(2.1) Z = С1х1+С2х2
при
a11x1 + a22x2 b1
(2.2) a21x1 + a22x2 b2
........
aM1x1 + aM2x2 bM
(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: ai1x1 + ai2x2 + ai3x3 = bi,(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).
2.1. Примеры задач, решаемых графическим методом.
Решим графическим методом задачи использования сырья и составления рациона.
Задача использования сырья. Для изготовления двух видов продукции Р1 и Р2 используют три вида сырья: S1, S2, S3. Запасы сырья, количество единиц сырья, затрачиваемых на изготовление единицы продукци, а так же величина прибыли, получаемая от реализации единицы продукции, приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1.
| Вид сырья | Запас сырья | Количество единиц сырья, идущих на изготовление единицы продукции | |
| Р1 | Р2 | ||
| S1 | |||
| S2 | |||
| S3 | |||
| Прибыль от единицы продукции, руб. |
Необходимо составить такой план выпуска продукции, чтобы при ее реализации получить максимальную прибыль.
Решение.
Обозначим через х1 количество единиц продукции Р1, а через х2 – количество единиц продукции Р2. Тогда, учитывая количество единиц сырья, расходуемое на изготовление продукции, а так же запасы сырья, получим систему ограничений:
2х1 + 5х2 20
8х1 + 5х2 40
5х1 + 6х2 30
которая показывает, что количество сырья, расходуемое на изготовление продукции, не может превысит имеющихся запасов. Если продукция Р1 не выпускается, то х1=0; в противном случае x1 0. То же самое получаем и для продукции Р2. Таким образом, на неизвестные х1 и х2 должно быть наложено ограничение неотрицательности: х1 0, х2 0.
Конечную цель решаемой задачи – получение максимальной прибылипри реализации продукции – выразим как функцию двух переменных х1 и х2. Реализация х1 единиц продукции Р1 и х2 единиц продукции Р2 дает соответственно 50х1 и 40х2 руб. прибыли, суммарная прибыль Z = 50х1 + 40х2 (руб.)
Условиями не оговорена неделимость единица продукции, поэтому х1 и х2 (план выпуска продукции) могут быть и дробными числами.
Требуется найти такие х1 и х2, при которых функция Z достинает максимум, т.е. найти максимальное значение линейной функции Z = 50х1 + 40х2 при ограничениях
2х1 + 5х2 20
8х1 + 5х2 40
5х1 + 6х2 30
х1 0, х2 0.
Построим многоугольник решений (рис. 2.3).
Для этого в системе координат х1Ох2 на плоскости на плоскости изобразим граничные прямые
2х1 + 5х2 = 20 (L1)
8х1 + 5х2 = 40 (L2)
5х1 + 6х2 = 30 (L3)
х1 = 0, х2 = 0.
Взяв какую-нибудь точку, например, начало координат, установим, какую полуплоскость определяет соответствующее неравенство (эти полуплоскости на рис. 2.3 показаны стрелками). Многоугольником решений данной задачи является ограниченный пятиугольник ОАВСD.
Для построения прямой 50х1 + 40х2 = 0 строим радиус-вектор N = (50;40) = 10(5;4) и через точку O проводим прямую, перпендикулярную ему. Построенную прямую Z = 0 перемещаем параллельно самой себе в направлении вектора N. Из риc. 2.3 следует, что опорной по отношению к многоугольнику решений эта прямая становится в точке С, где функция Z принимает максимальное значение. Точка С лежит на пересечении прямых L1 и L2. Для определения ее координат решим систему уравнений
8x1 + 5х2 = 40
5х1 + 6х2 = 30
Оптимальный план задачи: х1 = 90/23 = 3,9; х2 = 40/23 = 1,7. Подставляя значения х1 и х2 в линейную функцию, получаем Zmax = 50 3,9 + 40 1,7 = 260,3
Таким образом, для того чтобы получить максимальную прибыль в размере 260,3 руб., необходимо запланировать производство 3,9 ед. продукции Р1 и 1,7 ед. продукции Р2.
Задача составления рациона. При откорме каждое животное ежедневно должно получать не менее 9 ед. питательного вещества S1, не менее 8 ед. вещества S2 и не менее 12 ед. вещества S3. Для составления рациона используют два вида корма. Содержание количества елиниц питательных веществ в 1 кг каждого вида корма и стоимость 1 кг корма приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2.
| Питательные вещества | Количество единиц питательных веществ в 1 кг корма. | |
| Корм 1 | Корм 2 | |
| S1 | ||
| S2 | ||
| S3 | ||
| Стоимость 1 кг корма, коп. |
Необходимо составить дневной рацион нужной питательности, причем затраты на него должны быть минимальными.
Решение.
Для составления математической модели обозначим через х1 и х2 соответственно количество килограммов корма 1 и 2 в дневном рационе. Принимая во внимание значения, приведенные в таблице 2.2, и условие, что дневной рацион удовлетворяет требуемой питательности только в случае, если количество единиц питательных веществ не меньше предусмотренного, получаем систему ограничений
3х1 + х2 9
х1 + 2х2 8
х1 + 6х2 12
х1 0, х2 0.
Если корм 1 не используется в рационе, то х1=0; в противном случае x1 0. Аналогично имеем х2 0. То есть должно выполняться условие неотрицательности переменных: х1 0, х2 0.
Цель данной задачи – добиться минимальных затрат на дневной рацион, поэтому общую стоимость рациона можно выразить в виде линейной функции Z = 4х1 + 6х2 (коп.)
Требуется найти такие х1 и х2, при которых функция Z принимает минимальное. Таким образом, необходимо найти минимальное значение линейной функции Z = 4х1 + 6х2 при ограничениях
3х1 + х2 9
х1 + 2х2 8
х1 + 6х2 12
х1 0, х2 0.
Построим многоугольник решений (рис. 2.4). Для этого в системе координат х1Ох2 на плоскости изобразим граничные прямые
3х1 + х2 = 9 (L1)
х1 + 2х2 = 8 (L2)
х1 + 6х2 = 12 (L3)
х1 = 0, х2 = 0.
Взяв какую-нибудь точку, например, начало координат, установим, какую полуплоскость определяет соответствующее неравенство (эти полуплоскости на рис. 2.4 показаны стрелками). В результате получим неограниченную многоугольную область с угловыми точками А, В, С, D.
Для построения прямой 4х1 + 6х2 = 0 строим радиус-вектор N = (4;6) и через точку O проводим прямую, перпендикулярную ему. Построенную прямую Z = 0 перемещаем параллельно самой себе в направлении вектора N. Из риc. 2.4 следует, она впервые коснется многогранника решений и станет опорной по отношению к нему в угловой точе В. Если прямую перемещать дальше в направлении вектора N, то значения линейной функции на многограннике решений возрастут, значит, в точке В линейная функция Z принимает минимальное значение.
Точка В лежит на пересечении прямых L1 и L2. Для определения ее координат решим систему уравнений
3x1 + х2 = 9
х1 + 2х2 = 8
Имеем: х1 = 2; х2 = 3. Подставляя значения х1 и х2 в линейную функцию, получаем Zmin = 4 2 + 6 3 = 26.
Таким образом, для того, чтобы обеспечить минимум затрат (26 коп. в день), необходимо дневной рацион составить из 2 кг корма 1 и 3 кг корма 2.