第六章---运筹学-整数规划案例
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整数线性规划
篮球队选队员问题
篮球队要选择5名队员上场组成出场阵容参加比赛。
8名篮球队员的身高及擅长
(1) 只能有一个中锋上场;
(2) 至少有一名后卫;
(3) 若1号和4号都上场,则6号不出场;
(4) 2号和8号至少保留一个不出场。
提问:应当选择哪5位上场,才能使出场的五名队员平均身高最高?
分析与求解:
0-1整数规划问题
设0-1变量x i
x i =第名队员未选上第名队员被选上
设第i名队员的身高为a i(i=1,2……,8),则目标函数为:建立模型的限制条件为:
使用MATLAB的intlinprog函数求解0-1规划问题,代码如下:
f=[-0.384 -0.380 -0.376 -0.372 -0.370 -0.366 -0.360 -0.356 ];
A=[1 1 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0 1
1 0 0 1 0 1 0 0
0 0 0 0 0 -1 -1 -1];
b=[1;1;2;-1]
aeq=ones(1,8)
beq=5
intcon=8
lb = zeros(8,1);
ub = ones(8,1);
x=intlinprog(f,intcon,A,b,aeq,beq,lb,ub)
求解结果:
LP: Optimal objective value is -1.864000.
x =
1
1
1
1
1
即第2、3、4、5、6名队员被选上。
最大平均身高为1.864米。
整数规划解法与实际案例分析整数规划是运筹学中的一个重要分支,它在实际问题中有着广泛的应用。
整数规划问题是指决策变量被限制为整数的线性规划问题,通常用于需要做出离散决策的情况。
在本文中,我们将介绍整数规划的基本概念和解法,并结合一个实际案例进行分析,以帮助读者更好地理解整数规划的应用。
### 整数规划的基本概念整数规划是一种特殊的线性规划问题,其决策变量被限制为整数。
一般来说,整数规划可以分为纯整数规划和混合整数规划两种情况。
纯整数规划要求所有的决策变量都是整数,而混合整数规划则允许部分决策变量为整数,部分为连续变量。
整数规划可以用数学模型来描述,通常形式如下:$$\begin{aligned}\text{Maximize} \quad & c^Tx \\\text{Subject to} \quad & Ax \leq b \\& x \in \mathbb{Z}^n\end{aligned}$$其中,$c$、$x$、$b$ 分别为目标函数系数向量、决策变量向量和约束条件右端常数向量,$A$ 为约束条件系数矩阵,$x \in\mathbb{Z}^n$ 表示 $x$ 是一个整数向量。
### 整数规划的解法整数规划问题的求解相对复杂,因为整数约束使得问题的解空间不再是连续的,而是离散的。
针对整数规划问题,通常有以下几种解法:1. **穷举法**:穷举法是最直接的方法,即枚举所有可能的整数解,然后逐一计算目标函数值,找出最优解。
然而,穷举法在问题规模较大时会变得非常低效。
2. **分支定界法**:分支定界法是一种常用的整数规划求解方法。
它通过不断将整数规划问题分解为子问题,并对子问题进行求解,直到找到最优解为止。
3. **割平面法**:割平面法是一种基于线性规划的整数规划求解方法。
它通过不断添加线性不等式约束(割平面)来逼近整数解,直到找到最优解为止。
4. **分支定价法**:分支定价法是一种高级的整数规划求解方法,通常用于解决混合整数规划问题。
第六章整数规划用图形将一下列线性规划问题的可行域转换为纯整数问题的可行域(在图上用“×”标出)。
1、 max z=3x1+2x2. 2x1+3x2≤122x1+x2≤9x1、x2≥0解:2、 min f=10x1+9x2. 5x1+3x2≥45x1≥8x2≤10x1、x2≥0求解下列整数规划问题1、 min f=4x1+3x2+2x3. 2x1-5x2+3x3≤44x1+x2+3x3≥3x2+x3≥1x1、x2、x3=0或1解:最优解(0,0,1),最优值:22、 min f=2x1+5x2+3x3+4x3. -4x1+x2+x3+x4≥2-2x1+4x2+2x2+4x2≥4x1+x2-x2+x2≥3x1、x2、x3、x3=0或1解:此模型没有可行解。
