Введение

При рассмотрении целого ряда задач, необходимо учитывать требование целочисленности используемых переменных. Методы решения задач линейного программирования не гарантируют целочисленности решения.

Иногда задачи целочисленного линейного программирования решают приближенно. Для этого решают задачу без учета целочисленности переменных, затем в полученном оптимальном решении округляют результаты до ближайших целых значений. Использование таких решений допустимо в тех ситуациях, где значения переменных достаточно велики, и погрешностью округления можно пренебречь. Если значения переменных невелики, то округление может привести к значительному расхождению с оптимальным решением.

Одним из широко распространенных методов решения целочисленных задач является метод ветвей и границ, впервые, он был предложен Ленд и Дойг в 1960 г.

ветвь граница линейное программирование

Метод ветвей и границ

Алгоритм метода ветвей и границ предусматривает декомпозицию исходной задачи линейного программирования (ЗЛП) на последовательность задач, содержащих дополнительные ограничения на переменные, которые затем оптимизируются.

1. Процесс начинают с решения задачи симплексным или графическим методом без учета требования на целочисленность переменных. Эту задачу называют ЗЛП-0. Если все переменные оптимального плана целые, то этот план также является оптимальными для задач целочисленного программирования.

2. Если некоторая переменная, не получила целочисленного значения, то производится ветвление на две новые задачи ЗЛП-1, ЗЛП-2. Одна из задач ЗЛП-1 представляет собой задачу ЗЛП-0, дополненную ограничением где - целая часть числа. Вторая образуется путем добавления к задаче ЗЛП-0 ограничения. Следует отметить, что выбор целочисленной переменной может быть произвольным определяться следующим образом:

по возрастанию или убыванию индексов;

переменная представляет важное решение принимаемое в рамках данной задачи;

коэффициент в целевой функции при этой переменной существенно превосходит все остальные.

3. Задачи ЗЛП-1 и ЗЛП-2 решаются самостоятельно. Ветвь оканчивается, если область допустимых решений пуста, либо её оптимальное решение полностью целочисленное. В противном случае возникает необходимость ветвления с п.2, обозначая следующие номера задач ЗЛП в естественном порядке ЗЛП-3, ЗЛП-4.

Процесс решения можно представить в виде дерева, в котором вершина ЗЛП-0 отвечает начальному плану решения задачи, а каждая из соединенных с ней ветвью вершин отвечает оптимальному плану следующей задачи.

Рассмотрим следующий пример. Максимизировать целевую функцию

при ограничениях

Воспользуемся графическим методом решения задачи линейного программирования.

1. Решим исходную задачу без учета требования целочисленности переменных.

Обозначим эту задачу линейного программирования ЗЛП-0.

На рисунке 1.1 штриховкой выделен многоугольник решений данной задачи. Максимальное значение достигается в точке Решение не является целочисленным.

Следующий шаг метода ветвей и границ состоит в ветвлении по одной из целочисленных переменных, имеющих дробное значение, например. Для этого добавим к задаче ЗЛП-0 два новых ограничения и Этими ограничениями удаляется интервал = в котором нет целых значений. Таким образом, в процессе ветвления создаются две новые задачи ЗЛП-1 и ЗЛП-2.

Рисунок 1.1 Решение задачи ЗЛП-0

2. Решим задачу ЗЛП-1 графически.

На рисунке 1.2 изображена допустимая область задачи ЗЛП-1. Максимальное значение достигается в точке. Решение задачи нецелочисленное.

Рисунок 1.2 Решение задачи ЗЛП-1

3. Решим задачу ЗЛП-2 графически.

В данном случае множество допустимых решений пусто (рисунок 1.2). Система ограничений несовместна, и задачу ЗЛП-2 можно исключить из дальнейшего рассмотрения.

Рисунок 1.3 Решение задачи ЗЛП-2

Теперь продолжим исследование задачи ЗЛП-1, поскольку значение нецелое. Произведем еще одно ветвление, путем введения ограничений и. В результате получаем две новые задачи ЗЛП-3 и ЗЛП-4.

В основе метода ветвей и границ лежит идея последовательного разбиения множества допустимых решений на подмножества. На каждом шаге метода для элементов разбиения выполняется проверка для выяснения, содержит данное подмножество оптимальное решение или нет. Для этого вычисляется нижняя оценка целевой функции на данном подмножестве.

