运筹学 第五章 整数规划

引入0-1变量： f (x) -M(1-y) g (x) My (*)
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f (x) -M(1-y)
(*)
g (x) My
如果f (x)<0成立，则y不能为1，否则与（*）矛 盾； 所以 y=0, g (x) 0 成立。 如果 f (x) 0（即f (x)<0不成立） 则y的取值已无关紧要，因为y取任何值（*）总 成立，所以y的取值不由（*）控制，因此g (x) 的取值不受任何限制。
P1
1 P2 0 1 2 3 4 x1
41
两个子问题： （P1）Max Z=4x1+3x2
s.t. 3x1+4x2 12
4x1+2x2 9 x1,x2 0 ， x1 1 ，整数 用单纯形法可解得相应的（P1）的最 优解（1，9/4） Z=10(3/4)
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（P2）Max Z=4x1+3x2 s.t. 3x1+4x2 12
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例： 用分枝定界法求解：
Max Z=4x1+3x2
s.t. 3x1+4x2 12
4x1+2x2 9
x1,x2 0 整数 用单纯形法可解得相应的松驰问题的 最优解（6/5，21/10）Z=111/10为各分 枝的上界。
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x2 4 3 2
分枝：x1 1,x1 2
（6/5，21/10）
此时 f(x) a f(x) -a 是矛盾约束。
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(5) (6)
f(x) a(6)
引入一个整数变量来处理
f(x)+a My
M是足够大整数，y 是0-1变量
注意：对 |f(x)| a (a>0) 不必引入0-1变 量，因为f(x) a和f(x) -a并不矛盾。
4x1+2x2 9
x1,x2 0 ， x1 2 ，整数 用单纯形法可解得相应的（P2）的最 优解（2，1/2） Z=9(1/2)
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再对（P1） x1 1 （1，9/4）分枝：
x2 4
（P3） x2 2
P4
（P4） x2 3
3
2
P1
1 P3 0 1
P2 2
3
4
x1
44
（P1）两个子问题：
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逻辑关系约束
比较典型的逻辑关系是 if-then关系，也 称if-then约束，这类逻辑关系一般涉及 两个约束，如果第一个约束成立，则第 二个约束也必须成立，否则，如果第一 个约束不成立，则第二个约束也可以不 成立。可以描述如下：
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如果f (x)<0成立，则g (x) 0必须成立；
如果f (x)<0不成立，则对g (x)无限制。
而 2x1+3x2 8-M 自然成立，从而是多余的；
当y=1, 2x1+3x2 8 成立，
而 x1+ x2 2+M 自然成立，从而是多余的。
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多中选一的约束
例如：模型希望在下列n个约束中，只能 有一个约束有效， fi(x) 0 i=1,2,….n. 引入 n个0-1变量yi , i=1,2,…n,则上式可改 写为： fi(x) M(1-yi)
M是足够大的整数，y 是0-1变量
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f(x)-5 0
f(x) 0
(1)
(2)
-f(x)+5 M（1-y)
f(x) My
(3)
(4)
当y=1时,(1)(3)无差别,(4)式显然成立;
当y=0时,(2)(4)无差别,(3)式显然成立。
以上方法可以处理绝对值形式的约束
f(x) a (a>0)
5 D 4 3 I(2,4) P3
2
1 O
P1
P2
P5 P4 5 6 7 A8 9
B(9.2,2.4)
1
2
3
4
10
x1
29
X1 2 X2 3 X1 6 P
P1 P2 P3
X2
4
X1
3
X1
X2 2
P4
7
X2
3
P5
30
假如放弃整数要求后，用单纯形法 求得最优解，恰好满足整数性要求， 则此解也是原整数规划的最优解。 以上内容中描述了目前解整数规划问 题的两种基本途径。
3
例：一登山队员做登山准备，他需 要携带的物品有：食品，氧气， 冰镐，绳索，帐篷，照相机和通 讯设备，每种物品的重要性系数 和重量如下，假定登山队员可携 带最大重量为25公斤。问：如何 装备？
4
序号
1
2
3
4
5
6
7
物品 食品 氧气 冰镐 绳索 帐篷 相机 设备 重量 重要 系数 5 20 5 15 2 18 6 14 12 8 2 4 4 10
1 2
5 D 4 3
I(2,4)
B(9.2,2.4)
2
1 O 1 2 3 4 5 6 7 A8 9 10
x1
27
x2 5 D 4 3
假如能求出可行域的“整点凸包”（包含所有 整点的最小多边形OEFGHIJ），则可在此凸 包上求线性规划的解，即为原问题的解。但求 “整点凸包”十分困难。
I(2,4)
J
6
例 背包问题( Knapsack Problem) 一个旅行者,为了准备旅行的必须用品,要 在背包内装一些最有用的东西,但有个限 制,最多只能装b公斤的物品,而每件物品只 能整个携带,这样旅行者给每件物品规定 了一个“价值”以表示其有用的程度,如 果共有n件物品,第j件物品aj公斤,其价值为 cj.问题变成:在携带的物品总重量不超过b 公斤条件下,携带哪些物品,可使总价值最 大?
