Лабораторная работа №4 по "Основам теории систем" (Послеоптимизационный анализ задач линейного программирования)

	Загрузить архив:
	Файл: ref-8850.zip (114kb [zip], Скачиваний: 144) скачать

Лабораторная работа № 4

Телешовой Елизаветы, гр. 726,

Послеоптимизационный анализ задач линейного программирования.

1.Анализ чувствительности оптимального решения задачи к изменению свободных членов ограничений.

Для изготовления определенного сплава из свинца, цинка и олова используется сырье из тех же металлов, отличающееся составом и стоимостью.

Сырье	Содержание в процентах
Компоненты	1	2	3	4	5
Свинец	10	10	40	60	70
Цинк	10	30	50	30	20
Олово	80	60	10	10	10
Стоимость, у. Е.	4	4,5	5,8	6	7,5

Определить, сколько нужно взять сырья каждого вида, чтобы изготовить с минимальной себестоимостью сплав, содержащий олова не более 30%, цинка не менее 10%, свинца не более 40%.

Математическая модель:

Пусть х_i– доля сырья i-го вида в единице полученного сплава. Тогда функция цели (себестоимость единицы сплава в у.е.) запишется следующим образом:

Система ограничений будет иметь вид:

Запишем систему в каноническом виде:

Оптимальная симплекс-таблица:

	4	4,5	5,8	6	7,5	0	0	0	M	M
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	2	0	0	-0,2	0	0,4
0	X8	0,12	0	0	0,2	0,3	0,6	0	1	-0,46	0	0,12
5,8	X3	-0,4	0	1	1	1	-2	0	0	1,2	0	0,6
0	X7	0,12	0	0	0,2	0,3	-0,4	1	0	0,54	-1	0,32
	F	-0,02	0	0	-0,2	-1,7	-2,6	0	0	-6,06	0	5,28

Оптимальное решение: и оптимальное значение целевой функции:

Экономически полученное решение интерпретируется следующим образом: для получения единицы сплава минимальной себестоимости необходимо взять 40% сырья №2 и 60% сырья №3. При этом сплав содержит ровно 30% олова, более 20% (точнее, 42%) цинка и менее 40% (28%) свинца. Минимальная себестоимость единицы сплава составляет 5,28 у.е. Оптимальные двойственные оценки

Теперь найдём область устойчивости двойственных оценок к изменению свободных членов ограничений. Как известно, область устойчивости двойственных оценок – это область изменения свободных членов ограничений, при которой двойственные оценки не меняются. Неизменность двойственных оценок говорит о том, что не меняют своих номеров базисные и свободные переменные в решении.

В связи с вычислением интервалов устойчивости необходимо сделать замечание о знаках неравенств. Мы помним, что изначально их изменение мы учитывали (< на >), но знаки самих неравенств не меняли. Сейчас мы также не будем менять знаки второго и четвёртого неравенств, но примем во внимание обратный знак при расчёте конкретных значений. (Это делается для более наглядной экономической интерпретации интервалов устойчивости.)

Пусть свободные члены изменились на и соответственно. Тогда оптимальное решениеновой задачи (базисные компоненты) можно найти как:

Базисное решение вычисляется через матрицу, обратную к базисной, и свободные члены ограничений. Из оптимальной симплекс-таблицы получим матрицу, обратную к базисной, и оптимальное решение (базисные компоненты):

>

Все элементы решения должны быть неотрицательны, иначе решение будет недопустимым, т.е. базисное решение остаётся оптимальным до тех пор, пока оно допустимое. Область устойчивости следующая:

Теперь найдём интервалы устойчивости (интервал устойчивости двойственных оценок к изменению правой части ограниченияили i-го ресурса – такое множество i–го ресурса, при котором двойственные оценки не меняются):

1),:

=>

2),

=>

3),

=>

4),

=>

Полученные результаты экономически означают, что свободный член в первом ограничении может меняться от 0,5 до 1,26, но экономического смысла это ни какого не имеет, т.к. сумма составляющих долей сплава всегда 100%. Содержание олова в новом сплаве варьируется от10% до 60%, цинка – от нуля (не имеет экономической интерпретации) до 42% и свинца – от 28% до 100% (аналогично случаю с цинком не может быть объяснена экономически). Возможны также различные комбинации изменений, которые описывает область устойчивости (интервалы устойчивости являются своеобразными частными случаями области устойчивости). При данных изменениях ресурсов двойственные оценки не изменятся, а значити номера базисных переменных также не изменятся.

