Systémové modelování. Ekonomicko matematické metody I. Lineární programování

Transkript

1 Ekonomicko matematické metody I. Lineární programování Modelování Modelování je způsob zkoumání reality, při němž složitost, chování a další vlastnosti jednoho celku vyjadřujeme složitostí, chováním a vlastnostmi jiného celku modelu. Model je záměrně zjednodušený obraz skutečnosti vytvořený pomocí zvolených zobrazovacích prostředků. Systémové modelování kvantifikace modelu definice systému konstrukce modelu OBJEKT SYSTÉM MODEL Typy modelů z hlediska záměru Normativní modely Ukazují optimální, žádoucí stav systému Deskriptivní modely Popisují systém a jeho chování, neobsahují kritérium Koncepční modely Popisují koncepci nově navrhovaného systému Typy modelů z hlediska reprezentace Ikonické (materiální) modely stroje a předměty; zařízení pracující na principu analogie. Symbolické modely grafické; slovní - verbální; matematické modely operačního výzkumu. implementace řešení verifikace modelu Vybrané E-M modely Matematické programování optimalizační modely Distribuční modely Teorie grafů, modely projektového řízení Modely konfliktních situací Vícekriteriální rozhodování Strukturní analýza Stochastické modely Simulační modely Modely systémové dynamiky interpretace výsledků Prvky matematických modelů Proměnné a konstanty - modelují prvky systému o endogenní, stavové - zobrazují charakteristiky vnitřního stavu systému; o exogenní, vstupní nebo výstupní - zobrazují vztahy systému a okolí. Rovnice a nerovnice o zobrazují vazby systému. Funkce a relace o popisují chování a další vlastnosti systému. Systém Tvoří most mezi realitou a modelem Záměrně zjednodušený obraz reality Systém je neprázdná, účelově definovaná třída prvků a vazeb mezi nimi, která spolu se svými vstupy a výstupy vykazuje jako celek ve svém vývoji kvantifikovatelné vlastnosti a chování. Nelze opomenout o účel; o strukturu: prvky, hranice, okolí, vazby; o chování: y = T(x). Lineární programování - Definice modelu a jeho grafické řešení Vybrané aplikace Optimalizace výrobních programů Směšovací úlohy, řezné plány Rozvrhy směn Jiné oblasti operačního výzkumu o teorie her; o dopravní úlohy; o plánování projektů; o apod. Model lineárního programování Cíl: nalézt vázaný extrém lineární funkce více proměnných, který vyhovuje daným lineárním omezujícím podmínkám Komponenty modelu proměnné; omezující podmínky; účelová (kriteriální) funkce; podmínky nezápornosti

2 Proměnné Rozhodovací (strukturní) proměnné Značí se x i Zachycují počet realizací daného procesu Vyjadřují se ve vhodných jednotkách o z hlediska cíle rozhodování; o z hlediska výpočtů. Omezující podmínky Vymezují přípustné kombinace hodnot proměnných Základní typy omezujících podmínek o kapacitní ; o požadavkové ; o určení =. Účelová funkce Vyjádřena jako skalární součin jednotkových cen proměnných a jejich hodnot Základní typy účelových funkcí o minimalizační; o maximalizační. Podmínky nezápornosti Požadujeme pro všechny proměnné Zajišťují praktickou aplikovatelnost řešení Matematický zápis Sestavení modelu Identifikace proměnných o podle cíle řešení úlohy; o hledejte otázku proměnné by ji měly zodpovědět. Jednotky proměnných o volba jednotky - opět podle cíle řešení úlohy; o rozměr jednotky - aby se s proměnnými dobře pracovalo. Identifikace omezujících podmínek (OP) o z textu zadání; o vše, co rozhodovatele limituje při rozhodování; o rovněž OP mají svoje jednotky. Účelová funkce o přímo popisuje cíl rozhodování; o opět nezapomínáme na jednotky. Podmínky nezápornosti Grafické řešení modelu LP Prostor řešení o nejvýše dvě rozhodovací proměnné; o libovolný počet omezujících podmínek. Prostor požadavků o libovolný počet rozhodovacích proměnných; o nejvýše dvě omezující podmínky. Prostor řešení Proměnné osy souřadnic Omezující podmínky o kapacitní, požadavkové poloroviny; o určení přímky. Podmínky nezápornosti 1. kvadrant Účelová funkce mapa spojnic kombinací proměnných s konstantní hodnotou ÚF Možné výsledky Optimální řešení existuje o právě jedno optimální řešení; o nekonečně mnoho optimálních řešení. Optimální řešení neexistuje o žádné přípustné řešení; o hodnota účelové funkce může neomezeně růst nebo klesat. Vlastnosti a omezení modelu LP Linearita o Aditivita (sčitatelnost) o Spojitost o Neomezená záměna faktorů o Libovolná dělitelnost Deterministický charakter Statický charakter Specifická řešení modelu LP Přípustné řešení Optimální řešení Alternativní řešení Suboptimální řešení Bázické řešení - 2 -