Если оценка снизу не меньше рекорда (наилучшего из найденных решений), то подмножество может больше не рассматриваться. Проверяемое подмножество может быть отброшено еще и в том случае, когда в нем удается найти наилучшее решение. Если значение целевой функции на найденном решении меньше рекорда, то происходит смена рекорда. По окончанию работы алгоритма рекорд является результатом его работы. Если удается отбросить все элементы разбиения, то рекорд - оптимальное решение задачи. В противном случае, из неотброшенных подмножеств выбирается наиболее перспективное (например, с наименьшим значением нижней оценки), и подвергается разбиению. Новые подмножества вновь подвергаются проверке и т.д. Вычисление нижней границы является важнейшим элементом данной схемы.

Для каждой конкретной задачи целочисленного программирования (другими словами, дискретной оптимизации) метод ветвей и границ реализуется по-своему. Есть много модификаций этого метода.

Рассмотрим реализацию метода ветвей и границ для задачи коммивояжёра и задачи о рюкзаке.

Рассмотрим алгоритм Литтла (методом ветвей и границ) для задачи коммивояжера. Идею можно сформулировать следующим образом. В каждой строке матрицы расстояний находится минимальный элемент и вычитается из всех элементов соответствующей строки. Получается матрица, приведенная по строкам. Аналогично приводится матрица по столбцам. Получается матрица, приведенная по строкам и столбцам. Суммируя при приведении минимальные элементы, получим константу приведения, которая будет нижней границей множества всех допустимых гамильтоновых контуров. После находятся степени нулей для приведенной матрицы (сумма минимальных элементов строки и столбца, соответствующих этому нулю) и выбирается дуга , для которой степень нулевого элемента достигает максимального значения. Множество всех гамильтоновых контуров разбивается на два подмножества, одно из которых содержит дугу , второе эту дугу не содержит. После этого приводятся полученные матрицы гамильтоновых контуров и сравниваются нижние границы подмножества гамильтоновых контуров с целью выбора для дальнейшего разбиения множества с меньшей нижней границей. Процесс разбиения множеств на подмножества сопровождается построением дерева ветвлений. Сравнивая длину гамильтонова контура с нижними границами оборванных ветвей, выбирается для дальнейшего ветвления подмножество с нижней границей, меньшей полученного контура, до тех пор, пока не получен маршрут с наименьшей длиной или не становится ясно, что такого маршрута не существует.

Пример.

Пусть в задаче коммивояжера задана следующая матрица стоимостей переездов

Находим в каждой строке матрицы минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов соответствующей строки. Получим матрицу, приведенную по строкам, с элементами

.

Если в матрице , приведенной по строкам, окажутся столбцы, не содержащие нуля, то приводим ее по столбцам. Для этого в каждом столбце матрицы выбираем минимальный элемент , и вычитаем его из всех элементов соответствующего столбца. Получим матрицу

,

каждая строка и столбец, которой содержит хотя бы один нуль. Такая матрица называется приведенной по строкам и столбцам.

Суммируя элементы и , получим константу приведения:

.

Находим степени нулей для приведенной по строкам и столбцам матрицы. Для этого мысленно нули в матице заменяем на знак и находим сумму минимальных элементов строки и столбца, соответствующих этому нулю. Записываем ее в правом верхнем углу клетки:

.

Выбираем дугу , для которой степень нулевого элемента достигает максимального значения

Разбиваем множество всех допустимых маршрутов на два подмножества:

– подмножество, содержащее дугу ;

– подмножество, не содержащее дугу

Для вычисления оценки затрат для маршрутов, включающих дугу , вычеркиваем в матрице строку и столбец и заменяем симметричный элемент на знак . Приводим полученную матрицу и вычисляем сумму констант приведения .

Рассмотрим задачу дискретного программирования в общем виде:

Найти -вектор неизвестных, D- конечное

множество допустимых значений этого вектора, F(x)- заданная целевая функция.

