Геометрическая интерпретация задачи линейного программирования

1.2   Геометрическая интерпретация задачи линейного программирования.

Рассмотрим задачу линейного программирования, система ограничений которой задана в виде неравенств.

Найти минимальное значение линейной функции

(1.5) Z = С₁х₁+С₂х₂+... +С_Nx_N

при ограничениях

a₁₁x₁ + a₂₂x₂ + ... + a_1NХ_N b₁

a₂₁x₁ + a₂₂x₂ + ... + a_2NХ_N b₂

(1.6) . . . . . . . . . . . . . . .

a_M1x₁ + a_M2x₂ + ... + a_MNХ_N b_M

(1.7) x_j 0 (j = 1, 2, ... ,n)

Совокупность чисел х₁, х₂, ..., х_N, удовлетворяющих ограничениям (1.6) и (1.7), называется решением. Если система неравенств (1.6) при условии (1.7) имеет хотя бы одно решение, она называется совместной, в противном случае - несовместной.

Рассмотрим на плоскости х₁Ох₂ совместную систему линейных неравенств

a₁₁x₁ + a₂₂x₂  b₁

a₂₁x₁ + a₂₂x₂ b₂

. . . . . . . .

a_M1x₁ + a_M2x₂ b_M

x₁ 0, x₂ 0

Это все равно, что в системе (1.6) - (1.7) положить N=2. Каждое неравенство этой системы геометрически определяет полуплоскость с граничной прямой

a_i1x₁ + a_i2x₂ = b_i ,(i = 1, 2, ..., m). Условия неотрицательности определяют полуплоскости соответственно с граничными прямыми х = 0, х = 0. Система совместна, поэтому полуплоскости, как выпуклые множества, пересекаясь, образуют общую часть, которая является выпуклым множеством и представляет собой совокупность точек, координаты каждой из которых являются решением данной системы (рис. 1.1).

Совокупность этих точек (решений) назовем многоугольником решений. Он может быть точкой, отрезком, лучом, много-угольником, неограничен-ной многоугольной облас-тью.

Если в системе ограничений (1.6) - (1.7) n = 3, то каждое нера-венство геометрически представляет полупространство трехмерного пространства, граничная плоскость которого a_i1x₁ + a_i2x₂ + a_i3x₃ = b_i ,(i = 1, 2, ..., n), а условия неотрицательности – полупрост-ранства с граничными плоскостями соответственно х_j = 0 (j = 1, 2, 3). Если система ограничений совместна, то эти полупространства, как выпуклые множества, пересекаясь, образуют в трехмерном пространстве общую часть, которая называется многогранником решений. Многогранник решений может быть точкой, отрезком, лучом, многоугольником, многогранником, многогранной неограниченной областью. Пусть в системе ограничений (1.6) - (1.7) n 3; тогда каждое неравенство определяет полупространство n-мерного пространства с граничной гиперплоскостью a_i1x₁ + a_i2x₂ + a_iNx_N = b_i (i = 1, 2, ..., m), а условия неотрицательности – полупространства с граничными гиперплоскостями х_j 0 (j = 1, 2, ..., n).

 Если система ограничений совместна, то по аналогии с трехмерным пространством она образует общую часть n-мерного пространства, называемую многогранником решений, так как координаты каждой его точки являются решением.

 Таким образом, геометрически задача линейного программирования представляет собой отыскание такой точки многогранника решений, координаты которой доставляют линейной функции минимальное значение, причем допустимыми решениями служат все точки многогранника решений.

2.   Графический метод решения

задачи линейного программирования.

2.1.  Область применения.

Графический метод основан на геометрической интерпретации задачи линейного программирования и применяется в основном при решении задач двумерного пространства и только некоторых задач трехмерного простран6тва, так как довольно трудно построить многогранник решений, который образуется в результате пересечения полупространств. Задачу пространства размерности больше трех изобразить графически вообще невозможно.

Пусть задача линейного программирования задана в двумерном пространстве, т. е. ограничения содержат две переменные.

Найти минимальное значение функции

(2.1) Z = С₁х₁+С₂х₂

при

a₁₁x₁ + a₂₂x₂  b₁

(2.2) a₂₁x₁ + a₂₂x₂ b₂

. . . . . . . .

a_M1x₁ + a_M2x₂ b_M

(2.3) х₁ 0, х₂ 0

Допустим, что система (2.2) при условии (2.3) совместна и ее многоугольник решений ограничен. Каждое из неравенств (2.2) и (2.3), как отмечалось выше, определяет полуплоскость с граничными прямыми: a_i1x₁ + a_i2x₂ + a_i3x₃ = b_i,(i = 1, 2, ..., n), х₁=0, х₂=0. Линейная функция (2.1) при фиксированных значениях Z является уравнением прямой линии: С₁х₁ + С₂х₂ = const. Построим многоугольник решений системы ограничений (2.2) и график линейной функции (2.1) при Z = 0 (рис. 2.1). Тогда поставленной задаче линейного прграммирования можно дать следующую интерпретацию. Найти точку многоугольника решений, в которой прямая С₁х₁ + С₂х₂ = const опорная и функция Z при этом достигает минимума.

 Значения Z = С₁х₁ + С₂х₂ возрастают в направлении вектора N =(С₁, С₂), поэтому прямую Z = 0 передвигаем параллельно самой себе в направлении вектора Х. Из рис. 2.1 следует, что прямая дважды становится опорной по отношению к многоугольнику решений (в точках А и С), причем минимальное значение принимает в точке А. Координаты точки А (х₁, х₂) находим, решая систему уравнений прямых АВ и АЕ.

Если многоугольник решений представляет собой неограниченную многоуголь-ную область, то возможны два случая.

Случай 1. Прямая С₁х₁ + С₂х₂ = const, передвигаясь в направлении вектора N или противоположно ему, постоянно пересекает многоугольник решений и ни в какой точке не является опорной к нему. В этом случае линейная функция не ограничена на многоугольнике решений как сверху, так и снизу (рис. 2.2).

Случай 2. Прямая, пере-двигаясь, все же становится опорной относительно многоу-гольника решений (рис. 2.2, а – 2.2, в). Тогда в зави-симости от вида области ли-нейная функция может быть ограниченной сверху и неограниченной снизу (рис. 2.2, а), ограниченной снизу и неограниченной сверху (рис. 2.2, б), либо ограниченной как снизу, так и сверху (рис. 2.2, в).