第二章 整数规划

运筹学整数规划运筹学是研究在资源有限的条件下，如何进行决策和优化的一门学科。

整数规划是运筹学中的一个重要分支，它解决的是决策变量必须为整数的问题。

整数规划在实际问题中具有广泛的应用，如生产计划、设备配置、选址问题等。

整数规划问题的数学模型可以表示为：max/min c^T xs.t. Ax ≤ bx ≥ 0x ∈ Z其中，c是目标函数的系数矩阵，x是决策变量的向量，A是约束条件的系数矩阵，b是约束条件的向量，Z表示整数集合。

整数规划问题与线性规划问题相似，但整数规划问题的约束条件多了一个整数限制，使得问题的解空间变得更为复杂。

由于整数规划问题的NP-hard性质，求解整数规划问题是一项困难的任务。

求解整数规划问题的常用方法有分支定界法、割平面法和启发式算法等。

分支定界法是一种穷举搜索的方法，它通过将整数规划问题不断分割成更小的子问题，从而逐步搜索解空间，直到找到最优解。

分支定界法对于规模较小的问题比较有效，但对于大规模复杂问题，效率较低。

割平面法是一种通过添加新的约束条件来减少解空间的方法。

它利用线性松弛问题（将整数约束条件放宽为线性约束条件）的解来构造有效的割平面，从而逐步缩小解空间，找到最优解。

割平面法通常比分支定界法更有效，但对于某些问题，可能需要添加大量的割平面才能收敛到最优解。

启发式算法是一种基于经验和启发式搜索的方法。

它通过设置初始解、搜索策略和邻域搜索等步骤，来快速找到近似最优解。

常见的启发式算法有遗传算法、模拟退火算法和禁忌搜索算法等。

启发式算法虽然不能保证找到全局最优解，但能够在可接受的时间内找到较优解。

综上所述，整数规划作为运筹学中的重要分支，解决的是决策变量必须为整数的问题。

整数规划问题具有广泛的应用，但由于其NP-hard性质，求解过程较为困难。

常用的求解方法包括分支定界法、割平面法和启发式算法等。

这些方法各有优劣，根据具体问题的特点选择合适的方法进行求解。

1. 整数规划的基本概念1. 在某些线性规划问题中，变量只有取整数值才有意义，这时约束条件中还需要添加上变量取整数值的限制，这就是整数规划问题。

2. 在整数规划中，如果所有的变量都为非负整数，则称为纯整数规划问题；如果有一部分变量为非负整数，则称之为混合整数规划问题。

在整数规划中，如果变量的取值只限于0和1，这样的变量我们称之为0-1变量。

在纯整数规划和混合整数规划问题中，如果所有的变量都为0-1变量，则称之为0-1规划。

3. 求整数解的线性规划问题，不是用四舍五入法或去尾法对线性规划的非整数解加以处理都能解决的，而要用整数规划的方法（分枝定界法与割平面法）加以解决。

2. 整数规划的应用1. 生产与销售计划问题例1. 某公司用两种原油（A 和B ）混合加工成两种汽油（甲和乙），甲、乙两种汽油含原油A 的最低比例分别为50%和60%，每吨售价分别为4800元和5600，该公司现有原油A 和B 的库存量分别为500吨和1000吨，还可以从市场上买到不超过1500吨的原油A ，不超过500吨时单价为10000元/吨；超过500吨时，超过的部分单价为8000元/吨；超过1000吨时超过的部分单价为6000元/吨。

该公司应如何安排原油的采购和加工。

分析：问题中需要决定如何安排采购：决定原油A 的采购数量 (可设为变量x)如何安排加工：决定原油A 分别用于生产甲、乙产品的数量(可设为变量x11、x12) 决定原油B 分别用于生产甲、乙产品的数量(可设为变量x21、x22)； 共有5个决策变量。

