【最優化】整數規划


整數規划基本介紹:

其實就是在普通線性規划上加了整數這一概念,要求所給的最優解為整數;

在實際生活中應用居多,對於最優解為較小的整數時的規划問題多有針對;

 

 

關於標准線性規划下的整數規划問題:

對於部分整數規划問題,是可以用求解標准線性規划的思想進行求解,比如單純形法;

但是懟整數規划的形式有所要求;


 

【補充】關於幺模矩陣的概念:

 

其中值得注意的兩點:

1.A的內部所有元素都為整數;

2.A的任何m*m方陣的行列式,值都為+1,-1,也就說明都可以當作基向量;


 

所以,對於這一類整數規划問題,可以得到重要的結論:

【定理】對於Ax=b,其中A為幺模矩陣,b為整數向量,則所有基本可行解都為整數解(具體證明可以通過矩陣的x=B-1b來進行相關的證明);

 

但是,對於給出的整數規划問題,往往不會使得A為幺模矩陣,只是一個整數矩陣,如果采用單純形法,也就是會按照之前所說的得到一個最優非整數基本解,而非整數最優基本解;

 

對於這類整數規划問題,可以尋找det(B)=1的基,這樣可以得到基本可行解為整數向量;

但是注意,如果找到的基不滿足det(B)=1,所得到的基本解是整數向量,但是不可行,也就是x>=0不會滿足;

因此:對於使用單純形法解這一類整數規划問題(A,b都為整數),直接每次挑選det(B)=1的基向量,直接計算,最終必定可以得到最優基本解;

 

關於非標准線性規划下的整數規划問題:

對於上述的幺模矩陣推論,是在標准型下,也就是Ax=b下得到的;

但是對於非標准形式下,需要完全幺模矩陣的概念;


 

【完全幺模矩陣】:

就是在幺模矩陣上多加了一條:對於A的任何非零子式(而非m*m),都為+1或者-1;


 

對於非標准形式下的整數規划問題:

 

 

值得注意的是,對於先前討論的標准形式,如果Ax=b形式,如果A不是幺模矩陣,只需要保證基向量的行列式值滿足條件,仍然可以獲得整數最優基本解;

所以對於[A I],如果不是幺模矩陣,也就是A不是完全幺模矩陣,也可以有方法得到整數規划的最優解,也就是符合預期的最優整數基本解;

 

 

混合整數規划問題:

關於整數規划,並不可能和上述所說的那樣,有C參數向量全為整數;

對於變量不全為整數的整數規划問題,稱之為混合整數規划問題;

此時,如果采用基於幺模矩陣的單純形法就不再可行;

《最優化導論》介紹了Gomory割平面法;

 

Gomory割平面法:

該方法旨在不斷地添加約束,來篩選整數解;

從空間上來說,增加約束方程,無非是進一步的限制了點集的范圍,使得關心的點區域逐步縮小,這種添加約束本質也就是添加了“平面”,個人覺得這也是割平面的意義;

 

對於基本的原理和推導如下所示

 

 例如,對於按照該思想的其中一步,有:

 

 從上述可以看,通過及變量增加了新的參數方程;


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