

РУБРИКИ	Курсовая: Линейное и динамическое программирование	РЕКОМЕНДУЕМ

ПОДПИСКА НА ОБНОВЛЕНИЕ

ПОИСК

Курсовая: Линейное и динамическое программирование

Линейное программирование.

Задача линейного оптимального планирования - один из важнейших математических инструментов, используемых в экономике. Рассмотрим предприятие, которое из m видов ресурсов производит n видов продукции. Примем следующие обозначения: i - номер группы ресурса (i=1,2, ..., m); j - номер вида продукции (j=1,2, ..., n); aij - количество единиц i-го ресурса, расходуемое на производство одной единицы j-го вида продукции; bij - запасы i-ro ресурса ; xi — планируемое количество единиц j-й продукции; cj -прибыли от реализации одной единицы j-го вида продукции; X=(x1, x2,., xn) - искомый план производства, называется допустимым если имеющихся ресурсов достаточно. называется допустимым если имеющихся ресурсов достаточно. Рассматриваемая задача состоит в нахождении допустимого плана, дающего максимальную прибыль из всех допустимых решения подобных задач, называемых задачами линейного программирования. Предположим, что предприятие может выпускать четыре вид продукции, используя для этого три вида ресурсов. Известна технологически матрица А затрат любого ресурса на единицу каждой продукции, вектор В объемов ресурсов и вектор С удельной прибыли 48 30 29 10 удельные прибыли нормы расхода 3 2 4 3 198 2 3 1 2 96 6 5 1 0 228 запасы ресурсов Обозначим х1, х2, х3, х4 - число единиц 1-й, 2-й, 3-й, 4-й продукции, которые планируем произвести. При этом можно использовать только имеющиеся запасы ресурсов. Целью является получение максимальной прибыли. Получаем следующую математическую модель оптимального планирования: L(x1,x2,x3,x4)=48xl+30x2+29x3+10x4 àmax 3х1+2х2+4х3+3х4≤198 2х1+3х2+1х3+2х4≤96 6х1+5х2+1х3+0х4≤228 xj≥0, jєN4 Для решения полученной задачи в каждое неравенство добавим неотрицательную переменную. После этого неравенства превратятся в равенства, в силу этого добавляемые переменные называются базисными. Получается задача ЛП на максимум, все переменные неотрицательны, все ограничения есть равенства и есть базисный набор переменных: х5 - в 1-м равенстве, х6 - во 2-м и х 7 - в 3-м. Теперь можно запускать симплекс-метод. L(x1,x2,x3,x4)=48xl+30x2+29x3+10x4 àmax 3х1+2х2+4х3+3х4+x5 =198 2х1+3х2+х3+2х4 +x6 =96 6х1+5х2+х3 +x7=228 xj≥0, jєN7 Таблица N 1

C	B	H	48	30	29	10	0	0	0
C	B	H	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7
0	x5	198	3	2	4	3	1	0	0
0	x6	96	2	3	1	2	0	1	0
0	x7	228	6	5	1	0	0	0	1
		0	-48	-30	-29	-10	0	0	0

Если все оценочные коэффициенты (серый цвет) неотрицательны, то получено оптимальное решение: базисные переменные равны свободным членам, остальные равны 0. Если же есть отрицательный оценочный коэффициент, то находят самый малый из них. Если в столбце коэффициентов над ним нет положительных, то задача не имеет решения. Задача оптимального планирования не может быть таковой, поэтому ищут минимальное отношение свободных членов столбца Н к положительным коэффициентам указанного xj. В пересечении строки и столбца получаем разрешающий элемент и затем строим новую таблицу. Таблица N 2

C	B	H	48	30	29	10	0	0	0
C	B	H	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7
0	х5	84	0	-½	31/2	3	1	0	-3/6
0	x6	20	0	11/3	2/3	2	0	1	-2/6
48	х1	38	1	5/6	1/6	0	0	0	1/6
		1824	0	10	-21	-10	0	0	-8

Таблица N 3

C	B	H	48	30	29	10	0	0	0
C	B	H	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7
29	х3	24	0	-1/7	1	6/7	2/7	0	-1/7
0	x6	4	0	13/7	0	13/7	-4/21	1	-5/21
48	х1	34	1	6/7	0	-1/7	-1/21	0	4/21
		2328	0	7	0	8	6	0	5

