運(yùn)籌學(xué)之目標(biāo)規(guī)劃課件

1、第七章 目標(biāo)規(guī)劃7.1 目標(biāo)規(guī)劃模型7.2 目標(biāo)規(guī)劃的幾何意義與圖解法7.3 目標(biāo)規(guī)劃求解的單純形方法10/15/20221第七章 目標(biāo)規(guī)劃7.1 目標(biāo)規(guī)劃模型10/11/20221 在科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生產(chǎn)實(shí)踐中，人們經(jīng)常遇到一類含有多個目標(biāo)的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，我們稱之為多目標(biāo)規(guī)劃。本章介紹一種特殊的多目標(biāo)規(guī)劃叫目標(biāo)規(guī)劃(goal programming)，這是美國學(xué)者Charnes等在1952年提出來的。目標(biāo)規(guī)劃在實(shí)踐中的應(yīng)用十分廣泛，它的重要特點(diǎn)是對各個目標(biāo)分級加權(quán)與逐級優(yōu)化，這符合人們處理問題要分別輕重緩急保證重點(diǎn)的思考方式。 本章分目標(biāo)規(guī)劃模型、目標(biāo)規(guī)劃的幾何意義與圖解法和求解目標(biāo)規(guī)劃

2、的單純形方法等三個部分進(jìn)行介紹。 10/15/20222 在科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生產(chǎn)實(shí)踐中，人們7.1 目標(biāo)規(guī)劃模型 (1) 問題提出 為了便于理解目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的特征及建模思路, 我們首先舉一個簡單的例子來說明. 例 1 某公司分廠用一條生產(chǎn)線生產(chǎn)兩種產(chǎn)品A和B ，每周生產(chǎn)線運(yùn)行時間為60小時，生產(chǎn)一臺A產(chǎn)品需要4小時，生產(chǎn)一臺B產(chǎn)品需要6小時根據(jù)市場預(yù)測，A、B產(chǎn)品平均銷售量分別為每周9、8臺，它們銷售利潤分別為12、18萬元。在制定生產(chǎn)計(jì)劃時，經(jīng)理考慮下述4項(xiàng)目標(biāo)： 10/15/202237.1 目標(biāo)規(guī)劃模型 (1) 問題提出10/11/2022 首先，產(chǎn)量不能超過市場預(yù)測的銷售量；

3、其次，工人加班時間最少； 第三，希望總利潤最大； 最后，要盡可能滿足市場需求, 當(dāng)不能滿足時, 市場認(rèn)為B產(chǎn)品的重要性是A產(chǎn)品的2倍 試建立這個問題的數(shù)學(xué)模型討論： 若把總利潤最大看作目標(biāo)，而把產(chǎn)量不能超過市場預(yù)測的銷售量、工人加班時間最少和要盡可能滿足市場需求的目標(biāo)看作約束，則可建立一個單目標(biāo)線性規(guī)劃模型 。10/15/20224 首先，產(chǎn)量不能超過市場預(yù)測的銷售量；1設(shè)決策變量 x1，x2 分別為產(chǎn)品A，B的產(chǎn)量 Max Z = 12x1 + 18x2 s.t. 4x1 + 6x2 60 x1 9 x2 8 x1 , x2 0 容易求得上述線性規(guī)劃的最優(yōu)解為(9,4)T 到 (3,8)T

4、所在線段上的點(diǎn), 最優(yōu)目標(biāo)值為Z* = 180, 即可選方案有多種. 在實(shí)際上, 這個結(jié)果并非完全符合決策者的要求, 它只實(shí)現(xiàn)了經(jīng)理的第一、二、三條目標(biāo)，而沒有達(dá)到最后的一個目標(biāo)。進(jìn)一步分析可知，要實(shí)現(xiàn)全體目標(biāo)是不可能的。10/15/20225設(shè)決策變量 x1，x2 分別為產(chǎn)品A，B的產(chǎn)量10/11/2(2) 目標(biāo)規(guī)劃模型的基本概念 把例1的4個目標(biāo)表示為不等式.仍設(shè)決策變量 x1，x2 分別為產(chǎn)品A，B的產(chǎn)量. 那么, 第一個目標(biāo)為: x1 9 ，x2 8 ； 第二個目標(biāo)為: 4x1 + 6x2 60 ； 第三個目標(biāo)為: 希望總利潤最大，要表示成不等式需要找到一個目標(biāo)上界，這里可以估計(jì)為25

