1. Trang chủ
  2. » Khoa Học Tự Nhiên

Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)

44 173 0
Tài liệu được quét OCR, nội dung có thể không chính xác
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 44
Dung lượng 5,99 MB

Nội dung

Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)Thuật toán giải bài toán phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu (Luận văn thạc sĩ)

Trang 1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYEN THU HANG

THUAT TOAN GIAI BAI TOAN PHAN THUC TUYEN TINH VOI HE SO

KHOANG O HAM MUC TIEU

LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐN HỌC

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

walle

NGUYEN THU HANG

THUAT TOAN GIAI BAI TOAN PHAN THUC TUYEN TINH VOI HE SO

KHOANG O HAM MUC TIEU

LUAN VAN THAC SI TOAN HOC

Chuyén nganh: Toan ứng dụng

Mã số : 60 46 01 12

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS Trần Vũ Thiệu

Trang 3

Muc luc

Danh muc cac hinh ve

Mở đầu

1_ Một số kiến thức chuẩn bị

1.1 1.2 1.3

Bài tốn qui hoạch phân tuyến tính

Tính chất nghiệm của bàitốn -

Minh họahìnhhhọc

13.1 Nghiệmtốiưuduynhất

13.2 Nhiều nghiệmtốiưu -

13.3 Nghiệm tối ưu hữu hạn vàvơcựcC -

1.3.4 Nghiệm tối ưu tệmcận

1.3.5 Bài tốn vơnghiệm

1.4 Biến đổi về bài tốn tuyến tính tương đương

2 Qui hoach phân tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu 2.1 2.2 2.3 2.4 Kết luận Nội dung bàitốn

Thuật tốn đưa về qui hoạch tuyến tính

Thuật tốn dùng phép tính khoảng

2.3.1 Phéptnhkhoảng

2.3.2 Qui hoạch phân tuyến tính khoảng

Trang 5

il

Danh muc cac hinh ve Hình 1.1 Phân bổ cơng suất phát sĩng tối ưu

Hình 1.2 Năm tập mức trong lR7 với y4 > 0 > 2% > 1⁄42 > ? Hình 1.3 Nghiệm tối ưu duy nhất đạt tại x*

Hình 1.4 Nhiều nghiệm tối ưu: x°Pf € [x*,x**| Hình 1.5 Nghiệm tối ưu hữu hạn và vơ cực

Hình 1.6 Nghiệm tối ưu tiệm cận (ƒ* hữu hạn, khơng đạt được) Hình 1.7 Bài tốn vơ nghiệm (ƒ(x) `¿ —%)

Hình 1.8 Tập ràng buộc của bài tốn ở Ví dụ 1.1

Hình 2.1 Tập ràng buộc X của bài tốn 6 Vi du 2.1 Hình 2.2 Tập ràng buộc X của bài tốn ở Ví dụ 2.2

Trang 6

9

Lời mở đầu

Qui hoạch phân tuyến tính (LEP) là bài tốn tìm cực tiểu (hay cực đại) của một hàm phân thức afin (tỉ số hai hàm tuyến tính afin) với các ràng buộc đẳng thức

hay bất đẳng thức tuyến tính

Qui hoạch phân tuyến tính là một trường hợp riêng của qui hoạch phân thức

phi tuyến, thường dùng để mơ hình hĩa các bài tốn thực tế với một hay nhiều

mục tiêu (chẳng hạn lợi nhuận / chỉ phí, sản phẩm / số lao động, .) và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau của kỹ thuật, kinh tế, tài chính,

Một trong những bài tốn qui hoạch phân thức tuyến tính đang được nhiều người quan tâm nghiên cứu là bài tốn phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở

hàm mục tiêu (khơng cơ định như trước) Bài tốn này cĩ dạng:

P(x) |ai,Pi|xi+ + |an,Pa| „+ |ao; Đo] PO) = ax) = feysdy] x1 + + [en,dy] n+ [e0,do) với điều kiện Ax < b,x > 0, (A € R™*",b € R”)

Mơ hình bài tốn này linh hoạt va dễ áp dung hơn Cĩ một số tài liệu mới (I4, [5] và [6] năm 2012, 2013) đề cập tới các phương pháp giải bài tốn này Đáng chú ý là hai phương pháp nêu ở [4] và [6]

Vì thế chúng tơi chọn đề tài luận văn:

'"Thuật tốn giải bài tốn phân thức tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu"

nhằm mục đích tìm hiểu và trình bày các ý tưởng, phương pháp và thuật tốn giải mơ hình bài tốn nêu trong hai tài liệu tham khảo gần đây [4, 6] Cả hai phương pháp tuy khác nhau, nhưng đều mở rộng và phát triển thuật tốn giải

Trang 7

2

qui hoạch phân tuyến tính và một số tính chất nghiệm tối ưu của bài tốn phân tuyến tính Sau đĩ sẽ tìm hiểu và trình bày từng cách tiếp cận riêng ở [4] và [6] Về đại thể phương pháp [4] nêu cách đưa bài tốn ban đầu về một qui hoạch

tuyến tính, phương pháp [6] dựa trên phép tính khoảng tìm cách đưa bài tốn

được xét về bài tốn với hàm mục tiêu khoảng Đây là đề tài mới về qui hoạch phân tuyến tính, đang được nhiều người quan tâm tìm hiểu, nghiên cứu

Luận văn được viết dựa chủ yếu trên các tài liệu tham khảo [1] - [6]

Kết quả cần đạt được: hiểu và trình bày về bài tốn qui hoạch phân tuyến tính, tính chất nghiệm tối ưu của bài tốn, mơ hình bài tốn qui hoạch phân tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu và một số thuật tốn xử lý mơ hình

Đĩng gĩp chính của luận văn là tổng hợp và giới thiệu cĩ chọn lọc hai thuật

tốn giải bài tốn qui hoạch phân tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu Luận văn được viết trong hai chương

Chương 1 "Kiến thức chuẩn bị" đề cập tới bài tốn tối ưu với hàm mục tiêu phân tuyến tính và với các ràng buộc tuyến tính Nêu một số ví dụ thực tế cĩ mơ hình tốn học là qui hoạch phân tuyến tính (bài tốn sản xuất) và qui hoạch phân tuyến tính suy rộng (bài tốn tăng trưởng kinh té Von Neumann va bài tốn phân bổ tối ưu cơng suất phát sĩng) Tiếp đĩ nêu các tính chất nghiệm

của bài tốn thơng qua các minh họa hình học nghiệm tối ưu của bài tốn qui

hoạch phân tuyến tính Cuối chương trình bày phép biến đối Charnes - Cooper đưa bài tốn qui hoạch phân tuyến tính về bài tốn qui hoạch tuyến tính tương đương, mà khơng cần giả thiết tập ràng buộc của bài tốn phân tuyến tính bị

chặn

Chương 2 "Qui hoạch phân tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu" giới thiệu cách tiếp cận đưa ra trong [4, 6] tìm nghiệm tối ưu cho bài tốn qui hoạch phân tuyến tính với các hệ số mục tiêu thay đổi trong một khoảng Thuật

tốn giải [4] dùng phép biến đổi Charnes - Cooper và thuật tốn giải [6] dựa

trên phép tính khoảng Cuối chương nêu một số ví dụ minh hoạ cho các thuật

tốn giải đã trình bày

Trang 8

3

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn cac GS, PGS, TS cua Khoa Toan-Tin, Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên và của Viện Tốn học, Viện Cơng nghệ thơng tin thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam đã giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả học tập và nghiên cứu

