运筹与优化--整数规划.ppt

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第四章 整数规划 整数规划的含义 分枝定界法 割平面法 0-1整数规划的解法 指派问题的算法 第一节 整数规划问题的提出 决策问题中经常有整数要求,如人数、件数、机器台数、货物箱数……如何解决?四舍五入不行,枚举法太慢. 问题分类: 纯整数规划 变量全为非负整数 、混合整数规划 部分变量为整数 、0-1整数规划 变量取为0或1 . 专门方法:分枝定界法、割平面法、隐枚举法、匈牙利法. 问题举例 某集装箱运输公司,箱型标准体积24m3,重量13T,现有两种货物可以装运,甲货物体积5m3、重量2T、每件利润2000元;乙货物体积4m3、重量5T、每件利润1000元,如何装运获利最多? 数模: maxZ 2000x1+1000x2 5x1+4x2≤24 2x1+5x2 ≤13 x1、x2 ≥0且为整数 解此IP问题,得: x1 4.8,x2 0 显然不是可行解. 整数规划图解法 x2 A 4.8,0 点是LP问题的可行解,不是IP问题的可行解,B 4,1 才是IP的最优解. 图解法的启示 纯整数规划的可行解就是可行域中的整数点. 非整数点不是 IP 的可行解,对于求解没有意义,故切割掉可行域中 IP 的非可行解,不妨碍整数规划问题的优化. IP 的最优解不会更优于相应的 LP 的最优解. IP 的最优解不能按相应 LP 的最优解取整而得. 注1: LP 有最优解,其相应的 IP 可能无可行解. 注2: LP 的最优解全为整数时,即得 IP 的最优解. 注1: LP 无可行解,其相应的 IP 也无可行解. 第二节 分枝定界法 思路:切割可行域,去掉非整数点。一次分枝变成两个可行域,分别求最优解 例1. maxZ 2000x1+1000x2 5x1+4x2≤24 2x1+5x2 ≤13 x1、x2 ≥0 且为整数 解:先不考虑整数要求,解相应的 LP 问题,得: x1 4.8 x2 0 Z 9600 不是可行解 Z 9600是IP问题的上界,记为:Z 9600 例1 (续) X1 4.8不符合要求,切掉4—5之间的可行域,可行域变成两块,即原有约束条件再分别附 加约束条件x1 ≤4和x1 ≥5 原问题分解为两个 maxZ 2000x1+1000x2 maxZ 2000x1+1000x2 5x1+4x2≤24 5x1+4x2≤24 2x1+5x2 ≤13 IP1 2x1+5x2 ≤13 IP2 x1 ≤4 x1 ≥5 x1、x2 ≥0且为整数 x1、x2 ≥0且为整数 例1 (续) 不考虑整数要求,解相应 LP 问题。 解 LP 1 得:x1 4 ,x2 1 z 9000 解 LP 2 得:无可行解 此时可以断定IP问题的下界为9000,记为Z 9000 ?由于目前的分枝末梢最大值是9000,故IP问题的上界便是9000。由于Z Z,此时已得IP问题的最优解,即 x1 4, x2 1, Z 9000 分枝定界法的解题步骤 问题(A) Max z CX s.t. AX b, X ≥ 0 且为整数 将问题(A)去掉整数约束的问题记为(B) 在分枝定界法过程中求解问题 B ,应有以下情况之一: ① B 无可行解,则 A 亦无可行解,停止计算; ② B 有最优解,并满足整数约束,即为 A 的最优解, 那么z* 同时是当前问题 A 最优目标值的上界和下界。停 止计算; ③ B 有最优解 x 及最优值 z 但不符合整数条件。这时 得到当前问题 A 最优目标值的一个上界 z =z ,于是通过 以下判断可对此问题进一步计算。 分枝定界法的解题步骤(1) 分枝定界法的计算过程: 1、对原问题 A ,求解松弛问题 B 。根据上面分析,若出现情况①,②则停机。若情况③发生,得到 A 问题最优值的一个上界。我们任找 A 问题的一个可行解,那么对应的目标函数值是 A 最优值的一个下界 z 。即得到 z ≤ z* ≤ z。 注:用观察法找 A 问题的可行解,可取xj 0试探 2、对当前问题进行分枝和定界: 分枝:不妨设当前问题为 A ,其松弛问题 B 的 最优解不符合整数约束,任取其非整数的分量 xr , 构造两个附加约束: xr ≤ [xr] 和 xr ≥ [xr]+1 分枝定界法的解题步骤 2 对 A 分别加入这两个约束,得到子问题 A1 和 A2 .显 然 A1 和 A2 的可行解集的并是 A 的可行集; 定界:以每个子问题 Ai 为一个分枝,求解松弛问 题 Bi ,找出当前问题新的上、下界 z 和 z 。 对一般迭代步,设根据分枝定界方法得到了原问 题 A 的一个同层子问题 Ai ,i=1,2,...,n 的分 解。这里的同层子问题是

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