5、2（=129 + 188），于是有 12x1 + 18x2 252； 第四個目標(biāo)為: x1 9，x2 8； 10/15/20226(2) 目標(biāo)規(guī)劃模型的基本概念10/11/20226下面引入與建立目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型有關(guān)的概念 （1）正、負(fù)偏差變量d +，d - 我們用正偏差變量d + 表示決策值超過目標(biāo)值的部分；負(fù)偏差變量d - 表示決策值不足目標(biāo)值的部分。因決策值不可能既超過目標(biāo)值同時又末達(dá)到目標(biāo)值，故恒有 d + d - 0 （2）絕對約束和目標(biāo)約束 我們把所有等式、不等式約束分為兩部分：絕對約束和目標(biāo)約束。10/15/20227下面引入與建立目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型有關(guān)的概念10/11/202絕對

6、約束 指必須嚴(yán)格滿足的等式約束和不等式約束；如在線性規(guī)劃問題中考慮的約束條件，不能滿足這些約束條件的解稱為非可行解，所以它們是硬約束。設(shè)例1 中生產(chǎn)A，B產(chǎn)品所需原材料數(shù)量有限制，并且無法從其它渠道予以補(bǔ)充，則構(gòu)成絕對約束。目標(biāo)約束 目標(biāo)規(guī)劃特有的，我們可以把約束右端項(xiàng)看作要努力追求的目標(biāo)值，但允許發(fā)生正式負(fù)偏差，用在約束中加入正、負(fù)偏差變量來表示，于是稱它們是軟約束。10/15/20228絕對約束10/11/20228對于例1, 我們有如下目標(biāo)約束 x1 + d1- -d1+ = 9 (1) x2 + d2- -d2+ = 8 (2) 4x1 + 6x2 + d3- -d3+ = 60 (3

7、)12x1+18x2 + d4- -d4+ =252 (4)10/15/20229對于例1, 我們有如下目標(biāo)約束10/11/20229 (3) 優(yōu)先因子與權(quán)系數(shù) 對于多目標(biāo)問題，設(shè)有L個目標(biāo)函數(shù)f1,f2,fL, 決策者在要求達(dá)到這些目標(biāo)時，一般有主次之分。為此，我們引入優(yōu)先因子Pi ，i = 1,2,L.無妨設(shè)預(yù)期的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)先順序?yàn)閒1,f2,fL,我們把要求第一位達(dá)到的目標(biāo)賦于優(yōu)先因子P1，次位的目標(biāo)賦于優(yōu)先因子P2、，并規(guī)定 Pi Pi+1，i = 1,2,L-1. 即在計(jì)算過程中, 首先保證P1級目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這時可不考慮次級目標(biāo)；而P2級目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)P1級目標(biāo)的基礎(chǔ)上考慮的，以此類推

8、。當(dāng)需要區(qū)別具有相同優(yōu)先因子的若干個目標(biāo)的差別時，可分別賦于它們不同的權(quán)系數(shù)wj 。優(yōu)先因子及權(quán)系數(shù)的值，均由決策者按具體情況來確定10/15/202210 (3) 優(yōu)先因子與權(quán)系數(shù)10/11/202210 （4）目標(biāo)規(guī)劃的目標(biāo)函效 目標(biāo)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)是通過各目標(biāo)約束的正、負(fù)偏差變量和賦于相應(yīng)的優(yōu)先等級來構(gòu)造的 決策者的要求是盡可能從某個方向縮小偏離目標(biāo)的數(shù)值。于是，目標(biāo)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該是求極?。篗in f f （d +，d -) 其基本形式有三種： 10/15/202211 （4）目標(biāo)規(guī)劃的目標(biāo)函效10/11/202211 要求恰好達(dá)到目標(biāo)值，即使相應(yīng)目標(biāo)約束的正、負(fù)偏差變量都要盡可能地小

9、。 這時取 Min （d + + d - )； 要求不超過目標(biāo)值，即使相應(yīng)目標(biāo)約束的正偏差變量要盡可能地小。 這時取 Min （d + )； 要求不低于目標(biāo)值，即使相應(yīng)目標(biāo)約束的負(fù)偏差變量要盡可能地小。 這時取 Min （d - )；10/15/202212 要求恰好達(dá)到目標(biāo)值，即使相應(yīng)目標(biāo)約束 對于例 1, 我們根據(jù)決策者的考慮知 第一優(yōu)先級要求 Min（d1+ + d2+ )； 第二優(yōu)先級要求 Min（d3+ )； 第三優(yōu)先級要求 Min（d4- )； 第四優(yōu)先級要求 Min（d1- + 2d2- )， 這里, 當(dāng)不能滿足市場需求時, 市場認(rèn)為B產(chǎn)品的重要性是A產(chǎn)品的2倍即減少B產(chǎn)品的影響