3 Bázické řešení modelu LP Vektorový prostor Báze vektorového prostoru Kanonická báze vektorového prostoru Řešení soustavy lineárních rovnic Řešení soustavy lineárních rovnic s parametrem Bázické řešení modelu lineárního programování Základní věty LP Optimální řešení úlohy LP leží vždy na hranici množiny přípustných řešení. Má-li úloha LP přípustné řešení, má i přípustné bázické řešení. Má-li úloha LP optimální řešení, má i optimální bázické řešení. Má-li úloha LP více než jedno optimální bázické řešení, je optimálním řešením i jejich lineární konvexní kombinace. Prostor požadavků Podmínka použití: model musí být v rovnicovém tvaru Realizujeme pomocí tzv. doplňkových proměnných takto: o kapacitní podmínky přičteme hodnotu doplňkové proměnné k levé straně OP o požadavkové podmínky od levé strany OP hodnotu doplňkové proměnné odečteme o podmínky určení rovnice, žádná transformace není potřeba Doplňkové proměnné o přebírají jednotku omezující podmínky; o neovlivňují ÚF, vždy jim přiřazujeme nulovou sazbu; o rovněž musí být nezáporné. Řešení modelu LP v PP Eliminujeme různé ocenění proměnných v účelové funkci vydělíme matici A koeficienty v účelové funkci Zobrazíme v grafu míru uspokojení požadavků příslušnou proměnnou (v hodnotovém vyjádření) Zakreslíme vektor požadavků a zjistíme, které kombinace proměnných tento požadavek mohou uspokojit Nalezneme tu kombinaci proměnných, která daný požadavek uspokojí co nejlevněji (MIN) resp. co nejdráže (MAX) Vypočteme z původních podmínek hodnoty proměnných v optimálním řešení a hodnotu účelové funkce. Použité symboly a značení Proměnné o x strukturní proměnné; o d doplňkové proměnné; o p pomocné proměnné. Omezující podmínky Ax b o A = (a ij ) matice soustavy; o b vektor pravých stran. Účelová funkce z = c.x o c cenové koeficienty proměnných (jednotkové ceny) Simplexový algoritmus Splnění podmínek simplexového algoritmu Výchozí bázické řešení Test optima (vstupu) Test přípustnosti báze (výstupu) Přechod na nové řešení Jordanovou eliminační metodou Podmínky simplexového algoritmu Nezápornost složek vektoru pravých stran o stačí zkontrolovat; o pokud není splněna, lze příslušné omezující podmínky vynásobit hodnotou (-1). Matice soustavy v kanonickém tvaru o krok 1: rovnicový tvar modelu; o krok 2: kanonický tvar modelu. Rovnicový tvar Nerovnice vyrovnáme na rovnice Doplňkové proměnné o značíme d, indexujeme číslem omezující podmínky; o přebírají jednotky omezující podmínky; o v účelové funkci ohodnocujeme nulovou sazbou; o požadujeme jejich nezápornost. Přidáváme do omezujících podmínek o kapacitních s kladným znaménkem (rezerva); o požadavkových se záporným znaménkem (překročení požadavku). Kanonický tvar Nerovnice vyrovnáme na rovnice (doplňkové proměnné) Zajistíme úplnou jednotkovou submatici Pomocné proměnné o značíme p, indexujeme číslem omezující podmínky; o přebírají jednotky omezující podmínky; o v účelové funkci ohodnocujeme nevýhodnou (prohibitivní) sazbou; o požadujeme jejich nezápornost. Pomocné proměnné Přidáváme do omezujících podmínek o požadavkových; o typu určení; o vždy s kladným znaménkem. Interpretace kolik jednotek zbývá do splnění omezení; řešení s kladnou hodnotou pomocné proměnné je proto automaticky nepřípustné

