Как определить вероятность наступления события. Теория вероятности: формулы и примеры решения задач
f = –х 1 + 5х 2 ¾> min ;
4х 1+ 3х 2 £ 24,
х 1– 10х 2 £ 0,
8х 1– 3х 2 ³ 0,
5х 1+ 3х 2 ³ 15,
х 1³0, х 2³ 0. (1)
Совокупность переменных хj , удовлетворяющих условию (1), называется областью допустимых решений. Допустимое решение, обращающее целевую функцию в min или max , называется оптимальным. Для его определения необходимо построить область допустимых решений (область определения). Так как в условии задачи заданы две переменные, то область допустимых решений находится на плоскости х 10х 2. Каждое неравенство (1) определяет полуплоскость, а равенство – прямую. Для построения полуплоскости необходимо найти ее границу и установить, с какой стороны от нее лежит искомая полуплоскость. Перепишем условия (1) в виде равенств (2) и пронумеруем их.
| 4х 1+ 3х 2 | = | 24 (I ), | |
| х 1– 10х 2 | = | 0 (II ), | |
| 8х 1– 3х 2 | = | 0 (III ), | |
| 5х 1+ 3х 2 | = | 15 (IV ). | (2) |
Введем систему координат х 10х 2 и построим последовательно эти прямые – границы полуплоскостей. Для построения прямой на плоскости необходимо определить любые две точки, лежащие на этой прямой. Если прямая пересекает оси 0х 1и 0х 2, то можно найти координаты точек ее пересечения с осями координат. Определим координаты пересечения прямой (I ) с осью 0х 1: х 1=0; Þ 3х 2= 24; Þ х 2= 8. Соответственно определим координаты второй точки пересечения первой прямой с осью 0х 2: х 2=0; Þ 4х 1= 24; Þ х 1= 6. Следовательно, точки пересечения прямой (I ) с осями координат равны (0,8) и (6,0). Построим эту прямую (рис. 1).
Определим полуплоскость. Для этого подставим в первое неравенство (1) координаты любой точки, не лежащей на данной прямой, например (0,0). Тогда из первого условия следует: 4×0+3×0 £24, значит, неравенство справедливо, откуда следует, что полуплоскость лежит с той стороны прямой, где находится точка с координатами (0,0).
Аналогичным образом строятся и другие полуплоскости. Необходимо учесть, что прямые (II) и (III) проходят через начало координат, т.е. точку (0,0). Координаты второй точки желательно брать пропорционально коэффициентам в уравнении искомой прямой. Например, для второй прямой – точки (0,0) и (10,1), а для третьей – (0,0) и (3,8). После построения всех полуплоскостей область допустимых решений примет следующий вид (рис. 3):
Целевая функция f определяет на плоскости прямую, которая должна проходить через точку или сторону многоугольника и иметь наименьшее значение. Построим направляющий вектор для этой прямой. Данный вектор перпендикулярен искомой прямой, и его направление всегда определяет максимум целевой функции. Противоположное направление вектора определяет минимум. Обозначим этот вектор через . Он проходит через точку (0,0) и (–1,5). Координаты второй точки берут из коэффициентов целевой функции и с их помощью определяют направление вектора. Перпендикулярно ему построим прямую –х 1+ 5х 2=0. Как было сказано выше, вектор всегда показывает направление возрастания значения целевой функции (max ) , противоположный ему вектор –– направление убывания значения целевой функции (min ). Перемещаем прямую –х 1+5х 2=0 по области определения параллельно самой себе в направлении min . Целевая функция f достигнет своего минимального значения в точке С (рис. 4).
 |
Оптимальному решению задачи (1) соответствует точка С , которая лежит на пересечении прямых (I ) и (II ):
4х 1+ 3х 2= 24;
х 1– 10х 2= 0.
Для решения данной системы уравнений умножить второе уравнение на 4 и сложить соответственно по элементам с 1-м уравнением:
4х 1+ 3х 2 = 24;
4х 1– 40х 2 = 0.