Оптимальное решение (производственная программа): Xоpt =(34; 0; 22; 0); максимум целевой функции равен 2328. Значение переменной с номером i большим 4-х есть остаток (i-4)-ro ресурса. 'Гак как все оценочные коэффициенты неотрицательны, то получено оптимальное решение: базисные переменные равны свободным членам, остальные равны 0. Следует обратить внимание на экономический смысл элементов последней строки последней симплексной таблицы. Например, коэффициент Δ2=7 при переменной х2 показывает, что если произвести одну единицу продукции второго вида (она не входит в оптимальную производственную программу), то прибыль уменьшится на 7 единиц. Заметим, что в рассматриваемом примере линейной производственной задачи возможна самопроверка результата. Воспользуемся тем, что в оптимальной производственной программе х2=0, х4=0. Предположим, что вторую и четвертую продукции мы не намеревались выпускать с самого начала. Рассмотрим задачу с оставшимися двумя переменными, сохранив их нумерацию. Математическая модель задачи будет выглядеть следующим образом: L(x1,x3)=48xl+29x3 àmax 3х1+4х3≤198 2х1+ х3 ≤ 96 6х1+ х3≤228 x1≥0, x3≥0 Задачу линейного программирования с двумя переменными можно решить графически. Возьмем на плоскости систему координат: ось OX3 направим горизонтально и вправо, ось OХ1 -вертикально и вверх. Каждое ограничение задачи, раз оно линейное нестрогое неравенство, графически изображается полуплоскостью, граничная прямая которой соответствует уже не неравенству, а равенству. Допустимое множество задачи является пересечением всех этих полуплоскостей и есть выпуклый многоугольник. Вторая из двух основных теорем линейного программирования гласит: Если экстремум целевой функции достигается на допустимом множестве, то функция принимает его в какой-то вершине многоугольника-допустимого множества. Исходя из этой теоремы, найти искомый экстремум можно просто перебрав вершины многоугольника и определив ту, в которой значение функции экстремально. Чаще делают по-другому: строят линию уровня целевой функции и двигают ее параллельно в направлении экстремума, стараясь уловить последнюю точку пересечения линии с допустимым множеством.

Двойственная задача линейного программирования

Задача линейного оптимального планирования - исходная в своей паре симметричных двойственных задач. Вообще же другая задача в двойственной паре строится так: 1)меняется тип экстремума целевой функции (mах на min и наоборот); 2)коэффициенты целевой функции одной задачи становятся свободными членами другой задачи; 3)свободные члены одной задачи становятся коэффициентами целевой функции двойственной задачи; 4)тип неравенств меняется (≤ на ≥ и наоборот); 5) каждый столбец одной задачи порождает строку ограничений другой задачи и наоборот. В матрично-векторном виде обе задачи выглядят так: исходная задача двойственная задача L=(c,x)àmax Z=(b,y)àmin Ax≤b, x≥0 Ya≥c, y≥0, L(x1,x2,x3,x4)=48xl+30x 2+29x3+10x4 àmax Z(y1,y 2,y3,y4)=198yl+96y2+228y3 à min 3х1+2х2+4х3+3х4≤198 3y1+2y2+6y3≥48 2х1+3х2+1х3+2х4≤96 2y1+3y2+5y3 ≥30 6х1+5х2+1х3+0х4≤228 4y1+ y2 + y3≥29 xj≥0, jєN4 3y1+2y2≥10 yj≥0, jєN3 Решение полученной задачи легко найти с помощью второй основной теоремы двойственности, согласно которой для оптимальных решений X(x1, x 2, x3, x4) и Y(y1, y2, y3 ) пары двойственных задач необходимо и достаточно выполнение условий: x1(3y1+2y2+6y3-48)=0 y1 (3х1+2х2+4х3+3х4)-198=0 x2(2y1+3y2+5y3-30)=0 y2 (2х1+3х2+1х3+2х4)-96=0 x3(4y1+1y2+1y3-29)=0 y3 (6х1+5х2+1х3+0х4)-228=0 x4(3y1+2y2+0y3-10)=0 В решении исходной задачи х1>0, х3>0, поэтому 3y1+2y2+6y3-48=0 4y1+1y2+1y3-29=0 Учитывая, что второй ресурс был избыточным и, согласно теореме двойственности его оценка равна нулю – y2=0, то приходим к системе: 3y1+6y3-48=0 4y1+1y3-29=0 из которой следует, что y1=6; y3=5. Таким образом получили двойственные оценки ресурсов: y1=6; y2 =0; y3=5; общая оценка всех ресурсов Z=198y1+228y3 =2328. Заметим, что полученное решение содержалось в последней строке последней симплексной таблицы исходной задачи

