数学建模之整数规划

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1、第二章整数规划§1概论1.1定义规划中的变量（部分或全部）限制为整数时，称为整数规划。若在线性规划模型中，变量限制为整数，则称为整数线性规划。目前所流行的求解整数规划的方法，往往只适用于整数线性规划。目前还没有一种方法能有效地求解一切整数规划。1.2整数规划的分类如不加特殊说明，一般指整数线性规划。对于整数线性规划模型大致可分为两类：1o变量全限制为整数时，称纯（完全）整数规划。2o变量部分限制为整数的，称混合整数规划。1.2整数规划特点（i）原线性规划有最优解，当自变量限制为整数后，其整数规划解出现下述情况：①原线性规划最优解全是整数，则整数规划最优解与线性规划最优解一致。②整数规

2、划无可行解。例1原线性规划为其最优实数解为：。③有可行解（当然就存在最优解），但最优解值变差。例2原线性规划为其最优实数解为：。若限制整数得：。（ii）整数规划最优解不能按照实数最优解简单取整而获得。1.3求解方法分类：（i）分枝定界法—可求纯或混合整数线性规划。（ii）割平面法—可求纯或混合整数线性规划。（iii）隐枚举法—求解“0-1”整数规划：①过滤隐枚举法；②分枝隐枚举法。（iv）匈牙利法—解决指派问题（“0-1”规划特殊情形）。（v）蒙特卡洛法—求解各种类型规划。下面将简要介绍常用的几种求解整数规划的方法。§2分枝定界法-39-对有约束条件的最优化问题（其可行解为有限数）的

3、所有可行解空间恰当地进行系统搜索，这就是分枝与定界内容。通常，把全部可行解空间反复地分割为越来越小的子集，称为分枝；并且对每个子集内的解集计算一个目标下界（对于最小值问题），这称为定界。在每次分枝后，凡是界限超出已知可行解集目标值的那些子集不再进一步分枝，这样，许多子集可不予考虑，这称剪枝。这就是分枝定界法的主要思路。分枝定界法可用于解纯整数或混合的整数规划问题。在本世纪六十年代初由LandDoig和Dakin等人提出的。由于这方法灵活且便于用计算机求解，所以现在它已是解整数规划的重要方法。目前已成功地应用于求解生产进度问题、旅行推销员问题、工厂选址问题、背包问题及分配问题等。设有最

4、大化的整数规划问题，与它相应的线性规划为问题，从解问题开始，若其最优解不符合的整数条件，那么的最优目标函数必是的最优目标函数的上界，记作；而的任意可行解的目标函数值将是的一个下界。分枝定界法就是将的可行域分成子区域的方法。逐步减小和增大，最终求到。现用下例来说明：例3求解下述整数规划解（i）先不考虑整数限制，即解相应的线性规划，得最优解为：可见它不符合整数条件。这时是问题的最优目标函数值的上界，记作。而显然是问题的一个整数可行解，这时，是的一个下界，记作，即。（ii）因为当前均为非整数，故不满足整数要求，任选一个进行分枝。设选进行分枝，把可行集分成2个子集：，因为4与5之间无整数，故

5、这两个子集的整数解必与原可行集合整数解一致。这一步称为分枝。这两个子集的规划及求解如下：问题：最优解为：。问题：最优解为：。再定界：。（iii）对问题再进行分枝得问题和，它们的最优解为-39-再定界：，并将剪枝。（iv）对问题再进行分枝得问题和，它们的最优解为无可行解。将剪枝。于是可以断定原问题的最优解为：从以上解题过程可得用分枝定界法求解整数规划（最大化）问题的步骤为：开始，将要求解的整数规划问题称为问题，将与它相应的线性规划问题称为问题。（i）解问题可能得到以下情况之一：（a）没有可行解，这时也没有可行解，则停止．（b）有最优解，并符合问题的整数条件，的最优解即为的最优解，则停止

6、。（c）有最优解，但不符合问题的整数条件，记它的目标函数值为。（ii）用观察法找问题的一个整数可行解，一般可取，试探，求得其目标函数值，并记作。以表示问题的最优目标函数值；这时有进行迭代。第一步：分枝，在的最优解中任选一个不符合整数条件的变量，其值为，以表示小于的最大整数。构造两个约束条件和将这两个约束条件，分别加入问题，求两个后继规划问题和。不考虑整数条件求解这两个后继问题。定界，以每个后继问题为一分枝标明求解的结果，与其它问题的解的结果中，找出最优目标函数值最大者作为新的上界。从已符合整数条件的各分支中，找出目标函数值为最大者作为新的下界，若无作用不变。第二步：比较与剪枝，各分枝

7、的最优目标函数中若有小于者，则剪掉这枝，即以后不再考虑了。若大于，且不符合整数条件，则重复第一步骤。一直到最后得到为止。得最优整数解。§3型整数规划型整数规划是整数规划中的特殊情形，它的变量仅取值0或1。这时称为变量，或称二进制变量。仅取值0或1这个条件可由下述约束条件：，整数-39-所代替，是和一般整数规划的约束条件形式一致的。在实际问题中，如果引入变量，就可以把有各种情况需要分别讨论的线性规划问题统一在一个问题中讨论了。我们先介绍引入变量的实际问题，再