Симплекс-метод применяется для решения задач ЛП, представленных в специальной форме:
(16)
Характерная особенность задачи (16) – известное базисное допустимое решение
Чтобы применить симплекс-метод для решения задачи ЛП в произвольной форме, необходимо привести эту задачу к виду (16), т. е. выделить начальное допустимое базисное решение. Для этого в симплекс-метод вводят подготовительный этап. Один из методов для реализации подготовительного этапа называется методом искусственного базиса и состоит в следующем [1,2,3].
Вычислительная схема метода искусственного базиса
Шаг 1. Приводим задачу ЛП к канонической форме с неотрицательными правыми частями :
(17)
Шаг 2. В каждую i -ю строку ограничений (17) вводим искусственную неотрицательную переменную и строим вспомогательную задачу ЛП вида:
(18)
В задаче (18) – допустимое базисное решение, и задача (18) легко может быть сведена к виду (16). Для этого целевую функцию необходимо выразить через свободные переменные :
Шаг 3. Для вспомогательной задачи (18) строим симплексную таблицу
b | … | |||
… | ||||
… | ||||
… | … | …………………. | ||
… |
и находим оптимальное решение вспомогательной задачи с помощью симплекс-метода.
Шаг 4. Если и все переменные являются небазисными, то m переменных из войдут в базис и система ограничений, соответствующих симплексной таблице, будет иметь вид
(19)
Так как переменные , то их исключили из системы (19), не нарушив при этом равенств. Выражая целевую функцию основной задачи через небазисные переменные системы (19), получим исходную задачу (17) в виде (16).
Шаг 5. Если , но в базисе остались искусственные переменные , для которых (вырожденный случай), то проводим для каждой искусственной переменной из базиса следующее преобразование симплексной таблицы.
Выбираем ведущим столбцом столбец такой переменной , для которой элемент индексной строки , а элемент столбца . В этом случае строка искусственной переменной будет ведущей и после стандартного преобразования симплексной таблицы (шаг 6 из прямого симплекс-метода) искусственная переменная выведется из базиса. В результате получим симплексную таблицу, соответствующую шагу 4.
Шаг 6. Если , то допустимого решения в исходной задаче (17) не существует (не могут все искусственные переменные быть равными нулю в задаче (18), а значит система ограничений задачи (17) несовместна) – процесс решения исходной задачи (17) завершается.
Пример решения задачи методом искусственного базиса
Выделить допустимое базисное решение для задачи ЛП:
Приведем задачу к канонической форме на минимум с неотрицательными правыми частями:
Заметим, что переменные и можно использовать для введения в исходный базис, поэтому в первую и третью строку ограничений можно не вводить искусственные переменные.
Во вторую строку ограничений вводим искусственную переменную z, потому что в этой строке нет переменной, которую можно взять базисной, не проводя при этом дополнительных преобразований всей системы ограничений.
Полученная вспомогательная задача имеет вид
Приведем задачу к виду (16):
Выпишем соответствующую симплексную таблицу:
B | ||||
10 | 5 | 4 | -1 | |
3 | 3 | -2 | 0 | |
10 | 5 | 4 | -1 | |
5 | 2 | 1 | 0 |
Ведущий столбец рекомендуется выбирать не по максимальному положительному элементу строки целевой функции, а так, чтобы из базиса выводилась искусственная базисная переменная (соответствующая ведущая строка должна быть строкой искусственной переменной). Так, выбрав ведущим столбцом столбец переменной , получим ведущую строку – строку с переменной z (выбирая ведущим столбцом , получили бы ведущую строку , и из базиса выводилась бы переменная ).
Итак, искусственная переменная z выйдет из базиса, а переменная введется в базис.
Симплексная таблица преобразуется к виду:
B | ||||
0 | 0 | -1 | 0 | |
8 | 11/2 | 1/2 | -1/2 | |
5/2 | 5/4 | 1/4 | -1/4 | |
5/2 | 3/4 | -1/4 | 1/4 |
Так как значение , то полученный базис является начальным допустимым базисом для исходной задачи ЛП. Чтобы выразить целевую функцию через небазисные переменные , подставим значение базисной переменной в целевую функцию. В результате получим:
Тогда исходная задача будет иметь вид специальной формы задачи ЛП:
что и требовалось получить в результате решения вспомогательной задачи.