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例 求下列问题： Max Z=3x1+13x2 s.t. 2x1+9x2 40
11x1-8x2 82
x1,x2 0,且取整数值
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Max Z=3x1+13x2 放弃整数要求后，最优解B(9.2,2.4) 400=58.8， s.t. 2x1+9x2 Z 而原整数规划最优解I(2,4) Z0=58，实际上B附 11x1-8x2 82 近四个整点(9,2)(10,2)(9,3)(10,3)都不是原规划 x2 最优解。 x ,x 0,且取整数值
I H B(9.2,2.4) G F 1 2 3 4 5 6 E 7 A8 9 10 x1
28
2
1
O
假如把可行域分解成五个互不相交的子问题 P1 P2 P3 P4 P5之和, P3 P5的定义域都是空集,而 x2 放弃整数要求后P1最优解I(2,4),Z1=58 P2最优 解(6,3),Z2=57 P4最优解(98/11,2),Z4=52(8/11)
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解法概述
当人们开始接触整数规划问题时，常会有 如下两种初始想法： 因为可行方案数目有限，因此经过穷举 法一一比较后，总能求出最好方案，例如， 背包问题充其量有2n种方式，实际上这种 方法是不可行。
设想计算机每秒能比较1000000个方式，那 么比较完260种方式，大约需要360世纪。
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先放弃变量的整数性要求，解一个 线性规划问题，然后用“四舍五入” 法取整数解，这种方法，只有在变量 的取值很大时，才有成功的可能性， 而当变量的取值较小时，特别是0-1规 划时，往往不能成功。
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若松驰问题有最优解，但其各分量不 全是整数，则这个解不是原整数规划的 最优解，转下一步。
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若松驰问题有最优解，但其各分量不全 是整数，则这个解不是原整数规划的最 优解，转下一步。
从不满足整数条件的基变量中任选 一 个xl进行分枝，它必须满足xl [xl ] 或 xl [xl ] +1中的一个，把这两个约束条件加 进原问题中，形成两个互不相容的子问 题（两分法）。
（P3）Max Z=4x1+3x2
s.t. 3x1+4x2 12
4x1+2x2 9
x1,x2 0 ,x1 1, x2 2整数
用单纯形法可解得相应的（P3）的最 优解（1，2） Z=10 为上界
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（P1）两个子问题：
（P4）Max Z=4x1+3x2
s.t. 3x1+4x2 12 4x1+2x2 9 x1,x2 0 ,x1 1, x2 3整数 用单纯形法可解得相应的（P4）的最 优解（0，3） Z=9
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解：如果令xj=1表示携带物品j，xj=0表 示不携带物品j，则问题表示成0-1规划: Max Z = Σcjxj s.t. Σajxj b xj=0 或1
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例 用集装箱托运货物 货物 m3/箱 百斤/箱 百元/箱 问：甲乙货物托运多少 甲 5 2 20 箱，使总利润最大？
乙 限制 4 24 5 13 10
y1+ y2 + … + yn=1
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如果希望有k个约束有效，则：
fi(x) M(1-yi), y1+ y2 + … + yn= k
如果希望至多有k个约束成立，则： fi(x) M(1-yi), y1+ y2 + … + yn k 如果希望至少有k个约束成立，则： fi(x) M(1-yi), y1+ y2 + … + yn k
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定界：把满足整数条件各分枝的最优 目标函数值作为上（下）界，用它来判 断分枝是保留还是剪枝。
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定界：把满足整数条件各分枝的最优 目标函数值作为上（下）界，用它来判 断分枝是保留还是剪枝。 剪枝：把那些子问题的最优值与界值 比较，凡不优或不能更优的分枝全剪掉， 直到每个分枝都查清为止。