本指南专为管理运筹学期末考试备考设计,系统梳理了考试核心考查的六大板块:线性规划建模、单纯形法与对偶/灵敏度分析、运输问题、整数规划、目标规划(多目标规划)以及图与网络优化。
每部分均包含核心考点梳理、经典自测题及详细步骤解答,旨在帮助你快速掌握解题模板,攻克期末重难点。
一、 线性规划建模 (Linear Programming Modeling)
1. 核心考点梳理
线性规划(LP)建模是运筹学的基石,要求从实际管理问题中抽象出数学模型。建模三要素包括:
- 决策变量:明确需要决策的数量(如产品产量、投资额度等),需用符号(如 )清晰定义并注明单位。
- 目标函数:确定优化的方向(极大化利润 或极小化成本 ),必须是决策变量的线性组合。
- 约束条件:包括资源限制、技术标准、比例要求等,均须写为线性等式或不等式,切记不要漏掉非负约束。
- 比例约束的处理(难点): 若要求产品 中原料 1 的比例不低于 ,设 为产品 中原料 1 的用量, 为产品 的总产量()。 则约束为:。
2. 经典自测题
【题目】 某化工厂计划利用磷酸(Phosphate)、硝酸(Nitrate)和钾肥(Potash)三种原料调配生产 F1 和 F2 两种复合肥。已知原料的日供应量限制、原料成本、每吨复合肥的销售单价及机器工时要求如下表所示:
| 原料/资源 | F1 消耗量 | F2 消耗量 | 日供应量限制 | 原料成本(元/吨) |
|---|---|---|---|---|
| 磷酸 | - | - | 80 吨 | 300 |
| 硝酸 | - | - | 60 吨 | 200 |
| 钾肥 | - | - | 50 吨 | 150 |
| 设备工时 | 2 小时/吨 | 3 小时/吨 | 120 小时 | - |
| 销售单价 | 800 元/吨 | 1000 元/吨 | - | - |
品质与调配要求:
- F1 中磷酸的比例不得低于 ,钾肥的比例不得高于 。
- F2 中硝酸的比例不得低于 。
- 调配过程中的质量损失忽略不计。
请建立以日净利润最大化为目标的线性规划数学模型。
3. 答案与详解
【第一步:定义决策变量】 由于存在原料向不同产品的分配混合关系,使用双下标变量。 设 表示用于生产复合肥 ( 表示 F1, 表示 F2)的原料 ( 表示磷酸, 表示硝酸, 表示钾肥)的吨数。
- F1 的总产量为:
- F2 的总产量为:
【第二步:构建目标函数】 目标是最大化日净利润。 化简可得目标函数:
【第三步:构建约束条件】
- 原料供应量限制:
- 磷酸:
- 硝酸:
- 钾肥:
- 设备工时限制:
- F1 品质约束:
- 磷酸比例 :
- 钾肥比例 :
- F2 品质约束:
- 硝酸比例 :
- 非负约束:
二、 线性规划求解与对偶理论 (Simplex, Sensitivity & Dual Method)
本板块包含单纯形法表格操作、对偶问题转换、对偶单纯形法以及灵敏度分析(重点考查 、 变动、新增产品及新增约束)。
1. 核心考点梳理
- 单纯形表判别:
- 唯一最优解:所有非基变量检验数 (极大化问题)。
- 无穷多最优解:所有 ,且存在某个非基变量的 。
- 无界解:存在某个非基变量的 ,但该变量对应列的约束系数全部非正()。
- 无可行解:迭代结束时基变量中仍含有非零的人工变量。
- 对偶变换法则(对称与非对称): 极大化问题的对偶是极小化问题,原约束的符号决定对偶变量的符号,原变量的符号决定对偶约束的符号。
- 对偶单纯形法步骤:
适用于检验数全部非正( 对偶可行),但右端项存在负数( 原问题不可行)的情形。
- 换出变量:选右端项负值绝对值最大行对应的基变量。
- 换入变量:使用比值判别 ,最小比值列对应的非基变量换入。
- 旋转运算:进行矩阵初等行变换,使主元变为 1,同列其他元素消为 0。
2. 经典自测题
已知原线性规划问题为:
引入松弛变量 得到最终最优单纯形表如下:
| 基变量 | RHS | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 检验数 |
根据此表回答以下问题:
- 写出该最优单纯形表对应的最优解及最优基逆矩阵 。
- 写出该原规划问题的对偶问题,并直接从最优表中读出对偶问题的最优解。
- 灵敏度分析(价值系数 变动):确定非基变量 的价值系数 的变动范围,使得当前最优解保持不变。
- 灵敏度分析(资源数量 变动):若资源 1 数量 由 8 减少为 3,分析最优解的变化。若发生改变,求出新的最优解。
- 灵敏度分析(新增产品):若现在可以开发新产品 ,其利润 ,生产技术系数向量为 (即消耗资源 1 三个单位,不消耗资源 2)。问是否应该投产该新产品?
