások halmaza csak alulról korlátos és a feladatban maximum a cél. Ekkor a célfüggvény alapegyenesének emelésekor minden határnál nagyobb értékeket kapunk: a célfüggvényre nincs felső korlát. Más esetek is lehetségesek, például akkor, ha az L nyitott szögtartomány és a célfüggvény egyenesek a szögtartományba esnek..) Nem egy optimális megoldás létezik Előfordul, hogy az optimális megoldást jelentő célfüggvény egyenes a lehetséges megoldások halmazán egy szakasszal, vagy egy félegyenessel esik egybe. a.) Az optimális megoldást egy szakasz pontjai jelentik Ekkor a szakasz pontjait a végpontokba mutató vektorok konvex lineáris kombinációjával írhatjuk fel, az általános megoldás: x o =λx o +( λ)x o, ahol 0 λ. b.) Az optimális megoldást egy félegyenes pontjai jelentik. Például: z=0 L halmaz z max P(;0) 6 7 Az L felülről nem korlátos, a célfüggvény: z=x x Az optimum: z max a P(;0) pontból kiinduló félegyenes. A félegyenes egyenlete: x 0 = + λ ahol esetünkben λ 0. 0 A fejezet tárgyalását befejeztük.