Вычтем из первого уравнения второе, получим: 43х2= 24 Þ х 2= 0,56.
Подставив найденное значение х 2во второе уравнение, получим:
х 1= 10х 2Þ х 1=5,6. Подставив координаты точки С в целевую функцию, получим следующий результат:
f min = – 5,6 + 5×0,56 = – 2,8.
Окончательный результат задачи запишем в следующем виде:
х 1= 5,6, х 2= 0,56;f min = – 2,8.
Решение данного примера на ПЭВМ осуществляется программным комплексом «Блок-3». С его помощью производятся ввод, решение и вывод результативной информации на внешний носитель. Простота и доступность комплекса позволит без труда освоить его и применять на практике.
Задача № 1.1.2.
f = 2х 1+ 3х 2 ¾> max;
2х 1+ 3х 2 £ 12,
2х 1– 5х 2 £ 0,
7х 1– 2х2³ 0,
х 1, х 2³ 0. (3)
Определения и построение области допустимых решений аналогичны заданию 1.1.1. Окончательный вид области допустимых решений представлен на рис. 5 многоугольником АВС (точка А совпадает с точкой 0).
Очевидно, что прямая, определяющая целевую функцию, совпадает с прямой, образующей сторону многоугольника ВС . Отсюда следует, что решением данной ЭММ являются точки, лежащие на стороне ВС много-
угольника АВС . Для записи решения ЭММ необходимо найти координату x 1B – точки В и x 1C – точки С . Определив их, мы сможем найти отрезок, лежащий на оси 0x 1(рис. 6).
 |
Координаты точки В – x1B определяются в результате пересечения прямых 2х 1+ 3х 2 = 12 и 7х 1– 2х 2 = 0. Для этого необходимо решить систему уравнений:
2х 1+ 3х 2= 12 ´ 2 Þ 4х 1+ 6х 2= 24;
7х 1– 2х 2= 0 ´ 3 Þ 21х 1– 6х2= 0.
Сложив два последних уравнения, получим: 25х 1=24, х 1=0,96. Из этого следует, что x 1B =0,96. Координата точки С – x 1C определяется в результате пересечения прямых 2х 1+ 3х 2=12 и 2х 1–5х 2=0. Решим систему уравнений:
2х 1+ 3х 2= 12 ´ 5 Þ 10х 1+ 15х 2= 60;
2х 1– 5х 2= 0 ´ 3 Þ 6х 1 – 15х 2= 0.
Сложив два последних уравнения, получим: 16х 1= 60, х 1= 3,75, откуда следует, что x 1C = 3,75.
Значение целевой функции для данной ЭММ равно 12 (так как уравнение прямой, на которой определен отрезок ВС – 2х 1+3х 2= 12).
Таким образом, ответ данной задачи:
x 1Î[x 1B ; x 1C ] Þ x 1Î;
2х 1+ 3х 2=12 Þ 3х 2= 12 – 2х 1Þ х 2= (12 – 2х 1)/3.
Полный ответ данного примера запишется в следующем виде:
x 1Î; x 2= (12 – 2х 1)/3; f max = 12.
Задача № 1.1.3.
f = 2х 1+ 3х 2 ¾> max;
2х 1+ 3х 2 ³ 12,
2х 1– 5х 2 £ 0,
7х 1– 2х 2³ 0,
х 1, х 2 ³0. (4)
Используя схему построения области допустимых решений задач 1.1.1–1.1.2, получим следующий график (рис. 7):
f = 2х 1+ 3х 2 ¾> max ;
х 1+ х2 £ 2,
2х 1+ 3х 2³ 12,
2х 1– 5х 2£ 0,
7х 1– 2х 2³ 0,
х 1, х 2³ 0. (5)
Используя график задачи 1.1.3 и достроив первую полуплоскость х 1+х2£ 2, получим область определения, показанную на рис. 8.
 |
Из графика (рис. 8) видно, что для данной ЭММ области допустимых решений нет. Ответ: нет области допустимых решений.