(4)

(1)

(2)

(3)

Изобразим область устойчивости двойственных оценок к изменению свободных членов ограничений графически. Для этого, исходя из экономических соображений и наглядности графика, построим его в координатах и

  

Пример практического применения интервалов устойчивости.

Изменим условие задачи следующим образом:

а) содержание олова в новом сплаве не должно превосходить 15%;

Интервал устойчивости для олова – это 15% или 0,15 входят в этот интервал, следовательно двойственные оценки не изменятся и  оптимальное решение будет (при .

По третьей теореме двойственности найдём значение критерия при этом решении:

=>

б) содержание цинка должно быть не менее 45%;

Интервал устойчивости для цинка - . Т.к. содержание цинка в сплаве должно быть не более 42%, а т.к. 0,45 не входит в интервал устойчивости двойственных оценок, то двойственные оценки и номера базисных переменных сменятся (

Решение недопустимое. Но если бы оно было допустимым, то оно было бы и оптимальным, а значит, оценки бы удовлетворяли критерию оптимальности. Полученное решение является псевдопланом иможно использовать двойственный симплекс-метод.

	4	4,5	5,8	6	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	2	0	0	-0,2	0	0,4
0	X8	0,12	0	0	0,2	0,3	0,6	0	1	-0,46	0	0,12
5,8	X3	-0,4	0	1	1	1	-2	0	0	1,2	0	0,6
0	X7	0,12	0	0	0,2	0,3	-0,4	1	0	0,54	-1	-0,03
	F	-0,02	0	0	-0,2	-1,7	-2,6	0	0	-6,06	0	5,28

Определим, какую из переменных выведем из базиса. В данном случае это будет единственная отрицательная переменная стандартных преобразований однократного замещения получим новую симплекс-таблицу:

	4	4,5	5,8	6	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	2	1	0	1	1,5	0	5	0	2,5	-5	0,25
0	X8	0,3	0	0	0,5	0,75	0	1,5	1	0,35	-1,5	0,075
5,8	X3	-1	0	1	0	-0,5	0	-5	0	-1,5	5	0,75
0	X6	-0,3	0	0	-0,5	-0,75	1	-2,5	0	-1,35	2,5	0,075
	F	-0,8	0	0	-1,5	-3,65	0	-6,5	0	2,55	6,5	5,475

Как видим, оценки по-прежнему удовлетворяют критерию оптимальности и все базисные переменные неотрицательны, значит, решение допустимое и оптимальное. Новое решение задачи

в) в новом сплаве должно быть менее 40% олова и более 30% цинка;

Запишем область устойчивости двойственных оценок, учитывая новые изменения (; ):

Решение является допустимым, а значит, и оптимальным. Значение критерия найдём по третьей теореме двойственности:

=>

г) менее 60% олова и более 40% цинка;

В данном случае изменения составляют: увеличение содержания олова на 30% и цинка на 30%, т.е и

Решение недопустимое, но является псевдопланом, поэтому, руководствуясь рассуждениями, аналогичными пункту б), решим задачу двойственным симплекс-методом.

	4	4,5	5,8	6	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	2	0	0	-0,2	0	0,4
0	X8	0,12	0	0	0,2	0,3	0,6	0	1	-0,46	0	0,12
5,8	X3	-0,4	0	1	1	1	-2	0	0	1,2	0	0,6
0	X7	0,12	0	0	0,2	0,3	-0,4	1	0	0,54	-1	-0,1
	F	-0,02	0	0	-0,2	-1,7	-2,6	0	0	-6,06	0	5,28

Оптимальная симплекс-таблица:

	4	4,5	5,8	6	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	2	1	0	1	1,5	0	5	0	2,5	-5	0.5
0	X8	0,3	0	0	0,5	0,75	0	1,5	1	0,35	-1,5	0,15
5,8	X3	-1	0	1	0	-0,5	0	-5	0	-1,5	5	0,5
0	X6	-0,3	0	0	-0,5	-0.75	1	-2.5	0	-1.35	2,5	0,25
	F	-0,8	0	0	-1,5	-3,65	0	-6,5	0	2,55	6,5	5,15

Получим следующее решение: 50% сырья №2 и 50% сырья №3.