- 灵敏度分析(新增约束):若增加一个新约束条件 ,当前最优解是否发生变化?若变化,使用对偶单纯形法求出新最优解。
3. 答案与详解
【第 1 问:最优解与基逆矩阵】
- 由最终表可得最优解为:,最优目标函数值 。
- 基逆矩阵 为最终表中初始松弛变量()列对应的系数矩阵:
【第 2 问:对偶问题及其最优解】 原问题对应的对偶问题为: 由最优单纯形表检验数行中松弛变量对应的检验数绝对值,可直接读出对偶问题的最优解(影子价格): 最优对偶目标值 。
【第 3 问:非基变量价值系数变动】 非基变量 的检验数公式为:。 现设 变动为 。要保持最优解不变,只需更新后的检验数 : 即只要新利润 ,当前最优解保持不变。
【第 4 问:资源数量变动与对偶单纯形法】 当资源 1 的数量 发生变化,资源向量变为 ,其变动量为 。 计算变动后的基变量值: 因为 ,仍然满足原可行性。 所以当前最优基不变,新的最优解为 ,最优值变为 。
【第 5 问:新增产品决策】 计算新产品 的检验数: 其中基变量价值系数向量为 。 因为 ,说明引入新产品 可以增加总利润。因此应该投产新产品。
【第 6 问:引入新约束与对偶单纯形法】
- 将当前最优解 代入新约束 : 不满足新约束。最优解需要改变。
- 将新约束化为标准型,引入松弛变量 :
- 利用最终单纯形表中的变换关系,将基变量 从新约束中消去。 从最终表的第一行可知:。代入新约束: 将此新约束作为最后一行并入单纯形表,得到新的单纯形表:
| 基变量 | RHS | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 检验数 |
- 使用对偶单纯形法进行迭代:
- 确定换出变量:行 3 右端项为 ,选基变量 换出。
- 确定换入变量:检查第 3 行中系数为负的列,只有 列对应系数为 。 计算比值:。所以选择 换入。
- 旋转变换:以 为主元,将第 3 行乘以 ,再消去第 1 行的 项:
- 新第 3 行:
- 新第 1 行(第一行减去 新第三行):
- 新检验数行(检验数行加上 新第三行): 对应 RHS 为 。由于我们是极大化问题,检验数更新为 ,此处更新后的单纯形表为:
| 基变量 | RHS | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 检验数 |
此时右端项常数全部非负(),且所有检验数保持非正(),迭代结束。 新的最优解为:,最优目标函数值降为 。
三、 运输问题 (Transportation Problem)
1. 核心考点梳理
运输问题通常采用表上作业法求解,关键操作步骤如下:
- 初始可行解确定:考查最小元素法(优先分配运价最低的格子,能最快获得较优初始解)或西北角法。
- 最优性检验:
- 位势法(常用):建立方程 (仅针对基变量/有运量的格子),令首个行位势 ,解出所有行位势 和列位势 。
- 计算非基变量检验数:对所有空格计算 。
- 最优解判别:
- 若为极小化()运费问题:所有非基变量检验数 时为最优。
- 若为极大化()利润问题:所有非基变量检验数 时为最优。
