aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a...
Transcript of aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a...
![Page 1: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/1.jpg)
Programa ção Matem ática
Método Simplex
![Page 2: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/2.jpg)
Forma Padr ão - Revis ão
�Características da forma padrão:
�Problema de minimização
�Todas as restrições são de igualdade
�Todas as variáveis são não-negativas
� Considerar b ≥ 0.
![Page 3: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/3.jpg)
Partiçã o básica (Revis ão)
• Seja o sistema Ax=b, onde Amxn , bmx1 , xnx1(m< n e posto de A é m).
• Se é possível reorganizar as colunas de A de tal modo A=[B,N] e que:
• Bmxm é formada por m colunas linearmente independentes de A dada por:
Onde B1, B2,..., Bm são os índices das colunas escolhidas da matriz A (índices básicos)
![Page 4: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/4.jpg)
Partiçã o básica (Revis ão)
• Nmx (n-m) - formada pelas n-m colunas restantes de A.
• Nmx (n-m) pode ser escrita como:
Onde N1, N2,..., Nm são os índices das colunas da matriz A que pertencem a N (índices não-básicos)
Esta reorganização é definida como partição básica
![Page 5: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/5.jpg)
Partiçã o básica (partiçã o das variáveis)
• Consequentemente, a partição de A em [B N] cria uma partição das variáveis:
variáveis básicas
variáveis não básicas
![Page 6: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/6.jpg)
Solu ção geral do sistema
• A última expressão de xB é conhecida como solução geral do sistema.
![Page 7: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/7.jpg)
Solu ção básica
• Considere uma partição básica A=[B,N]. Uma solução é dita básica quando:
• Se xB≥0 então temos uma solução básica factível. Caso contrário, temos uma solução básica não-factível.
• Se xB>0 dizemos que a solução básica factível énão degenerada.
^̂̂
![Page 8: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/8.jpg)
Propriedades
Teorema: Se um problema de otimização linear tem uma solução ótima, então existe um vértice ótimo
Considere a região factível S={x∈∈∈∈Rn tal que Ax=b, x≥0}. Um ponto x ∈∈∈∈ S é um vértice se e somente se x for uma solução básica factível.
![Page 9: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/9.jpg)
Método poss ível
• Enumerar todas as soluções básicas factíveis (vértices)x1, x2, ... xK
• Escolher aquela (factível) com melhor função objetivo.
• Problema:K pode ser muito grande!
![Page 10: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/10.jpg)
Simplex
Idéia:
•Partir de uma solução básica factível
•Visitar apenas as soluções básicas factíveis melhores que ela.
Método Simplex
![Page 11: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/11.jpg)
Perguntas
• Dada uma solução básica factível (ou seja, um vértice)
• 1) Esta solução é ótima ?
• 2)Caso não seja ótima, como encontrar uma solução básica factível melhor ?
![Page 12: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/12.jpg)
Pergunta 1: A solu ção atual é ótima ?
• Considere uma solução básica factível:
• E a solução geral do sistema usando a mesma partição :
=N
B
x
xx
![Page 13: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/13.jpg)
Pergunta 1: A solu ção atual é ótima ?
• A função objetivo pode ser expressa considerando a partição básica:
=N
B
x
xx
![Page 14: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/14.jpg)
• Então
valor da solução básica associada a esta partição:::
Pergunta 1: A solução atual é ótima ?
![Page 15: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/15.jpg)
• Definição (vetor multiplicador simplex): Ovetor λmx1, dado por:
é chamado vetor multiplicador simplex (ou também, vetor de variáveis duais).
O vetor multiplicador simplex pode serobtido por:
Pergunta 1: A solução atual é ótima ?
( ) BT
BTT
BT cBcBBc =⇔=⇔= −− λλλ 11
![Page 16: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/16.jpg)
Vamos expressar por coluna:
Retornando ... Pergunta 1: A solução atual é ótima ?
![Page 17: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/17.jpg)
Custos relativos
Definição: Os coeficientes das variáveis não-básicas na função objetivo descrito acima são chamados custos relativos ou custos reduzidos.
![Page 18: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/18.jpg)
Condiçã o de otimalidade
SoluSolu çãção o bbáásicasica
factfact íível e custos relativos vel e custos relativos maiores que zeromaiores que zero
problema de minimizaproblema de minimizaçãçãoo
SoluSoluçãçãooóótimatima
![Page 19: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/19.jpg)
Resumo
• Já vimos:– Soluções básicas estão associadas a vértices
(pontos extremos)– Se há uma solução ótima, então há um ponto
extremo (solução básica) ótima.– Podemos definir os custos relativos de variáveis não
básicas como:– Se, em um problema de minimização (maximização),
para uma dada solução básica, todos os custos relativos são positivos (negativos), a solução é ótima.