Задача № 1.1.5.
f = – х 1+ 5х 2 ¾> min;
10х 1+ 3х 2£ 30,
10х 1+ 5х 2³ 50,
2х 1– 6х 2£ 0,
х 1, х 2³ 0. (6)
Область определения ЭММ (6) представлена на рис. 9. Из анализа графика следует, что областью допустимых решений будет являться точка А с координатами (0,10) (10х 1+ 5х 2= 50, х 1= 0, 5х 2= 50, х 2=10). В случае, когда решением ЭММ является единственная точка, целевую функцию можно не строить.
Ответ: x 1= 0; x 2=10; fmin = 0+5×10 = 50.
 |
Таким образом, при решении задач ЭММ ЛП возможны следующие ситуации:
– задача имеет одно оптимальное решение;
– задача имеет бесконечное число оптимальных решений;
– задача не имеет оптимального решения;
– задача не имеет области допустимых решений.
На практике ЭММ ЛП не имеет решений только в том случае, если некорректна постановка задачи.
Как показывает опыт разработки ЭММ, основная сложность состоит в описании экономико-технологических процессов в модели и выборе критерия оптимизации. Отсюда следует, что необходимо точно определить нормативные параметры. Это в свою очередь требует поставленного учета и анализа на исследуемом объекте. В то же время особое значение в составлении модели приобретает уровень подготовки специалиста. От его умения выявить основные звенья технологического процесса, определить этапы решения задачи и сформулировать цели исследования будет зависеть и качество решения данной проблемы.
Задача № 1.1.6.
Предприятие может организовать производство своей продукции двумя способами. При первом способе предприятие за месяц выпускает C 1 тыс. изделий, при втором – C 2 тыс. изделий. Расход производственных, людских ресурсов, амортизация оборудования и ограничения ресурсов, приведены ниже в таблице.
Сколько месяцев должно работать предприятие, каким способом организовать производство, чтобы обеспечить максимальный выпуск продукции.
1) Решить графическим способом;
2) Решить на базе комплекса «Блок-3»;
3) Симплекс-методом.
На этом уроке будем знакомиться с графическим методом решения задач линейного программирования , то есть, таких задач, в которых требуется найти такое решения системы линейных уравнений и (или) неравенств (системы ограничений), при котором функция цели - линейная функция - принимает оптимальное значение.
Ввиду того, что наглядность графического решения достигается лишь на плоскости, мы можем познакомиться с графическим представлением задачи только в двумерном пространстве. Это представление пригодно для системы ограничений-неравенств с двумя переменными или для систем уравнений, в которых число переменных на 2 превышает число уравнений, то есть число свободных переменных равно двум.
Поэтому графический метод имеет такие узкие рамки применения, что о нём как об особом методе решения задач линейного программирования говорить нельзя.
Однако для выработки наглядных представлений о решениях задач линейного программирования графический метод представляет определённый интерес. Кроме того, он позволяет геометрически подтвердить справедливость теорем линейного программирования .
Теоретические основы графического метода
Итак, задача линейного программирования. Требуется найти неотрицательные значения переменных и , удовлетворяющих системе неравенств
при которых линейная форма принимает оптимальное значение.
Пример 3.
Пример 4. Решить графическим методом задачу линейного программирования, в которой требуется найти минимум функции при ограничениях
Продолжаем решать задачи графическим методом вместе
До сих пор полученные выводы были основаны на том, что множество решений задачи линейного программирования сконфигурировано так, что оптимальное решение конечно и единственно. Теперь рассмотрим примеры, когда это условие нарушается. В этих примерах многоугольник решений строится так, как показано в предыдущих примерах, остановимся же на признаках, которые отличают эти исключительные примеры.