则：x11+x21为甲产品的产量， x12+x22为乙产品的产量。

约束条件资源限制：()()210001 50022211211≤++≤+x x x x x 比例要求：()()4 6.03 5.0221212211111≥+≥+x x x x x x变量非负：x ，x11，x12，x21，x22≥0 目标函数假设目标为利润最大利润=收入－成本，用Z 表示利润额：Z=4800 (x11+x21)+5600 (x12+x22) －C(x) 其中： C(x)为采购原油A 的支出 C(x)的具体形式？()()()⎪⎩⎪⎨⎧≤<-+≤<-+≤=15001000 ,1000600090000001000500 ,50080005000000500,10000x x x x x x x C整理得：()⎪⎩⎪⎨⎧≤<+≤<+≤=15001000 ,600030000001000500 ,80001000000500 ,10000x x x x x x x C建立模型：model :max =4.8*x11+4.8*x21+5.6*x12+5.6*x22-c; x11+x12<x+500; x21+x22<1000; x<1500;0.5*x11-0.5*x21>0; 0.4*x12-0.6*x22>0;c=@if (x#le#500,10*x,@if (x#le#1000,1000+8*x,3000+6*x)); end运用lingo 求解得：Objective value: 5000.000Variable Value Reduced CostX11 0.000000 0.000000 X21 0.000000 1.600000 X12 1500.000 0.000000 X22 1000.000 0.000000 C 9000.000 0.000000 X 1000.000 0.000000第二种解法：模型中的问题约束(1)左端含变量，(3)、(4)不是线性函数，转化为：5001211≤-+x x x06.04.005.05.022122111≥-≥-x x x x目标函数为分段函数，如何处理？ 目标函数的转换将x 分解为三个量x1、x2、x3，分别表示以价格10000/吨、8000/吨、6000/吨购买的原油A 的数量，且 x=x1+x2+x3，则目标函数变为 Z=4800 (x11+x21)+5600 (x12+x22)－(10000x1+8000x2+6000x3) 此时约束条件应增加： (x1－500) ·x2=0，(x2－500) ·x3=0 0≤ x1，x2，x3 ≤500目标函数虽已化为线性函数，但约束条件含非线性等式，如何解决这一问题？ 引入0-1变量 y1、y2、y3⎩⎨⎧=>=0 ,00 ,11x x y ，⎩⎨⎧≤>=500 ,0500 ,12x x y ，⎩⎨⎧≤>=1000 ,01000 ,13x x y则：112500500y x y ≤≤，223500500y x y ≤≤，33500y x ≤综合可得问题的数学模型()()321221221116000800010000 56004800min x x x x x x x Z ---+++=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧=≥≤≤≤≤≤≥-≥-≤+≤---+1,0,,0,,,,,,50050050050050006.04.005.05.0100050032132122211211332231122212211122213211211y y y x x x x x x x y x yx y y x y x x x x x x x x x x xmodel :max =4.8*x11+4.8*x21+5.6*x12+5.6*x22-10*x1-8*x2-6*x3; x11+x12-x<500; x21+x22<1000; 0.5*x11-0.5*x21>0; 0.4*x12-0.6*x22>0; x-x1-x2-x3=0; x1-500*y1<0; x2-500*y2<0; x3-500*y3<0; x1-500*y2>0; x2-500*y3>0; @BIN (y1); @BIN (y2); @BIN (y3); endObjective value: 5000.000 Variable Value Reduced CostX11 0.000000 0.000000 X21 0.000000 1.400000 X12 1500.000 0.000000 X22 1000.000 0.000000 X1 500.0000 0.000000X3 0.000000 0.000000X 1000.000 0.000000Y1 1.000000 0.000000Y2 1.000000 2000.000Y3 1.000000 1000.000第三种解法：记x轴上的分点为b1=0, b2=500, b3=1000, b4=1500. 当x属于第1个小区间[b1,b2]时，记x=z1b1+z2b2, z1+z2=1, z1,z2≥0, 因为c(x)在[b1,b2]上是线性函数，所以c(x)= z1c(b1)+z2c(b2)。