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2016 Học viên

Trang 9

Chuong 1

Một số kiên thức chuẩn bị

Chương này đề cập tới bài tốn tối ưu với hàm mục tiêu phân tuyến tính (tỉ số của hai hàm tuyến tính afin) và với các ràng buộc tuyến tính Các bài tốn như thế gọi là qui hoạch phân tuyến tính Phần đầu trình bày nội dung và ý nghĩa bài tốn, tiếp đĩ nêu tính chất và minh họa hình học nghiệm tối ưu của bài tốn Cuối chương giới thiệu cách đưa bài tốn về qui hoạch tuyến tính tương đương

Nội dung của chương được tham khảo từ các tài liệu [1], [2] và [3]

1.1 Bài tốn qui hoạch phân tuyển tính

Một cách tổng quát cĩ thể phát biểu bài tốn như sau Cho tập lỗi C C R” và

các hàm ƒ,g,h; : IR“ —y IR( = 1, ,mm) Xét bài tốn tối ưu với hàm mục tiêu

phân thức (tỉ số của hai hàm số), ký hiệu bài tốn (#P):

¬

(FP) inf g(x)’

trong đĩ X = x € C: h;(x) <0,i=1, ,m Ta phan biệt các loại bài tốn sau: e Khi ƒ, ø và h; là các ham afin thi (FP) gọi là bài tốn gui hoạch phân

tuyến tính (Linear Fractional Program)

e Khi ƒ và ø là các hàm tồn phương và h; là các hàm afin thì (FP) gọi là bài

Trang 10

5

e Khi ƒ > 0 1a ham 1éi, g > 0 14 ham 16m va h; 1a cdc ham 16i thi (FP) goi 14 bai to4n qui hoach phan thttc 16i (Convex Fractional Program)

Trong bài tốn (FP) chỉ xét một hàm phân thức Tuy nhiên, trong nhiều ứng

dụng ta cịn cĩ thể xét nhiều hàm phân thức Chẳng hạn,

e Qui hoạch phân thức suy rộng (Generalized Fractional Program):

fi(x)

@;(x) Mie >0Vi)

A* = min max {

xEX 1<i<k

e Qui hoạch tổng các ham phan thtfc (Sum-of-ratios Program):

A* = min

xcX =1

& fi) gi0) }&i >0 Vi)

e Qui hoạch phân thức đa mục tiêu (Multi-Objective Fractional Program): ff (x) f(x)

A* =min _

(2) — @x(%)

xcX (gi > 0vi)

Luận văn này chủ yếu tập trung xét bài tốn qui hoạch phân tuyến tính:

p(x) — p’xt+a

(LFP) min f(x) = ale) = g?x+B :Ax<b,x>0, (1.1) trong đĩ p, gq € R", a, B € R, A € R”*", b € R" Ky hiéu

X = {x € R":Ax<0,x> 0}

Tương tự, cĩ thể xét bài tốn tim cuc dai: max{ f(x) : x € X}

Khi cần ta cĩ thể dùng qui ước ø/0 = +00 néua > 0 vaa/0 = —~ néua <0 Qui hoạch tuyến tính là một trường hợp riêng của qui hoạch phân tuyến tính

Trang 11

6

e Để tiện giải thích ý nghĩa thực tiễn của mơ hình qui hoạch phân tuyến tính

và qui hoạch phân tuyến tính suy rộng ta xét bài tốn tìm cực đại

a) Bài tốn sản xuất Giả sử một xí nghiệp cĩ thể dùng m loại vật tư hiện cĩ

để sản xuất ra n loại sản phẩm Gọi 5; là lượng vật tư ¡ (¡ = 1, ,m) mà xí

nghiệp cĩ và a;; là định mức tiêu hao vật tư ¡ để sản xuất một đơn vị sản

phẩm ÿ (ÿj = 1, ,n) Mỗi đơn vị sản phẩm ÿ sản xuất ra sẽ cho lợi nhuận là p; và tốn chỉ phí sản xuất là g;, œ là lợi nhuận cỗ định thu được và ÿ là chi phí cố định cần bỏ ra (œ, 8 khơng phụ thuộc số lượng sản phẩm sản xuất) Hỏi với số vật tư đã cĩ xí nghiệp nên sản xuất bao nhiêu đơn vị sản phẩm mỗi loại sao cho hiệu quả sản xuất của xí nghiệp (đo bằng tỉ số giữa tổng lợi nhuận thu được trên tổng chi phi sản xuất) là lớn nhất? Bài tốn này dẫn đến mơ hình qui hoạch phân tuyến tính

b) Bài tốn tăng trưởng kinh tế Von Neumamn Xét mơ hình tăng trưởng

kinh tế đơn giản với n ngành, sản xuất và tiêu dùng m loại hàng Ký hiệu: e x;() là cường độ hoạt động của ngành ¿ ở năm ứ (biến cần tìm);

e a x(t) la ludng hàng ¿ tiêu dùng ở năm / cho mọi ngành; e b x() là lượng hàng ¡ do mọi ngành sản xuất ra ở năm /

Tốc độ tăng trưởng của ngành ¿ đo bằng tỉ s6 x;(t)/x;(t —1), i=1, ,n

Tỉ số thấp nhất được dùng làm thước đo tốc độ tăng trưởng năm / của nền kinh tế Bài tốn đặt ra là các ngành hoạt động sao cho cả nền kinh tế đạt tốc độ tăng trưởng lớn nhất? Bài tốn này dẫn đến mơ hình qui hoạch phân tuyến tính suy rộng:

max{ f(x) = iin 5Ơ : Äx(?) < Bx(fT— 1),x(£) > 1},

trong d6 x(t) = (x;(t), ,%n(t))?

Trang 12

tram phat k

may thu (1,J) HN âđ trạm phát! ,

©

Hình 1.1 Phân bổ cơng suất phát sĩng tối ưu

Gia su

e cĩ m trạm phát 4m (k = 1, ,m) vam x n máy thu, tât cả cùng một tan sé

trạm phát ¡ muốn truyền tin hiéu téi n may thu, đánh số (¡,ÿj), j =

l, ,m

a;;„ là lợi thê về đường đi từ trạm phát k tới máy thu (, j) e z;; là mức độ ơn nội tại (tạp âm) của máy thu (, j)

e các biến số: cơng suất phát sĩng pạ, k = l, ,m

Ở máy thu (¡, j) cĩ các thơng số:

e cường độ tín hiệu thu: s;; = đ;¡;;D¡

e cường độ nhiễu và Ơn: ƒ;; = } +; 4¡jÐk + Hịj

e tỉ số cường độ tín hiệu thu trên cường độ nhiễu và Ơn: s;; / ƒ;,

Các trạm phát k # ¡ gây nhiễu đối với các máy thu (¡, j) Cần xác định các cơng suất phát sĩng p; (i= 1, ,m) sao cho lam cuc dai tỉ số s;; /ƒ;; nhỏ nhất đơi với mọi máy thu (¡, j)? Mơ hình tốn học cho bài tốn này như