- 解的调整:若非最优,选择最不满足条件的非基变量( 问题选负检验数绝对值最大者; 问题选正检验数最大者)作为换入变量,绘制闭回路(Loop),以闭回路偶数顶点上的最小运量为调整量 进行增减。
2. 经典自测题
【题目】 已知某公司有 3 个产地(A、B、C) and 3 个销地(X、Y、Z),产销平衡关系及单位运价表如下:
| 产地 \ 销地 | X | Y | Z | 产量 |
|---|---|---|---|---|
| A | 6 | 8 | 10 | 20 |
| B | 7 | 11 | 11 | 30 |
| C | 4 | 5 | 12 | 25 |
| 销量 | 15 | 35 | 25 | 75 |
- 使用最小元素法确定初始可行解,求出初始总运费。
- 使用位势法对初始解进行最优性检验,求出所有空格的检验数。
- 若当前非最优解,请写出完整的闭回路调整过程,并求出最优运输方案及最低总运费。
3. 答案与详解
【第 1 问:最小元素法求初始解】
- 全表最低运价为 ,分配运量:。销地 X 需求满足,产地 C 剩余产量为 10。
- 剩余未满足格子中最低运价为 ,分配运量:。产地 C 产量耗尽,销地 Y 还需 25。
- 剩余未满足格子(A、B 行)中最低运价为 、、。最低为 ,分配运量:。产地 A 产量耗尽,销地 Y 还需 5。
- 剩余未满足格子只有 B 行的 和 。
- 分配 ,销地 Y 满足。
- 分配 ,销地 Z 满足。B 产量耗尽。
得到初始运量表如下(括号内为运量):
| 产地 \ 销地 | X | Y | Z | 产量 |
|---|---|---|---|---|
| A | 6 | 8 (20) | 10 | 20 |
| B | 7 | 11 (5) | 11 (25) | 30 |
| C | 4 (15) | 5 (10) | 12 | 25 |
| 销量 | 15 | 35 | 25 | 75 |
初始总运费:
【第 2 问:位势法计算检验数】 根据基变量格子建立位势方程 :
- 由
- 由
- 由
- 由
- 由
令首个行位势 :
行位势为:,列位势为:。 计算各空格(非基变量)检验数 :
【第 3 问:闭回路调整与最优解】
- 确定调整格子:存在负检验数 ,说明当前方案非最优。应将 换入。
- 构建闭回路:从空格 出发,寻找仅由有运量格子作为拐角的闭回路:
- 确定调整量 :
- 奇数项格子(减少运量):,。
- 偶数项格子(增加运量):,。
- 调整量限制:。
- 调整运量:
- 新
- 新 (出基)
- 新
- 新
调整后的运量表如下:
| 产地 \ 销地 | X | Y | Z | 产量 |
|---|---|---|---|---|
| A | 6 | 8 (20) | 10 | 20 |
| B | 7 (5) | 11 | 11 (25) | 30 |
| C | 4 (10) | 5 (15) | 12 | 25 |
| 销量 | 15 | 35 | 25 | 75 |
-
重新进行最优性检验: 基变量为 。设新位势 ,令 :
计算空格检验数 :
- (仍有负检验数!)