管理运筹学讲义整数规划整数规划是管理运筹学中一种重要的优化技术，它在实际问题中具有广泛的应用。

本文将介绍整数规划的基本概念、建模方法以及解决算法，并通过实例展示其在实际问题中的应用。

一、整数规划的基本概念整数规划是线性规划的一种扩展形式，其决策变量被限制为整数。

在实际问题中，往往存在某些变量只能取整数值的约束条件，这时就需要使用整数规划方法进行求解。

与线性规划相比，整数规划的求解难度更大，但可以提供更精确的结果。

二、整数规划的建模方法在进行整数规划建模时，需要确定决策变量、目标函数和约束条件。

1. 决策变量决策变量是问题中需要优化的变量，其取值决定了问题的解。

在整数规划中，决策变量通常表示为整数。

2. 目标函数目标函数是整数规划问题中需要最小化或最大化的目标。

它可以是线性函数或非线性函数，但在整数规划中，通常只考虑线性目标函数。

3. 约束条件约束条件是问题的限制条件，限制了决策变量的取值范围。

在整数规划中，约束条件可以是线性等式或线性不等式。

三、整数规划的解决算法解决整数规划问题的常见算法包括割平面法、分支定界法和动态规划法等。

这些算法通过不断对问题进行优化，逐步逼近最优解。

1. 割平面法割平面法是一种通过添加额外的约束条件来逼近最优解的方法。

它首先求解一个松弛问题，然后根据松弛问题的解加入新的约束条件，直到找到最优解。

2. 分支定界法分支定界法是一种将整数规划问题划分为多个子问题，并对每个子问题进行求解的方法。

它通过不断分支和剪枝来找到最优解。

3. 动态规划法动态规划法是一种通过将问题分解为多个子问题，并通过求解子问题的最优解来求解原始问题的方法。

它采用自底向上的求解方式，将所有可能的决策情况进行组合，得到最优解。

四、整数规划在实际问题中的应用整数规划在实际问题中有着广泛的应用。

以下是一个应用整数规划解决的实际问题示例：某公司生产两种产品A和B，每天的生产时间为8小时。

产品A每单位利润为100元，产品B每单位利润为150元。

整数规划知识点总结一、整数规划基本概念整数规划是指决策变量的取值受到整数限制的线性规划问题。

数学形式可以表示为：\[\min c^Tx\]\[ s.t. Ax \leq b\]\[x\geq0 \]\[x_i \in \{0, 1, 2, ...\}\]其中，c为目标函数系数，x是决策变量，A是约束系数矩阵，b是约束条件的右端向量，决策变量x是整数。

当所有的决策变量都是整数时，称为纯粹整数规划（Pure Integer Programming）。

当部分决策变量为整数，部分为连续变量时，称为混合整数规划（Mixed Integer Programming, MIP）。

二、整数规划解法整数规划问题的求解可以采用分支定界法、割平面法、隐枚举法等不同方法。

下面将对常用的整数规划解法进行简要介绍。

1.分支定界法分支定界法是一种求整数规划解的有效方法，它通过对决策变量进行分支，将整数规划问题不断分解为子问题，然后采用线性规划方法求解子问题。

具体步骤如下：1）求解线性规划松弛问题，得到一个整数解。

2）若解为整数，则成为可行解，否则确定需要分支的决策变量，分为两个子问题。

3）对子问题继续重复上述过程，直到无法再分或求解出整数解为止。

2.割平面法割平面法是在分支定界法的基础上进行改进，它在每一次迭代求解线性规划松弛问题后，引入一些额外的不等式（割平面）来改进松弛问题的界。

这些割平面是通过分析整数规划问题的特性产生的，可以有效提高整数规划问题求解的效率。

3.隐枚举法隐枚举法是一种通过隐藏对决策变量的枚举，将整数规划问题转化为线性规划问题进行求解的方法。

该方法可以高效地求解整数规划问题，是一种常用的整数规划求解算法。

以上是整数规划常用的三种求解方法，通过不同的算法可以解决不同种类的整数规划问题。

三、整数规划应用领域整数规划在实际决策问题中有着广泛的应用，如生产计划、运输调度、项目投资、资源配置等诸多领域。

下面将对整数规划在不同应用领域的具体案例进行介绍。

整数规划引言：整数规划是一类特殊的数学优化问题，其中一部份或者全部变量被限制为整数。

整数规划问题在许多领域都有广泛的应用，如物流、生产计划、金融投资等。

随着科技的不断发展，整数规划的应用场景和求解方法也在不断扩展和深化。

一、整数规划的定义与分类定义：整数规划是一种特殊的数学优化问题，其目标是最小化或者最大化一个数学表达式（目标函数），同时满足一系列约束条件，且一部份或者全部决策变量被限制为整数。

分类：根据问题的特性，整数规划可以分为以下几种类型：0-1背包问题：决策变量只能取0或者1。

彻底背包问题：决策变量可以取任意非负整数。

整数线性规划：线性规划的变种，要求部份或者全部决策变量为整数。

二次整数规划：目标函数或者约束条件包含二次项。

二、整数规划的应用场景生产计划：在创造业中，整数规划可以用于优化生产流程、物料需求计划等。

物流优化：通过整数规划可以解决货物配送路线、车辆调度等问题。

金融投资：整数规划在投资组合优化、风险管理等领域有广泛应用。

资源分配：整数规划可用于解决资源分配问题，如人员调度、设备配置等。

组合优化：如旅行商问题（TSP）、装箱问题等，都是整数规划的典型应用场景。

三、整数规划的求解算法穷举法：通过逐个测试所有可能的解来找到最优解，但只适合于小规模问题。

分支定界法：一种基于树结构的搜索算法，能够处理较大规模的问题。

遗传算法：摹拟生物进化过程的优化算法，适合处理大规模问题。

摹拟退火算法：借鉴物理中退火过程的优化算法，具有避免陷入局部最优解的能力。

蚁群算法：摹拟蚂蚁觅食行为的优化算法，适合于求解具有离散变量的优化问题。

元胞遗传算法：将遗传算法和元胞自动机结合，能够处理更复杂的问题。

粒子群算法：摹拟鸟群觅食行为的优化算法，具有简单易实现的特点。

深度学习算法：利用神经网络进行求解，特别在处理大规模、高维度的问题时表现出色。

四、整数规划软件介绍CPLEX：由IBM开辟的商业优化软件，支持整数规划、线性规划、混合整数规划等多种优化问题。