10、是A產(chǎn)品的2倍，因此我們引入了2:1的權(quán)系數(shù)。 10/15/202213 對于例 1, 我們根據(jù)決策者的考慮知10/11/20綜合上述分析，可得到下列目標(biāo)規(guī)劃模型 Min f = P1（d1+ + d2+ ) + P2 d3+ + P3 d4- + P4（d1- + 2d2- ) s.t. x1 + d1- -d1+ = 9 x2 + d2- -d2+ = 8 4x1 + 6x2 + d3- -d3+ = 60 12x1 + 18x2 +d4- -d4+ = 252 x1 , x2 , di- ,di+ 0 , i = 1,2,3,4.10/15/202214綜合上述分析，可得到下列目標(biāo)規(guī)劃模

11、型10/11/202214(3) 目標(biāo)規(guī)劃模型的一般形式 式中的第二行是L個目標(biāo)約束，第三行是m個絕對約束，clj 和gl 是目標(biāo)參數(shù)。10/15/202215(3) 目標(biāo)規(guī)劃模型的一般形式 式中的第二行是L個目標(biāo)約束，例2 甲 乙 有效工時 金工 4 2 400 裝配 2 4 500 收益 100 80 LP： Max Z=100X1 + 80X2 2X1+4X2 500 s.t 4X1+2X2 400 X* =(50,100) X1 , X2 0 Z* =13000 10/15/202216例210/11/202216目標(biāo)：去年總收益9000，增長要求11.1% 即：今年希望總收益不低于1

12、0000引入 d+：決策超過目標(biāo)值部分(正偏差變量) d-：決策不足目標(biāo)值部分(負(fù)偏差變量)目標(biāo)約束： 100X1+80X2 -d+d- =10000 d+d- =0 d+,d- 010/15/202217目標(biāo)：去年總收益9000，增長要求11.1%10/11/20Min Z= d- 100X1+80X2 -d+d- =10000 4X1+ 2X2 400 2X1+ 4X2 500 X1 , X2 , d- , d+ 0 d+d- =010/15/202218Min Z= d- 100X1+80X2 -d+d- =1例3 資源擁有量 原材料(公斤) 2 1 11 設(shè)備(小時) 1 2 10 利

13、潤(千元/件) 8 10原材料價格上漲，超計(jì)劃要高價購買，所以要嚴(yán)格控制市場情況，產(chǎn)品銷售量下降，產(chǎn)品的產(chǎn)量不大于產(chǎn)品的產(chǎn)量充分利用設(shè)備，不希望加班盡可能達(dá)到并超過利潤計(jì)劃指標(biāo)56千元10/15/202219例310/11/202219建模：設(shè)定約束條件。(目標(biāo)約束、絕對約束)規(guī)定目標(biāo)約束優(yōu)先級建立模型 設(shè)X1 ，X2為產(chǎn)品，產(chǎn)品產(chǎn)量。10/15/202220建模：10/11/2022202X1+X2 11X1 -X2 +d1- -d1+=0X1 +2X2 +d2- -d2+=108X1 +10X2 +d3- -d3+=56X1 , X2 , di- , di+ 0 di- di+ =0d1-

14、 : X1產(chǎn)量不足X2 部分d1+ : X1產(chǎn)量超過X2 部分d2- : 設(shè)備使用不足10 部分d2+ :設(shè)備使用超過10 部分d3- : 利潤不足56 部分d3+ :利潤超過56 部分或 Min Z1 = d1+ Min Z2 = d2- +d2+ Min Z3 = d3- Min Z=p1d1+p2(d2-+d2+)+p3(d3-)10/15/2022212X1+X2 11d1- : X1產(chǎn)量不足X2 部分或 例4 電視機(jī)廠裝配25寸和21寸兩種彩電，每臺電視機(jī)需裝備時間1小時，每周裝配線計(jì)劃開動40小時，預(yù)計(jì)每周25寸彩電銷售24臺，每臺可獲利80元，每周21寸彩電銷售30臺，每臺可獲利

15、40元。該廠目標(biāo)：充分利用裝配線，避免開工不足。允許裝配線加班，但盡量不超過10小時。盡量滿足市場需求。10/15/202222例410/11/202222解：設(shè)X1 , X2 分別表示25寸，21寸彩電產(chǎn)量Min Z=p1d1-+p2d2+p3(2d3-+d4-)X1+X2 +d1- -d1+=40X1 +X2+d2- -d2+=50X1 +d3- -d3+=24 X2 +d4- -d4+=30X1 , X2 , di- , di+ 0 (i=1,2,3,4)10/15/202223解：設(shè)X1 , X2 分別表示25寸，21寸彩電產(chǎn)量Min 對只具有兩個決策變量的目標(biāo)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，我們可以