3、max Z=2x1+3x2+5x3+6x4. 5x1+3x2+3x3+x4≤302x1+5x2-x2+3x2≤20-x1+3x2+5x2+3x2≤403x1-x2+3x2+5x2≤25x1、x2、x3、x3=正整数解:最优解(0,3,4,3),最优值:474、 min z =8x1 +4 x2+3 x3+5 x4+2 x5+3 x6+4 x7+3 x8+4 x9+9 x10+7 x11+5 x12 +10 x13+4 x14+2 x15+175 x16+300 x17+375 x18 +500 x19约束条件x1 + x2+x3≤30x4+ x5+ x6-10 x16≤0x7+ x8+ x9-20 x17≤0x10+ x11+ x12-30 x18≤0x13+ x14+ x15-40 x19≤0x1 + x4+ x7+x10+ x13=30x2 + x5+ x8+x11+ x14=20x3 + x6+ x9+x12+ x15=20x i为非负数(i=1,2…..8)x i为非负整数(i=9,10…..15)x i为为0-1变量(i=16,17…..19)解:最优解(30,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,20,20,0,0,0,1),最优值:860一餐饮企业准备在全市范围内扩展业务,将从已拟定的14个点中确定8个点建立分店,由于地理位置、环境条件不同,建每个分店所用的费用将有所不同,现拟定的14个店的费用情况如下表:公司办公会决定选择原则如下:(1)B5、B3和B7只能选择一个。
(2)选择了B1或B14就不能选B6。
(3)B2、B6、B1、B12,最多只能选两个。
(4)B5、B7、B10、B8,最少要选两个。
问应选择哪几个点,使总的建店费用为最低解:数学模型:min f= x1+ x2+ x3+ x4+ x5+ x6+ x7+ x8+ x9+3 x10+ x11+ x12+ x13+ x14. x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8+x9+x10+x11+x12+x13+x14=8x3+ x5-2 x7=2x1+ x6=1x6+ x14=1x1+x2+x6+x12≤2x5+x7+x8+x10≥2x i≥0且x i为0-1变量,i=1,2,3, (14)最优解:(1,1,1,1,1,0,0,0,1,0,0,0,1,1)最优值:。
即:B1,B2,B3,B4,B5,B9,B13,B14选中,建店的最低费用万元。
有四个工人(甲、乙、丙、丁),要分别指派他们完成四项不同的工作(A、B、C、D),请按以下要求求解指派问题。
1、每人做各项工作所消耗的时间如下表所示,问应如何分配工作,才能使总的消耗时间为最少每人完成各项工作的所需时间小时2、每人做各项工作所创的利润如下表所示,问应如何指派工作,才能使总的创利为最多解:1线性规划数学模型:min f=18x1+16x2+19x3+20x4+16x5+20x6+19x7+18x8+17x9+21x10+12x11+15x12+20x13. x1+x2+x3 =1x4+x5+x6=1x7+x8+x9+x10=1x11+x12+x13=1x1+x7+x11 =1x2+x4+x8 +x12 =1x5+x9+x13 =1x3+x6+x10 =1x i≥0且x i为0-1变量,i=1,2,3, (13)最优解:(0,1,0,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,),最优值:65。
即:给甲分配工作B,给乙分配工作C,给丙分配工作D,给丁分配工作A,所用最少的时间为65小时。
2、总的创利为最多问题线性规划数学模型:max Z =41+52+73+94+75+5x6+6x7+8x8+3x9+4x10+3x11+5x12+7x13+6x14+8x15+8x16. x1+x2+x3 +x4 =1x5+x6+x7+x8=1x9+x10+x11+x12=1x13+x14+x15+x16=1x1+x5+x9 +x13 =1x2+x6+x10+x14=1x3+x7+x11+x15=1x4+x8+x12+x16=1x i≥0且x i为0-1变量,i=1,2,3,…,16最优解:(0,0,0,1,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0),最优值:28。
即:给甲分配工作D,给乙分配工作A,给丙分配工作B,给丁分配工作C,所创最多的利润为28元。
某企业在A1地已有一个工厂,其产品的生产能力为3万箱,为了扩大生产,打算在A2,A3,A4,A5地中再选择几个地方建厂。
已知在A2地建厂的固定成本为万元,在A3地建厂的固定成本为30万元,在A4地建厂的固定成本为万元,在A5地建厂的固定成本为50万元,另外,五个产地建成后的产量、销地的销量以及产地到销地的单位运价(万元/万箱)如下表所示。