Задача анализа дополнительно закупаемых объёмов ресурсов с целью обеспечения наибольшей эффективности планирования.

Предположим, что появилась возможность покупать сырьё у других поставщиков по более низкой цене: цинк по 2 у.е., а за олово и свинец, т.к. согласно экономическому смыслу задачи они являются "антиблагами", мы получаем большую доплату от их поставщика: 1,5 у.е. и 0,5 у.е. соответственно. Руководитель предприятия выделил на закупку ресурсов 3 у.е.

Решение:

По ранее полученным результатам мы знаем, что предприятие тратит минимум средств (5,28 у.е.) когда в полученном сплаве ровно 30% олова, 42% цинка и 28% свинца (будем считать для удобства, что для производства 10 тонн сплава необходимо 3 тонны олова, 4,2 тонны цинка и 2,8 тонн свинца). Т.к. олово и свинец мы получаем с доплатой, то возьмём их в полном объёме, необходимом для производства сплава. От "покупки" олова мы получим

Будем вести анализ закупок цинка. На первой итерации мы не закупаем цинк, т.к. в этом случае он бы приносил больше убытка (двойственная оценка равна нулю по сравнению с предлагаемой ценой в 2 у.е.). Решив новую задачу без производства олова и свинца, мы безусловно выйдем за границы области устойчивости двойственных оценок. Кроме того, сменится решение: двойственная оценка цинка увеличится до 3 и новое значение целевой функции понизится до 4 у.е. Вычтем из этих затрат на производство сплава доход от получения олова и цинка:

С увеличением двойственной оценки цинка становится выгодно покупать его. Но мы располагаем суммой денег только 3 у.е. и можем закупить на них 1,5 тонн вместо 2 необходимых. Теперь нам нужно производить только 0,5 тонны цинка. На второй итерации мы получаем такое же решение: критерий равен 4 у.е. и двойственная оценка цинка, которого мы производим 3 тонны, равна 4.

Таким образом, мы получили оптимальное решение расходования выделенных 3 у.е.: "закупать" с доплатой 4 тонны олова и 5 тонн свинца и покупать по цене 2 у.е. 1,5 тонны цинка. При таком плане предприятие получит прибыль от производства сплава в размере 1,9 у.е.

2.Анализ чувствительности оптимального решения задачи к изменению коэффициентов целевой функции.

Определим интервал устойчивости решения к изменению стоимости сырья, то есть, в каких пределах могут меняться цены на сырьё, чтобы план выпуска сплава не изменился. Для этого рассмотрим два случая: изменение цен (коэффициентов целевой функции) происходит на сырьё, использующееся при производстве сплава (базисные переменные) и не использующееся (свободные переменные).

1. Пусть, сначала, меняется цена второго и третьего ресурсов (базисные переменные).

а)

Тогда оптимальная симплекс-таблица будет иметь вид:

	4	4,5	5,8	6	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	2	0	0	-0,2	0	0,4
0	X8	0,12	0	0	0,2	0,3	0,6	0	1	-0,46	0	0,12
5,8	X3	-0,4	0	1	1	1	-2	0	0	1,2	0	0,6
0	X7	0,12	0	0	0,2	0,3	-0,4	1	0	0,54	-1	0,32
	F		0	0				0	0		0

Для того, чтобы решение оставалось оптимальным, необходимо, чтобы все оценки были неположительными (для задачи на минимум):

=>

Это значит, что цена первого ресурса может меняться от нуля (бесплатный, недефицитный ресурс) до 4,514 у.е. (отрицательный коэффициент в целевой функции в данном случае не имеет экономического смысла, т.к. свидетельствует о получении ресурса с доплатой. В этом случае ресурс выступает в роли антиблага). Критерий изменится на

б)

	4	4,5	5,8	6	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	2	0	0	-0,2	0	0,4
0	X8	0,12	0	0	0,2	0,3	0,6	0	1	-0,46	0	0,12
5,8	X3	-0,4	0	1	1	1	-2	0	0	1,2	0	0,6
0	X7	0,12	0	0	0,2	0,3	-0,4	1	0	0,54	-1	0,32
	F		0	0				0	0		0

=>

Коэффициент критерия может меняться от 5,75 у.е. за одну тонну третьего сырья до 6 у.е. При этом решение будет оставаться оптимальным, а сам критерий изменится на .