Sau

a; oe

max{min iP : 0 < pi < Pmax,i=1, ,n}

bj È xz1 G¡jkDk + Nij

Trang 13

8 1.2 Tính chất nghiệm của bài tốn

Bây giờ ta trở lại xét bài tốn qui hoạch phân tuyến tính (1.1) Để bài tốn cĩ

nghĩa ta giả thiết mẫu số g(z) = qÏx+b #0 Vx€ X = {x: Ax < b,x < 0}

Nếu a(z) cĩ dấu khác nhau trên X, tức là cĩ x!, xÝ € X sao cho gŸx! + > 0

và q'x* +B <0 thi do g(x) lién tục nên tổn tại x € |x!,x”|, tức x € X, sao

cho q(x) = 0, trái với giả thiết Vì thế, khơng mất tổng quát, ta cĩ thể giả thiết

4(x) > 0 với mọi x € X (Nếu cĩ q(x) < 0 thì nhân cả tử số p(x) và mẫu số q(x)

của hàm mục tiêu ƒ(x) với (— 1), ta sẽ cĩ q(x) > 0) Hơn nữa, ta giả thiết m < n

va rankA = m

Sau đây là một số khái niệm va dinh nghia can thiét d6i véi bai todn (LFP), tương tự như trong lý thuyết qui hoạch tuyến tính

Trong bai toan (LFP), f(x) goi la ham muc tiéu (objective function) Tap X

gọi là tập ràng buộc hay mién chdp nhan duoc (feasible set) Vécto x € X goi la

một phương án hay nghiệm chấp nhận duoc (feasible solution), mét phương án

mà đồng thời là đỉnh của tập ràng buộc X gọi là một phương án cực biên hay

nghiệm cơ sở (basic feasible solution) Phương án đạt giá trị nhỏ nhất của hàm

mục tiêu ƒ(x) gọi là một phương án tối u hay nghiệm tối uu (optimal solution) Ta nĩi bài tốn (1.1) là bát khả thi hay khơng chấp nhận được (infeasible) nếu tập X = Ø, bài tốn gọi là gi được (solvable) nêu tập X # @ va ham f(x) cĩ cận dưới (đối với bài tốn min) hữu hạn trên X Nếu hàm mục tiéu f(x)

khơng bị chặn dưới trên X thì bài tốn được gọi là khơng bị chặn (unbounded):

FO) =

Ta biét rang ham phan tuyén tinh f(x) = p(x)/q(x) cĩ tính chất đáng chú ý

là ƒ(x) đơn điệu trên mỗi đoạn thẳng nằm trong tập {x : g(x) > 0}, do đĩ cực

tiểu (hay cực đại) của ƒ(x) trên mỗi đoạn thẳng sẽ đạt tại một đầu mút của đoạn

thẳng đĩ Từ đĩ, nếu hàm ƒ(+) cĩ cực tiểu (hay cực đại) trên một tập lồi đa diện

Trang 14

9

a Tap rang buộc X = Ø (bài tốn bất khả thị) b Nghiệm tối ưu duy nhất (đạt tại một đỉnh của X')

c Vơ số nghiệm tối ưu hữu hạn (đạt tại một diện bị chặn của X')

d Cĩ nghiệm tối ưu hữu hạn và vơ cực (đạt tại một diện vơ hạn của X)

e Nghiệm tối ưu tiệm cận (ƒ* =inf,cx ƒ(x) > —œ và #x* €X : ƒ(@#*) = f*)

f Khơng cĩ nghiệm tối ưu (inf¿cx ƒ(x) = —œ - bài tốn khơng bị chặn) 1.3 Minh họa hình học

Ta nhac lai bai to4n (LFP): Tim x € R", f* € R sao cho

* - P\x Pp

fi =min{ f(x) =? =

Ky hiéu X = {x € R": Ax < b,x > 0} Gia thiét @ AX C {x: q'x+B > O} Nhu đã nhận xét: cực tiểu (nếu cĩ) của hàm phân tuyến tính ƒ(z) = p(z) /q(x) trên tập lồi đa diện X đạt được tại một trong các đỉnh của X

Để tiện cho việc giải thích các nghiệm tối ưu của bài tốn, ta thêm biến mới ycR và viết lại (LFP) dưới dạng tương đương sau (các biến y € R, x € R"):

min{y: p'x+B < y(q'x+B),Ax < b,x> 0}

Trong bài tốn này, hàm mục tiêu là tuyến tính, nhưng các ràng buộc khơng cịn là tuyến tính nữa Tuy nhiên, dạng bài tốn này tiện cho việc minh họa

Các tập mức của hàm mục tiêu của bài tốn (LEP) cĩ dạng:

Cy = {x ER": g' x+B >0,(p'x+a)/(q'x+B) =Y}

= {x € R": (p—yq)'x = (7B — @)}, mic YER

Trong R?, mdi tap mifc Cy là một đường thắng đi qua giao điểm Ƒ của hai

Trang 15

10

Hình 1.2 Năm tập mức trong IRỶ với 74 > Ư > % > #4 > #4

Bài tốn qui hoạch phân tuyến tính với X # 2 cĩ thể cĩ các tình huống sau

1.3.1 Nghiệm tơi ưu duy nhất

Trang 16

11

a) Mién rang buộc X bị chặn

\W g?x+B =0

ầ- Hà

b) Miễn ràng buộc X khơng bị chặn

Hình 1.3 Nghiệm tối ưu duy nhất đạt tại x*

1.3.2 Nhiều nghiệm tơi ưu

Trang 17

\\ pÏx+œ=

VF x Cp

Hình 1.4 Nhiều nghiệm t6i wu: x9?! € [x*,x**]

1.3.3 Nghiệm tơi ưu hữu hạn và vơ cực

Nếu tập ràng buộc X khơng bị chặn và một cạnh vơ hạn của X nằm trên đường

mức mục tiêu (Hình 1.5) thì bài tốn cĩ vơ số nghiệm tối ưu, một trong số đĩ

là đỉnh x* và các nghiệm tối ưu khác là các điểm cịn lại trên cạnh vơ hạn đi từ

x* Điều đáng chú ý ở đây là trong các nghiệm tối ưu khác x*, cĩ một nghiệm

ở vơ cực Vì thế, trong trường hợp này ta nĩi bài tốn cĩ "nghiệm tối ưu hỗn

hợp" (mixed solutions): nghiệm tối ưu hữu hạn và nghiệm tối ưu vơ cực Trong

trường hợp này các nghiệm tối ưu đạt được tại một diện vơ hạn của X

p'xta=0

Trang 18

13

1.3.4 Nghiệm tơi ưu tiệm cận

Trường hợp này xảy ra khi ƒ* — inf,ex ƒ(x) > —œ và Äx* €X : ƒ(*') = ƒ*

Hình 1.6 Nghiệm tối ưu tiệm cận (ƒ* hữu hạn, khơng đạt được)

1.3.5 Bài tốn vơ nghiệm

Xảy ra khi f* = inf;ey ƒ(x) = —% (hàm mục tiêu khơng bị chặn dưới)

