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對偶理論

對偶理論. 「敏感度分析」 ，研究數學規劃問題中參數值 ( 如各類係數 ) 的改變對於最佳解以及目標函數值的影響。 「對偶理論」 (duality) ； 瞭解每一個線性規劃問題都會有一個 「對偶問題」 (dual) 與其對應，而此對偶問題在經濟上具有相當有趣的含意。. 敏感度分析 — 運用簡捷列表. 目標函數係數 敏感度分析中，我們常見到對於目標函數係數值有一個限制範圍，我們稱之為 「最佳化範圍」。 當我們一次只改變一個目標函數係數時，只要改變後的目標函數係數落在此限制範圍內，則改變前的最佳解仍然是改變後問題的最佳解。.

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對偶理論

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Presentation Transcript

  1. 對偶理論 • 「敏感度分析」，研究數學規劃問題中參數值(如各類係數)的改變對於最佳解以及目標函數值的影響。 • 「對偶理論」(duality)；瞭解每一個線性規劃問題都會有一個「對偶問題」(dual)與其對應，而此對偶問題在經濟上具有相當有趣的含意。 6-1

  2. 敏感度分析—運用簡捷列表 • 目標函數係數 敏感度分析中，我們常見到對於目標函數係數值有一個限制範圍，我們稱之為「最佳化範圍」。 當我們一次只改變一個目標函數係數時，只要改變後的目標函數係數落在此限制範圍內，則改變前的最佳解仍然是改變後問題的最佳解。 6-2

  3. LP OPTIMUM FOUND AT STEP 2 OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) 9.000000 VARIABLE VALUE REDUCED COST X1 5.000000 0.000000 X2 1.000000 0.000000 ROW SLACK OR SURPLUS DUAL PRICES 2) 0.000000 0.500000 3) 0.000000 0.250000 NO. ITERATIONS= 2 RANGES IN WHICH THE BASIS IS UNCHANGED: OBJ COEFFICIENT RANGES VARIABLE CURRENT ALLOWABLE ALLOWABLE COEF INCREASE DECREASE X1 1.000000 0.333333 0.200000 X2 4.000000 1.000000 1.000000 RIGHTHAND SIDE RANGES ROW CURRENT ALLOWABLE ALLOWABLE RHS INCREASE DECREASE 2 10.000000 3.333333 2.000000 3 16.000000 4.000000 4.000000 6-3

  4. 範例說明(1/4) • 在考慮弘光問題--題目請見課本p130 • 運用簡捷法，最後可得簡捷列表： X1 X2 S1 S2 Basis CB 1 4 0 0 X2 4 0 1 1/2 -1/4 1 X1 1 1 0 -3/2 5/4 5 zj 1 4 1/2 1/4 9 cj - zj 0 0 -1/2 -1/4 • 得基本可行解X1 = 5、X2 = 1、S1 = 0、S2 = 0 • 目標函數值為: Z = X1 + 4X2 = 1(5) + 4(1) = 9 6-4

  5. 範例說明(2/4) • 每單位A產品之利潤c1的範圍，在簡捷列表內，以c1取代目標函數X1的係數，並重新計算zj與cj - zj兩列，可得簡捷表如下： • 為維持最佳化，則cj - zj列的所有數皆須 0可得(3/2)c1-2  0  c1  4/3，1-(5/4)c1  0 c1 4/5 6-5

  6. 範例說明(3/4) • 從以上二式，可得到c1的範圍如下： 4/5 c1 4/3同樣地，以c2取代目標函數中X2的係數(4)，並重新計算zj與cj - zj兩列，並讓cj - zj列上的所有數皆必須 0，可得 3/2-1/2c2 0  c2  3 1/4c2 -5/4 0  c2  5 • 從以上二式，c2的範圍：3  c2  5 6-6

  7. 範例說明(4/4) 6-7

  8. 限制式右側值 • 在許多線性規劃問題中，限制式的右側值是代表可以運用的資源數量。 • 對偶價(dual price)： 是提供決策者有關於取得額外資源(即增加右側值)，所必須額外支出的資訊。每條限制式都有一對應的對偶價，其意義為該限制式的右側值每增加一單位，目標函數值的「改善」量。 6-8

  9. 範例說明(1/2) • 以弘光為例，最終簡捷列表如下： X1 X2 S1 S2 Basis CB 1 4 0 0 X2 4 0 1 1/2 -1/4 1 X1 1 1 0 -3/2 5/4 5 zj 1 4 1/2 1/4 9 cj - zj 0 0 -1/2 -1/4 • S1與S2所對應zj值分別為1/2與1/4，表示第一條與第二條限制式的對偶價分別為0.50與0.25 6-9

  10. 範例說明(2/2) • 最大化問題中，當限制式為  時，則對偶價為0或負數。因為，當右側值增加時，則限制式更難滿足，對於利潤可能沒幫助，甚或損及利潤，故對偶價不會是個正數。因此， 限制式的對偶價，可由簡捷列表內，剩餘變數欄所對應的zj值變號而得，亦即 –zj 值。 6-10

  11. 可行性範圍 • 簡捷列表中的zj列可以決定對偶價，以預測當右側值bi改變一單位時，目標函數值的改變量。然而，此結論只有當bi改變量不大時，即不足以使目前的可行解變成不可行解時，方能適用。 • 「可行性範圍」 算出維持可行解右側值bi可能改變的範圍。 6-11