![Page 20: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/20.jpg)
Perguntas
• 1) A solução atual é ótima ?Respondida
• 2) Como encontrar uma solução básica factível melhor ?
![Page 21: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/21.jpg)
Perguntas
• 1) A solução atual é ótima ?Respondida (ver último item do slide anterior)
• 2) Como encontrar uma solução básica factível melhor ?
![Page 22: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/22.jpg)
Perguntas
• 1) A solução atual é ótima ?Respondida (ver último item do slide anterior)
• 2) Como encontrar uma solução básica factível melhor ?
![Page 23: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/23.jpg)
A solu ção não é ótima
• Suponha que exista ao menos uma variável não-básica xNk
para a qual:
(Ou a propriedade 2.3 estaria atendida e a solução seria ótima).
*problema de minimização
![Page 24: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/24.jpg)
Estratégia simplex
•Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo .•Definição (estratégia simplex). Chamamos de estratégia simplex a perturbação de uma solução básica factível que consiste em alterar as variáveis não básicas por:
isto é, escolhemos uma variável com custo relativo negativo e adicionamos uma pequena perturbação.
![Page 25: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/25.jpg)
Estratégia simplex
A nova função objetivo vale:
![Page 26: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/26.jpg)
Resultado na fun ção objetivo
Pergunta: a solução perturbada é factível ? Sim, se a perturbação é suficientemente pequena e a soluçãobásica original é não degenerada.
Qual o maior valor de Qual o maior valor de εε ??
![Page 27: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/27.jpg)
Direção simplex e tamanho do passo
• Mudando as variáveis não-básicas, obrigatoriamente temos que mudar as variáveis básicas:
diredireçãção simplex!o simplex!
![Page 28: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/28.jpg)
Direção simplex e tamanho do passo
• As novas variáveis básicas (perturbadas) devem continuar não-negativas:
![Page 29: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/29.jpg)
Direção simplex e tamanho do passo
• Temos, pois:
![Page 30: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/30.jpg)
O que acontece se...
• Se no momento de calcular o passo máximo, todos os yi são negativos...
... significa que para qualquer valor de ε, a nova solução é factível. Como quanto maior ε, maior o decrescimento da função objetivo, a solu ção ótima será ilimitada !
![Page 31: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/31.jpg)
Exemplo
Considere o exemplo anterior:
(obtida para(obtida para xxNNii=0) =0)
![Page 32: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/32.jpg)
Exemplo
A solução é ótima ?
NNãão o éé óótima. (Por qutima. (Por quêê ?)?)
![Page 33: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/33.jpg)
Exemplo
A direA direçãção simplex indica a maneira como as vario simplex indica a maneira como as variááveis bveis báásicas se modificam, ao sicas se modificam, ao se aumentar uma dada varise aumentar uma dada variáável nvel nããoo--bbáásica (no caso, Nsica (no caso, N11=1)=1)
![Page 34: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/34.jpg)
Exemplo
![Page 35: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/35.jpg)
No caso geral:
• Ao resolvermos:
determinamos a variável da base que vai se anular (sair da base).
• Anteriormente, ao escolhermos uma variável não-básica com custo relativo negativo, escolhemos a variável não-básica que vai assumir valor positivo (entrar na base).
![Page 36: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/36.jpg)
No caso geral
• Partição anterior:
escolhida para entrarescolhida para entrar(custo relativo negativo)(custo relativo negativo)
escolhida para sairescolhida para sair(primeira ao se anular ao aumentarmos(primeira ao se anular ao aumentarmos xxNNkk
))
![Page 37: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/37.jpg)
A nova solu ção
• Pode-se mostrar que a nova matriz B éinvertível.
• Como os valores das variáveis da nova B são não-negativos, trata-se de uma solução factível.
• Seu custo é:
![Page 38: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/38.jpg)
Simplex - Fase II
![Page 39: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/39.jpg)
Simplex - Fase II
![Page 40: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/40.jpg)
Simplex - fase II
![Page 41: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/41.jpg)
Introduzindo variIntroduzindo variááveis de folga, temosveis de folga, temos:::
![Page 42: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/42.jpg)
26 Sep 2008 . 22:00
Fácil, pois os coeficientes das variáveis de folga formam uma matriz identidade.
![Page 43: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/43.jpg)
26 Sep 2008 . 22:00
![Page 44: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/44.jpg)
![Page 45: aula 31 08 - USPmari/segundo2011/aula_31_08.pdf · Estratégia simplex •Vamos perturbar a solução básica factível de modo a diminuir o valor da função objetivo . •Definição](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022041802/5e51d0c7c0abc67a0d123f8a/html5/thumbnails/45.jpg)
ExercExercíício: continue atcio: continue atéé obter a soluobter a soluçãção o óótimatima