Trang 19

14

1.4 Biến đổi về bài tốn tuyến tính tương đương e Xét bài tốn qui hoạch phân tuyến tính (LF'P):

Giả thiết tập X = {x : Ax < b,x > 0} # Ø và ạÏx+ B > 0 với mọi x € X

Bài tốn qui hoạch phân tuyến tính (LFP) cĩ thể đưa được về bài tốn qui

hoạch tuyến tính, nhờ dùng phép đổi biến số Charnes - Cooper:

1

f=

q'x+B >0,y=fx€R",xe€X

Nhân ràng buộc Ax < b với £ > 0, ta đưa (LFP) về bài tốn tuyến tính:

(LP) min{g(y,t) = p’y+a.t:Ay—bt <0,q' y+B.t=1, y>0, t > 0}

So véi (LFP), bài tốn (LP) cĩ thêm một biến và một ràng buộc mới Các

nghiệm (tối ưu) của hai bài tốn (1P) và (LFP) cĩ những mối liên hệ như sau Định lý 1.1 Với các ký hiệu trên, ta cĩ các kết luận sau đây:

a) Néu (y°,t°) là nghiệm chấp nhận được của (LP) và t° > 0 thi x® = y°/t°

là nghiệm chấp nhận được của (LF P) va

fŒ )=f(Tx°+ø) = phy°+ ø” = g(y°,£)

b) Nếu x° là một nghiệm chấp nhận được của (LFP) thì (y°,t) là một nghiệm

chấp nhận được của (LP) với

Trang 20

15

a) Néu (y*,t*) la nghiém toi uu cua (LP) va t* > 0 thì x* = y* /t* là nghiệm toi uu cua (LFP)

b) Giả sử (LFP) chấp nhận được Khi đĩ, (LP) khơng bị chặn dưới khi và chỉ

khi (LFP) khơng bị chặn dưới

Định lý 1.3 G¡ả sử (LFP) cĩ nghiệm chấp nhận được Khi đĩ, (LP) cĩ nghiệm

tối tu và mọi nghiệm tơi ưu đều cĩ t = 0 thì giá trị mục tiêu của (LFP) cĩ cận

dưĩi đúng hữu hạn, nhưng cận dưới đĩ khơng đạt tới được Đĩ là trường hợp

(LFP) cĩ nghiệm tơi ưu tiệm cận

Trong trường hợp này, cĩ thể tạo ra các nghiệm e - tối ưu với bất kỳ £ > 0,

nghĩa là trong X tổn tại một cạnh vơ hạn mà dọc theo cạnh đĩ giá trị mục tiêu của (LFP) tiễn dần về cận dưới đúng nĩi trên

Định lý 1.4 Nếu X # Ø và qTx-+ B =0 với mọi x € X thì (LP) khơng cĩ nghiệm chấp nhận được (bài tốn (LP) là bắt khả thì)

Các định lý trên cũng áp dụng được vào cặp ràng buộc {x : Áx = b,x > 0} va {(y,t) : Ay —bt =0,y > 0,t > 0}

e Dựa vào phép biến đổi Charnes - Cooper, ta cĩ thể giải bài tốn qui hoạch phân tuyến tính (1P) bằng cách lập và giải bài tốn qui hoạch tuyến tính (7P)

tương ứng Kết quả giải (LP) cho ra một trong các khả năng sau:

a) (LP) bat kha thi > X = @ hoặc (LFP) khơng xác định (Định lý 1.1 và

1.4)

b) (LP) cĩ nghiệm tối ưu (y*,£*) với £* > 0 > (LFP) cĩ nghiệm tối ưu x* =

y* /t* (Phan a) Định lý 1.2)

c) Moi nghiém téi wu (y*,t*) cla (LP) déu cé t* = 0 > (LFP) cé nghiém téi uu tiém can (Dinh ly 1.3)

d) (LP) khơng bị chặn dưới => (LF.P) khơng bị chặn dưới hoặc X = Ø (Phần b) Định lý 1.2)

e Để minh họa thuật tốn giải (LFP) dựa trên phép biến đổi Charnes -

Trang 21

16

Ví dụ 1.1 Giải qui hoạch phân tuyến tính

p(x) — x1 +4x2—-5

— min

q(x) Xj —X2+5

f(x) =

với các điều kiện

— x, +x2 <4,

— 3x, +x2 <2,

— x1 + 4x2 > 3,

xj +x2 > 2,

x1 > 0,x2 > 0

C6 thé thay rang mau sé g(x) = x; +2x2+1 > 0 trén toan mién chap nhan

được của bài tốn (do cĩ xị > 0, x¿ > 0) Ta giải bài tốn này theo phương pháp

Charnes và Cooper Bài tốn qui hoạch tuyến tính tương đương cĩ dạng

—Õyo + y\ + 4y2 > min, với các điều kiện

— 4yo —yị +2 <0, — 2yo— 3y +ya <0, 3yo + — 4y < 0, 2yo—yI —a S0, 5yo y1 —}2 = 1, yo > 0,y¡ 2 0, y2 = 0

Cĩ thé kiém tra lai rang yo = 0,2; y; = 0,2; y2 = 0,2 14 nghiém téi wu cua bài tốn qui hoạch tuyến tính trên Do đĩ nghiệm tối ưu của bài tốn qui hoạch phân tuyến tính cần giải là xị = y1 /yo = 1, xa = y2/yọ = 1 và giá trị nhỏ nhất

Trang 22

17

Hình 1.8 Tập ràng buộc của bài tốn ở Ví dụ 1.1

Nhận xét 1.1 Phép biến đổi Charnes - Cooper tuy đưa được bài tốn (1⁄FP) về bài tốn (1P), nhưng nĩ cĩ thể làm mắt đi cấu trúc ban đầu của bài tốn cần

giải (cầu trúc vận tải chẳng hạn), vì thế nĩ ít được dùng trong thực tiễn

Kết luận chương này đã đề cập tới bài tốn qui hoạch phân tuyến tính và các loại nghiệm tối ưu của bài tốn (hữu hạn, vơ cực, tiệm cận) Cuối chương trình

bày phép biến đổi Charnes-Cooper và thuật tốn giải bài tốn qui hoạch phân

tuyến tính dựa trên phép biến đối này, mà khơng cần giả thiết tập ràng buộc của

Trang 23

18

Chương 2

Qui hoạch phân tuyến tính với hệ số

khoảng ở hàm mục tiêu

Chương này đề cập tới bài tốn qui hoạch phân tuyến tính với hệ số khoảng ở

hàm mục tiêu và trình bày phương pháp nêu ở [4] giải bài tốn Tiếp theo trình

bày phương pháp giải nêu ở [6], dựa trên phép tính khoảng Cuối chương nêu các ví dụ số minh hoạ cho các phương pháp giải đã trình bày Nội dung của

chương được tham khảo từ các tài liệu [4] và [6]

2.1 Nội dung bài tốn

Xét bài tốn qui hoạch phân tuyến tính với hệ số mục tiêu thay đối cĩ dạng

*,p.4 đo + đ1X1 + + qnXn

với các điều kiện

Aizq + + Azx„ < b,xị >0, ,x„ > 0 (2.2)

