Денис Шевчук - Менеджмент: конспект лекций

Проведем перебор точек параллелепипеда с шагом 1/10 n последовательно при n =2,3,…, вычисляя значения целевой функции и проверяя выполнение ограничений. Из всех точек, удовлетворяющих ограничениям, возьмем ту, в которой целевая функция максимальна. Решение найдено! (Более строго выражаясь, найдено с точностью до 1/10 n .)

Направленный перебор.Начнем с точки, удовлетворяющей ограничениям (ее можно найти простым перебором). Будем последовательно (или случайно – с помощью т. н. метода случайного поиска) менять ее координаты на определенную величину ∆, каждый раз в точку с более высоким значением целевой функции. Если выйдем на плоскость ограничения, будем двигаться по ней (находя одну из координат по уравнению ограничения). Затем движение по ребру (когда два ограничения—неравенства переходят в равенства)… Остановка – в вершине линейного многогранника. Решение найдено (Более строго выражаясь, найдено с точностью до ∆. Если необходимо, в окрестности найденного решения проводим направленный перебор с шагом ∆/2, ∆/4 и т. д.).

Симплекс—метод.Этот один из первых специализированных методов оптимизации, нацеленный на решение задач линейного программирования, в то время как методы простого и направленного перебора могут быть применены для решения практически любой задачи оптимизации. Симплекс—метод был предложен американцем Г. Данцигом в 1951 г. Основная его идея состоит в продвижении по выпуклому многограннику ограничений от вершины к вершине, при котором на каждом шаге значение целевой функции улучшается до тех пор, пока не будет достигнут оптимум. Разберем пример на основе данных табл.2.

Рассмотрим задачу линейного программирования, сформулированную выше при рассмотрении оптимизации номенклатуры и объемов выпуска:

F = 15 Х 1 + 12 Х 2 + 14 Х 3 → max.

Х 1 / 200 + Х 2 / 300 + Х 3 / 120 ≤ 100,

Х 1 / 300 + Х 2 / 100 + Х 3 / 100 ≤ 100,

Х 3 / 80 ≤ 100.

Неотрицательность переменных не будем специально указывать, поскольку в задачах линейного программирования это предположение всегда принимается.

В соответствии с симплекс—методом введем т. н. «свободные переменные» Х 4, Х 5, Х 6, соответствующие недоиспользованным мощностям, т. е. от системы неравенств перейдем к системе уравнений:

Х 1 / 200 + Х 2 / 300 + Х 3 / 120 + Х 4 = 100,

Х 1 / 300 + Х 2 / 100 + Х 3 / 100 + Х 5 = 100,

Х 3 / 80 + Х 6 = 100,

15 Х 1 + 12 Х 2 + 14 Х 3 = F .

У этой системы имеется очевидное решение, соответствующее одной из вершин многогранника допустимых значений переменных:

Х 1 = Х 2 = Х 3 = 0, Х 4 = Х 5 = Х 6 = 100, F = 0.

В терминах исходной задачи это означает, что ничего не надо выпускать. Такое решение приемлемо только на период летних отпусков.

В соответствии с симплекс—методом выбираем переменную, которая входит в целевую функцию F с самым большим положительным коэффициентом. Это Х 1.

Сравниваем частные от деления свободных членов в первых трех уравнениях на коэффициенты при только что выбранной переменной Х 1:

100 / (1/200) = 20000, 100 / (1/300) =30000, 100/0 = + ∞.

Выбираем строку из системы уравнений, которой соответствует минимальное из всех положительных отношений. В рассматриваемом примере – это первая строка, которой соответствует отношение 20000.

Умножим первую строку на 200, чтобы получить Х 1 с единичным коэффициентом:

Х 1 + 2/3 Х 2 + 2/1,2 Х 3 + 200 Х 4 = 20000.

Затем умножим вновь полученную строку на (-1/300) и сложим со второй строкой, чтобы исключить член с Х 1, получим

7/900 Х 2 + 4/900 Х 3 – 2/3 Х 4 + Х 5 = 100/3.