16、用圖解法來分析求解通過圖解示例，可以看到目標(biāo)規(guī)劃中優(yōu)先因子，正、負(fù)偏差變量及權(quán)系數(shù)等的幾何意義。 下面用圖解法來求解例1 我們先在平面直角坐標(biāo)系的第一象限內(nèi)，作出與各約束條件對應(yīng)的直線，然后在這些直線旁分別標(biāo)上 G-i ，i = 1，2，3，4。圖中x，y分別表示問題的x1和x2；各直線移動使之函數(shù)值變大、變小的方向用 +、- 表示 di+ ,di- 7.2 目標(biāo)規(guī)劃的幾何意義及圖解法10/15/202224 對只具有兩個決策變量的目標(biāo)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，圖 10 5 10 15 20 yx2015105+-G-1+-G-2+-G-3G-4+-10/15/202225圖 10 5 下面我們根據(jù)目標(biāo)

17、函數(shù)的優(yōu)先因子來分析求解首先考慮第一級具有P1優(yōu)先因子的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，在目標(biāo)函數(shù)中要求實(shí)現(xiàn)Min（d1+ d2+ ),取d1+=d2+ =0.圖2 中淺紅色陰影部分即表示出該最優(yōu)解集合的所有點(diǎn)。 我們在第一級目標(biāo)的最優(yōu)解集合中找滿足第二優(yōu)先級要求Min（d3+ )的最優(yōu)解.取d3+= 0 ,可得到圖3 中淺綠陰影部分即是滿足第一、第二優(yōu)先級要求的最優(yōu)解集合。 10/15/202226 下面我們根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)先因子來分析求解圖 20 5 10 15 20 yx2015105+-G-1+-G-2+-G-3G-4+-10/15/202227圖 20 5 圖 30 5 10 15 20 yx20151

18、05+-G-1+-G-2+-G-3G-4+-10/15/202228圖 30 5 第三優(yōu)先級要求 Min（d4-)，根據(jù)圖示可知，d4- 不可能取0值，我們?nèi)∈筪4- 最小的值72得到圖4中兩陰影部分的交線(紅色粗線)，其表示滿足第一、第二及第三優(yōu)先級要求的最優(yōu)解集合。 最后，考慮第四優(yōu)先級要求 Min（d1- + 2d2- ) ，即要在黑色粗線段中找出最優(yōu)解。由于d1- 的權(quán)因子小于d2- ，因此在這里可以考慮取d2- =0。于是解得d1-=5，最優(yōu)解為A點(diǎn)x = 3，y = 8。 10/15/202229 第三優(yōu)先級要求 Min（d4-)，根據(jù)圖示可知，d4圖 40 5 10 15 20

19、yx2015105+-G-1+-G-2+-G-3G-4+-A(3,8)10/15/202230圖 40 5 7.3 目標(biāo)規(guī)劃的單純形方法 目標(biāo)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型,特別是約束的結(jié)構(gòu)與線性規(guī)劃模型沒有本質(zhì)的區(qū)別，只是它的目標(biāo)不止是一個,雖然其利用優(yōu)先因子和權(quán)系數(shù)把目標(biāo)寫成一個函數(shù)的形式, 但在計(jì)算中無法按單目標(biāo)處理, 所以可用單純形法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后求解。在組織、構(gòu)造算法時，我們要考慮目標(biāo)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型一些特點(diǎn)，作以下規(guī)定： (1) 因?yàn)槟繕?biāo)規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)都是求最小化，所以檢驗(yàn)數(shù)的最優(yōu)準(zhǔn)則與線性規(guī)劃是相同的； 10/15/2022317.3 目標(biāo)規(guī)劃的單純形方法 目標(biāo)規(guī)劃的數(shù)學(xué) (2) 因?yàn)榉腔兞?/p>

