Реферат по предмету "Математика"


Математическое програмирование

Математическое программирование

Задача 1

Для производства двух видов изделий А и В используется три типа технологического оборудования. Для производства единицы изделия А оборудование первого типа используется 2 часа, оборудование второго типа – 1 час, оборудование третьего типа – 3 часа. Для производства единицы изделия В оборудование первого типа используется 2 часа, оборудование второго типа – 2 часа, оборудование третьего типа – 1 час.

На изготовление всех изделий предприятие может использовать оборудование первого типа не более чем 48 часа, оборудование второго типа – 38 часов, оборудование третьего типа – 54 часов.

Прибыль от реализации единицы готового изделия А составляет 2 денежные единицы, а изделия В – 3 денежные единицы.

Составить план производства изделий А и В, обеспечивающий максимальную прибыль от их реализации. Решить задачу симплекс-методом путем преобразования симплекс-таблиц. Дать геометрическое истолкование задачи, используя для этого ее формулировку с ограничениями – неравенствами.

Решение.

Данная задача является задачей линейного программирования. Под планом производства понимается: сколько изделий А и сколько изделий В надо выпустить, чтобы прибыль была максимальна.

Прибыль рассчитывается по формуле: />

Запишем математическую модель задачи:

/>

Решим данную задачу графически.

Для этого построим на плоскости /> области, описываемые ограничениями-неравенствами, и прямую />, которая называется целевой функцией.

Три записанных выше неравенства ограничивают на плоскости многоугольник, ограниченный слева и снизу координатными осями (т.к. искомое количество изделий положительно).

График целевой функции передвигается в направлении, обозначенном стрелкой (в направлении своего градиента), до тех пор, пока не достигнет граничной точки многоугольника – в нашем случае это точка – (10; 14). В этой точке целевая функция будет достигать максимума.

/>

/>

Решим эту задачу симплекс-методом. Для этого перейдем от ограничений-неравенств к ограничениям-равенствам, введя дополнительные переменные />.


/>

Составляем симплекс-таблицу:

Базис



В

2

3

0

0

0

А1

А2

А3

А4

А5

А3

0

48

2

2

1

0

0

А4

0

38

1

2

0

1

0

А5

0

54

3

1

0

0

1

Fi— Ci




0

-2

-3

0

0

0



В графе Базис записываются вектора переменных, принимаемые за базисные. На первом этапе это – А3, А4, А5. Базисными будут переменные, каждая из которых входит только в одно уравнение системы, и нет такого уравнения, в которое не входила бы хотя бы одна из базисных переменных.

В следующий столбец /> записываются коэффициенты целевой функции, соответствующие каждой переменной. Столбец В – столбец свободных членов. Далее идут столбцы коэффициентов Аi при i –й переменной.

Под столбцом свободных членов записывается начальная оценка

/>

Остальные оценки записываются под столбцами соответствующих векторов /> .

/>

/>

Преобразуем симплекс-таблицу следующим образом:

Шаг 1: Проверяется критерий оптимальности, суть которого состоит в том, что все оценки должны быть неотрицательны. В нашем случае этот критерий не выполнен, поэтому переходим ко второму шагу.

Шаг 2: Для отрицательных оценок вычисляются величины:

/>

/>

/>

/>

Из этих элементов выбирается тот, для которого вычисленное произведение минимально, в нашем случае -57 минимально, поэтому в качестве разрешающего элемента выбирается второй элемент второго столбца – 2 (выделен в таблице).

Шаг 3: Вторая строка таблицы делится на 2

От элементов строки 1 отнимает соответствующие элементы строки 2, умноженные на 2.

От элементов строки 3 отнимает соответствующие элементы строки 2.

От элементов строки 4 отнимает соответствующие элементы строки 2, умноженные на -3.

Базис



В

2

3

0

0

0

А1

А2

А3

А4

А5

А3

0

10

1

0

1

-

0

А5

0

19

0,5

1

0

0,5

0

А2

3

35

2,5

0

0

-0,5

1

Fi— Ci




57

-0,5

0

0

1,5

0



Таким образом, новыми базисными переменными становятся А3, А5, А2.

Возвращаемся к шагу 1 и повторяем весь процесс.

Проверяется критерий оптимальности. Отрицательная оценка только одна – в столбце А1.

Вычисляем:

/>

Разрешающим элементом будет первый элемент первого столбца – 1.

Новыми базисными переменными становятся A5, A2, A1

От элементов строки 2 отнимает соответствующие элементы строки 1, умноженные на 0,5.

От элементов строки 3 отнимает соответствующие элементы строки 1, умноженные на 2,5.

От элементов строки 4 отнимает соответствующие элементы строки 1, умноженные на -0,5.

Базис



В

2

3

0

0

0

А1

А2

А3

А4

А5

А5

0

10

1

0

1

-1

0

А2

3

14

0

1

-0,5

1

0

А1

2

10

0

0

-2,5

2

1

Fi— Ci




62

0

0

1,5

1

0,5



Отрицательных оценок нет, то есть критерий оптимальности выполнен.

