Реферат по предмету "Математика"


Будування математичної моделі економічної задачі і розв'язання її за допомогою графічного метода, методів Жордана-Гаусса, потенціалу та симплекс-метода

Практичнезавдання з математичного програмування
 
Будуванняматематичної моделі економічної задачі і розв'язання її за допомогою графічногометода, методів Жордана-Гаусса, потенціалу та симплекс-метода

Завдання1
Два вироби В1і В2 обробляються послідовно на двох верстатах. Кожен виріб типу В1потребує 1 год. для обробки на І-му верстаті, 2 год. — на ІІ-му і А = 5^(1/2) =2,236068 год. — на ІІІ-му. Кожен виріб типу В2 потребує 2 год. дляобробки на І-му верстаті, А = 5 год. — на ІІ-му і 3 год. — на ІІІ-му. Час роботина І-му верстаті не повинен перевищувати 10*5 = 50 год., на ІІ-му — 15*5 = 75год., на ІІІ-му — 50 год.
Необхідно:
Скласти планвиробництва при максимальному прибутку, якщо відомо, що продаж одного виробутипу В1 приносить прибуток 5 грн, а типу В2 — 3 грн.
Для цього:
1). Побудуватиматематичну модель задачі лінійного програмування.
2). Звести данузадачу до канонічного вигляду.
Розв'язок
Введемо умовніпозначення:
    кількість змінних задачі(типів виробів) — n = 2;
    змінні задачі оптимізації:х1 — кількість виробів типу В1, х2 — кількістьвиробів типу В2;
    кількість обмежень-нерівностей(верстатів) — m = 3;
    коефіцієнти аijобмежень-нерівностей (час обробки виробів j на верстатах i): а11 =1, а21 = 2, а31 = 2,236068; а12 = 2, а22= 5, а32 = 3;
    праві частини bі обмежень-нерівностей(максимальний час роботи і-го верстату) — b1 = 50, b2 =75, b3 = 50;
    коефіцієнти сj цільовоїфункції Z (прибуток), що максимізується — с1 = 5, с2 = 3.
Одиницівимірювання ті самі, що й в умові завдання.
1. Отже, використовуючинаведені вище дані, сформулюємо вихідну математичну модель задачі лінійногопрограмування: знайти кількості х1, х2 виробів В1,В2 такі, що максимізували б прибуток (цільову функцію)
Z = с1х1+ с2х2 → max
за обмежень начас роботи верстатів
/>а11х1 + а12х2≤ b1
а21х1+а22х2 ≤ b2
а31х1+а32х2 ≤ b3
і, звісно, додатнихзначеннях змінних задачі — хі ≥ 0, і = 1, 2.
Підставляючи сюдивихідні дані, отримаємо шукану модель (1):
/>х1 +2х2≤ 50,
2х1 +5х2 ≤ 75,                                                     (1)
2,236068х1 +3х2 ≤ 50;
Z = 5х1+ 3х2 → max.
2. Аби звести дану задачу доканонічного (стандартного) вигляду
Z = СХ → mах;АХ = В; Х ≥ 0,                                  (2)
введемо допоміжні(балансові) змінні х3,4,5 ≥ 0, які представляють собою різниціміж максимальним і фактичним (знайденим в результаті розв'язку задачіоптимізації) часом роботи кожного з трьох верстатів. Тоді й отримаємо нашу задачув канонічному вигляді (2), де:
Х = { хі}, і = 1 ÷ n = 5,
С = (5, 3, 0, 0,0),
/>1         2 1 0 0
А = 2          5 01 0
2,236068 3 0 0 1
В = (50, 75, 50).
Як бачимо, вихідназадача максимізації цільової функції Z в нормальній формі (1) набула канонічноговигляду (2) за рахунок перетворення обмежень-нерівностей на обмеження-рівностішляхом введення балансових змінних.
Завдання2
Розв'язати задачулінійного програмування, сформульовану в Завданні 1, графічним методом:
Z = 3x1+ 2x2 → max
/>2х1 + х2 ≤4,
х1 +2х2 ≤ 5,                                              (1)
х1 ≥0, х2 ≥ 0.
Розв'язок
Використовуючи крайнізначення знаків ≤ обмежень несуворих нерівностей, тобто знаки =, побудуємотакі три графіки:
1) х1= — x2/2 + 2,
2) х1= -2x2 + 5,
3) x1= Z — 2x2/3
Ці графіки показаніна рис. 1, на якому многокутник розв’язків, як видно, обмежений знизу (оскількив системі обмежень (1) фігурують знаки ≤) тільки додатною чвертюдекартової системи х1,2 ≥ 0.
На цьому рисунку цільовафункція показана штриховою лiнiєю, яка, залежно від величини Z, можепереміщуватися паралельно сама собі. Стрілкою з буквою n на рис. 1 позначений напрямокградієнта цільової функції (тобто напрямок збільшення Z). Зрозуміло, що їїмаксимум знаходиться в точці перетину ліній обмежень 1) і 2), в якій х1= 1 > 0, х2 = 2 > 0. Це й є графічний розв'язок задачі. Прицьому цільова функція буде мати таке значення:
Z = 3*1 + 2*2 =7.
/>