(1)问应该在哪几个地方建厂,在满足销量的前提下,使得其总的固定成本和总的运输费用之和最小;(2)如果由于政策要求必须在A2,A3地建一个厂,应在哪几个地方建厂解(1)整数规划数学模型:min z =8x1 +4 x2+3 x3+5 x4+2 x5+3 x6+4 x7+3 x8+4 x9+9 x40+7 x11+5 x12 +10 x13+4 x14+2 x15+ x16+30x17+ x18 +50 x19. x1 + x2+x3≤3x4+ x5+ x6- x16≤0x7+ x8+ x9-2x17≤0x10+ x11+ x12-3x18≤0x13+ x14+ x15-4x19≤0x1 + x4+ x7+x10+ x13=3x2 + x5+ x8+x11+ x14=2x3 + x6+ x9+x12+ x15=2x i为非负整数(i=1,2…..15)x i为0-1变量(i=16,17…..19)最优解:(3,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,2,2,0,0,0,1)最优值:86。
即:安排A1地到B1地3万箱,A5地到B2,B3地各2万箱,选中A5地。
(2) 我们只要在以上模型上加上一个约束条件:x16+ x17=1,就得到了问题(2)的数学模型:min z =8x1 +4 x2+3 x3+5 x4+2 x5+3 x6+4 x7+3 x8+4 x9+9 x40+7 x11+5 x12 +10 x13+4 x14+2 x15+ x16+30x17+ x18 +50 x19. x1 + x2+x3≤3x4+ x5+ x6- x16≤0x7+ x8+ x9-2x17≤0x10+ x11+ x12-3x18≤0x13+ x14+ x15-4x19≤0x1 + x4+ x7+x10+ x13=3x2 + x5+ x8+x11+ x14=2x3 + x6+ x9+x12+ x15=2x16+ x17=1x i为非负整数(i=1,2…..15)x i为0-1变量(i=16,17…..19)最优解:(0,1,2,0,1,0,0,0,0,3,0,0,0,0,0,1,0,1,0)最优值:94。
即:安排A1地到B2地1万箱,B3地2万箱A2地到B2地1万箱A4地到B1地3万箱A4地到B1地3万箱选中A2,A4两地。
某航空公司经营兰州、北京、广州三个城市之间的航线,其中兰州—北京飞行时间为2小时;北京—广州飞行时间为3小时;广州—兰州飞行时间为3小时;这些航线每天班机起飞与到达时间如下表:设飞机在机场停留期间的费用与停留时间的平方成正比,又每架飞机从降落到再起飞至少需要2小时的时间准备。
确定一个使总的停留费用损失为最小的方案。
解:现在有两本题需注意的两个问题1、三个城市间的飞行,航班的安排分别是在三个城市中完成的;2、到站的航班必须2小时后才能起飞。
这是一个指派问题,(1)城市兰州效益表:指派结果:(2)城市北京指派结果:(3)城市广州收益表:指派结果:用的最少时间为117 a。
某地区有两个镇,它们每周分别产生700吨和1200吨固体废物。
现拟用三种方式(焚烧、填海、掩埋)分别在三个场地对这些废物进行处理。
两城镇至各处理场所的运输费用、解:混合整数规划问题数学模型:min f=+21x2+21x3+17x4+++3850y1+1150y2+1920y3. x1+x2+x3=700x4+x5+x6=1200x1+x4-1000y1≤0x2+x5-500y2≤0x3+x6-1300y3≤0x i (i=1,2….6) y1、y2、y3=0—1结果:即两城镇处理固体废物的方案城镇1焚烧100吨,掩埋600吨城镇2填海500吨,掩埋700吨总的最小费用:46170元。
某建设公司有四个正在建设的项目,按目前所配给的人力、设备和材料,这四个项目将分别可以在15、20、18和25周内完成,管理部门希望提前完工,决定追加35000元资金分配给这四个项目,并规定追加资金只能以5000元为单位进行分配。
对于各个项目,资金追加后的工期变化情况如下表:解:本问题的0-1整数规划数学型:min f = 15x1+20x2+18x3+25x4+12x5+16x6+15x7+21x8+10x9+13x10+12x11+18x12+8x13+11x14+10x15+16x16+7x17+9x18+9x19+14x20+6x21+8x22+8x23+12x24+5x25+7x26+7x27+11x28+4x29+7x30+6x31+10x32. x1+x5+x9+x13+x17+x21+x25+x29=1x2+x6+x10+x14+x18+x22+x26+x30=1x3+x7+x11+x15+x19+x23+x27+x31=1x4+x8+x12+x16+x20+x24+x28+x32=10x1+1x5+2x9+3x13+4x17+5x21+6x25+7x29+0x2+1x6+2x10+3x14+4x18+5x22+6x26+7x30+0x3+1x7+2x11+3x15+4x19+5x23+6x27+7x31+0x4+1x8+2x12+3x16+4x20+5x24+6x28+7x32≤7x i≥0 (i=......32)用模板求解结果见《第六章习题》求得最小时间为55周,比不追加投资节省了(15+20+18+25)-55=23周。