Пример 5. Решить графическим методом задачу линейного программирования, в которой требуется найти максимум функции при ограничениях
Решение. На рисунке изображены: неограниченная многогранная область решений данной системы ограничений, исходная линия уровня (чёрного цвета), вектор (бордового цвета), указывающий направление движения исходной линии уровня для нахождения максимума целевой функции.
Легко заметить, что функция F может неограниченно возрастать при заданной системе ограничений, поэтому можно условно записать, что .
Пример 6. Решить графическим методом задачу линейного программирования, в которой требуется найти максимум функции при ограничениях
Наиболее простым и наглядным методом решения задачи линейного программирования (ЗЛП) является графический метод. Он основан на геометрической интерпретации задачи линейного программирования и применяется при решении ЗЛП с двумя неизвестными:
Будем рассматривать решение этой задачи на плоскости. Каждое неравенство системы функциональных ограничений геометрически определяет полуплоскость с граничной прямой а п х, + + a j2 х 2 = b n i = 1, т. Условия неотрицательности определяют полуплоскости с граничными прямыми х { = 0, х 2 = 0 соответственно. Если система совместна, то полуплоскости, пересекаясь, образуют общую часть, которая является выпуклым множеством и представляет собой совокупность точек; координаты каждой из этих точек являются решением данной системы. Совокупность этих точек называют многоугольником решений. Он может быть точкой, отрезком, лучом, ограниченным и неограниченным многоугольником.
Геометрически ЗЛП представляет собой отыскание такой угловой точки многоугольника решений, координаты которой доставляют максимальное (минимальное) значение линейной целевой функции, причем допустимыми решениями являются все точки многоугольника решений.
Линейное уравнение описывает множество точек, лежащих на одной прямой. Линейное неравенство описывает некоторую область на плоскости.
Определим, какую часть плоскости описывает неравенство 2х { + Зх 2 12.
Во-первых, построим прямую 2х, + Зх 2 =
12. Она проходит через точки (6; 0) и (0; 4). Во-вторых, определим, какая полуплоскость удовлетворяет неравенству. Для этого выбираем любую точку на графике, не принадлежащую прямой, и подставляем ее координаты в неравенство. Если неравенство будет выполняться, то данная точка является допустимым решением и полуплоскость, содержащая точку, удовлетворяет неравенству. Для подстановки в неравенство удобно использовать начало координат. Подставим х { = х 2 =
0 в неравенство 2х, + Зх 2 12. Получим 2 0 + 3 0
Аналогично графически можно изобразить все ограничения задачи линейного программирования.
Решением каждого неравенства системы ограничений ЗЛП является полуплоскость, содержащая граничную прямую и расположенная по одну сторону от нее. Пересечение полуплоскостей, каждая из которых определяется соответствующим неравенством системы, называется областью допустимых решений (ОДР) или областью определения.
Необходимо помнить, что область допустимых решений удовлетворяет условиям неотрицательности (Xj > 0, j = 1, п). Координаты любой точки, принадлежащей области определения, являются допустимым решением задачи.
Для нахождения экстремального значения целевой функции при графическом решении ЗЛП используют вектор-градиент, координаты которого являются частными производными целевой функции:
Этот вектор показывает направление наискорейшего изменения целевой функции. Прямая c [ x l + с 2 х 2 = f(x 0), перпендикулярная вектору-градиенту, является линией уровня целевой функции (рис. 2.2.2). В любой точке линии уровня целевая функция принимает одно и то же значение. Приравняем целевую функцию постоянной величине а. Меняя значение а, получим семейство параллельных прямых, каждая из которых является линией уровня целевой функции.
Рис. 2.2.2.
Важное свойство линии уровня линейной функции состоит в том, что при параллельном смещении линии в одну сторону уровень только возрастает, а при смещении в д р у г у ю сторону - только убывает.
Графический метод решения ЗЛП состоит из четырех этапов:
- 1. Строится область допустимых решений (ОДР) ЗЛП.
- 2. Строится вектор-градиент целевой функции (ЦФ) с началом в точке х 0 (0; 0): V = (с, с 2).