2. Рассмотрим случай со свободной переменной.

а)

Условие оптимальности оценки: =>=>.

В данном случае

Таким образом, решение будет оставаться оптимальным, при уменьшении коэффициента при до 3,98 у.е. за единицу и неограниченном увеличении. Значение целевой функции при этом не изменится.

б) Будем руководствоваться аналогичными рассуждениями при вычислении интервалов устойчивости для четвёртого и пятого ресурсов.

или

или

Оптимальные решения при  конкретных изменениях коэффициентов.

а)стоимость второго сырья увеличилась до 4,5 у.е

Интервал устойчивости коэффициента целевой функции Цена 4,5 у.е.  входит в этот интервал, значит оптимальное решение не изменится, а критерий станет у.е.

б) стоимость третьего сырья уменьшилась до 3 у.е

Интервал устойчивости для 3 у.е. (

– при ;

– при ;

– при ;

– при ;

– при ;

Скорректируем симплекс-таблицу:

	4	4,5	3	6	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	2	0	0	-0,2	0	0,4
0	X8	0,12	0	0	0,2	0,3	0,6	0	1	-0,46	0	0,12
3	X3	-0,4	0	1	1	1	-2	0	0	1,2	0	0,6
0	X7	0,12	0	0	0,2	0,3	-0,4	1	0	0,54	-1	0,32
	F	1,1	0	0	-3	-4,5	3	0	0	-9,42	0	3,6

Через две итерации получаем оптимальную симплекс-таблицу:

	4	4,5	3	6	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4	X1	1	1	0	-0,666	-1	0	0	-3,33	1,333	0	0
0	X6	0	-0,2	0	0,466	0,7	1	0	2,333	-1,03	0	0,2
3	X3	0	0	1	1,666	2	0	0	3,333	-0,333	0	0,1
0	X7	0	-0,2	0	0,466	0,7	0	1	1,333	-0,033	-1	0,4
	F	0	-0,5	0	-3,66	-5,5	0	0	-3,33	4,333	0	3

Получим оптимальное решение

в) издержки на первое сырьё возросли до 6 у.е

Стоимость первого сырья может изменяться в пределах

г) издержки на четвёртый ресурс упали до 4 у.е.

При падении издержек до 4 у.е. за тонну оптимальное решение должно измениться, т.к. нижняя граница интервала устойчивости – 5,8 у.е. Оценка

	4	4,5	5,8	4	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	2	0	0	-0,2	0	0,4
0	X8	0,12	0	0	0,2	0,3	0,6	0	1	-0,46	0	0,12
5,8	X3	-0,4	0	1	1	1	-2	0	0	1,2	0	0,6
0	X7	0,12	0	0	0,2	0,3	-0,4	1	0	0,54	-1	0,32
	F	-0,02	0	0	1,8	-1,7	-2,6	0	0	-6,06	0	5,28

Оптимальная симплекс-таблица:

	4	4,5	5,8	4	7,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	2	0	0	-0,2	0	0,4
4	X4	0,6	0	0	1	1,5	3	0	5	-2,3	0	0,6
5,8	X3	-1	0	1	0	-0,5	-5	0	-5	3,5	0	0
0	X7	0	0	0	0	0	-1	1	-1	1	-1	0,2
	F	-1,1	0	0	0	-4,4	-8	0	-9	10,2	0	4,2

С помощью симплекс-метода получаем оптимальное решение и оптимальное значение критерия

3. Анализ чувствительности оптимального решения задачи к изменению технологических коэффициентов.

В этом пункте, как и в предыдущем, можно рассматривать два случая: изменение значений коэффициентов, соответствующих базисным переменным и свободным переменным. Изменение значений коэффициентов при базисных переменных приводит к изменению базисной матрицы, поэтому проанализировать это довольно сложно, ленче решить задачу заново. Следовательно. Рассмотрим случай с изменением коэффициента при свободной переменной.

Возьмем, например, как изменяющийся коэффициент

т.е.

Возьмём также для наглядности изменение ещё одного коэффициента, т.к. полученный выше результат означает, что содержание сплава (т.е всех компонентов) в первом сырье может меняться от 0% до 100% (формально от 0% до 100,3%).

и экономического смысла не имеют).