Ту же преобразованную первую строку умножим на (-15) и сложим со строкой, в правой части которой стоит F , получим:

2 Х 2 – 11 Х 3 – 3000 Х 4 = F – 300000.

В результате система уравнений преобразуется к виду, в котором переменная Х 1 входит только в первое уравнение:

Х 1 + 2/3 Х 2 + 2/1,2 Х 3 + 200 Х 4 = 20000,

7/900 Х 2 + 4/900 Х 3 – 2/3 Х 4 + Х 5 = 100/3,

Х 3 / 80 + Х 6 = 100,

2 Х 2 – 11 Х 3 – 3000 Х 4 = F – 300000.

Очевидно, у новой системы имеется улучшенное по сравнению с исходным решение, соответствующее другой вершине выпуклого многогранника в шестимерном пространстве:

Х 1 = 20000, Х 2 = Х 3 = Х 4 = 0, Х 5 = 100/3, Х 6 = 100, F = 300000.

В терминах исходной задачи это решение означает, что надо выпускать только кухни. Такое решение приемлемо, если допустимо выпускать только один вид продукции.

Повторим описанную выше операцию. В строке с F имеется еще один положительный коэффициент – при Х 2 (если бы положительных коэффициентов было несколько – мы взяли бы максимальный из них). На основе коэффициентов при Х 2 (а не при Х 1, как в первый раз) образуем частные от деления соответствующих свободных членов на эти коэффициенты:

20000 / (2/3) = 30000, (100/3) / (7/900) = 30000/7, 100/0 = + ∞.

Таким образом, нужно выбрать вторую строку, для которой имеем наименьшее положительное отношение 30000/7. Вторую строку умножим на 900/7 (чтобы коэффициент при Х 2 равнялся 1). Затем добавим обновленную строку ко всем строкам, содержащим Х 2, предварительно умножив их на подходящие числа, т. е. такие, чтобы все коэффициенты при Х 2 стали бы после сложения равны 0, за исключением коэффициента второй строки, который уже стал равняться 1. Получим систему уравнений:

Х 1 + 9/7 Х 3 + 1800/7 Х 4 – 600/7 Х 5 = 120000/7,

Х 2 + 4/7 Х 3 – 600/7 Х 4 + 900/7 Х 5 = 30000/7,

Х 3 / 80 + Х 6 = 100,

– 85/7 Х 3 – 19800/7 Х 4 – 1800/7 Х 5 = F – 308571.

Поскольку все переменные неотрицательны, то из последнего уравнения следует, что прибыль F достигает своего максимального значения, равного 308571, при Х 3 = Х 4 = Х 5 = 0. Из остальных уравнений следует, что при этом Х 1 = 120000/7 = 17143, Х 2 = 30000/7 = 4286, Х 6 = 100. Поскольку в строке с F не осталось ни одного положительного коэффициента при переменных, то алгоритм симплекс—метода закончил свою работу, оптимальное решение найдено.

Практические рекомендации таковы: надо выпустить 17143 кухни, вчетверо меньше, т. е. 4286, кофемолок, самоваров не выпускать вообще. При этом прибыль будет максимальной и равной 308571. Все производственное оборудование будет полностью загружено, за исключением линии по сборке самоваров.

Транспортная задача.Различные технико—экономические и экономические задачи менеджмента, от оптимальной загрузки станка и раскройки стального листа или полотна ткани до анализа межотраслевого баланса и оценки темпов роста экономики страны в целом, приводят к необходимости решения тех или иных задач линейного программирования. В качестве очередного примера рассмотрим т. н. транспортную задачу. Имеются склады, запасы на которых известны. Известны потребители и объемы их потребностей. Необходимо доставить товар со складов потребителям. Можно по—разному организовать «прикрепление» потребителей к складам, т. е. установить, с какого склада какому потребителю и сколько вести. Кроме того, известна стоимость доставки единицы товара с определенного склада определенному потребителю. Требуется минимизировать издержки по перевозке.