- 3. Линия уровня CjXj + с 2 х 2 = а (а - постоянная величина) - прямая, перпендикулярная вектору-градиенту V, - передвигается в направлении вектора-градиента в случае максимизации целевой функции f(x v х 2) до тех пор, пока не покинет пределов ОДР. При минимизации /(*, х 2) линия уровня перемещается в направлении, противоположном вектору-градиенту. Крайняя точка (или точки) ОДР при этом движении и является точкой максимума (минимума) f(x p jc 2).
Если прямая, соответствующая линии уровня, при своем движении не покидает ОДР, то минимума (максимума) функции f(x р х 2) не существует.
Если линия уровня целевой функции параллельна функциональному ограничению задачи, на котором достигается оптимальное значение ЦФ, то оптимальное значение ЦФ будет достигаться в любой точке этого ограничения, лежащей между двумя оптимальными угловыми точками, и, соответственно, любая из этих точек является оптимальным решением ЗЛП.
4. Определяются координаты точки максимума (минимума). Для этого достаточно решить систему уравнений прямых, дающих в пересечении точку максимума (минимума). Значение f(x { , х 2), найденное в полученной точке, является максимальным (минимальным) значением целевой функции.
Возможные ситуации графического решения ЗЛП представлены в табл. 2.2.1.
Таблица 2.2.1
|
Вид ОДР |
Вид оптимального решения |
|
Ограниченная |
Единственное решение |
|
Бесконечное множество решений |
|
|
Неограниченная |
ЦФ не ограничена снизу |
|
ЦФ не ограничена сверху |
|
|
Единственное решение |
|
|
Бесконечное множество решений |
|
|
Единственное решение |
|
|
Бесконечное множество решений |
Пример 2.2.1. Планирование выпуска продукции пошивочного предприятия (задача о костюмах).
Намечается выпуск двух видов костюмов - мужских и женских. На женский костюм требуется 1 м шерсти, 2 м лавсана и 1 человекодень трудозатрат; на мужской - 3,5 м шерсти, 0,5 м лавсана и 1 человекодень трудозатрат. Всего имеется 350 м шерсти, 240 м лавсана и 150 человекодней трудозатрат.
Требуется определить, сколько костюмов каждого вида необходимо сшить, чтобы обеспечить максимальную прибыль, если прибыль от реализации женского костюма составляет 10 ден. ед., а от мужского - 20 ден. ед. При этом следует иметь в виду, что необходимо сшить не менее 60 мужских костюмов.
Экономико-математическая модель задачи
Переменные : х, - число женских костюмов; х 2 - число мужских костюмов.
Целевая функция :
Ограничения :
Первое ограничение (по шерсти) имеет вид х { + 3,5х 2 х { + 3,5х 2 = 350 проходит через точки (350; 0) и (0; 100). Второе ограничение (по лавсану) имеет вид 2х { + 0,5х 2 2х х + 0,5х 2 = 240 проходит через точки (120; 0) и (0; 480). Третье ограничение (по труду) имеет вид х у +х 2 150. Прямая х { + х 2 = 150 проходит через точки (150; 0) и (0; 150). Четвертое ограничение (по количеству мужских костюмов) имеет вид х 2 > 60. Решением этого неравенства является полуплоскость, лежащая выше прямой х 2 = 60.
В результате пересечения построенных четырех полуплоскостей получаем многоугольник, который и является областью допустимых решений нашей задачи. Любая точка этого многоугольника удовлетворяет всем четырем функциональным неравенствам, а для любой точки вне этого многоугольника хотя бы одно неравенство будет нарушено.
На рис. 2.2.3 затенена область допустимых решений (ОДР). Для определения направления движения к оптимуму построим вектор- градиент V, координаты которого являются частными производными целевой функции:
Чтобы построить такой вектор, нужно соединить точку (10; 20) с началом координат. Для удобства можно строить вектор, пропорциональный вектору V. Так, на рис. 2.2.3 изображен вектор (30; 60).