В качестве примера только из чистого математического любопытства приведем такую фантастическую ситуацию: содержание сплава в первом сырье возросло до:

а) 100,2%

(входит в интервал устойчивости). Оптимальный план выпуска не изменится и оптимальное значение целевой функции останется

б) 110%

(не входит в интервал устойчивости).

Симплекс-методом получим оптимальное решение:

4. Введение новой переменной.

Предположим, что появилась возможность использовать новый вид сырья, в котором содержится 40% олова, 60% цинка и 30% свинца, и который обладает стоимостью 3,5 у.е. за единицу. Определим новый план производства.

Пусть

Решим, выгодно ли использовать новое сырьё. Для этого воспользуемся двойственными оценками

Доход на тонну нового сырья будет равен

Запишем новую симплекс-таблицу с учётом новой переменной:

	4	4,5	5,8	6	7,5	3,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6’	X6	X7	X8	X9	X10	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	0,6’	2	0	0	-0,2	0	0,4
0	X8	0,12	0	0	0,2	0,3	1	0,6	0	1	-0,46	0	0,12
5,8	X3	-0,4	0	1	1	1	-2	-2	0	0	1,2	0	0,6
0	X7	0,12	0	0	0,2	0,3	-0,1	-0,4	1	0	0,54	-1	0,32
	F	-0,02	0	0	-0,2	-1,7	1	-2,6	0	0	-6,06	0	5,28

Оптимальная симплекс-таблица:

	4	4,5	5,8	6	7,5	3,5	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6’	X6	X7	X8	X9	X10	В
3,5	X6’	2,333	1,666	0	0	0	1	3,333	0	0	-0,333	0	0,666
0	X8	-0,066	-0,133	0	0,2	0,3	0	0,333	0	1	-0,433	0	0,066
5,8	X3	-1,33	-0,666	1	1	1	0	-3,33	0	0	1,333	0	0,333
0	X7	0,633	0,366	0	0,2	0,3	0	0,333	1	0	0,466	-1	0,466
	F	-3,56	-2,53	0	-0,2	-1,7	0	-7,66	0	0	-6,566	0	4,266

Оптимальное решение будет

5. Введение нового ограничения

Пусть для производства сплава нужно использовать ещё один компонент – медь, содержащуюся в сырье в количествах 40%, 10%, 20%, 20% и 30% соответственно. Содержание её в новом сплаве не должно быть меньше 20%.

Система ограничений будет иметь вид:

Оптимальное решение первоначальной задачи:

Ограничение не выполняется, поэтому для решения задачи приведём новое ограничение к канонической форме:

Исключив из него все базисные переменные, добавим его в оптимальную симплекс-таблицу.

После несложных вычислений получим:

Новая симплекс таблица будетвыглядеть следующим образом:

	4	4,5	5,8	6	7,5	0	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	X11	В
4,5	X2	1,4	1	0	0	0	2	0	0	-0,2	0	0	0,4
0	X8	0,12	0	0	0,2	0,3	0,6	0	1	-0,46	0	0	0,12
5,8	X3	-0,4	0	1	1	1	-2	0	0	1,2	0	0	0,6
0	X7	0,12	0	0	0,2	0,3	-0,4	1	0	0,54	-1	0	0,32
0	X11	0,34	0	0	0	0,1	0,2	0	0	-0,22	0	1	0,04
	F	-0,02	0	0	-0,2	-1,7	-2,6	0	0	-6,06	0	0	5,28

Оптимальное решение получим с помощью двойственного симплекс-метода.

	4	4,5	5,8	6	7,5	0	0	0	0	0	0
Св	Б.П.	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	X11	В
4,5	X2	0	1	0	0	-0,411	1,176	0	0	4,117	0,705	0	0,235
0	X8	0	0	0	0,2	0,264	0,529	0	1	0,353	-0,382	0	0,106
5,8	X3	0	0	1	1	1,117	-1,76	0	0	-1,17	0,941	0	0,647
0	X7	0	0	0	0,2	0,264	-0,47	1	0	0,353	0,617	-1	0,305
4	X1	1	0	0	0	0,294	0,588	0	0	-2,94	-0,647	0	0,117
	F	0	0	0	-0,2	-1,69	-2,58	0	0	-0,058	-6,047	0	5,282

Оптимальное решение: ,7% первого сырья, 23,5% второго сырья и 64,7% третьего сырья. Минимальная стоимость единицы такого сплава будет 5,282 у.е.