Свойства решений задачи линейного программирования

Выпуклые множества и их свойства. Для того, чтобы изучить свойства ЗЛП, необходимо дать строгое определение выпуклого множества. Ранее выпуклое множество определялось как множество, которое вместе с любыми двумя своими точками содержит отрезок, их соединяющий.

Обобщением понятия отрезка для нескольких точек является их выпуклая линейная комбинация.

Точка Х называется выпуклой линейной комбинацией точек , если выполняются условия

.

Множество точек является выпуклым, если оно вместе с лю­быми своими двумя точками содержит их произвольную выпуклую, линейную комбинацию.

Можно доказать следующую теорему о представлении выпуклого многогран­ника.

Теорема 1.1. Выпуклый п-мерный многогранник является выпук­лой линейной комбинацией своих угловых точек.

Из теоремы 1.1 следует, что выпуклый многогранник порождается своими угловыми точками или вершинами: отрезок – двумя точками, треугольник – тремя, тетраэдр – четырьмя точками и т.д. В то же время выпуклая многогранная область, являясь неограниченным множеством, не определяется однозначно своими угловыми точками: любую ее точку нельзя представить в виде выпуклой линейной комбинации угловых точек.

Свойства задачи линейного программирования. Ранее были рассмотрены различные формы задачи линей­ного программирования и показано, что любая задача линейного программирования может быть представлена в виде общей или канонической задачи.

Для обоснования свойств задачи линейного программирования и методов ее решения целесообразно рассмотреть еще два вида записи канонической задачи.

Матричная форма записи:

(1.3)

Здесь С – матрица-строка, А – матрица системы, Х – матри­ца-столбец переменных, В – матрица-столбец свободных членов:

.

Векторная форма записи:

(1.4)

где векторы соответствуют столбцам коэффициентов при неизвестных.

Выше была сформулирована, но не доказана в общем виде следующая теорема.

Теорема 1.2. Множество всех допустимых решений системы ог­раничений задачи линейного программирования является выпуклым.

Доказательство: Пусть - два допустимых решения ЗЛП, заданной в матричной форме. Тогда и . Рассмотрим выпуклую линейную комбинацию решений , т.е.

при

и покажем, что она также является допустимым решением систе­мы (1.3). В самом деле

,

т.e. решение X удовлетворяет системе (1.3). Но так как , то и Х >0, т.е. решение удовлетворяет условию неотрицательности.

Итак, доказано, что множество всех допустимых решений задачи линейного программирования является выпуклым, а точнее, представляет выпуклый многогранник или выпуклую многогранную область, которые в дальнейшем будем называть одним термином – многогранником решений.

Ответ на вопрос, в какой точке многогранника решений воз­можно оптимальное решение задачи линейного программирова­ния, дается в следующей фундаментальной теореме.

Теорема 1.3. Если задача линейного программирования имеет оп­тимальное решение, то линейная функция принимает максимальное значение в одной из угловых точек многогранника решений. Если ли­нейная функция принимает максимальное значение более чем в одной угловой точке, то она принимает его в любой точке, являющейся выпуклой линейной комбинацией этих точек.

Доказательство: Будем полагать, что многогранник решений является огра­ниченным. Обозначим его угловые точки через , а оптимальное решение - через X*. Тогда F(X*) ³ F(X) для всех то­чек Х многогранника реше­ний. Если X* – угловая точка, то первая часть тео­ремы доказана.

Предположим, что X* не является угловой точкой, тогда на основании теоре­мы 1.1 X* можно предста­вить как выпуклую линей­ную комбинацию угловых точек многогранника ре­шений, т.е.

.

Так как F(X) – линейная функция, получаем

. (1.5)

В этом разложении среди значений выбе­рем максимальное. Пусть оно соответствует угловой точке X_k (1 £ k £ р); обозначим его через М, т.е. . Заменим в выражении (1.5) каждое значение этим максимальным значением М. Тогда

.

По предположению Х * – оптимальное решение, поэтому, с одной стороны, ,но, с другой стороны, доказано, что
F(X*) £ М, следовательно, , где X_k – угловая точка. Итак, существует угловая точка X_k, в которой линейная функция принимает максимальное значение.

Для доказательства второй части теоремы допустим, что целевая функция принимает максимальное значение более чем в одной угловой точке, например, в точках , где , тогда

.

Пусть Х – выпуклая линейная комбинация этих угловых точек, т.е.

