python求解线性规划问题———单纯形法(一)

单纯形法(一)

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!!2021-10-18更新
这篇文写了挺久了,也有蛮多人在看,也有不少错误被提出来。
看着自己以前写的代码也很烂(也很累),所以稍作修改。
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1、为什么叫单纯形法

  • 单纯形是N 维空间中的N+1 个顶点的凸包,是一个多胞体:直线上的一个线段,平面上的一个三角形,三维空间中的一个四面体等等,都是单纯形。
  • 可以证明线性规划问题如果存在可行域,那么可行域必然是个凸集,其最优解必然在顶点取到——单纯形。
  • 单纯形法的基本原理就是从可行域的一个顶点出发,不断转轴下一个顶点从而最终找到最优解。

2、单纯形法怎么用

单纯形法的一般解题步骤可归纳如下:

  • 1、把线性规划问题的约束方程组表达成典范型(标准型)方程组,找出基本可行解作为初始基本可行解。
  • 2、若基本可行解不存在,即约束条件有矛盾,则问题无解。
  • 3、若基本可行解存在,从初始基可行解作为起点,根据最优性条件和可行性条件,引入非基变量取代某一基变量,找出目标函数值更优的另一基本可行解。
  • 4、按步骤3进行迭代,直到对应检验数满足最优性条件(这时目标函数值不能再改善),即得到问题的最优解。
  • 5、若迭代过程中发现问题的目标函数值无界,则终止迭代。

3、我们先讨论最简单的情况:初始基本可行解已知

e.g.
m a x    z = − 2 x 1 + x 2 s . t . { 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 = 18 − x 1 + 4 x 2 + x 4 = 8 x i ≥ 0   , i = 1 , 2 , 3 , 4 max \ \ z=-2x_1+x_2 \\ s.t. \begin{cases} 3x_1+2x_2+x_3=18 \\ -x_1+4x_2+x_4=8 \\ x_i \geq0 \ ,i=1,2,3,4\end{cases} max  z=2x1+x2s.t.3x1+2x2+x3=18x1+4x2+x4=8xi0 ,i=1,2,3,4
可以很容易看出来 X = ( 0 , 0 , 18 , 8 ) T X=(0,0,18,8)^T X=(0,0,18,8)T是一个可行解;基变量选取为 x 3 , x 4 x_3,x_4 x3,x4,可以开始单纯形表的迭代。

4、py代码部分(简单使用了numpy库与fractions库)

使用到的包

python求解线性规划问题———单纯形法(一)_第1张图片
别名
在这里插入图片描述

a、获取所有的系数

def getinput():
    global m,n   #这两个变量其他函数里也需要调用
    string = input('''
    输入初始单纯形表形如
    例一:3 2 1 0 18;-1 4 0 1 8;-2 1 0 0 0
    例二:2 1 0 1 0 0 8;-4 -2 3 0 1 0 14;1 -2 1 0 0 1 18;6 -3 1 0 0 0 0
    例三:8 2 4 1 0 0 1;2 6 6 0 1 0 1;6 4 4 0 0 1 1;1 1 1 0 0 0 0
    前m行表示m个约束的增广矩阵,最后一行表示检验数
    输入:''')
    a = [list(map(eval,row.split())) for row in string.split(';')]
    matrix = np.array(a)
    m,n = matrix.shape
    n -= 1
    m -= 1
    print('\n\n输入的目标函数为')
    x = [f'{matrix[-1,j]}*x_{j+1}' for j in range(n)]
    print('max z = '+' + '.join(x))
    print('\n\n输入的方程为')
    for i in range(m):
        x = [f'{matrix[i,j]}*x_{j+1}' for j in range(n)]
        print(' + '.join(x),f'={matrix[i,-1]}')
    print(f'\n\n有{m}个约束条件,{n}个决策变量')
    return a

输入输出示例:
python求解线性规划问题———单纯形法(一)_第2张图片

全局变量:m为约束数,n为决策变量数

b、判断是否需要转轴

matrix = np.array(a)
def judge(matrix):
    if max(matrix[-1][:-1]) <= 0:  # 最后一行除了b列的所有检验数
        flag = False
    else:
        flag = True
    return flag