Таким образом, получается искомое значение целевой функции

F(10; 14; 0; 0; 10) = 62, т.е. возвращаясь к системе неравенств, получаем:

/>

Ответы, полученные различными методами, совпадают.

Ответ: хопт = ( 10, 14) Значение функции: F = 62


Задача 2

Имеются три пункта отправления А1, А2, А3однородного груза и пять пунктов В1, В2, В3, В4, В5его назначения. На пунктах А1, А2, А3находится груз в количествах 50, 30, 70 тонн. В пункты В1, В2, В3, В4, В5требуется доставить соответственно 20, 30, 50, 30, 20 тонн груза. Расстояния в сотнях километрах между пунктами отправления и назначения приведены в матрице D:

Пункты

отправления

Пункты назначения

В1

В2

В3

В4

В5

А1

9

5

1

1

9

А2

7

1

4

9

4

А3

5

3

4

9

9



Найти такой план перевозок, при котором общие затраты на перевозку грузов будут минимальными.

Указания: 1) считать стоимость перевозок пропорциональной количеству груза и расстоянию, на которое этот груз перевозится, т.е. для решения задачи достаточно минимизировать общий объем плана, выраженный в тонно-километрах;

2) для решения задачи использовать методы северо-западного угла и потенциалов.

Решение.

Составим математическую модель задачи:

Обозначим />— количество груза, перевезенного из пункта отправления i в пункт назначения j.

Получим следующие ограничения (т.к. весь груз должен быть вывезен, и все потребности удовлетворены полностью):

/>/>/>/>/>

/>/>/>

При этом должна быть минимизирована целевая функция

/>

Построим опорный план методом северо-западного угла:

Пункты

отправления

Пункты назначения

Запасы

В1

В2

В3

В4

В5

А1

9

20

5

30

1

1

9

50

А2

7

1

4

30

9

4

30

А3

5

3

4

20

9

30

9

20

70

Потребности

20

30

50

30

20

150



Принцип заполнения таблицы состоит в том, что, начиная с крайней левой верхней ячейки (принцип северо-западного угла), количество грузов вписывается в таблицу так, чтобы потребности полностью удовлетворялись или груз полностью вывозился.

Построим систему потенциалов. Ui— потенциалы, соответствующие поставщикам, Vi— потенциалы, соответствующие потребителям.

Полагаем U1=0, а далее Ui+ Vi= dijдля занятых клеток таблицы.

/>

/>

/>

/>

Пункты

отправления




Пункты назначения

Запасы

В1

В2

В3

В4

В5




V1=9

V2=5

V3=4

V4=9

V5=9




А1

U1=0

9

20

5

30

1

1

9

50

А2

U2=0

7

1

4

30

9

4

30

А3

U3=0

5

3

4

20

9

30

9

20

70

Потребности




20

30

50

30

20

150

Проверим критерий оптимальности: />для свободных клеток.

/>

/>

Из тех условий, где критерий не выполняется, выбираем то условие, где разница максимальна. Это – ячейка (1, 4). Перебросим в ячейку (1, 4) 20 единиц груза из ячейки (1, 1).

Пункты

отправления




Пункты назначения

Запасы

В1

В2

В3

В4

В5




V1=9

V2=5

V3=4

V4=9

V5=9




А1

U1=0

9

5

30

1

1

20

9

50

А2

U2=0

7

1

4

30

9

4

30

А3

U3=0

5

20

3

4

20

9

10

9

20

70

Потребности




20

30

50

30

20

150



Чтобы компенсировать недостаток в третьей строке, перебросим те же 20 единиц груза из ячейки (3, 4) в ячейку (3, 1).

Получили новую таблицу, для которой повторяем расчет потенциалов:

Полагаем U1=0, а далее Ui+ Vi= dijдля занятых клеток таблицы.

/>

/>

/>

/>

Пункты

отправления




Пункты назначения

Запасы

В1

В2

В3

В4

В5




V1=5

V2=5

V3=4

V4=1

V5=9




А1

U1=0

9

5

30

1

1

20

9

50

А2

U2=0

7

1

4

30

9

4

30

А3

U3=0

5

20

3

4

20

9

10

9

20

70

Потребности




20

30

50

30

20

150

Проверим критерий оптимальности: />для свободных клеток.

/>

/>

Из тех условий, где критерий не выполняется, выбираем то условие, где разница максимальна. Это – ячейка (2, 5). Перебросим в ячейку (2 ,5) 20 единиц груза из ячейки (1, 2).



Пункты

отправления




Пункты назначения

Запасы

В1

В2

В3

В4

В5




V1=5

V2=5

V3=4

V4=1

V5=9




А1

U1=0

9

5

10

1

20

1

20

9

50

А2

U2=0

7

1

4

10

9

4

20

30

А3

U3=0

5

20

3

20

4

20

9

10

9

70

Потребности




20

30

50

30

20

150



Получили новую таблицу, для которой повторяем расчет потенциалов:

Полагаем U1=0, а далее Ui+ Vi= dijдля занятых клеток таблицы.