Затем построим линию уровня 10xj + 20х 2 = а. Приравняем целевую функцию постоянной величине а. Меняя значение а , получим семейство параллельных прямых, каждая из которых является линией уровня целевой функции.
Графический метод довольно прост и нагляден для решения задач ЛП с двумя переменными. Он основан на геометрическом представлении допустимых решений и ЦФ задачи.
Каждое из неравенств задачи ЛП определяет на координатной плоскости (х 1 ,х 2 ) некоторую полуплоскость (рис. 1), а система неравенств в целом - пересечение соответствующих плоскостей. Множество точек пересечения данных полуплоскостей называется областью допустимых решений (ОДР). ОДР всегда представляет собой выпуклую фигуру, т.е. обладающую следующим свойством: если две точки А и В принадлежат этой фигуре, то и весь отрезок АВ принадлежит ей. ОДР графически может быть представлена, выпуклым многоугольником, неограниченной выпуклой многоугольной областью, отрезком, лучом, одной точкой. В случае несовместности системы ограничений задачи ОДР является пустым множеством.
Примечание № 1. Все вышесказанное относится и к случаю, когда система ограничений (1.1) включает равенства, поскольку любое равенство
a il x 1 +a i 2 x 2 =b
можно представить в виде системы двух неравенств (рис. 1)
A i 2 x 2 <Ь 1э +a i 2 x 2 >bj.
ЦФ L(x)= с1х1 + с2х2 при фиксированном значении L(х)=L определяет на плоскости прямую линию с1х1 + с2х2 = L. Изменяя значения L, мы получим семейство параллельных прямых, называемых линиями уровня.
Это связано с тем, что изменение значения L повлечет изменение лишь длины отрезка, отсекаемого линией уровня на оси х2 (начальная ордината), а угловой коэффициент прямой tgа = -- останется постоянным (рис. 1).
Поэтому для решения будет достаточно построить одну из линий уровня, произвольно выбрав значение L.
Вектор C = (c1;c2) с координатами из коэффициентов ЦФ при х1 и х2 перпендикулярен к каждой из линий уровня (см. рис. 1). Направление вектора С совпадает с направлением возрастания ЦФ, что является важным моментом для решения задач. Направление убывания ЦФ противоположно направлению вектора С.
Суть графического метода заключается в следующем. По направлению (против направления) вектора С в ОДР производится поиск оптимальной точки X = (х1; х2). Оптимальной считается точка, через которую проходит линия уровня L max (L min), соответствующая наибольшему (наименьшему) значению функции L(x). Оптимальное решение всегда находится на границе ОДР, например, в последней вершине многоугольника ОДР, через которую пройдет целевая прямая, или на всей его стороне.
При поиске оптимального решения задач ЛП возможны следующие ситуации: существует единственное решение задачи; существует бесконечное множество решений (альтернативный оптиум); ЦФ не ограничена; область допустимых решений - единственная точка; задача не имеет решений.
Допустимая область - полуплоскость
Рисунок 1
1.2. Методика решения задач лп графическим методом
I. Вограничениях задачи замените знаки неравенств на знаки точных равенств и постройте соответствующие прямые.
II. Найдите и заштрихуйте полуплоскости, разрешенные каждым из ограничений-неравенств задачи. Для этого подставьте в конкретное неравенство координаты какой-либо точки [например, (0;0)], и проверьте истинность полученного неравенства.
Если неравенство истинное, то надо заштриховать полуплоскость, содержащую данную точку; иначе (неравенство ложное) надо заштриховать полуплоскость, не содержащую данную точку.
Поскольку х1 и х2 должны быть неотрицательными, то их допустимые значения всегда будут находиться выше оси х 1 и правее оси х2, т.е. в 1-м квадранте.
Ограничения-равенства разрешают только те точки, которые лежат на соответствующей прямой, поэтому выделите на графике такие прямые.