输入一个numpy array数组,返回布尔值;
输入输出示例:
python求解线性规划问题———单纯形法(一)_第3张图片

c、格式化输出单纯形表

vect = [3, 4]   #基变量足标
def pr(matrix,vect):   #输出单纯形表
    print('*'*20)
    print(' ',end='\t')
    for i in range(n):
        print('X_{}'.format(i+1),end='\t')
    print('b')
    for i in range(m+1):
        if i <= m-1:
            print('x_{}'.format(vect[i]),end='\t')
        elif i == m:
            print('r_1',end='\t')
        for j in matrix[i]:
            print(f(str(j)).limit_denominator(),end='\t')   #输出分数形式
        print(end='\n')

输入输出示例:
python求解线性规划问题———单纯形法(一)_第4张图片

d、转轴

def trans(a,matrix,vect):  #转轴
    maxi = max(matrix[-1][:-1])
    index = a[-1].index(maxi)   #入基变量的足标
    l = {}
    for i in a[:-1]:
        if i[index] >0:
            l[i[-1]/i[index]] = a.index(i)
    pivot = l[min(l)]    #出基变量的足标
    matrix[pivot] = matrix[pivot]/matrix[pivot][index]
    for i in range(len(a)):
        if i != pivot:
            matrix[i] = matrix[i] - matrix[i][index]*matrix[pivot]
    vect[pivot] = index+1   #基变量足标变化
    a = [list(i) for i in matrix]  #把原来的列表也同时变换掉,为了方便索引
    return a,matrix,vect

示例:

python求解线性规划问题———单纯形法(一)_第5张图片

e、格式化输出最优解

def print_solution(matrix,vect):
    print('*'*20)
    for i in range(1,n+1):
        if i in vect:
            print('x{}*={}'.format(i,f(str(matrix[vect.index(i)][-1])).limit_denominator()),end=',')
        else:
            print('x{}*={}'.format(i,0),end=',')
    print('\nz*={}'.format(f(str(-matrix[-1][-1])).limit_denominator()))

python求解线性规划问题———单纯形法(一)_第6张图片

f、主函数

def main():
    a = getinput() 
    matrix = np.array(a, dtype=np.float64)   #array可以方便地进行整行的操作,而列表可以方便索引
    vect = [int(input('输入基变量足标')) for i in range(m)]
    pr(matrix,vect)
    while judge(matrix):
        a,matrix = trans(a,matrix,vect)
        pr(matrix,vect)
    print_solution(matrix)

python求解线性规划问题———单纯形法(一)_第7张图片

g、源代码及运行示例

from fractions import Fraction as f

import numpy as np

def getinput():
    global m,n   #这两个变量其他函数里也需要调用
    string = input('''
    输入初始单纯形表形如
    例一:3 2 1 0 18;-1 4 0 1 8;-2 1 0 0 0
    例二:2 1 0 1 0 0 8;-4 -2 3 0 1 0 14;1 -2 1 0 0 1 18;6 -3 1 0 0 0 0
    例三:8 2 4 1 0 0 1;2 6 6 0 1 0 1;6 4 4 0 0 1 1;1 1 1 0 0 0 0
    前m行表示m个约束的增广矩阵,最后一行表示检验数
    输入:''')
    a = [list(map(eval,row.split())) for row in string.split(';')]
    matrix = np.array(a)
    m,n = matrix.shape
    n -= 1
    m -= 1
    print('\n\n输入的目标函数为')
    x = [f'{matrix[-1,j]}*x_{j+1}' for j in range(n)]
    print('max z = '+' + '.join(x))
    print('\n\n输入的方程为')
    for i in range(m):
        x = [f'{matrix[i,j]}*x_{j+1}' for j in range(n)]
        print(' + '.join(x),f'={matrix[i,-1]}')
    print(f'\n\n有{m}个约束条件,{n}个决策变量')
    return a
def judge(matrix):
    if max(matrix[-1][:-1]) <= 0:  # 最后一行除了b列的所有检验数
        flag = False
    else:
        flag = True
    return flag
def pr(matrix,vect):   #输出单纯形表
    print('*'*20)
    print(' ',end='\t')
    for i in range(n):
        print('X_{}'.format(i+1),end='\t')
    print('b')
    for i in range(m+1):
        if i <= m-1:
            print('x_{}'.format(vect[i]),end='\t')
        elif i == m:
            print('r_1',end='\t')
        for j in matrix[i]:
            print(f(str(j)).limit_denominator(),end='\t')   #输出分数形式
        print(end='\n')
def trans(a,matrix,vect):  #转轴
    maxi = max(matrix[-1][:-1])
    index = a[-1].index(maxi)   #入基变量的足标
    l = {}
    for i in a[:-1]:
        if i[index] >0:
            l[i[-1]/i[index]] = a.index(i)
    pivot = l[min(l)]    #出基变量的足标
    matrix[pivot] = matrix[pivot]/matrix[pivot][index]
    for i in range(len(a)):
        if i != pivot:
            matrix[i] = matrix[i] - matrix[i][index]*matrix[pivot]
    vect[pivot] = index+1   #基变量足标变化
    a = [list(i) for i in matrix]  #把原来的列表也同时变换掉,为了方便索引
    return a,matrix,vect
def print_solution(matrix,vect):
    print('*'*20)
    for i in range(1,n+1):
        if i in vect:
            print('x{}*={}'.format(i,f(str(matrix[vect.index(i)][-1])).limit_denominator()),end=',')
        else:
            print('x{}*={}'.format(i,0),end=',')
    print('\nz*={}'.format(f(str(-matrix[-1][-1])).limit_denominator()))
def main():
    a = getinput() 
    matrix = np.array(a, dtype=np.float64)   #array可以方便地进行整行的操作,而列表可以方便索引
    vect = [int(input('输入基变量足标')) for i in range(m)]
    pr(matrix,vect)
    while judge(matrix):
        a,matrix,vect = trans(a,matrix,vect)
        pr(matrix,vect)
    print_solution(matrix,vect)
if __name__ == '__main__':
	main()