Таблица N 3

C	B	H	48	30	29	10	0	0	0
C	B	H	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7
29	х3	24	0	-1/7	1	6/7	2/7	0	-1/7
0	x6	4	0	13/7	0	13/7	-4/21	1	-5/21
48	х1	34	1	6/7	0	-1/7	-1/21	0	4/21
		2328	0	7	0	8	6	0	5

Решение одной из пары двойственных задач можно найти, зная только ответ к другой задаче и пользуясь 2-й теоремой двойственности: если i-e ограничение одной из пары двойственных задач на компонентах оптимального решения есть строгое неравенство, то оптимальное значение i-й переменной другой задачи равно 0, или, что то же самое - если оптимальное значение j-й переменной одной задачи строго положительно, то j-e ограничение другой из пары двойственных задач на компонентах оптимального решения есть равенство. Важен экономический смысл двойственных оценок. Двойственная оценка, например, третьего ресурса у3=5 показывает, что добавление одной единицы третьего ресурса обеспечит прирост прибыли на 5 единиц.

Расшивка "узких мест" производства

Таблица N 3

C	B	H	48	30	29	10	0	0	0
C	B	H	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7
29	х3	24	0	-1/7	1	6/7	2/7	0	-1/7
0	x6	4	0	13/7	0	13/7	-4/21	1	-5/21
48	х1	34	1	6/7	0	-1/7	-1/21	0	4/21
		2328	0	7	0	8	6	0	5

При выполнении оптимальной производственной программы первый и третий ресурсы используются полностью, тем самым они образуют "узкие места" производства. Будем их заказывать дополнительно. Пусть Т=( t1,t2,t 3) - вектор дополнительных объемов ресурсов. Так как мы будем использовать найденные двойственные оценки ресурсов, то должно выполняться условие H+Q- lТ≥0, где Н - значения базисных переменных в последней симплексной таблице, а Q-1 - обращенный базис, который образуют столбцы при балансовых переменных в этой таблице. Задача состоит в том, чтобы найти вектор Т, максимизирующий суммарный прирост прибыли W=6t1+5 t3 при условии сохранения двойственных оценок ресурсов (и, следовательно, ассортимента выпускаемой продукции), предполагая, что можно получить дополнительно не более 1/3 первоначального объема ресурсов каждого вида. 24 2/7 0 -1/7 t1 0 4 + -4/21 1 -5/21 0 ≥ 0 34 -1/21 0 4/21 t3 0 t1 198 0 ≤ 1/3 96 t3 228 t1≥0, t3≥0. W=6t1+5t3 àmax -2/7 t1 + 1/7 t3 ≤ 24 4/21 t1 + 5/21 t3 ≤ 4 1/21 t1 - 4/21 t3 ≤ 34 t1≤198/3, t3≤228/3. t1≥0, t3≥0. Как видно, после графического решения (График 2) программа расшивки приобретает вид: t1=21, t2=0, t3=0

С новым количеством ресурсов: 198+21 219

b' = 96+0 = 96 228+0 228 у предприятия будет новая производственная программа. Найдем h'=Q-1 b' 5/28 0 -1/7 219 30 àx3 -4/7 1 -1/7 96 = 0 àx6 -3/28 0 2/7 228 33 àx1 Теперь новая производственная программа имеет вид: X'оpt =(33;0;30;0). При этом второй ресурс был использован полностью.

