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假设您决定创建一个饮食图表。您希望它包含健康身体所需的所有营养素,并希望将购买所包含的食品类型的成本降至最低。每天营养食品的分配可以通过将其表述为线性规划问题(LPP)来完成。
线性规划问题是确定有限资源的最优分配以达到目标的问题。一些经典的线性规划问题在制造、饮食和交通规划中遇到。
这些资源可以是人力、原材料、资金、需求、机器等。线性规划问题的目标可以是最大化利润和效用,最小化总成本和资本支出等。对可用资源的总量和每件产品的数量或质量都有一定的限制。
线性规划问题涉及函数的优化(最大化或最小化)。它由目标函数、决策变量和约束条件三部分组成。
需要优化的功能被称为目标函数.
调用其值决定给定问题的解的变量决策变量这个问题。
问题所涉及的一组联立线性方程或不等式被称为约束.
在线性规划问题中,“线性”一词是指目标函数中涉及的所有变量和约束都是线性的,即在所考虑的问题中为\(1\)次。“编程”一词指的是确定特定行动方针的过程。
在制定线性规划问题时,必须应用以下规则。
必须有一个明确的目标来实现(最大化或最小化)。
决策变量的数量是有限的。
至少有一些资源的供应是有限的,这就产生了制约。
所有的元素都应该是可量化的。所有的决策变量应该只取非负值。
给定的目标函数和约束都必须是线性方程或不等式。
必须有行动路线的备选方案可供选择。
如果\(x_i (i=1,2,…,n)\)是问题的\(n\)个决策变量,并且给定系统受\(k\)个约束,则一般数学模型可以写成
优化\ (Z = f (x_1、x_2…,x_n) \)受到\ (g_i (x_1、x_2…,x_n) \ leq = \组b_j, (i = 1,2,…,k) \)
和\ (x_1、x_2…,x_n \geq 0\)
让我们看一下线性规划问题的数学公式所涉及的步骤。
我们必须识别待确定的未知决策变量,并为其分配符号。
然后,确定目标或目的,并将其表示为决策变量的线性函数。
接下来,你需要确定给定问题中的所有限制条件,并将这些限制条件表达为决策变量的线性方程或不等式。
将线性规划问题的完整公式表示为一个由目标和约束组成的数学模型。
下面的步骤是用数学公式来表述线性规划问题。
步骤1:首先,对于函数的优化,识别控制目标函数行为的所有决策变量的数量。我们用n来表示。
步骤2:其次,您需要确定决策变量的约束集。你需要用线性方程或不等式的形式来表示它们。这将帮助你在需要优化目标函数的n维空间中建立你的区域。请注意决策变量的非负性条件,即所有决策变量都应该是正的,因为问题可能代表现实世界的场景,而这些变量不能是负的。
步骤3:现在表达目标函数以线性方程或不等式的形式决定变量。
步骤4:最后,对目标函数进行数学优化。
一家工厂生产两种类型的产品\(S\)和\(T\),并以\(S\)和\(T\)的利润\(2美元)和\(3美元)的利润出售它们。每种产品在两台机器\(M_1\)和\(M_2\)上加工。类型\(S\)在\(M_1\)上需要\(1\)分钟的处理时间,在\(M_2\)上需要\(2\)分钟。类型\(T\)需要\(1\)分钟在\(M_1\)上,1分钟在\(M_2\)上。机器\(M_1\)的可用时间不超过\(6\)小时\(40\)分钟,而机器\(M_2\)在任何工作日内的可用时间为\(10\)小时。将问题表述为LPP,以实现利润最大化。
解决方案:
让工厂决定生产\(x_1\)单位的产品\(S\)和\(x_2\)单位的产品\(T\)以使其利润最大化。
为了生产这些类型\(S\)和\(T\)的产品,需要\(x_1+x_2\)在\(M_2\)和\(2x_1+x_2\)在\(M_2\)上的加工分钟。由于机器\(M_1\)最多可工作\(6\)小时\(40\)分钟,\(M_2\)最多可工作\(10\)小时,因此约束为
\ [x_1 + x_2 \ leq 400 \] \ [2 x_1 + x_2 \ leq 600 \]和\ [x_1、x_2 \组0。\]
因为类型S的利润是2美元,类型T的利润是3美元,所以总利润是2x_1+3x_2。由于目标是利润最大化,目标函数是最大化(Z=2x_1+3x_2)。
在约束条件下,LPP的完整表达式为\(\text {maximize}\, Z=2x_1+3x_2\)
\ [x_1 + x_2 \ leq 400 \]
600年\ [2 x_1 + x_2 \ leq \]
\[x_1,x_2 \geq 0.\]
让我们再看一个问题。
一家生产智能手表和旗舰手机的公司。该公司的预测显示,预计每天至少有200部旗舰手机和140部智能手表的需求。由于生产部门的一些限制,每天只能生产300只旗舰手机和180只智能手表。
为了方便运输合同,每天必须至少运送240件货物。如果每卖出一款旗舰手机,就会亏损10美元,但每卖出一款智能手表就会盈利20美元;那么,为了实现净利润的最大化,每款智能手表和旗舰手机的日均产量应该是多少?