说明仍非最优。选择最负的 (或 )进行调整。 假设选 换入,构建闭回路: 奇数项:。调整量 。 调整后:
- 新
- 新
- 新
- 新
得到新的运量表:
| 产地 \ 销地 | X | Y | Z | 产量 |
|---|---|---|---|---|
| A | 6 (10) | 8 (10) | 10 | 20 |
| B | 7 (5) | 11 | 11 (25) | 30 |
| C | 4 | 5 (25) | 12 (0) | 25 |
| 销量 | 15 | 35 | 25 | 75 |
(注:此处因为退化引入 维持基变量数 )。 计算位势 。 计算非基变量检验数:
由于所有检验数均非负,因此该运输方案已达到最优。 最优运输方案: A 运往 X:10 吨,运往 Y:10 吨;B 运往 X:5 吨,运往 Z:25 吨;C 运往 Y:25 吨。 最低总运费:
四、 整数规划 (Integer Programming)
1. 核心考点梳理
整数规划(IP)限制部分或全部决策变量只能取整数。
- 分支定界法(Branch and Bound):
- 初次松弛:去掉所有整数约束,作为普通 LP 求解。
- 定界:若松弛最优解符合整数要求,即为最优解;若不满足,其目标值即为原 IP 的目标上界(极大化问题)。
- 分支:选择其中一个非整数的最优解分量 ,分裂为两个互斥子问题约束: 和 。
- 剪枝条件:子问题无可行解;子问题松弛最优目标值小于当前已知的可行整数解目标值(丢弃);子问题求得整数解(更新下界并剪枝)。
- 0-1 变量的应用:
- 固定费用问题(Fixed Charge Problem): 若生产某产品存在固定准备费 ,变动成本为 ,产量为 ,最大产能为 。 引入 0-1 变量 表示是否生产该产品。 则目标函数成本项为:。 且必须加入关联约束条件:。
2. 经典自测题
【题目】 某跨国制造企业计划在 A、B、C 三个备选城市中选择建设生产工厂,以满足未来总计 1500 吨的产品市场总需求。决策信息如下:
- 若在城市 建厂(),会产生一次性的固定建设投资成本 ,且该厂有最大生产产能限制 。
- 每个城市的单位变动生产及运输总成本为 。具体数值见下表:
| 备选城市 | 固定建设成本 | 最大生产产能限制 | 单位变动成本 (元/吨) |
|---|---|---|---|
| A | 50,000 元 | 1000 吨 | 20 |
| B | 60,000 元 | 1200 吨 | 15 |
| C | 40,000 元 | 800 吨 | 25 |
同时,考虑到公司的地缘战略平衡:
- A 和 B 两个城市中至少要选择一个建厂。
- 如果选择在 C 建厂,则必须同时在 A 建厂。
请建立以总成本最小化为目标的 0-1 混合整数规划模型。
3. 答案与详解
【第一步:定义决策变量】 模型需要同时决策“是否建厂(逻辑决策)”以及“建厂后的生产量(数量决策)”:
- 设 0-1 变量 表示建厂决策:
- 设连续变量 表示在城市 的实际产品产量(吨)。
【第二步:构建目标函数】 最小化总建设固定成本与变动生产成本之和:
【第三步:构建约束条件】
- 满足市场总需求约束:
- 厂区产量与建厂逻辑及产能上限关联约束:
根据固定费用问题特征,若不建厂()则产量必须为 0;若建厂()则产量不能超产能上限 :
- 城市 A:
- 城市 B:
- 城市 C:
- 厂区选址互斥与依赖约束:
- A 和 B 中至少选择一个:
- 若在 C 建厂则必须在 A 建厂(即当 时必有 ,反之无限制):
- 变量范围约束:
五、 目标规划 (Goal Programming)
1. 核心考点梳理
目标规划针对多目标决策问题,允许目标存在偏差。
- 偏差变量的基本性质:,且满足极重要红线 。
- 绝对约束(硬约束):不允许有任何违背的资源约束,依然保持不等式形式(如 )。
- 目标约束(软约束):允许未达标或超标,必须加入正负偏差变量化为等式:
- 目标函数形式:一律为极小化偏差 。