4 Výchozí bázické řešení Sestavení výchozí simplexové tabulky Identifikace bázických a nebázických proměnných Určení hodnot proměnných ve výchozím bázickém řešení Určení hodnoty účelové funkce Test optimality Existuje bázické řešení s lepší hodnotou ÚF? Záměna proměnných v bázi Koeficient z j c j o záporný: hodnota ÚF se zvyšuje; o kladný: hodnota ÚF se snižuje; o nulový: proměnná nemá vliv na hodnotu ÚF. Řešení je optimální o minimalizace: z j c j 0 pro všechna j; o maximalizace: z j c j 0 pro všechna j. Klíčový sloupec: maximální hodnota z j c j z těch, které porušují podmínku optimality Příklad Farma se rozhoduje o vyhrazení části své půdy pro pěstování pšenice, ječmene a žita. o tyto plodiny mají obsadit celkem právě 140 hektarů; o potřeba chlévského hnoje je 40; 15 a 20 t/ha, k dispozici je maximálně 3000 t hnoje; o odhadované zisky v tis. Kč/ha jsou pro jednotlivé plodiny 1; 1 a 2 (bráno po řadě), je požadováno dosáhnout alespoň 200 tis. Kč zisku. Farma chce minimalizovat dopady na životní prostředí, které vyjadřuje v jednotkách zátěže (JZ/ha) a které jsou pro jednotlivé plodiny 7; 2 a 4. Na jaké ploše by měly být vysety jednotlivé plodiny? Výpočet v simplexové tabulce Test přípustnosti I nové řešení musí splňovat podmínky SA Nezáporné složky vektoru b Známe klíčový sloupec (z testu optima) Určíme klíčový řádek podle podílů, kde k je index klíčového sloupce Pouze pro a ij > 0 Minimum z těchto podílů určuje klíčový řádek Nové řešení Jeden krok Jordanovy eliminační metody Přesun jednotkového vektoru pod proměnnou, která vstupuje do báze Průsečík klíčového řádku a klíčového sloupce = klíčový prvek Klíčový řádek vydělíme klíčovým prvkem Od ostatních řádků odečteme vhodný násobek NOVÉHO klíčového řádku Interpretace výsledku Rozdělení proměnných na bázické a nebázické Hodnoty všech proměnných Hodnota účelové funkce Relativní nevýhodnost nebázických proměnných duální (stínové) ceny Interpretace výsledku Rozdělení proměnných na bázické a nebázické Hodnoty všech proměnných o zápis vektorem bázického řešení; o zápis vektorem obecného řešení. Hodnota účelové funkce Matice báze B, inverzní matice báze B -1 Relativní nevýhodnost nebázických proměnných duální (stínové) ceny - 4 -

