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在线性规划问题中,有些最优解可能是分数或小数,但对于某些具体问题,常要求某些变量的解必须是整数。例如,当变量代表的是机器的台数,工作的人数或装货的车数等。为了满足整数的要求,初看起来似乎只要把已得的非整数解舍入化整就可以了。实际上化整后的数不见得是可行解和最优解,所以应该有特殊的方法来求解整数规划。
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-16-
第二章 整数规划
§1 概论
1.1 定义
规划中的变量(部分或全部)限制为整数时,称为整数规划。若在线性规划模型中,
变量限制为整数,则称为整数线性规划。目前所流行的求解整数规划的方法,往往只适
用于整数线性规划。目前还没有一种方法能有效地求解一切整数规划。
1.2 整数规划的分类
如不加特殊说明,一般指整数线性规划。对于整数线性规划模型大致可分为两类:
1
o
变量全限制为整数时,称纯(完全)整数规划。
2
o
变量部分限制为整数的,称混合整数规划。
1.2 整数规划特点
(i) 原线性规划有最优解,当自变量限制为整数后,其整数规划解出现下述情况:
①原线性规划最优解全是整数,则整数规划最优解与线性规划最优解一致。
②整数规划无可行解。
例 1 原线性规划为
21
min xxz +=
0,0,542
2121
≥≥=+ xxxx
其最优实数解为:
4
5
min,
4
5
,0
21
=== zxx 。
③有可行解(当然就存在最优解),但最优解值变差。
例 2 原线性规划为
21
min xxz +=
0,0,642
2121
≥≥=+ xxxx
其最优实数解为:
2
3
min,
2
3
,0
21
=== zxx 。
若限制整数得:
2min,1,1
21
=
== zxx 。
(ii) 整数规划最优解不能按照实数最优解简单取整而获得。
1.3 求解方法分类:
(i)分枝定界法—可求纯或混合整数线性规划。
(ii)割平面法—可求纯或混合整数线性规划。
(iii)隐枚举法—求解“0-1”整数规划:
①过滤隐枚举法;
②分枝隐枚举法。
(iv)匈牙利法—解决指派问题(“0-1”规划特殊情形)。
(v)蒙特卡洛法—求解各种类型规划。
下面将简要介绍常用的几种求解整数规划的方法。
§2 分枝定界法
对有约束条件的最优化问题(其可行解为有限数)的所有可行解空间恰当地进行系
统搜索,这就是分枝与定界内容。通常,把全部可行解空间反复地分割为越来越小的子
集,称为分枝;并且对每个子集内的解集计算一个目标下界(对于最小值问题),这称
为定界。在每次分枝后,凡是界限超出已知可行解集目标值的那些子集不再进一步分枝,
-17-
这样,许多子集可不予考虑,这称剪枝。这就是分枝定界法的主要思路。
分枝定界法可用于解纯整数或混合的整数规划问题。在本世纪六十年代初由 Land
Doig 和 Dakin 等人提出的。由于这方法灵活且便于用计算机求解,所以现在它已是解
整数规划的重要方法。目前已成功地应用于求解生产进度问题、旅行推销员问题、工厂
选址问题、背包问题及分配问题等。
设有最大化的整数规划问题
A,与它相应的线性规划为问题
B
,从解问题
B
开始,
若其最优解不符合
A
的整数条件,那么
B
的最优目标函数必是
A
的最优目标函数
*
z 的
上界,记作
z ;而 A 的任意可行解的目标函数值将是
*
z 的一个下界 z 。分枝定界法就
是将
B
的可行域分成子区域的方法。逐步减小 z 和增大 z ,最终求到
*
z 。现用下例来
说明:
例 3 求解下述整数规划
21
9040Max xxz +=
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
≥
≤+
≤+
且为整数0,
70207
5679
21
21
21
xx
xx
xx
解 (i)先不考虑整数限制,即解相应的线性规划
B
,得最优解为:
355.8779,8168.1,8092.4
21
=
=
= zxx
可见它不符合整数条件。这时
z
是问题
A
的最优目标函数值
*
z 的上界,记作 z 。而
0,0
21