2. 经典自测题
【题目】 某家装制造公司生产甲、乙两种实木板材。生产需要消耗木材原料和木工加工工时。已知各项资源限制及产品参数如下:
- 硬性资源限制:公司每日可支配木材原料最大供应量为 120 公斤。生产每单位甲板材需要 2 公斤,每单位乙板材需要 3 公斤。
- 正常生产工时:公司每天有 80 小时的正常工时限制,生产每单位甲需要 1 小时,每单位乙需要 1 小时。超出 80 小时的部分视为加班工时。
公司管理层为下一阶段生产制订了四个不同优先级的目标:
- 第一优先级目标 ():日净销售利润应至少达到 1500 元。生产每单位甲可获利 30 元,每单位乙可获利 50 元。
- 第二优先级目标 ():木材原料的消耗总量控制在 100 公斤以内(尽量避免超额)。
- 第三优先级目标 ():为保障工人福利,尽量避免安排加班工时(即尽量使总工时控制在 80 小时内)。
- 第四优先级目标 ():为了稳定市场占有率,甲板材的日产量应尽可能不少于 20 单位,乙板材的日产量应尽可能不少于 15 单位,且两者的重要性权重之比为 。
请建立该问题的多目标目标规划模型。
3. 答案与详解
【第一步:定义决策变量】
- 设决策变量 分别表示甲、乙两种板材的日产量(单位)。
- 引入偏差变量:
- 表示利润目标的负、正偏差。
- 表示木材原料消耗目标(100 公斤)的负、正偏差。
- 表示加工总工时目标(80 小时)的负、正偏差。
- 和 分别表示甲和乙日产量的不足量(负偏差)。
【第二步:构建绝对约束(硬约束)】 木材原料的绝对最大日供应量为 120 公斤:
【第三步:构建目标约束(软约束)】
- 利润目标约束(目标值 1500 元):
- 木材理想消耗目标约束(目标值 100 公斤):
- 加工工时限制约束(目标值 80 小时):
- 甲、乙产量目标约束(目标值分别为 20 和 15):
- 甲产量约束:
- 乙产量约束:
【第四步:构建目标函数】 根据各级优先因子的诉求,极小化各目标的偏差:
- :利润不少于 1500 元,即极小化不足量 。
- :木材不超 100 公斤,即极小化超额量 。
- :避免加班,即极小化超额工时 。
- :甲产量不少于 20,乙产量不少于 15。权重比为 ,即极小化不足量 。
由此可得目标函数:
【第五步:范围约束】
六、 图与网络优化 (Graph & Network Optimization)
1. 核心考点梳理
- 最短路问题应用(Dijkstra 算法):
- 单源最短路经典求解法,设 为节点 的临时/永久标记值。
- 主要用于路径规划、设备更新决策(将设备使用年限作为节点,年更新与维护总费作为弧权)。
- 最大流问题(寻找增广链与标号法):
- 标号法步骤:
- 寻找一条从源点 到汇点 的增广链,若无,当前流即为最大流。
- 在增广链上计算最大可改进流量 (前向弧可增加量与后向弧可减少量)。
- 前向弧流量增加 ,后向弧流量减少 ,更新网络。
- 标号法步骤:
- 最小费用最大流问题:
- 在有容量限制的网络中,每条弧同时具有单位运输费用 。
- 求解方法(Successive Shortest Path): 每次在以单位运费为路权的伴随无向网络(残留网络)上寻找一条从 到 的最短路。在此路径上用容量上限限制进行流量增广,更新网络流结构,重复此过程直至无法找到增广路径,所得流即为最小费用最大流。
2. 经典自测题
【自测题 1 - 最短路问题】 已知网络中各节点及弧权值(距离)如下表(无值代表无连接):
| 节点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | - | 4 | 2 | - | - | - |
| 2 | - | - | 1 | 5 | - | - |
| 3 | - | - | - | 8 | 10 | - |
| 4 | - | - | - | - | 2 | 6 |
| 5 | - | - | - | - | - | 3 |
| 6 | - | - | - | - | - | - |