  12. 範例說明(1/4) • 過程說明請見課本p135。 • 最終簡捷列表如下： X1 X2 S1 S2 Basis CB 1 4 0 0 X2 4 0 1 1/2 -1/4 2 X1 1 1 0 -3/2 5/4 2 zj 1 4 1/2 1/4 10 cj - zj 0 0 -1/2 -1/4 6-12

  13. 範例說明(2/4) 原先解 b1改變量 S1欄 新解 新解 = + 2 = • S1欄內的每個值亦可以表示當右側值b1增加一單位時，基本變數值的改變量。新的解則等於原來的解加上此改變量。 6-13

  14. 範例說明(3/4) • 若b1改變b1，則弘光問題之新基本解，如下 = + b1 = • 只要新基本解非負值，則為可行解，亦為最佳解。因此，我們可以界定b1的範圍，來達到非負的條件，如下： 1 + (1/2) b1  0 5 – (3/2) b1  0 • 則我們可以得到b1的範圍：-2 b1  10/3 6-14

  15. 範例說明(4/4) • 將上述可行性範圍的計算步驟，彙整於下： m = 限制式的個數 若 =目前的解，i = 1, 2, …, m bi = 第i個限制式右側值的改變量 = 簡捷列表中第i列第j欄的數值，其中j為第i個限制式之寬裕(或剩餘)變數所對應的欄 • 則bi 範圍的計算如下： 若限制式為 0， + bi  0，i = 1, 2, , m 若限制式為 0， - bi  0，i = 1, 2, , m 6-15

  16. 對偶理論(1/5) • 每一個線性規劃問題都會有一個「對偶問題」與其對應，而原來的問題則稱之為「原始問題」。 • 有關於原始對偶間的關係，一個最基本的性質，那就是原始與對偶問題兩者有相同的最佳目標函數值，此特性稱之為「對偶理論」 6-16

  17. 對偶理論(2/5) • (Primal) Max X1 + 4X2 s.t. X1 + 5X2  10 2X1 + 6X2  16 X1, X2  0 • (Dual) Min 10u 1 + 16u2 s.t. 1u 1 + 2u 2  1 5u 1 + 6u 2  4 u 1, u 2  0 6-17

  18. 對偶理論(3/5) • 目標函數轉變為：Max -10u 1 - 16u2 • 則最初簡捷列表如下： u1 u 2 S1 S2 a1 a2 Basis CB -10 -16 0 0 -M -M a1 -M 1 2 -1 0 1 0 1 a2 -M 5 6 0 -1 0 1 4 zj -6M -8M M M -M -M -5M cj – zj -10+6M –16+8M -M -M 0 0 6-18

  19. 對偶理論(4/5) • 將過三次的基底變換，可以得到最終簡捷列表如下： u1 u2 S1 S2 Basis CB -10 -16 0 0 u2 -16 0 1 -5/4 1/4 1/4 u1 -10 1 0 3/2 -1/2 1/2 zj -10 -16 5 1 -9 cj - zj 0 0 -5 -1 • 對偶問題的最佳解為： u1 = 1/2， u2 = 1/4， S1 = S2 = 0。因為我們將對偶問題的目標函數變號後來求解，故其最佳目標函數值應為：- (- 9) = 9。 6-19

  20. 對偶理論(5/5) • 可以驗證原始與對偶問題具有相同最佳目標值(=9)。任何一組原始與對偶問題，皆存在此種關係，我們稱此為「性質一」。 • 性質一 若原始問題有最佳解，則其對偶問題亦有最佳解反之亦然。此外，原始問題與對偶問題的最佳目標函數值是相同的。 6-20

  21. 對偶變數在經濟上的涵義(1/2) • 原始問題與對偶問題有相同最佳目標值。 • 原始目標函數為： X1 + 4X2 = 9 (6.1) • 對偶目標函數為： 10u1 + 16u2 = 9 (6.2) • 由(6.1)式，X1與X2分別表示，A產品與B產品的產量，則(每單位A產品價值)(A產品產量) + (每單位B產品價值)(B產品產量) = 總產值 6-21

  22. 對偶變數在經濟上的涵義(2/2) • 由(6.2)式，對偶問題目標函數係數(10與16)可解釋為可以運用的資源數。(可運用資源一之數量) u1 + (可運用資源二之數量) u2 = 總產值 • 對偶變數，乃代表單位資源所產生的價值。以弘光而言， u1 =每單位組裝時間所產生的價值 u2 =每單位測試時間所產生的價值 6-22

  23. 從對偶問題求得原始問題 (1/2) • 原始問題與對偶問題的最佳目標函數值是相同的。倘若我們只有求解對偶問題，可否同時得到原始問題的最佳解？ • 對偶問題的最終簡捷列表提供對偶變數的最佳值，則原始問題之變數應可在對偶問題最終簡捷列表中的zj列中找到。將此性質稱之為「性質二」。 6-23

  24. 從對偶問題求原始問題解(2/2) • 性質二 給定對偶問題最終簡捷列表，則原始問題決策變數的最佳值可由表中剩餘變數所對應zj值得到。此外，原始問題寬裕變數最佳值為表中uj變數所對應cj-zj項的負值。 • 利用此性質，得到X 1 = 5，X 2 = 1，S1 = S2 = 0。 6-24

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