Определите ОДР как часть плоскости, принадлежащую одновременно всем разрешенным областям, и выделите ее. При отсутствии ОДР задача не имеет решений, о чем сделайте соответствующий вывод.
Если ОДР - не пустое множество, то постройте целевую прямую, т.е. любую из линий уровня с 1 х 1 + с 2 х 2 = L, где L - произвольное число, например, кратное с 1 и с 2 , т.е. удобное для проведения расчетов. Способ построения аналогичен построению прямых ограничений.
V. Постройте вектор C = (c 1 ,с 2), который начинается в точке (0;0), заканчивается в точке (c 1 ,с 2). Если целевая прямая и вектор С построены верно, то они будут перпендикулярны.
VI. При поиске max ЦФ передвигайте целевую прямую в направлении вектора С, при поиске min ЦФ - против направления вектора С. Последняя по ходу движения вершина ОДР будет точкой max или min ЦФ. Если такой точки (точек) не существует, то сделайте вывод о неограниченности ЦФ на множестве планов сверху (при поиске шах) или снизу (при поиске min).
Определите координаты точки max (min) ЦФ X = (х1 * ; х2 * ) и вычислите значение ЦФ l(x *). Для вычисления координат оптимальной точки X * решите систему уравнений прямых, на пересечении которых находится X * .
Задача 1
Найдем оптимальное решение задачи, математическая модель которой имеет вид
L(Х) = 3x 1 + 2x 2 → max
х 1 + 2х 2 < 6, (1)
2х 1 + х 2 < 8, (2)
Х 1 +х 2 <1, (3)
х 2 < 2, (4)
х 1 >0,х 2 >0.
Построим прямые ограничений, для чего вычислим координаты точек пересечения этих прямых с осями координат (рис. 2).
х 1 + 2х 2 = 6,(1)
2х1 + х2= 8,(2)
(1) х1=0, х1=6, х2=3, х2=0,
(2) х1=0, х1=4, х2=8, х2=0,
(3) х1=0, х1=-1, х2=1, х2=0,
Прямая (4) проходит через точку х 2 = 2 параллельно оси L(Х).
Рис. 2. Графическое решение задачи
Определим ОДР. Например, подставим точку (0;0) в исходное ограничение (3), получим 0 < 1, что является истинным неравенством, поэтому стрелкой (или штрихованием) обозначим полуплоскость, содержащую точку (0;0), т.е. расположенную правее и ниже прямой (3). Аналогично определим допустимые полуплоскости для остальных ограничений и укажем их стрелками у соответствующих прямых ограничений (рис. 2). Общей областью, разрешенной всеми ограничениями, т.е. ОДР является многоугольник ABCDEF.
Целевую прямую можно построить по уравнению
Строим вектор С из точки (0;0) в точку (3;2). Точка Е- это последняя вершина многоугольника допустимых решений ABCDEF, через которую проходит целевая прямая, двигаясь по направлению вектора С. Поэтому Е -это точка максимума ЦФ. Определим координаты точки Е из системы уравнений прямых ограничений (1) и (2)
Х1 +2х 2 =6, (1) х1=10/3=3 1/3, х2=4/3=1 1/3
2 Х1 +х 2 =8, (2) Е 3 1/3; 1 1/3
Максимальное значение ЦФ равно L(E) = 3*10/3+2*4/3 = 12 2 / 3
Графический метод довольно прост и нагляден для решения задач линейного программирования с двумя переменными. Он основан на геометрическом представлении допустимых решений и ЦФ задачи.
Каждое из неравенств задачи линейного программирования (1.2) определяет на координатной плоскости некоторую полуплоскость (рис.2.1), а система неравенств в целом - пересечение соответствующих плоскостей. Множество точек пересечения данных полуплоскостей называется областью допустимых решений (ОДР). ОДР всегда представляет собой выпуклую фигуру, т.е. обладающую следующим свойством: если две точки А и В принадлежат этой фигуре, то и весь отрезок АВ принадлежит ей. ОДР графически может быть представлена выпуклым многоугольником, неограниченной выпуклой многоугольной областью, отрезком, лучом, одной точкой. В случае несовместности системы ограничений задачи (1.2) ОДР является пустым множеством.