使用 Dijkstra 算法 求从起点 1 到终点 6 的最短距离及路径。
【自测题 2 - 最大流问题】 给定如下容量网络,其中弧上的数字 表示该路段的容量上限:
- 容量 10, 容量 5。
- 容量 2, 容量 6, 容量 4。
- 容量 8。
- 容量 8。
- 容量 3, 容量 7。 请使用增广链方法求出源点 到汇点 的最大流总量及各弧流量方案。
【自测题 3 - 最小费用最大流问题】 在自测题 2 的网络拓扑结构及容量基础上,增加每条边上的单位输送费用 :
- 容量 10,费用 2; 容量 5,费用 8。
- 容量 2,费用 1; 容量 6,费用 5; 容量 4,费用 3。
- 容量 8,费用 2。
- 容量 8,费用 4。
- 容量 3,费用 1; 容量 7,费用 6。 求从 到 的最小费用最大流方案及最小总运费。
3. 答案与详解
【最短路自测题解答】 使用 Dijkstra 算法迭代步骤:
- 初始化: 集合(已确定最短路顶点)为 ,;其余 。
- 第 1 轮:
从 出发更新邻接点:
- 选取临时标记中最小者:。将 并入 ,有 。
- 第 2 轮:
以新确定点 更新邻接点:
- 临时标记点中最小者为 。将 并入 ,有 。
- 第 3 轮:
以点 更新邻接点:
- 当前最小者为 。将 并入 ,有 。
- 第 4 轮:
以点 更新邻接点:
- 当前最小者为 。将 并入 ,有 。
- 第 5 轮:
以点 更新邻接点:
- 确定终点 6 最短距离为 14。
- 最省路径:,最短距离为 14。
【最大流自测题解答】 使用寻找增广链的方法:
- 初始可行流:设初始各弧流量为 0。
- 寻找第一条增广链:
- 前向弧容量限制:。
- 发送流量 。
- 当前各弧流量:,,。
- 寻找第二条增广链:
- 前向弧剩余容量:。
- 发送流量 。
- 流量更新后:,,。此时弧 和 均饱和。
- 寻找第三条增广链:
- 剩余容量:。
- 发送流量 。
- 流量更新后:,,(饱和)。
- 寻找第四条增广链:
- 剩余容量:。
- 发送流量 。
- 流量更新后:(饱和),,,(饱和)。
- 此时源点 出发的弧 和 全饱和,无法继续增广。
- 最大流值:。
- 各弧分配方案:
【最小费用最大流自测题解答】 基本思路:每次以单位运费为权重,在残留网络上寻找最短增广路进行增广。
- 初始状态:流 ,总费用 。
- 第一轮:
- 寻找最短费用路(路权为 ):
- 路径一:,总单位运费为 。
- 路径二:,总单位运费为 。
- 路径三:,总单位运费为 。
- 因此,最短路为 (费用比为 10)。
- 该路径上最大可增广流量:(受限限度为 )。
- 增广流量 ,产生费用 元。
- 流量分布:。
- 寻找最短费用路(路权为 ):
- 第二轮:
- 由于 饱和,寻找其他最短路:
- 最短路为 (单位费用 )。
- 该路径上最大可增广量:(受限限度为 剩余)。
- 增广流量 ,产生费用 元。
- 累计流量 ,流量更新为:(饱和)。
- 由于 饱和,寻找其他最短路:
- 第三轮:
- 因为 已饱和,增广路终段必须为 。
- 最短路为 (单位费用 )。
- 最大增广量:(受限限度为 剩余)。
- 增广流量 ,产生费用 元。
- 累计流量 ,流量更新为:(饱和),。
- 因为 已饱和,增广路终段必须为 。
- 第四轮:
- 因为 饱和,需通过 2 绕行。
- 最短路为 (单位费用 )。
- 最大增广量:(受限限度为 剩余)。
- 增广流量 ,产生费用 元。
- 累计流量 ,此时 饱和。
- 因为 饱和,需通过 2 绕行。
- 第五轮:
- 只剩从 出发的增广路。
- 最短路为 (单位费用 )。
- 最大增广量:。
- 增广流量 ,产生费用 元。
- 累计流量 。此时 饱和,整个网络无法再增广。
- 只剩从 出发的增广路。
- 最小费用最大流总量:15。
- 各弧流量分配方案:
- 最小总运费:
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