5 Dualita lineárních modelů Princip: otočení úhlu pohledu o 90 o Tvorba duálního modelu Simplexová metoda Ověření podmínek simplexového algoritmu Výchozí bázické řešení Test optimality Test přípustnosti Přechod na nové řešení Interpretace výsledku Postoptimalizační úvahy Tvorba nebázického řešení o maximální hodnota nebázické proměnné. Analýza stability báze vzhledem ke složkám vektoru pravých stran Analýza citlivosti řešení vzhledem ke změnám cenových koeficientů o nebázických proměnných; o bázických proměnných. Dualita lineárních modelů Matice koeficientů A v primárním modelu a matice A T v duálním Vektor pravých stran b v primárním modelu a vektor cen b v duálním Vektor cen c v primárním modelu a vektor pravých stran c v duálním Největší problém: typ omezení a podmínky nezápornosti proměnných Vztahy dvojice duálně sdružených modelů Primární úloha má optimální řešení x o právě tehdy, když má duální úloha optimální řešení y o. Navíc platí c T x o = b T y o. Nechť má primární úloha přípustné řešení x a duální úloha přípustné řešení y, pro která platí c T x = b T y, pak jsou tato řešení optimálními řešeními obou úloh. Věta o dualitě Pro dvojici duálně sdružených úloh platí buď: obě úlohy mají přípustná řešení, pak mají i optimální řešení nebo jedna z úloh přípustné řešení nemá, pak druhá nemá optimální řešení (buď také nemá přípustné řešení nebo má neomezenou účeovou funkci) Suboptimální řešení Sousední bázické řešení Zařazení nebázické proměnné do báze Interpretace o rozhodovací proměnná přidání aktivity; o doplňková proměnná změna omezení. Změny o maximální hodnota do hodnoty testu přípustnosti; o změna účelové funkce o součin duální hodnoty a počtu zařazovaných jednotek proměnné. Inverzní matice báze Základ pro všechny postoptimalizační úvahy Značíme B -1 Umožní spočítat výslednou tabulku z výchozí v jednom kroku Zjistíme z výsledné tabulky na místech, kde ve výchozí tabulce byly jednotkové vektory Interval stability pravých stran Pro jednu konkrétní složku b i Cíl: aby výsledné řešení zůstalo přípustné Vyjádříme parametricky jako b i + λ Musí platit B -1 b 0 Hledáme přípustné hodnoty parametru λ - 5 -

6 Ekvivalentně o dolní mez změny test přípustnosti pro i-tý sloupec matice B -1 pro kladné hodnoty; o horní mez změny test přípustnosti pro i-tý sloupec matice B -1 pro záporné hodnoty. Interval stability cen Pro jednu konkrétní složku c i Cíl: aby výsledné řešení zůstalo optimální Vyjádříme parametricky jako c j + ν Hledáme přípustné hodnoty parametru ν, aby platil test optimality o pro nebázickou proměnnou zhoršení neomezené, zlepšení nejvýše o hodnotu testu optima; o pro bázickou proměnnou podle poměrů testu optimality a hodnot v řádku bázické proměnné. Směnové rozvrhy Minimalizace počtu pracovníků ve směnách při dodržení požadavků v jednotlivých hodinách a umožnění odpracovat nepřerušovanou směnu. Program Linkosa Doplněk MS Excel Řeší modely LP pomocí simplexové metody Poskytuje následující výstupy o optimální řešení; o matice alfa; o stabilita pravých stran; o stabilita cen. Praktické aplikace modelů LP Výrobní program Směšovací úlohy Řezné plány Plán směn Směšovací úlohy Také nutriční, výživové, apod. Cíl: Hledání optimální směsi produktů různých vlastností a cen Krmné dávky Dietní přípravky pro lidskou výživu Surové ropné produkty pro různé druhy prodávaných paliv Složky barev Řezné plány Obecně: úlohy o dělení Hledání racionálního způsobu dělení Dodržení podmínek o Počet kusů apod. Kritérium o Minimalizace spotřebovaného materiálu o Minimalizace odpadu, který vzniká při dělení (řezání) ocele, kůže apod. z plátu, desky, tyče, roury apod. základního materiálu - 6 -