Все вышесказанное относится и к случаю, когда система ограничений (1.2) включает равенства, поскольку любое равенство
можно представить в виде системы двух неравенств (см. рис.2.1)
ЦФ при фиксированном значении определяет на плоскости прямую линию. Изменяя значения L, мы получим семейство параллельных прямых, называемых линиями уровня .
Это связано с тем, что изменение значения L повлечет изменение лишь длины отрезка, отсекаемого линией уровня на оси (начальная ордината), а угловой коэффициент прямой останется постоянным (см.рис.2.1). Поэтому для решения будет достаточно построить одну из линий уровня, произвольно выбрав значение L.
Вектор с координатами из коэффициентов ЦФ при и перпендикулярен к каждой из линий уровня (см. рис.2.1). Направление вектора совпадает с направлением возрастания ЦФ, что является важным моментом для решения задач. Направление убывания ЦФ противоположно направлению вектора.
Суть графического метода заключается в следующем. По направлению (против направления) вектора в ОДР производится поиск оптимальной точки. Оптимальной считается точка, через которую проходит линия уровня, соответствующая наибольшему (наименьшему) значению функции. Оптимальное решение всегда находится на границе ОДР, например, в последней вершине многоугольника ОДР, через которую пройдет целевая прямая, или на всей его стороне.
При поиске оптимального решения задач линейного программирования возможны следующие ситуации: существует единственное решение задачи; существует бесконечное множество решений (альтернативный оптиум); ЦФ не ограничена; область допустимых решений - единственная точка; задача не имеет решений.
Рисунок 2.1 Геометрическая интерпретация ограничений и ЦФ задачи.
Методика решения задач ЛП графическим методом.
I. В ограничениях задачи (1.2) заменить знаки неравенств знаками точных равенств и построить соответствующие прямые.
II. Найти и заштриховать полуплоскости, разрешенные каждым из ограничений-неравенств задачи (1.2). Для этого нужно подставить в конкретное неравенство координаты какой-либо точки [например, (0;0)], и проверить истинность полученного неравенства.
Если неравенство истинное,
то надо заштриховать полуплоскость, содержащую данную точку;
иначе (неравенство ложное) надо заштриховать полуплоскость, не содержащую данную точку.
Поскольку и должны быть неотрицательными, то их допустимые значения всегда будут находиться выше оси и правее оси, т.е. в I-м квадранте.
Ограничения-равенства разрешают только те точки, которые лежат на соответствующей прямой. Поэтому необходимо выделить на графике такие прямые.
III. Определить ОДР как часть плоскости, принадлежащую одновременно всем разрешенным областям, и выделить ее. При отсутствии ОДР задача не имеет решений.
IV. Если ОДР - не пустое множество, то нужно построить целевую прямую, т.е. любую из линий уровня (где L - произвольное число, например, кратное и, т.е. удобное для проведения расчетов). Способ построения аналогичен построению прямых ограничений.
V. Построить вектор, который начинается в точке (0;0) и заканчивается в точке. Если целевая прямая и вектор построены верно, то они будут перпендикулярны .
VI. При поиске максимума ЦФ необходимо передвигать целевую прямую в направлении вектора, при поиске минимума ЦФ - против направления вектора. Последняя по ходу движения вершина ОДР будет точкой максимума или минимума ЦФ. Если такой точки (точек) не существует, то можно сделать вывод о неограниченности ЦФ на множестве планов сверху (при поиске максимума) или снизу (при поиске минимум).
VII. Определить координаты точки max (min) ЦФ и вычислить значение ЦФ. Для вычисления координат оптимальной точки необходимо решить систему уравнений прямых, на пересечении которых находится.