Рисунок 1. Графікдо розв’язання Завдання 2
Завдання3
Розв'язати системулінійних рівнянь методом повного виключення змінних (метод Гаусса) звикористанням розрахункових таблиць:
/>2х1 + х2 — х3 — х4 = 2
4х1 +х3 — 7х4 = 3
2х1 — 3х2 + х4 = 1
Розв'язок
Взагалі кажучи,ця недовизначена система може або мати безліч розв'язків, або не матижодного (тобто бути несумісною). Для з'ясування цього застосуємо метод Гаусса(точніше, Жордана-Гаусса), який реалізуємо у вигляді таблиць 2 – 4. В таблиці 1вміщені вихідні дані.
Таблиця 1. Вихіднаматриця системи
А1
А2
А3
А4 В
2 1 -1 -1 2 4 1 -7 3 2 -3 1 1
Згідно методуЖордана-Гаусса, провідний елемент ars замінюємо одиницею, решту елементівпровідного (r-го) рядка ділимо на провідний елемент ars, а решту елементівпровідного (s-го) стовпчика замінюємо нулями. Елементи, які не належать до провідногорядка або стовпчика, обчислюються за правилом прямокутника:
a'ij =aij — aisarj / ars,                                       (1)
b'i =bi — aisbr / ars,                                       (2)
j = 1, …, n = 4, і¹ r,
i = 1, …, m = 3, j¹ s,
де ars— провідний елемент (у наших таблицях підкреслений). Розрахунки за формулами(1), (2) зведемо в наступні таблиці, послідовно вибираючи провіднимидіагональні елементи матриці А.
На першому кроціпровідним вибираємо елемент а11.

Таблиця 2. Першийкрок методу
А1
А2
А3
А4 В 1 0,5 -0,5 -0,5 1
-2 3 -5 -1 -4 1 2 -1
На другому кроці провіднимвибираємо елемент а22 = -2.
Таблиця 3. Другийкрок методу
А1
А2
А3
А4 В 1 0,25 -1,75 0,75 1 -1,5 2,5 0,5
-5 12 1
Далi, в третьомурiвняннi провідним вибираємо елемент а33 = -5.
Таблиця 4. Третійкрок методу з провідним а33
А1
А2
А3
А4 В 1 -1,15 0,8 1 -1,1 0,2 1 -2,4 -0,2
Якщо покласти х4= 0, то отримаємо рішення х1 = 0,8, х2 = 0,2, х3= -0,2. Підстановка їх у вихідну систему дає тотожне задоволенняобмежень-рівностей:
2*0,8 + 0,2 + 0,2– 0 = 2
4*0,8 – 0,2 – 7*0= 3
2*0,8 – 3*0,2 + 0= 1
Якщо на третьомукроці в третьому рiвняннi провідним вибрати елемент а34 = 12, тоотримаємо таке рішення:

Таблиця 5. Третійкрок методу з провідним а34
А1
А2
А3
А4 В 1 -0,47917 0,89583 1 -0,45833 0,29167 -0,41667 1 8,333E-02
Якщо тут покластих3 = 0, то отримаємо рішення х1 = 0,89583, х2= 0,29167, х4 = 0,08333. Підстановка їх у вихідну систему також даєтотожності:
2*0,89583+ 0,29167- 0 — 0,08333 = 2
4*0,89583 + 0 — 7*0,08333 = 3
2*0,89583 — 3*0,29167+ 0,08333 = 1
Отже, цянедовизначена система маєбезліч розв'язків. Тому можна й далі таким жечином шукати різні розв'язки цієї системи, як завгодно «вручну» визначаючибудь-яку її змінну.
Завдання4
 
1). Розв'язатисимплекс-методом задачу лінійного програмування, яка представлена в завданні 2.
2). Побудуватидвоїсту задачу до заданої задачі лінійного програмування.
3). Знайтирозв'язок двоїстої задачі та дати економічну інтерпретацію отриманогорозв'язку.
Розв'язок
Отже, нашавихідна система лінійного програмування (ЛП) із завдання 2 з n = 2 буде така:
Z = 3x1+ 2x2 → max
/>2х1 + х2 ≤4,
х1 +2х2 ≤ 5,                                              (1)
х1 ≥0, х2 ≥ 0.
1. Для застосування симплекс-методупотрібно привести вихідну систему (1) до канонічного (стандартного) виглядушляхом введення двох m = 2 нових змінних х3 та х4:
/>2х1 + х2 + х3= 4,
х1 +2х2 + х4 = 5,                                       (2)
х1,2,3,4≥ 0.
Також треба знайтипочаткове базисне рішення, тобто будь-яке рішення, що не порушуєобмежень задачі (2). (Виходячи із тривіальності заданої системи, можна було б відразувказати таке рішення, яке одночасно було б й оптимальним:
х1 = 1> 0, х2 = 2 > 0, х3 = х4 = 0.)
Формально початковийбазисний розв’язок можна взяти, прийнявши до уваги, що x3 та х4зустрічаються в кожному рівнянні системи (2) по одному разу:
х1,2 =0, x3 = 4, х4 = 5.
Далiскористаємося алгоритмом симплекс-метода i заповнимо наступні таблиці за відомимиформулами математичного програмування. Позначимо через Аk вектор, складенийз коефіцієнтів аik при змінній хk в i-ому обмеженні, черезСБ — вектор, складений з координат сбi, що відповідають базиснимзмінним (на цьому 1-му кроці методу це — x3, х4). Тепервирахуємо симплексні різниці Δk за формулою
Δk= Ak CБ — Zk = ∑αik, k =1÷ n + m, і = 1 ÷ m                     (3)
де підсумовуванняведеться по індексу і,
αik= аik сбi – сk.                                                   (4)
Отже, Δkдорівнює сумі добутків базисних сбi на аik мінус сk.
Таблиця 1. Першийкрок симплекс-методуi Б
Сб
сk 3 2
A0
A1
A2
A3
A4 1
A3 4 2 1 1 2
A4 5 1
2 1
Dk -6
-4
Оскільки мишукаємо максимум цільової функції, то треба знайти саму мінімальнусимплексну різницю Dk серед від'ємних симплекс-різниць, тобто мінімальну заабсолютною величиною (модулем). Такою є симплексна різниця D2 включитивектор A2. Тепер зробимо перевірку того, який з векторів — А3чи А4 — треба виключити з базису. Для цього підрахуємовеличини Оо6i = ai0 / ai2 та знайдемо номербазисного індексу j, який відповідає мінімальному значенню Оо6 =min Оо6і.
Оскільки Оо6і= ai0 / ai2, Оо6 = min (4/1 = 4; 5/2 = 2,5) = 2,5,то j = 4 (в попередній таблиці виділений) і з базису виключається вектор A4.Тепер на місце вектора А4 вводимо до базису вектор А2 та робимоперерахунок системи в таблиці 1 за методом Жордана-Гаусса (алгоритм див. узавданні 3), взявши за провідний елемент а22 = 2 (який у попередній таблиціпідкреслений хвилястою лінією).