Trang 24

19

trong d6 az, by, cy, dy € R, Ay € R” (k = 1, ,n) va b € R” cho trudc Gia

thiét

X ={x€R”:Aixi-+- + Anx„ < b,x > 0} # Ø, compac và

đo + -++qn„x„ >0, Vx = (xi, ,x„)” €X, Vay € [c,d¿], k=0,1, ,n

(cĩ điều kiện sau nếu cọ + c¡xị -+- -Ecgx„ > 0 Vx€ X, bởi vì x > 0 và œ < đị) Khi az = by, cx = dy VGi moi k = 0,1, ,n (tite moi pz, gz cho trước), bài

tốn (2.1) - (2.3) trở thành bài tốn qui hoạch phân tuyến tính (LFP) thơng

thường Khi xem mọi p¿, g¿ như các biến số thì (2.1) - (2.3) là một bài tốn qui

hoạch phân thức tồn phương Để tiện dùng về sau, ta ký hiệu A = (AI, ,Á„)

Dùng phép đổi biến số Charnes - Cooper ta sẽ đưa bài tốn (2.1) - (2.3) về

bài tốn tối ưu tương đương: Thêm vào một biến mới

1

yo = ’

đo + đ1X1 + - qnXn

ta nhận được bài tốn

P0Y0 + P1Y0X1 + F p„yoX„ —> mịn,

đ0}o -T đ1YoX1 + T đuYoXu — Ì,

Ayyox1 + +Anyorn < byo, x1 2 0, ,%n 2 Ư, yo = 0

Trang 25

20

Bằng cách thay các biến x¿ bởi y¿ = yox„ với mợi k = 1, ,, ta đưa bài tốn

trên về dạng tương đương

(

PoYo + PIY1 + + p„y„ —> min, (2.4)

goyo+qiyit -+4nyn = 1, (2.5)

—byp +Aiyi + tAnyn <0, yo = 0,y1 = 0, ,¥n = O (2.6)

|4 Š Dk Š de, Ch <q < dk, kK=0,1, ,n (2.7) Định lý sau cho thấy cĩ thể giải (2.4) - (2.7) thay cho bài tốn (2.1) - (2.3)

Định lý 2.1 Với các giả thiết đã nêu, nếu y* = (yậ,yỊ, ,y‡)” là một nghiệm

tối uu cua bai tốn (2.4) - (2.7) thì yg > 0 va x* = (x, ,x;)” với xý = V lYậ

sẽ là một nghiệm tối wu của bài tốn (2.1) - (2.3) ban đâu

Chứng minh Trước tiên ta chứng minh y¿ > 0 Thật vậy, nếu yð = 0 thì do

4Ty* = 1 nên đặt z = (y†, ,y#) ta cĩ z # 0 và z thỏa mãn Az < 0, z > 0 Khi đĩ z là một hướng lùi xa của X, bởi vì với bất kỳ x € X (tức Ax < b, x > 0) ta cĩ

A(x+ 6z) = Ax+ 8Az < b và x+ 8z > 0 với mọi Ø > 0 Chứng tỏ x-+ 0z € X

với mọi Ø > 0, điều này trái với giả thiết X compac Vậy phải c6 yf # 0

Bây giờ ta chứng minh +* là nghiệm tối ưu của (2.1) - (2.3) Thật vậy, do y* thoả mãn (2.6) và yš > 0 nên x* nghiệm đúng Ax* < b, x* > 0, tlic x* € X Lay bat ky x € X, tức Ax < b, x > 0 Do giả thiết go -++ gixị + + g„x„ > 0 nên y —

(yo,y1, ,ya) với yọ = 1/(đo + gix1 + + đnxa) > Ơ, yy = yoxk, k = 1, ,, sẽ thoả mãn (2.5) - (2.7) Mặt khác, y* là nghiệm tối ưu của (2.4) - (2.7) nên ta cĩ

P0Yư + pƯI + + DnY, € PpoYo + pIyL + T PnYn

Bằng cách thay yz = yä.xý, yy = x¿/(đo + gixi + + đạxø), k = T, ,n và

yo = 1/(đo + ii + + đnx„) ta thấy

Yo(Po + piXI + + PnXp_) € (Po + piXi + + pxXa) “(đo + đ1X1 + TT đaXn)

Trang 26

21

dudc

Po + PIXƒ + † PnXi _ P0T PIXI T - PnXn

q0 + đ1XỊ + ÐđnX?— đo G11 + + GnXn

Đĩ là điều cần chứng minh L]

2.2 Thuật tốn đưa về qui hoạch tuyến tính

Các biến p¿, ạ¿ thoả mãn (2.7) cĩ thể biểu diễn dưới dạng

Pk = đự + (bg — ay) AgvGi O< Ay << 1,k=0,1, ,m, (2.8)

Gk = Ce + (dk — Cy) Hyvới 0 < dự < 1,k = 0,1, ,n (2.9)

Thay pẹ, đ¿ theo (2.8) - (2.9) vào (2.4) - (2.7) ta nhận được bài tốn:

(đo + (bo — ao)Äo)yo + (đi + (bị — đ1)Ä1)y1 + + (đa + (bạ — an)Ân)Yyn —> mỉn,

(2.10)

(co + (do — c0)Ho)Yo + (Cn + (dn — Cn)Un)Yn =, (2.11)

—byo +Aiyi + +Anyn <0, v0 = 0,y1 = 0,.-.,¥n = 0, (2.12)

0< „¿<1,0< <1,k=0,1, ,n (2.13)

Ràng buộc đẳng thức (2.11) cĩ thể viết lại thành

(do — Co) Moyo + (đi — C1)M1Y1 + T+ (dn — Cn)Hnyn

+ coyo +€iyI + -+€xy» = 1, (2.14) Do y¿ > 0, 0 < tự < 1, cy — đy < 0Ư với mọi & = 0,1, ,n, nén ta cĩ

1 > 1+ (co — đọ)Hoyo + (c1 — a1) Miyi + + (Cn — đa) Han

Trang 27

22

Thay số 1 ở biểu thức giữa của (2.15) bằng biểu thức (2.14) ta nhận được

l > coyo+c1yI + + CnYn

> 1+ (co — đọ)yo + (c1 — đị)y1 + + (cn — đn)Yạ, (2.16)

Từ bất đẳng thức đầu và bất đẳng thức cuối của (2.16) cho thấy

CoYo +€1y+ + +cny„ <€ Ì, (2.17) đọyo + địy) + + đ„yạ >3 1 (2.18) Ngược lại, nếu cĩ y = (yo,y1, ,y„)” thoả mãn (2.17) - (2.18) thì bằng cách đặt ủy = t, k = 1, ,n, với u = 0 khi cTy = 1, w = 1 khi đ7y = 1, trái lại

I— Les

u= (co-+ciy1 + + nn) | (2.19)

(đo — co) + (đi — c1)y1 + (đu — Cn) Yn

ta nhận được q = c-L (đ— e) và 4“ y = 1, tức y, q sẽ thoả mãn (2.11)

Do vậy bằng cách sử dụng (2.17) - (2.18) thay cho (2.11), bài tốn (2.10) - (2.13) biến đổi thành bài tốn qui hoạch phi tuyến:

(ao + (bo — a0) Ao) yo + (a1 + (b1 — 1) An) yi + + (Gn + (bn — Gn)An)yn — min,

(2.20)

Í sgyg-+ cyi + +€eny„ạ €S T1; (2.21)

đọyo + địy1 + + đ„yạ > 1, (2.22)

—byo +Á1yI + Ányz S0, yo >0, yị >0, ,y„>0 (2.23)

(0<¿ <1, k=0,1, ,n (2.24)

Hàm mục tiêu của bài tốn này cĩ dạng đặc biệt Ta sẽ tìm cách thay nĩ bằng

một hàm mục tiêu tuyến tính Thật vậy, giả sử y = (y„,y¡, , y„) là một lời giải

Trang 28

23

k=0,1, ,m Khi đĩ giá trị hàm mục tiêu (2.20) tại y cĩ đánh giá

(đo + (bọ — 40)Ao)¥o + (a1 + (1 — 41) An) y+ + (Gn + (bn — An) An)Yn

= đọÿg + đ1y1 + FAnYy

+ (bo — ao)Äoyo + (bị — đ1)À1y + + (On — Gn) AnYn > đoyo +đ1y¡ + + any„ (do yy, ¿, Đy — ay > 0 Vk=0,1, ,n)

o7* ,A®

Chính vì thế cĩ thể thay thế bài tốn phi tuyến (2.20) - (2.24) bằng qui hoạch

tuyến tính

(

agyo + a1y1 + +4nyn — min, (2.25)

coyotciyi t+ +enyn <1, (2.26)

4 doyot diyi t+ +dnyn > 1, (2.27)

—byp +Aiyi t+ tAnyn < 0, (2.28)

yo 29; y1 2 0, -,Yn 2 Ư (2.29)

Như vậy, bài tốn qui hoạch phân tuyến tính (2.1) - (2.3) qui được về bai

tốn qui hoạch tuyến tính (2.25) - (2.29) Từ nghiệm tối ưu của bài tốn tuyến tính này cùng với p; — z¿ (tương ting vai Ay = 0), gx = c+ (dk — Ck) Us Lk = U tinh theo (2.19), ta thu được nghiệm tối ưu của bài tốn (2.4) - (2.7) Từ đĩ, theo Dinh lý 2.1 ta tính ra nghiệm tối ưu của bài tốn ban đầu (2.1) - (2.3)

e Để đưa ra thuật tốn giải, ta nhắc lại tĩm tắt những lập luận trên như sau

Xét bài tốn qui hoạch phân tuyến tính với các hệ số mục tiêu thay đối:

Do -T D111 + TT PnXn

đo -F đ1XI + T đnXn

A1xI + +A„x„ <b, xịi>Ơ0, ,x„>0,

Ak < pe < de, Ck SK < dy, K=0,1, ,n

Trang 29

24

trong d6 az, by, cy, dy € R, Ay € R™ (k = 1, ,n), b € R™ cho truéc Gia thiét:

X = {x € R" :Ayxy + +Anr%n <b, x > 0} #4, compac va co -E€ixi-+ -Ecgxz, > OVx = (xI, ,x„)” 1 Thực hiện phép biến đổi Charnes - Cooper

1

o= » Vk = Yoxr, K=1, ,n

» đo + đ1X1 + -T qnXn —

đưa bài tốn ban đầu về dạng (các biến yụ, px, gx, k = 0,1, ,7)

/

Poyo+ P1y1+.-+.+ Pnyn — min,

goyo + qiyi ++.» +4nyn = 1,

—byop +Ayyy + +Anyn < 0, yo = 0, Y1 >0, ,y„ạ > 0

| Š Pk Š Đụ; €¿ Š đy Š đụ, k= Ú,T, mu

XS

2 Thực hiện phép đối biến số

Pk = đ¿ + (Dp — aK) Ak, k=0,1, ,n, Dk = Ck + (de — Ck) Uk, k=0,1, ,n

dua bai todn vé dang (cac bién yx, Ax, Ug, kK = 0,1, ,7)

(đo + (bo — đo)Âo)yo + (đi + (bị — a1)Ã1)y1 + + (4 + (Bn — Gn) An)¥n —> min,

(co + (đo — co) Ho)yo + (c1 + (đi — c1)M1)y1 + + (cø + (đa — en)Hạ)Yn = 1, —byo+Aiyit +Anyn <0, yo > 0, y1 > 0, -, yn > O

Trang 30

25

3 Thay ràng buộc đẳng thức bởi hai bất đẳng thức tương đương ta được

(ay + (bo — ao)Ão)yo + (a1 + (bi —a1)A1)y1 + + (Gn + (Onn) An)Ơn > min,

coyo + ciyi+ +Ânyn <1, doyot+diyit+ +dnyn = 1 —byo +Aiyit +Anyn <0, yo 29, y1 = 0,. ,¥n = O

OSA <1, k=0,1, ,n

4 Cuối cùng, cho mọi ¿ = 0 ta đi đến bài tốn qui hoạch tuyến tính (các

biến y¿, k = 0,1, ,7)

agyo + 41y1 + +4nyn — min,

coyotciyit+ +c¢nyn <1, 4 doyotdyyyt +dnyn > 1,

—byp +Aiyi+ +Anyn < 9, Yo 29; y1 2 0,. , Yn 2 0

e Tĩm lại, thuật tốn là lập và giải qui hoạch tuyến tính này Giả sử nhận

“9° , Ke

y' =0.v1I -›yn)” › Yỗ > 0

ope , Ae

tối ưu của bài tốn qui hoạch phân tuyến tính ban đầu là x* = (xf, ,x*)/ với x¿ = y./và Vk = l, ,n

2.3 Thuật tốn dùng phép tính khoảng

2.3.1 Phép tính khoảng

Ký hiệu 7 là tập hợp tất cả các khoảng đĩng và bị chặn trong IR Giả sử A, B € I

Ta viết A = |a”,aU], B = |b”,bU] Ta cĩ các phép tốn sau đây trên 7:

Trang 31

26

(ii) —A = {—ala € A} = [—-a", —a"] ET,

(iii) KA = {kala € A} = |ka,ka"| nếu k < 0, trong đĩ k € R va vi thé ta cé

A-B=A+(-B)= fa’ — BY a — ph]Ì

Định nghĩa 2.1 Nếu A = |a”,a” | và B = |b",bU] là các khoảng số thực đĩng

và bi chặn, ta định nghĩa phép nhân A với B như sau: AB = [min(S),max(S)],

trong đĩ S = {atb’, aU bY aÙbÈ,aFbU} Chẳng han néu A và B là các khoảng dương (tức là 0 < a” < aU và 0 < “ < DY) thi

AB— [a“b“,a”bp”]

và nếu 0 < a# < aÙ và bh < 0 < bY thi

AB = la’ bY, ab" |

Cĩ một số cách khác nhau để định nghĩa phép chia khoảng D Ratz (1996)