20、的檢驗(yàn)數(shù)中含有不同等級的優(yōu)先因子， Pi Pi+1，i = 1,2,L-1. 于是從每個檢驗(yàn)數(shù)的整體來看： Pi+1（i = 1,2,L-1）優(yōu)先級第k個檢驗(yàn)數(shù)的正、負(fù)首先決定于 P1 ，P2 ， ，Pi 優(yōu)先級第k個檢驗(yàn)數(shù)的正、負(fù)。若P1 級第k個檢驗(yàn)數(shù)為0，則此檢驗(yàn)數(shù)的正、負(fù)取決于P2級第k個檢驗(yàn)數(shù)；若P2 級第k個檢驗(yàn)數(shù)仍為0，則此檢驗(yàn)數(shù)的正、負(fù)取決于P3級第k個檢驗(yàn)數(shù)，依次類推。換一句話說，當(dāng)某Pi 級第k個檢驗(yàn)數(shù)為負(fù)數(shù)時，計(jì)算中不必再考察Pj（ j I ）級第k個檢驗(yàn)數(shù)的正、負(fù)情況； 10/15/202232 (2) 因?yàn)榉腔兞康臋z驗(yàn)數(shù)中含有不同等級 （3）根據(jù)目標(biāo)規(guī)劃模型特征，當(dāng)

21、不含絕對約束時，di- （i=1,2, ,K）構(gòu)成了一組基本可行解。在尋找單純形法初始可行點(diǎn)時，這個特點(diǎn)是很有用的。 解目標(biāo)規(guī)劃問題的單純形法的計(jì)算步驟 (1)建立初始單純形表在表中將檢驗(yàn)數(shù)行按優(yōu)先因子個數(shù)分別列成K行。初始的檢驗(yàn)數(shù)需根據(jù)初始可行解計(jì)算出來，方法同基本單純形法。當(dāng)不含絕對約束時，di- （i=1,2, ,K）構(gòu)成了一組基本可行解，這時只需利用相應(yīng)單位向量把各級目標(biāo)行中對應(yīng)di- （i=1,2, ,K）的量消成0即可得到初始單純形表。置k 1； 10/15/202233 （3）根據(jù)目標(biāo)規(guī)劃模型特征，當(dāng)不含絕對約 (2)檢查當(dāng)前第k行中是否存在小于0，且對應(yīng)的前k-1行的同列檢驗(yàn)數(shù)

22、為零的檢驗(yàn)數(shù)。若有取其中最小者對應(yīng)的變量為換入變量，轉(zhuǎn)(3)。若無這樣的檢驗(yàn)數(shù)，則轉(zhuǎn)(5)； (3)按單純形法中的最小比值規(guī)則確定換出變量，當(dāng)存在兩個和兩個以上相同的最小比值時，選取具有較高優(yōu)先級別的變量為換出變量，轉(zhuǎn)（4）； (4)按單純形法進(jìn)行換基運(yùn)算，建立新的單純形表，（注意：要對所有的行進(jìn)行初等變換運(yùn)算）返回(2)； (5)當(dāng)k K 時，計(jì)算結(jié)束。表中的解即為滿意解。否則置k = k+1，返回（2）。 10/15/202234 (2)檢查當(dāng)前第k行中是否存在小于0，且對應(yīng)的例 1 試用單純形法來求解例1的目標(biāo)規(guī)劃模型 Min f = P1（d1+ + d2+ ) + P2 d3+ +

23、P3 d4- + P4（d1- + 2d2- ) s.t. x1 + d1- -d1+ = 9 x2 + d2- -d2+ = 8 4x1 + 6x2 + d3- -d3+ = 60 12x1 + 18x2 +d4- -d4+ =252 x1 , x2 , di- ,di+ 0 , i = 1,2,3,4. 10/15/202235例 1 試用單純形法來求解例1的目標(biāo)規(guī)劃模型10/11/20解: 首先處理初始基本可行解對應(yīng)的各級檢驗(yàn)數(shù)。10/15/202236解:10/11/202236（1）k = 1，在初始單純形表中基變量為 （d1-,d2-,d3-,d4-)T =（9，8 ， 60，252)T ；（2）因?yàn)镻1與P2優(yōu)先級的檢驗(yàn)數(shù)均已經(jīng)為非負(fù)，所以這個單純形表對P1與P2優(yōu)先級是最優(yōu)單純形表；（3）下面考慮P3優(yōu)先級，第二列的檢驗(yàn)數(shù)為-18，此為進(jìn)基變量，計(jì)算相應(yīng)的比值 bi/aij 寫在 列。通過比較，得到d2- 對應(yīng)的比值最小，于是取a22（標(biāo)為 * 號）為主元進(jìn)行矩陣行變換得到新的單純形表； 10/15/202237（1）k = 1，在初始單純形表中基變量為10/11/202（4）下面繼續(xù)考慮P3優(yōu)先級，第一列的檢驗(yàn)數(shù)為 -12，此為進(jìn)基變量，計(jì)算相應(yīng)的比值 bi/aij ，得到d3- 對應(yīng)的比值最