解决方案:
让我们按照所涉及的步骤来解决给定的线性规划问题。
步骤1:你必须找到决策变量。你被要求优化公司生产的智能手机和旗舰手机的数量。这些将是给定问题中的决策变量。
令\(x=\)旗舰手机的产量和\(y=\)智能手机的产量
因此,\(x\)和\(y\)是给定问题中的两个决策变量。
步骤2:现在你必须考虑约束条件。由于该公司不能生产负数量的旗舰手机和智能手表,因此明显的限制将是\[x \ge 0,\]和\[y \ge 0]。在给定的问题中,给出了该公司销售其智能手表和旗舰手机的下限。你可以把它们写成\[x \ge 200,\]和\[y \ge 140。\]考虑到生产部门的限制,给出了这些制造的上限。你可以把它们写成\[x \le 300,\]和\[y \le 180.\]此外,由于运输问题,智能手表和旗舰手机都有联合约束。契约为\[x+y \ge 240.\]
步骤3:现在考虑目标函数。你必须优化净利润函数。它被给出为\[P=-10x+20y。\]
步骤4:最后一步是解决问题。
\[\text {maximum}\, P=-10x+20y \]
以\[200 \le x \le 300,\] \[140 \le y \le 180,\]及\[x+y \ge 240.\]
让我们再看一个现实场景。
戴夫想要决定他的饮食成分,以最低的成本满足他每天对蛋白质、脂肪和碳水化合物的需求。他从四种不同的食物中获得这些营养。下表给出了他每单位食物的产量。
食物类型 | 收益率/ unitProteins | 收益率/ unitFats | 收益率/ unitCarbohydrates | 成本/单位美元 |
\ [1 \] | \ [3 \] | \ [2 \] | \ [6 \] | \ [2 \] |
\ [2 \] | \ [4 \] | \ [2 \] | \ [4 \] | \ [1 \] |
\ [3 \] | \ [8 \] | \ [7 \] | \ [7 \] | \ [5 \] |
\ [4 \] | \ [6 \] | \ [5 \] | \ [4 \] | \ [3 \] |
最低要求 | \ [900 \] | \ [200 \] | \ [700 \] |
建立了问题的线性规划模型。
解决方案:
让\ (x_1、x_2 x_3 \)和\ (x_4 \)的单位类型的食物\(1 \)\(2 \)\(3 \)和\(4 \)分别使用。
从这些类型为\(1\)、\(2\)、\(3\)和\(4\)的食物单位中,他需要
\ [3 x_1 + 4 x_2 + 8 x_3 + 6 x_4 \ \}{蛋白质/天,文本\]
\[2x_1+2x_2+7x_3+5x_4\, \text{油脂/天}\]
\ [6 x_1 + 4 x_2 + 7 x_3 + 4 x_4 \ \文字}{碳水化合物/天。\]
由于这些蛋白质、脂肪和碳水化合物的最低需要量分别为900、200和700,因此限制条件为
\ [3 x_3 x_1 + 4 x_2 + 8 + 6 x_4 \组900 \]\ [2 x_1 + 2 x_2 + 7 x_3 + 5 x_4 \组200 \]\ [6 x_1 + 4 x_2 + 7 x_3 + 4 x_4 \组700年\]
\[x_1,x_2,x_3, x4 \geq 0.\]
以来,这种食物的成本类型\(1 \)\(2)\ \(3 \)\[4 \)\ \)(2美元,\ \(1美元),\ \(5美元)和\ \(3美元),单位总成本\ (x_3 2 x_1 + x_2 + 5 + 3 x_4 \ \)美元。由于目标是使总成本最小化,目标函数为
\[\text {minimize}\, Z=2x_1+1x_2+5x_3+3x_4.\]
LPP的完整公式为
\[\text {minimize}\, Z=2x_1+1x_2+5x_3+3x_4\]
受
\[3x_1+4x_2+8x_3+6x_4 \geq 900,\]
\[2x_1+2x_2+7x_3+5x_4 \geq 200,\]
\ [6 x_1 + 4 x_2 + 7 x_3 + 4 x_4 \组700 \]和\ [x_1、x_2 x_3, x_4 \组0。\]
通过确定目标函数、决策变量和约束条件,你制定了一个线性规划问题。
线性规划问题涉及函数的优化(最大化或最小化)。一些经典的线性规划问题在制造、饮食规划和交通规划中都会遇到。
制定线性规划问题的第一步是确定要最大化或最小化的目标函数。
如果没有模型公式,目标和实现目标的约束就不明显。
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