đưa ra định nghĩa tỉ số của hai khoảng như sau

Định nghĩa 2.2 Cho A = |a“,aU| và B = |b“,bỨ ] là các khoảng thực Ta định nghĩa

A/B= {z cRỊ da € A, b€ B sao cho b0, z= a/b}

Ta nhận thấy rằng tỉ số của hai khoảng là một tập hợp cĩ thể khơng là một

khoảng Chẳng hạn,

Trang 32

27

Dinh lý 2.2 Giả sử A = |a*,a”] và B = |b“,b”] là bai khoảng sơ thực khác rỗng và bị chặn Khi đĩ, nếu 0 # |b”,b” | thì

A/B = [a',aU) ogy |

Cĩ thể kiểm tra lại các tính chất sau đây của các phép tính khoảng

Định ly 2.3 Néu A va B là các khoảng thực bị chặn và khác rỗng thì A + B, A—B và AB cũng là các khoảng thực bị chặn và khác rỗng Hơn nữa, nếu 0 # B

thì A/B cũng là một khoảng sơ thực bị chặn và khác rỗng

Định nghĩa 2.3 Hàm ƒ: l&” —› 7 được gọi là hàm giá trị khoảng (interval valued

function) hay gọi tắt là hàm khoảng (vì mỗi x c IR", ƒ(z) là một khoảng đĩng

trong IR) Giống như khoảng, ta ký hiệu hàm khoảng ƒ bởi ƒ(z) = | f*(x), FY (x)], trong đĩ với mỗi x € IR“, ƒ“(x), ƒŸ (x) là các hàm khoảng và ƒ“(x) < ƒ7 (#)

Dinh ly 2.4 Gid sử ƒ là một hàm khoảng xác định trên Đ" Khi đĩ ƒ liên tục tại c C IR" khi và chỉ khi ƒ” và ƒ” liên tục tại c

Sau đây là khái niệm vi phân yếu

Định nghĩa 2.4 Cho X là một tập mở trong R Hàm khoảng ƒ : X — I véi

ƒ(Œœ) = |ƒ“() fU(œ)| được gọi là khả vi yếu tại x° nếu các hàm giá trị thực ƒ”

và ƒU khả vi theo nghĩa thơng thường tại z°

Định nghĩa 2.5 Ta nhắc lại hàm phân tuyến tính cĩ dạng

cx + a

F(x) = d?x+ B’

trong d6 x = (x1, ,%)? € R", c= (c1, ,¢n)? € R", d = (d, ,dn)’ € R", a

và 8 c R (Cũng cĩ thé xem @ va B € IR như các khoảng [œ, œ] và [B, BỊ Định nghĩa 2.6 Để giải thích ý nghĩa tối ưu hĩa các hàm khoảng ta cần khái

Trang 33

28

a’ <b! va a’ < bY Ta cing viét A < B khi va chi khi A < B va A S$ B Nĩi

cach khac, A ~ B khi va chi khi

a’ <b jak<bb la'<

hoặc hoặc

qŨ < pŨ aŨ < bY a’ < bY

2.3.2 Qui hoach phan tuyén tính khoảng

Ta xét bài tốn qui hoạch phân tuyến tính sau đây:

mi n{é ly Lơ angi :Ax=B,x> 0Ì x>0) (2.30) 2

Ta giả thiết c — (C1, €n)" va d = (đi, ,d„)” véi cj,dj €1,j=1, ,n Ký hiệu c," và đ/ là các cận dưới của khoảng c ¡ và d; tương ứng (tức la c’ =

(c1", ,c„") và cũng vậy đ” = (đ\”, ,,d„”), trong đĩ cj” và đ;" là các số thực

với mọi j = l, ,m) Ta cĩ thể định nghĩa cỦ và đŸ theo cách tương tự Cũng

vậy, œ = |œ°, œŸ] và = |B”, B” | Khi đĩ bài tốn (2.30) cĩ thể viết lại thành:

min {7œ) = :Ax=b,x >0}, (2.31)

trong đĩ p(z) và a(z) là các hàm tuyến tính khoảng:

P(x) = [p*(x), pv (x)] = |c”() + œ”,c” (x)+ œ7] và a(x) = |a“(x).4” @)]

= |df(x) + B“,d¥ (x) + BY] Chang han, p“(x) = c’x+ a va q¥ (x) = dỨx+

BP Cuối cùng, từ (2.31) ta cĩ

LU U

|clx+œ!,c7x+œ I} 02.32)

min (f@ ~ [dix + BL,dUx+ BU]

Để thiết lập bài tốn qui hoạch phân tuyến tính khoảng, ta cần xét một loại

bài tốn qui hoạch phân tuyến tính khác như sau:

Trang 34

29

trong đĩ ƒ“ và ƒÈ là các hàm phân thức tuyến tính (như ở Định nghĩa 2.5)

Cũng vậy, ta cĩ thể cĩ bài tốn qui hoạch phân tuyến tính khoảng dưới dạng

(2.32):

|c”x + ah, cUx+ ơ” ]

= 2.34

mn (fe) [dx + B4,d¥x+ BY] } <9 Định lý 2.5 Với một số giả thiết nhất định, cĩ thể đưa bất kỳ bài tốn qui hoạch phân tuyến tính khoảng dạng (2.34) về bài tốn qui hoạch phân tuyến tính khoảng dạng (2.33)

Chứng mỉnh Hàm mục tiêu của (2.34) là tỉ số của hai hàm khoảng p(z) và q(x) Dé dua (2.34) vé dang (2.33) ta gia sử rằng 0 ¢ g(z) với mọi điểm x chấp

nhận được, do đĩ ta cĩ 0 < q”{(x) < qŸ(z) hoặc a”(x) < qU(z) < 0 với mỗi điểm chấp nhận được x Theo Định lý 2.1, do mẫu số khác 0 nên ta cĩ thể viết

lại hàm mục tiêu của (2.34) ở dạng

] ]

_ [k LU U

ƒ() = [fCx+œ”,c x+ d”] n+ BU" dln + Bel”

Xét hai trường hợp:

e Trường hợp 1 :0 < 4F(z) < q7(ø) Cĩ hai khả năng: (i) 0 < p*(x) < p” (x) St dung Dinh nghia 2.1 ta cĩ

chx+œP cỦx+ œU

f=] or d’x+ BY’ d’x+B au ar ar: (2.35)

(ii) p“(x) <0 < pỨ(z) Sử dụng Định nghĩa 2.1 ta cĩ

cx+œÈ cUỦx+ d1

ƒŒ)= | 7 d'x+ BY’ d'x+ L? gL B L|: (2.36)

Trang 35

30

(i) 0 < p*(x) < p” (x) St dung Dinh nghia 2.1 ta cd

chx+œE cLx-+ œF

f™) =| on d'x+ BY’ d'x+B pr ge acl: (2.37)

(ii) p’(x) <0 < pY (x) Sit dung Dinh nghia 2.1 ta cĩ

cằx+œE chx+al

ƒŒ) = đFx+ ủy BL` đUx+B an sp aul: (2.38)

(Lưu ý rằng trường hợp p(x) < pŸ(z) < 0 cĩ thể dễ dàng suy ra từ các trường hợp đã xét trên đây, bởi vì trường hợp này kéo theo — p”(x) < —pŸ(x) >

0)