Таблиця 2. Другийкрок симплекс-методуi Б
Сб
сk 3 2
A0
A1
A2
A3
A4 1
A3 1,5
1,5 1 -0,5 2
A2 2 2,5 0,5 1 0,5
Dk 5
-5 1
Видно, що добазису «проситься» вектор А1. Оскільки Оо6 =min (1,5/1,5 = 1; 2,5/0,5 = 5) = 1, то j = 3 і з базису виключається вектор A3.Тепер на місце вектора А3 вводимо вектор А1 та зновуробимо перерахунок системи в таблиці 2 за методом Жордана-Гаусса, взявши за провіднийелемент а11 = 1,5.
Таблиця 3. Третійкрок симплекс-методуi Б
Сб
сk 3 2
A0
A1
A2
A3
A4 1
A1 3 1 1 0,666667 -0,33333 2
A2 2 2 1 -0,33333 0,66667
Dk 7 1,33333 0,33333
Таким чином, наданому кроцi симплекс-метода всi значення Di ≥ 0, отже ми отримали таке рішеннязадачі: Х = (1; 2; 0; 0;) з цільовою функцією
Zmax =3*1 + 2*2 = 7.
Безпосередняпідстановка цього рішення у вихідну систему підтверджує його правильність:
2*1 + 2 + 0=4,
1 + 2*2 + 0=5.
Між іншим, в таблиці3 маємо також розв'язок спряженої задачі (див. далі).
2. В матрично-векторномувигляді взаємно двоїсті (пряма і спряжена) задачі лінійного програмуваннязаписуються у вигляді (5), (6):
Z = СХ Þ min (max) при АХ ≤ В, Х≥ 0;                            (5)
Z' = BY Þ max (min) при АTY≥ C, Y ≥ 0.                          (6)
Враховуючи, що цільовафункція Z нашої прямої задачі дослужується на максимум i всі обмеження записаніу вигляді нерівностей типу ≤, двоїста спряжена задача, згідно з правиламилінійного програмування, матиме такий вигляд:
Z' = 4у1+ 5у2 → min
/>2у1 + у2 ≥3,
у1 +2у2 ≥ 2,                                              (5)
у1 ≥0, у2 ≥ 0.
В даному випадкувихідної системи (1) коефіцієнтами цільової функції Z' стають праві частини В обмеженьтипу ≤; якщо якесь обмеження мало б знак типу ≥, ми б простозмінили знаки коефіцієнтів обох частин цього обмеження. Правими частинамиобмежень спряженої задачі стають коефіцієнти C цільової функції Z прямоїзадачі, що максимізується. Нарешті, коефіцієнтами обмежень типу ≥ спряженоїзадачі стають елементи векторів Аk, k = 1 ÷ m. Змінні Y = {уj}спряженої задачі також повинні бути невід'ємними. Система обмежень спряженоїзадачі має розмірність n × m, на відміну від m × n у прямій задачі.
3. Після введення балансових зміннихy3,4 одразу отримаємо базовий розв'язок канонічної системи:
y1,2 =0, y3 = 3, y4 = 2.
і можемо зробитиперший крок симплекс-методу для двоїстої задачі.
Таблиця 4. Першийкрок симплекс-методуi Б
Вб
bk 4 5
A0
AТ1
AТ2
AТ3
AТ4 1
AТ3 3 2
1 1 2
AТ4 2 1 2 1
Dk -8
-10
При розв'язкузадачі мінімізації цільової функції в базис вводиться вектор з найбільшоюза модулем від'ємною симплексною різницею D. Оскільки ми шукаємо саме мінімумцільової функції, а максимальним за абсолютною величиною (модулем) є D2 максимальномузначенню Ооб = mах Ообі, оскільки в даному випадку D2 = -10
Так як Ообі= ai0 / ai2, Ооб = mах (3/1 = 3; 2/2 = 1) = 3,то j = 3 і з базису виключається вектор AТ3. Тепер намісце вектора АТ3 вводимо до базису вектор АТ2та робимо перерахунок системи в таблиці 4 за методом Жордана-Гаусса, взявши за провіднийелемент а12 = 1.
Таблиця 5. Другийкрок симплекс-методуi Б
Вб
bk 4 5
A0
AТ1
AТ2
AТ3
AТ4 1