5、求解示例

例一:
m a x    z = − 2 x 1 + x 2 s . t . { 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 = 18 − x 1 + 4 x 2 + x 4 = 8 x i ≥ 0   , i = 1 , 2 , 3 , 4 max \ \ z=-2x_1+x_2 \\ s.t. \begin{cases} 3x_1+2x_2+x_3=18 \\ -x_1+4x_2+x_4=8 \\ x_i \geq0 \ ,i=1,2,3,4\end{cases} max  z=2x1+x2s.t.3x1+2x2+x3=18x1+4x2+x4=8xi0 ,i=1,2,3,4
输入:

3 2 1 0 18;-1 4 0 1 8;-2 1 0 0 0

python求解线性规划问题———单纯形法(一)_第8张图片

例二:
m a x    z = 6 x 1 − 3 x 2 + x 3 s . t . { 2 x 1 + x 2 + x 4 = 8 − 4 x 1 − 2 x 2 + 3 x 3 + x 5 = 14 x 1 − 2 x 2 + x 3 + x 6 = 18 x i ≥ 0   , i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 max \ \ z=6x_1-3x_2+x_3 \\ s.t. \begin{cases} 2x_1+x_2+x_4=8 \\ -4x_1-2x_2+3x_3+x_5=14 \\ x_1-2x_2+x_3+x_6=18\\ x_i \geq0 \ ,i=1,2,3,4,5,6\end{cases} max  z=6x13x2+x3s.t.2x1+x2+x4=84x12x2+3x3+x5=14x12x2+x3+x6=18xi0 ,i=1,2,3,4,5,6
输入:

2 1 0 1 0 0 8;-4 -2 3 0 1 0 14;1 -2 1 0 0 1 18;6 -3 1 0 0 0 0

python求解线性规划问题———单纯形法(一)_第9张图片

例三:
m a x    x 1 + x 2 + x 3 s . t . { 8 x 1 + 2 x 2 + 4 x 3 + x 4 = 1 2 x 1 + 6 x 2 + 6 x 3 + x 5 = 1 6 x 1 + 4 x 2 + 4 x 3 + x 6 = 1 x i ≥ 0   , i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 max \ \ x_1+x_2+x_3\\ s.t. \begin{cases} 8x_1+2x_2+4x_3+x_4=1\\ 2x_1+6x_2+6x_3+x_5=1 \\ 6x_1+4x_2+4x_3+x_6=1 \\ x_i \geq0 \ ,i=1,2,3,4,5,6\end{cases} max  x1+x2+x3s.t.8x1+2x2+4x3+x4=12x1+6x2+6x3+x5=16x1+4x2+4x3+x6=1xi0 ,i=1,2,3,4,5,6
输入:

8 2 4 1 0 0 1;2 6 6 0 1 0 1;6 4 4 0 0 1 1;1 1 1 0 0 0 0

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