219

При наличии ресурсов b' = 96 производство наиболее выгодно, так как 228 достигается max прибыль с использованием всех ресурсов. Также обратим внимание на то, что производство продукции 1–го вида при заказе дополнительных ресурсов необходимо будет уменьшить на 15 единиц, а производство продукции 3–го вида – увеличить на единицу. ΔLmax=(Y,t)=6·21=126, где Y=(6;0;5); t(21;0;0) L'max= ΔLmax+ Lmax=126+2328=2454. Этот результат можно проверить, подставив значения х1 и х3 в первоначальную целевую функцию: L'max=48xl+30x2 +29x3+10x4=31·37+41·21=1147+861=2454.

Транспортная задача

Транспортная задача формулируется следующим образом. Однородный продукт, сосредоточенный в т пунктах производства (хранения) в количествах a 1, а2,..., аm единиц, необходимо распределить между п пунктами потребления, которым необходимо соответственно b1, b 2,,., bn единиц. Стоимость перевозки единицы продукта из i-ro пункта отправления в j-й пункт назначения равна cij и известна для всех маршрутов. Необходимо составить план перевозок, при котором запросы всех пунктов потребления были бы удовлетворены за счет имеющихся продуктов в пунктах производства и общие транспортные расходы по доставке продуктов были минимальными. Обозначим через xij количество груза, планируемого к перевозке от i-ro поставщика j-му потребителю. При наличии баланса производства и потребления

математическая модель транспортной задачи будет выглядеть так: найти план перевозок X=(xij), xij³0, iÎNm, jÎNn минимизирующий общую стоимость всех перевозок при условии, что из любого пункта производства вывозится весь продукт

, iÎNm и любому потребителю доставляется необходимое количество груза

, jÎNn Для решения транспортной задачи чаще всего применяется метод потенциалов. Пусть исходные данные задачи имеют вид А(а1,а2,а3)=(40;45;70); В(b1,b2 ,b3)=(48;30;29;40); 3 6 4 3 С= 2 3 1 3 6 5 1 4 Общий объем производства Sai=40+45+70=155 больше, чем требуется всем потребителям Sbj=48+30+29+40=147, т.е. имеем открытую модель транспортной задачи. Для превращения ее в закрытую вводим фиктивный пункт потребления с объемом потребления 155-147=8 единиц, причем тарифы на перевозку в этот пункт условимся считать равными нулю, помня, что переменные, добавляемые к левым частям неравенств для превращения их в уравнения, входят в функцию цели с нулевыми коэффициентами. Первое базисное допустимое решение легко построить по правилу "северо- западного угла".

Таблица 1

Потребл Произв	b1=48	b2=30	b3=29	b4=40	b5=8
a1=40	403	6	4	* 3	0	p1=0
a2=45	8 2	303	71	3	0	p2=-1
a3=70	6	5	221	404	80	p3=-1
	q1=3	q2=4	q3=2	q4=5	q5=1

Обозначим через m(p1, p2,., pm, q1, q2,., qn) вектор симплексных множителей или потенциалов. Тогда Dij=mAij-cij , iÎNm , jÎNn, откуда следует Dij=pi+qj-cij , iÎNm, jÎNn Положим, что p1=0. Остальные потенциалы находим из условия, что для базисных клеток Dij=0. В данном случае получаем D11=0, p1+q1-c11=0, 0+q1-3=0, q1=3 D21=0, p2+q1-c21=0, p2+3-2=0, p2= -1 D23=0, p2+q3-c23=0, -1+q3-1=0, q3=2 аналогично, получим: q2=4, р3=-1, q4=5, q5=1. Затем вычисляем оценки всех свободных клеток: D12=p1+q2-c12=0+4-6= -2 D13=p1+q3-c13=0+2-4=-2 D14=2; D15=1; D24=1; D25=0; D31= -4; D32= -2 Находим наибольшую положительную оценку: mах(Dij >0)=2=D14, Для найденной свободной клетки 14 строим цикл пересчета - замкнутую ломаную линию, соседние звенья которой взаимно перпендикулярны, сами звенья параллельны строкам и столбцам таблицы, одна из вершин находится в данной свободной клетке, а все остальные - в занятых клетках. Это будет 14-34-33-23- 21-11. Производим перераспределение поставок вдоль цикла пересчета:

40			*		40-r		r		33			7
8	30	7		®	8+r	7-r		®	15	30
		22	40			22+r	40-r				29	33

rmax=7 Получаем второе базисное допустимое решение:

Таблица 2

Потребл Произв	b1=48	b2=30	b3=29	b4=40	b5=8
a1=40	333	6	4	73	0	p1=0
a2=45	15 2	303	1	3	0	p2=-1
a3=70	6	* 5	291	334	80	p3=1
	q1=3	q2=4	q3=0	q4=3	q5= -1

Находим новые потенциалы. Новые оценки: D12= -2; D13= -4; D15= -1; D23= -2; D24= -1; D25= -2; D31= -2; D32=0. Поскольку все Dij£0 решение является оптимальным: 33 0 0 7 Xоpt1 = 15 30 0 0 0 0 29 33 Однако, так как оценка клетки D32=0, делаем вывод о наличие другого возможного оптимального решения. Для его нахождения строим цикл пересчета клетки 32: 32-22-21-11-14-34, производим перераспределение:

Таблица 3

Потребл Произв	b1=48	b2=30	b3=29	b4=40	b5=8
a1=40	33	6	4	373	0	p1=0
a2=45	45 2	3	1	3	0	p2=-1
a3=70	6	305	291	34	80	p3=1
	q1=3	q2=4	q3=0	q4=3	q5= -1

Находим новые потенциалы. Получаем рi и qj соответственно равные потенциалам первого базисного оптимального решения (см. табл. 2). Исходя из этого Dmax=D32, однако элемент с индексом 32 уже присутствует в базисе, поэтому пересчет не имеет смысла. Таким образом получаем второе и последнее базисное оптимальное решение: 3 0 0 37 Xоpt2 = 45 0 0 0 0 30 29 3

Оптимальное распределение инвестиций

Данная задача с n переменными представляется, как многошаговый процесс принятия решений. На каждом шаге определяется экстремум функции только по одной переменной. Пусть 4 фирмы образуют объединение. Рассмотрим задачу распределения инвестиций в размере 700 тыс. рублей по этим 4 фирмам. Размер инвестиций пусть будет кратен 100 тыс. рублей. Эффект от направления i-й фирме инвестиций в размере ξ (сотен тыс. рублей) выражается функцией fi(xi). Приходим к задаче fl(xl)+f2(x2)+f3 (x3)+f4(x4)àmax , где xi - пока еще неизвестный размер х1+х2+х3+х4 ≤7; х1,х2,х3.х4≥0 инвестиций i-й фирме. Эта задача решается методом динамического программирования: последовательно ищется оптимальное распределение для k=2,3 и 4 фирм. Пусть первым двум фирмам выделено ξ инвестиций. обозначим z2 (ξ) величину инвестиций 2-й фирме, при которой сумма f2(z2 j)+fl(ξ-z2j), 0≤j≤ ξ максимальна, саму эту максимальную величину обозначим F2 (ξ). Далее действуем также: находим функции z3 и F3 и т.д. На k-ом шаге для нахождения Fk(ξ) используем основное рекуррентное соотношение: Fk(ξ)=max{fkj(хk )+F(k-1)( ξ-хk); 0 ≤ х k ≤ ξ

xj	100	200	300	400	500	600	700
f1	28	45	65	78	90	102	113
f2	25	41	55	65	75	80	85
f3	15	25	40	56	62	73	82
f4	20	33	42	48	53	56	58

Таблица 1

x2	ξ-х2	0	100	200	300	400	500	600	700
x2	F1(ξ-x2) f2(x2)	0	28	45	65	78	90	102	113
0	0	0	28	45	65	78	90	102	113
100	25	25	53	70	90	103	115	127
200	41	41	69	86	*106*	119	131
300	55	55	83	100	*120*	*133*
400	65	65	93	110	130
500	75	75	103	120
600	80	80	108
700	85	85

Жирным цветом обозначен максимальный суммарный эффект от выделения соответствующего размера инвестиций по 2-м предприятиям.