Bây giờ theo Định lý 2.2 và các trường hợp đã xét ở trên, hàm mục tiêu ở

(2.32) cĩ thể viết lại như sau

min{ƒf(z) = |ƒ“(z).ƒ”()|:Ax=b,x > 0}, (2.39) trong đĩ hàm mục tiêu là hàm khoảng, và ƒ#“(x), ƒ”(x) là các hàm phân tuyến

tính (tương ứng với các trường hợp (2.35) — (2.38)) Định lý được chứng minh

L]

Cĩ thể giải thích bài tốn cực tiểu (2.39) như sau

Định nghĩa 2.7 Giả sử x* là một nghiệm chấp nhận được của bài tốn (2.39)

Ta nĩi răng x* là một nghiệm khơng bị vượt trội (nondominated solution) của

bài tốn (2.39) nếu khơng tổn tại nghiệm chấp nhận được x sao cho f(x) <

ƒ(x*) Trong trường hợp này ta nĩi rằng ƒ(x*) là giá trị mục tiêu khơng bị vượt

trội (nondominated objective value) của ƒ

Bây giờ ta xét bài tốn tối ưu sau đây tương ứng với bài tốn (2.39)

min{ g(x) = f"(x) + fY (x) : Ax = b,x > 0}, (2.40)

Trang 36

31

Định lý 2.6 Nếu x* là một nghiệm tơi ưu của bài tốn (40) thì x* là một nghiệm

khơng bị trội của bài tốn (2.39)

Ví dụ minh họa cách tiếp cận nêu trên được trình bày ở mục sau (Ví dụ 2.2 - Ví dụ 2.4) Ví dụ 2.4 giới thiệu nội dung ứng dụng của bài tốn qui hoạch phân

tuyến tính với hệ số khoảng ở hàm mục tiêu

2.4 Ví dụ minh họa

Để minh họa các thuật tốn đã trình bày ta xét các ví dụ sau:

Ví dụ 2.1 Giải qui hoạch phân tuyến tính với hệ số khoảng ở mục tiêu:

-F P1X1 + pox

min Pot DIX1 T D2X2

*,P,4 q0 + đ1XI + đ2X2

với các điều kiện

(

—2xI +xa € 2,xị +3x¿ < 13,xị +xạ <9,

x1 > 0,x2 > 0,

—3< po <3,-1l<pi <2,1<p2 <4,

|6 <đo 8,1 <Sại <3,—1 <4 <2

Tập ràng buộc X của bài tốn được vẽ ở Hình 2.1

Trước hết ta biến đổi bài tốn này về bài tốn qui hoạch tuyến tính:

,

—3yo — yị + y¿ — min,

, 6yo + y1 — y2 S 1,8yo + 3y + 2y2 > 1,

—2yo — 2y +ya < 0,— lI3yo + yị + 3ya < 0,—9yọ + yị + y2 < 0,

| YO > 0,1 = 0, y2 = 0

Lời giải tơi ưu của bài tốn này là yf = 2/30; yj = 3/5;y5 = 0 với giá trị mục

Trang 37

32

pp peepee

Pee ee MB YK QO KO KY {KO Ne eee - | À LQL

Hình 2.1 Tập ràng buộc X của bài tốn ở Ví du 2.1

Từ đĩ suy ra lời giải tối ưu của bài tốn ban đầu là

*% *

1 2

x*=” —=9x*—”

yo* yo* = 0

với cùng gid tri mục tiêu tối ưu ƒ„„ =(—3 -1 «9 x 4) /(6+1x9) =—-12/15= 0,8

Dé kiém chiing cho 10i giai t6i uu trén, lay bat ky pz, gz trong khoang bién thiên đã cho và giải bài tốn, ta sẽ thấy lời giải tối ưu nhận được sẽ khơng tốt hơn lời giải tối ưu đã nhận được Chẳng hạn, xét bài tốn:

—2+xI +3*~¿

man

xeX 84+2x,+X9

với các điều kiện

—2xị +*x¿ < 2,xị +3xa < 13,xị +x¿ <9,

Trang 38

33

Dua bài tốn này về qui hoạch tuyến tính tương đương (Charnes - Cooper):

(

—2yo +y1 +3y2 — min, 8y9 + 2y1 +y2 = 1,

—2yo — 2y +ya <S 0,— 13yo + yị + 3ya < 0,—9yọ - yị + y2 < 0,

[Yo 2 0,y1 > 0, y2 > 0

Giải bài tốn tuyến tính này ta nhân được lời giải tối ưu:

Từ đĩ suy ra lời giải tối ưu của bài tốn phân tuyến tính cần giải là

* *

xy = “ =0,x2” = 2, =0

YO 30

Với giá trị mục tiêu tối ưu = (—2+1x0+3x0)/(8+2x0+1x0)=

—0,25 > —0,8

Ví dụ 2.2 Giải bài tốn tối ưu sau đây

min { F(a _ [7x1 +x2, 7x1 +.x2 +3] \

[3x1 + 4x + 12, 3x1 + 4x2 + 36]

X] X2

với điêu kiện

x1 +x2 <7

Trang 39

34

x

(0,0) ~

Hình 2.2 Tập ràng buộc X của bài tốn ở Ví dụ 2.2

Ta thấy

_ TLL U —

p(x) = [p’(x), PY (x)] = [7x1 +2, 71 +2 +3],

a(x) = [q’(x),@” (x)] = [Bx1 + 4x2 + 12, 3x1 + 4x + 36]

Do x,x¿ > 0 nên ta cĩ 0 < 4”(z) < qŸ() và 0 < p”(x) < pŸ(z), do đĩ ta

cĩ thể áp dụng Trường hợp 1(7) nêu trong chứng minh Định lý 2.4 Ta đi đến

bài tốn tối ưu sau đây

7x, +x2 7X, +x2+3

= —> 1

P() lạy, + 4x; +12? 3x1 + 4x +36 ¬

với dữ kiện: xị + xạ < 7;4xị — 9xạ < 3;xị +2x¿ > 1,5;xị > 0,x¿ > 0

Để nhận được một nghiệm khơng bị trội của bài tốn trên, ta áp dụng Định

lý 2.5 và giải qui hoạch phân tuyến tính sau đây

7x1 +x2 7x, +x2+3

3x, +4 +12 3x1 +4004+36 7 8n

Trang 40

35

với điều kiện

, xị +32 < 7 4x; —9x2 <3 Xi +2x2 > 1,5 [x1 2 0,x2 2 0

Nghiệm tối ưu của bài tốn là xị* = 0,xị* = 0,75 với giá trị mục tiêu tối ưu:

g(x*) = |0,0192;0, 0962]

Ví dụ 2.3 Xét bài tốn tối ưu sau đây:

7 2)e1 + Bs Tea + sabes + [a4

min = { f(x) = (A,r + (3, Uo + [,2bs + [],1

X] XQ ,X3

với điêu kiện

, Xi +X2—x3 <6 —2x1 + 3x2 +%3 <8 XI xa +xa < 13 |#i >3 0,x¿ > 0,32 > Ư

Theo Định lý 2.4, ta cĩ thể đưa bài tốn về bài tốn tối ưu sau đây

Ngày đăng: 20/02/2018, 20:07

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w