.

В этом случае, учитывая, что функция F(X) – линейная, полу­чим

,

т.е. линейная функция F принимает максимальное значение в произвольной точке Х, являющейся выпуклой линейной комбинацией угловых точек.

Замечание. Требование ограниченности многогранника решений в теореме является существенным, так как в случае неограниченной многогранной области, как отмечалось в теореме 1.1, не каждую точку такой области можно представить выпуклой линейной комбинацией ее угловых точек.

Доказанная теорема является фундаментальной, так как она указывает принципиальный путь решения задач линейного про­граммирования. Действительно, согласно этой теореме вместо исследования бесконечного множества допустимых решений для нахождения среди них искомого оптимального решения необхо­димо исследовать лишь конечное число угловых точек много­гранника решений.

Следующая теорема посвящена аналитическому методу нахождения угловых точек.

Теорема 1.4. Каждому допустимому базисному решению задачи линейного программирования соответствует угловая точка многогранника решений, и наоборот, каждой угловой точке многогранника решений соответствует допустимое базисное решение.

Доказательство: Пусть – допустимое базисное решение системы ограничений ЗЛП (1.4), в котором первые т компонент - основные переменные, а остальные п - т компо­нент – неосновные переменные, равные нулю в базисном реше­нии (если это не так, то соответствующие переменные можно перенумеровать). Покажем, что Х – угловая точка многогранника решений.

Предположим противное, т.е. что Х не является угловой точ­кой. Тогда точку Х можно представить внутренней точкой отрез­ка, соединяющего две различные, не совпадающие с X, точки

другими словами, – выпуклой линейной комбинацией точек многогранника решений, т.е.

, (1.6)

где (полагаем, что , ибо в противном случае точка Х совпадает с точкой Х ₁ или Х ₂).

Запишем векторное равенство (1.6) в координатной форме:

Т.к. все переменные и коэффициенты неотрицательны, то из последних п-т равенств следует, что , т.е. в решениях Х ₁, Х ₂ и Х системы уравнений (1.4) значения п - т компонент равны в данном случае нулю. Эти компоненты можно считать значениями неосновных переменных. Но значения неосновных переменных однозначно определяют значения основных, следовательно,

.

Таким образом, все п компонент в решениях Х ₁, Х ₂ и Х совпада­ют, и значит, точки Х ₁ и Х ₂ сливаются, что противоречит допуще­нию. Следовательно, X – угловая точка многогранника решений.

Докажем обратное утверждение. Пусть – угловая точка многогранника решений и первые ее т координат положительны. Покажем, что Х – допустимое базис­ное решение.

Если векторы линейно независимы, то ранг матрицы А, составленной из компонент этих векторов, равен т, т.е. определитель , следовательно, переменные являются основными, и решение – базисное, допустимое, т.е. утверждение доказано.

Предположим противное, т.е. векторы линейно зависимы; тогда в равенстве

(1.7)

хотя бы один из коэффициентов отличен от нуля. Умножим почленно равенство (1.7) на множитель μ > 0:

. (1.8)

Подставив координаты угловой точки Х многогранника реше­ний в систему ограничений (1.4), получим

. (1.9)

Равенство (1.8) почленно сложим с равенством (1.9), а затем вычтем его из равенства (1.9). Получим

, (1.10)

. (1.11)

Сравнивая полученные равенства (1.10), (1.11) с равенством (1.9), заключаем, что при любом μ системе ограничений (1.4) удовлетворяют решения и .

Поскольку все , то можно подобрать μ на­столько малым, что все компоненты решений Х ₁ и Х ₂ будут неот­рицательными. В результате Х ₁ и Х ₂ будут различными допусти­мыми решениями задачи (1.4). При этом, как легко ви­деть, решение , т.е. точ­ка Х лежит на отрезке (в данном случае в его середине), располо­женном в многограннике решений. Значит, Х не является угловой точкой, что противоречит условию. Следовательно, наше допуще­ние неверно, т.е. векторы линейно независимы и Х – допустимое базисное решение задачи (1.4).

Из теорем 1.3 и 1.4 непосредственно вытекает важное следст­вие: если задача линейного программирования имеет оптимальное решение, то оно совпадает, по крайней мере, с одним из ее допусти­мых базисных решений.

Итак, оптимум линейной функции задачи линейного программиро­вания следует искать среди конечного числа ее допустимых базисных решений.