ξ	100	200	300	400	500	600	700
F2	28	53	70	90	106	120	133
x2	0	100	100	100	200	300	300

Таблица 2

х3	ξ-х2	0	100	200	300	400	500	600	700
х3	F3(ξ-x3) f3(x3)	0	28	53	70	90	106	120	133
0	0	0	28	53	70	90	*106*	120	133
100	15	15	43	68	85	105	*121*	*135*
200	25	25	53	78	95	115	131
300	40	40	68	93	110	130
400	56	56	84	109	125
500	62	62	90	115
600	73	73	101
700	82	82

Жирным цветом обозначен максимальный суммарный эффект от выделения соответствующего размера инвестиций по 3-м предприятиям.

ξ	100	200	300	400	500	600	700
F2	28	53	70	90	106	121	135
x2	0	0	0	0	0	100	100

Таблица 3

x4	ξ-х4	0	100	200	300	400	500	600	700
x4	F4(ξ-x4) f4(x4)	0	28	53	70	90	106	121	135
0	0								135
100	20							*141*
200	33						139
300	42					132
400	48				118
500	53			106
600	56		84
700	58	58

Жирным цветом обозначен максимальный суммарный эффект от выделения соответствующего размера инвестиций по 4-м предприятиям. Сведем результаты в 4 таблицы. Теперь F4(7)=141 показывает максимальный суммарный эффект по всем 4-м фирмам, a z4(7)=100 тыс. руб. - размер инвестиций в 4-ю фирму для достижения этого максимального эффекта. На долю остальных трех предприятий остается 600 тыс. руб. Третьему предприятию должно быть выделено х*3=Х3(700-х*4)=Х3(600)=100 тыс. руб. Продолжая обратный процесс, находим х*2=Х2(700-х*4-х*3)=Х2(500)=200 тыс. руб. На долю первого предприятия остается х*1=700-х*4-х*3-х*2=300 тыс. руб. Таким образом, наилучшим является следующее распределение капитальных вложений по предприятиям: х*1 =300; х*2 =200; х*3 = 100; х*4 = 100. Оно обеспечивает производственному объединению наибольший возможный прирост прибыли 141 тыс. руб.

Анализ доходности и риска финансовых операций

Финансовой называется операция, начальное и конечное состояния которой имеют денежную оценку и цель проведения которой заключается в максимизации дохода - разности между конечной и начальной оценками. Почти всегда финансовые операции проводятся в условиях неопределенности и потому их результат невозможно предсказать заранее. Поэтому финансовые операции рискованны, т.е. при их проведении возможны как прибыль, так и убыток. Существует несколько разных способов оценки операции с точки зрения доходности и риска. Наиболее распространенным является представление дохода операции как случайной величины и оценка риска операции как среднего квадратического отклонения этого случайного дохода. Однако количественно оценить риск возможно лишь если операция вероятностно характеризуема, т.е. ее доход есть случайная величина - это предполагает возможность неоднократного повторения этой операции. Итак, пусть доход от операции Q есть случайная величина, которую будем обозначать также как и саму операцию Q. Математическое ожидание М[Q] называют еще средним ожидаемым доходом, а риск операции r отождествляют со средним квадратическим отклонением, т.е. квадратным корнем из дисперсии D[Q]. Рассмотрим четыре операции Q1, Q2, Q3, Q4 . Найдем средние ожидаемые доходы Qi и риски ri, операций.

;

Q1:	0	1	2	8
	1/3	1/3	1/6	1/6

Страницы: 1, 2

Курсовая: Линейное и динамическое программирование

Курсовая: Линейное и динамическое программирование

Курсовая: Линейное и динамическое программирование

Линейное программирование.

Таблица N 3

Двойственная задача линейного программирования

Таблица N 3

Расшивка "узких мест" производства

Таблица N 3

С новым количеством ресурсов: 198+21 219

219

Транспортная задача

Таблица 1

Произв

a1=40

p1=0

p2=-1

Таблица 2

Произв

a1=40

p1=0

p2=-1

Таблица 3

Произв

a1=40

p1=0

p2=-1

Оптимальное распределение инвестиций

Анализ доходности и риска финансовых операций