== xx 显然是问题 A 的一个整数可行解,这时 0
=
z ,是
*
z 的一个下界,记作 z ,
即
3560
*
≤≤ z 。
(ii)因 为
21
,xx 当前均为非整数,故不满足整数要求,任选一个进行分枝。设选
1
x
进行分枝,把可行集分成 2 个子集:
44.8092][
1
=≤x
,
514.8092][
1
=
+
≥x
因为 4 与 5 之间无整数,故这两个子集的整数解必与原可行集合整数解一致。这
一步称为分枝。这两个子集的规划及求解如下:
问题
1
B :
21
9040Max xxz
+
=
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
≥≤≤
≤+
≤+
0,40
70207
5679
21
21
21
xx
xx
xx
最优解为:
349,1.2,0.4
121
=
== zxx 。
问题
2
B :
21
9040Max xxz
+
=
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
≥≥
≤+
≤+
0,5
70207
5679
21
21
21
xx
xx
xx
最优解为:
4.341,57.1,0.5
121
=
== zxx 。
再定界:
3490
*
≤≤ z 。
(iii)对问题
1
B 再进行分枝得问题
11
B 和
12
B ,它们的最优解为
-18-
340,2,4:
112111
=
=
=
zxxB
327.14,00.3x1.43,:
122112
=
=
=
zxB
再定界: 341340
*
≤≤ z ,并将
12
B
剪枝。
(iv)对问题
2
B 再进行分枝得问题
21
B 和
22
B ,它们的最优解为
083,00.1x5.44,:
222121
=
=
=
zxB
22
B 无可行解。
将
2221
,BB 剪枝。
于是可以断定原问题的最优解为:
340,2,4
*
21
=== zxx
从以上解题过程可得用分枝定界法求解整数规划(最大化)问题的步骤为:
开始,将要求解的整数规划问题称为问题
A
,将与它相应的线性规划问题称为问
题
B
。
(i)解问题
B
可能得到以下情况之一:
(a)
B
没有可行解,这时 A 也没有可行解,则停止.
(b)
B
有最优解,并符合问题 A 的整数条件,
B
的最优解即为 A 的最优解,则
停止。
(c)
B
有最优解,但不符合问题 A 的整数条件,记它的目标函数值为 z 。
(ii)用观察法找问题 A 的一个整数可行解,一般可取 njx
j
,,1,0 L
=
=
,试探,
求得其目标函数值,并记作
z 。以
*
z 表示问题 A 的最优目标函数值;这时有
zzz ≤≤
*
进行迭代。
第一步:分枝,在
B
的最优解中任选一个不符合整数条件的变量
j
x ,其值为
j
b ,
以
][
j
b 表示小于
j
b 的最大整数。构造两个约束条件
][
jj
bx ≤
和
1][ +≥
jj
bx
将这两个约束条件,分别加入问题
B
,求两个后继规划问题
1
B 和
2
B 。不考虑整数条件
求解这两个后继问题。
定界,以每个后继问题为一分枝标明求解的结果,与其它问题的解的结果中,找出
最优目标函数值最大者作为新的上界
z 。从已符合整数条件的各分支中,找出目标函数
值为最大者作为新的下界 z ,若无作用 z 不变。
第二步:比较与剪枝,各分枝的最优目标函数中若有小于
z 者,则剪掉这枝,即
以后不再考虑了。若大于
z
,且不符合整数条件,则重复第一步骤。一直到最后得到
zz =
*
为止。得最优整数解 njx
j
,,1,
*
L= 。
§3
10 − 型整数规划
10 − 型整数规划是整数规划中的特殊情形,它的变量
j
x 仅取值 0 或 1。这 时
j
x 称
为
10 − 变量,或称二进制变量。
j
x
仅取值 0 或 1 这个条件可由下述约束条件:
10
≤
≤
j
x ,整数
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帅气的alex
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