AТ2 5 3 2 1 1 2
AТ4 -4 -3 -2 1
Dk 15
2 5
Як бачимо, тепердо базису «проситься» вектор АТ1. Оскільки D1 = 2 > 0, то в даному випадку требашукати Оо6 = mіn (3/2 = 1,5; -4/-3 = 1,3333333) = 1,3333333; отже, j= 4 і з базису виключається вектор A4. Тепер на місце вектора АТ4вводимо вектор АТ1 та знову робимо перерахунок системи втаблиці 5 за методом Жордана-Гаусса, взявши за провідний елемент а12= -3.
Таблиця 6. Третійкрок симплекс-методуi Б
Вб
bk 4 5
A0
AТ1
AТ2
AТ3
AТ4 1
AТ2 5 0,33333 1 -0,33333 0,66667 2
AТ1 4 1,33333 1 0,66667 -0,33333
Dk 7 1 2
Таким чином, наданому кроці симплекс-метода всі значення Di ≥ 0, отже ми отримали таке рушеннязадачі: Y = (1,33333; 0,33333; 0; 0;) ≥ 0 з цільовою функцією
Z'mіn= 4* 1,33333+ 5* 0,33333 = 7.
Безпосередняпідстановка цього рішення у вихідну систему підтверджує його правильність:
2*1,33333 + 0,33333+ 0 = 3,
1,33333 + 2*0,33333+ 0 = 2.
Як бачимо,дійсно, значення цільових функцій прямої Z і двоїстої Z' задач в оптимальнійточці співпадають. Крім того, розв'язок двоїстої до даної – прямої задачі (див.п. 4.1) – можна знайти за останньою симплексною таблицею 6: останні mкомпонентів вектора D симплекс-різниць — D3 ≡ х1 = 1 і D4 ≡ х2 = 2 — є оптимальнимрішенням двоїстої (вихідної) задачі. Те саме можна сказати про рішення прямоїзадачі: оптимальні розв'язки двоїстої (спряженої) задачі виявилися в останніх mкомпонентах вектора D в таблиці3.
Економічнаінтерпретація отриманого розв'язку спряженої задачі полягає в тому, що вцій задачі коефіцієнти B = (b1, b2) цільової функції виручкиZ' = BY (в грн) мають розмірність об'ємів виробництва продукції типів ІтаІІ, а змінні Y = (у1, у2) — розмірність вартості (в грн) одиницьцих продуктів. Отже, тепер ми знаємо, як зміна вартості одиниці того чи іншого продуктувплине на виручку підприємства.
В прямійзадачі — все навпаки: коефіцієнти С = (с1, с2)цільової функції виручки Z = СХ (в грн) мають розмірність вартості (в грн)одиниць продукції типів Іта ІІ, а змінні Х = (у1, у2)— розмірність об'ємів виробництва цих продуктів. Отже, за розв'язком прямоїзадачі оптимізації ми знаємо, як зміна об'єму виробництва того чи іншогопродукту вплине на виручку підприємства.


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.

Сейчас смотрят :

Реферат Средневековая Франция
Реферат Курс лекций по бухгалтерскому учету
Реферат Анализ планирования инновационной деятельности на ОАО "Связьинвест"
Реферат Право собственности граждан на жилое помещение дом квартиру комнату
Реферат Анализ опыта США в реализации принципов всеобщего управления качеством
Реферат Роль описания природы в романах Джейн Остен Гордость и предубеждение и Шарлотты Бронте Джейн
Реферат Основы работы с компьютером
Реферат "Сладкий" пальчик, или почему дети сосут пальцы
Реферат Магнитометрические средства обнаружения
Реферат Привод элеватора. Компоновка. СБ чертеж цилиндрического редуктора. Деталировка. РПЗ
Реферат Застосування BORLAND C BUILDER для створення ігрових програм
Реферат Великий Шелковый путь
Реферат Внешнеэкономическая деятельность российских предприятий (на примере машиностроения)
Реферат Расчеты по молотковой дробилке
Реферат Шпора по міжнародним економічним відносинам