/>

/>

/>

Пункты

отправления




Пункты назначения

Запасы

В1

В2

В3

В4

В5




V1=2

V2=5

V3=1

V4=1

V5=1




А1

U1=0

9

5

10

1

20

1

20

9

50

А2

U2=3

7

1

4

10

9

4

20

30

А3

U3=3

5

20

3

20

4

20

9

10

9

70

Потребности




20

30

50

30

20

150

Проверим критерий оптимальности: />для свободных клеток.

/>

/>

Из тех условий, где критерий не выполняется, выбираем то условие, где разница максимальна. Это – ячейка (2, 2). Перебросим в ячейку (2 ,2) 10 единиц груза из ячейки (1, 2).


Пункты

отправления




Пункты назначения

Запасы

В1

В2

В3

В4

В5




V1=2

V2=5

V3=1

V4=1

V5=1




А1

U1=0

9

5

1

20

1

30

9

50

А2

U2=3

7

1

10

4

9

4

20

30

А3

U3=3

5

20

3

20

4

30

9

9

70

Потребности




20

30

50

30

20

150

Получили новую таблицу, для которой повторяем расчет потенциалов:

Полагаем U1=0, а далее Ui+ Vi= dijдля занятых клеток таблицы.

/>

/>

/>

Пункты

отправления




Пункты назначения

Запасы

В1

В2

В3

В4

В5




V1=3

V2=1

V3=1

V4=1

V5=4




А1

U1=0

9

5

1

20

1

30

9

50

А2

U2=0

7

1

10

4

9

4

20

30

А3

U3=2

5

20

3

20

4

30

9

9

70

Потребности




20

30

50

30

20

150



Проверим критерий оптимальности: />для свободных клеток.

/>

/>

Критерий выполнен, значит, полученное решение оптимально.

Найдем минимальную стоимость перевозок.

/>

Ответ: />


Задача 3

Дана задача выпуклого программирования. Требуется:

1) найти решение графическим методом

2) написать функцию Лагранжа данной задачи и найти ее седловую точку, используя решение задачи, полученное графически.

/>

/>

Решение.

Графическое решение задачи следующее:

/>

Система неравенств определяет область, ограниченную двумя прямыми и координатными осями. График целевой функции представляет собой окружность переменного радиуса с центром в точке (5, 10). Значение целевой функции графически представляет собой квадрат радиуса этой окружности. Минимальным радиусом, удовлетворяющим системе ограничений, будет такой радиус, который обеспечивает касание окружности с границей области так, как это показано на рисунке.

Искомая точка определяется как решение системы уравнений

/>/>/>/>

Получили точку (3, 8), значение целевой функции в этой точке равно />

Запишем задачу в традиционном виде:

/>

/>

Функция />называется функцией Лагранжа, а переменные /> — коэффициентами Лагранжа.

Точка />называется седловой точкой функции Лагранжа, если для любых />выполняются неравенства:

/>

Если функции f, g дифференцируемы, то условия определяющие седловую точку (условия Куна-Таккера):

/>/>

/>/>

/>

В данном случае получаем:

/>

/>

/>

Подставим в эти выражения значения:

/>

/>

Получаем

/>

Седловая точка функции Лагранжа: />

Проверим условие cедловой точки:

/>

Условия выполнены, седловая точка/>.

Ответ: />


Задача 4

Для двух предприятий выделено 900 единиц денежных средств. Как распределить все средства в течение 4 лет, чтобы доход был наибольшим, если известно, что доход от х единиц, вложенных в первое предприятие равен />, а доход от у единиц, вложенных во второе предприятие равен />. Остаток средств к концу года составляет /> — для первого предприятия, /> — для второго предприятия. Решить задачу методом динамического программирования.

Решение.

Процесс распределения средств разобьем на 4 этапа – по соответствующим годам.

Обозначим /> — средства, которые распределяются на k–ом шаге как сумма средств по предприятиям.

Суммарный доход от обоих предприятий на k–ом шаге:

/>

Остаток средств от обоих предприятий на k–ом шаге:

/>

Обозначим /> — максимальный доход, полученный от распределения средств между двумя предприятиями с k-го шага до конца рассматриваемого периода.

Рекуррентные соотношения Беллмана для этих функций

/>

/>

Проведем оптимизацию, начиная с четвертого шага:

4-й шаг.

Оптимальный доход равен:

/>, т.к. линейная возрастающая функция достигает максимума в конце рассматриваемого промежутка, т.е. при />.

3-й шаг.

/>

т.к. линейная возрастающая функция достигает максимума в конце рассматриваемого промежутка, т.е. при />.

2-й шаг.

/>т.к. линейная возрастающая функция достигает максимума в конце рассматриваемого промежутка, т.е. при />.

1-й шаг.

/>

т.к. линейная возрастающая функция достигает максимума в конце рассматриваемого промежутка, т.е. при />.

Результаты оптимизации:

/>/>

/>/>

/>/>

/>/>

Определим количественное распределение средств по годам:

Так как />, />, получаем

/>

/>

/>

Представим распределение средств в виде таблицы:

предприятие

год

1

2

3

4

1

900

90

9

0,9

2

0

0

0

0



При таком распределении средств за 4 года будет получен доход, равный />

Ответ: />


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.