Идея метода состоит в разбиении D на непересекающиеся подмножества Di (эта процедура называется ветвлением) и вычислении верхней и нижней границ целевой функции на каждом из подмножеств. Нижнюю границу будем обозначать Н, а верхнюю Е. Соответственно Hi Eo, то это подмножество не содержит точку оптимума и может быть исключено из дальнейшего рассмотрения. Если верхняя граница Ei H заменяем Н на min Hi. Если Е=Н, то задача решена, иначе надо продолжить процедуру ветвления и вычисления верхней и нижней границ. При этом разбиению на очередном шаге могут подвергаться все или только некоторые подмножества до достижения равенства верхней и нижней границ, причём не на отдельном подмножестве, а для допустимой области в целом.

Простая идея метода ветвей и границ требует дополнительных вычислений для определения границ. Как правило, это приводит к решению вспомогательной оптимизационной задачи. Если эти дополнительные вычисления требуют большого числа операций, то эффективность метода может быть невелика.

Схему динамического программирования при движении от начальной точке к конечной (рис. 5.1) можно представлять как процедуру ветвления.

Множество всех допустимых траекторий (последовательность по-шаговых переходов) - это исходное множество D, на котором мы должны найти нижнюю и верхнюю границы, а также траекторию, на которой целевая функция достигает верхней границы и объявить рекордом соответствующее ей значение целевой функции. Построение множества состояний, получаемых после первого шага, - это первое ветвление.

Рис. 5.1.

Теперь подмножествами Di являются множества траекторий, каждая из которых проходит через соответствующую i-ую точку.

На последующих шагах после отбраковки всех путей, приводящих в любое (i-oe) состояние, кроме одного, соответствующим подмножеством является этот оставшийся путь со всеми его допустимыми продолжениями (рис. 5.1). Для каждого из таких подмножеств надо как-то найти верхнюю и нижнюю границы. Если нижняя граница превышает текущее значение рекорда, соответствующее состояние и все его продолжения отбраковываются. Если верхняя граница достигается на некоторой траектории и она меньше текущего значения рекорда, то получаем новый рекорд.

Эффективность такого подхода зависит от точности получаемых оценок, т.е. от Ei - Hi, и от затрат времени на их вычисление.

Фактически в упрощённом виде мы уже использовали этот метод при решении задачи о защите поверхности (разд. 4.6), когда отбраковывали состояния, для которых текущие затраты превышали суммарные затраты для начального приближения. В этом случае текущие затраты являются нижней границей, если считать нулевыми затраты на весь оставшийся путь, а суммарные затраты, соответствующие начальному приближению, являются рекордом. При таком подходе рекорд не обновлялся, хотя это можно было сделать построением начального приближения (верхней границы) для оставшегося пути подобно тому как это делалось для всей траектории при построении начального приближения. Получаемая без вычислений нижняя граница соответствует нулевым затратам на весь оставшийся путь и является крайне грубой оценкой, но получаемой «бесплатно», т.е. без вычислений.

Покажем как получать и использовать более точные оценки при решении рассмотренных выше и целого ряда других задач. При этом будем стремиться получать авозможно более точные границы при минимуме вычислений.

5x 1 + 2x 2 ≤ 14
2x 1 + 5x 2 ≤ 16
x 1 , x 2 – целые числа
Z = 3x 1 + 5x 2 → max
Решение находим с помощью калькулятора .:
Построим область допустимых решений, т.е. решим графически систему неравенств. Для этого построим каждую прямую и определим полуплоскости, заданные неравенствами (полуплоскости обозначены штрихом).

Границы области допустимых решений
Пересечением полуплоскостей будет являться область, координаты точек которого удовлетворяют условию неравенствам системы ограничений задачи.
Обозначим границы области многоугольника решений.

Рассмотрим целевую функцию задачи F = 3x 1 +5x 2 → max.
Построим прямую, отвечающую значению функции F = 0: F = 3x 1 +5x 2 = 0. Будем двигать эту прямую параллельным образом. Поскольку нас интересует максимальное решение, поэтому двигаем прямую до последнего касания обозначенной области. На графике эта прямая обозначена пунктирной линией.

Прямая F(x) = const (1) и (2)
5x 1 +2x 2 ≤14
2x 1 +5x 2 ≤16

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 1.8095, x 2 = 2.4762
F(X) = 3*1.8095 + 5*2.4762 = 17.8095
Оптимальное значение переменной x 1 =1.81 оказалось нецелочисленным.
В первой из них к условиям задачи 11 добавляется условие х 1 ≥ 2, а к задаче 12 - условие х 1 ≤ 1.
Эта процедура называется ветвлением по переменной х 1 .

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≥2	(3)
x 1 ≥0	(4)
x 2 ≥0	(5)

Прямая F(x) = const пересекает область в точке B. Так как точка B получена в результате пересечения прямых (1) и (3) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
5x 1 +2x 2 ≤14
x 1 ≥2

Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*2 + 5*2 = 16

Решение задачи получилось целочисленным.
Новое значение текущего рекорда будет равно F(X) = 16.
Так как найденная точка является первым целочисленным решением, то ее и соответствующее ей значение ЦФ следует запомнить. Сама точка называется текущим целочисленным рекордом или просто рекордом, а оптимальное значение целочисленной задачи - текущим значением рекорда . Это значение является нижней границей оптимального значения исходной задачи Z*.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≤1	(3)
x 1 ≥0	(4)
x 2 ≥0	(5)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const (2) и (3) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 1 ≤1

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 1, x 2 = 2.8
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*1 + 5*2.8 = 17

Оптимальное значение переменной x 2 =2.8 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 12 на две подзадачи 121 и 122.
В первой из них к условиям задачи 121 добавляется условие х 2 ≥ 3, а к задаче 122 - условие х 2 ≤ 2.
Решим графически задачу 121 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≤1	(3)
x 2 ≥3	(4)
x 1 ≥0	(5)
x 2 ≥0	(6)

Область допустимых решений представляет собой треугольник.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (2) и (4) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 2 ≥3

Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*0.5 + 5*3 = 16.5

Решим графически задачу 122 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≤1	(3)
x 2 ≤2	(4)
x 1 ≥0	(5)
x 2 ≥0	(6)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке D. Так как точка D получена в результате пересечения прямых (3) и (4) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
x 1 ≤1
x 2 ≤2

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 1, x 2 = 2
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*1 + 5*2 = 13

Текущий рекорд Z=16≥13, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины

Разбиваем задачу 121 на две подзадачи 1211 и 1212.
В первой из них к условиям задачи 1211 добавляется условие х 1 ≥ 1, а к задаче 1212 - условие х 1 = 0.
Решим графически задачу 1211 как задачу ЛП.

Задача не имеет допустимых решений. ОДР представляет собой пустое множество.

Задача 1211 не имеет решения, поэтому для нее процесс ветвления прерываем.
Решим графически задачу 1212 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≤1	(3)
x 2 ≥3	(4)
x 1 =0	(5)
x 1 ≥0	(6)
x 2 ≥0	(7)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке D. Так как точка D получена в результате пересечения прямых (2) и (7) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 1 =0

Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*0 + 5*3.2 = 16

Оптимальное значение переменной x 2 =2.48 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 1 на две подзадачи 11 и 12.
В первой из них к условиям задачи 11 добавляется условие х 2 ≥ 3, а к задаче 12 - условие х 2 ≤ 2.
Эта процедура называется ветвлением по переменной х 2 .
Решим графически задачу 11 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 2 ≥3	(3)
x 1 ≥0	(4)
x 2 ≥0	(5)

Область допустимых решений представляет собой треугольник.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (2) и (3) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 2 ≥3

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 0.5, x 2 = 3
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*0.5 + 5*3 = 16.5

Решим графически задачу 12 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 2 ≤2	(3)
x 1 ≥0	(4)
x 2 ≥0	(5)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (1) и (3) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
5x 1 +2x 2 ≤14
x 2 ≤2

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 2, x 2 = 2
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*2 + 5*2 = 16

Текущий рекорд Z=16≥16, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины
Оптимальное значение переменной x 1 =0.5 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 11 на две подзадачи 111 и 112.
В первой из них к условиям задачи 111 добавляется условие х 1 ≥ 1, а к задаче 112 - условие х 1 = 0.
Решим графически задачу 111 как задачу ЛП. Прямая F(x) = const пересекает область в точке D. Так как точка D получена в результате пересечения прямых (2) и (6) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 1 =0

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 0, x 2 = 3.2
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*0 + 5*3.2 = 16

Текущий рекорд Z=16≥16, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины
F(X) = 16
x 1 = 2
x 2 = 2

Дерево решения задачи