البرمجة الخطية أو البرمجة الرياضية...ÿ The table shows data problem:...
Transcript of البرمجة الخطية أو البرمجة الرياضية...ÿ The table shows data problem:...
1
Mathematical Programming
:Introduction
الهدف دالة تسمى محدده لدالة الصغرى أو القيمة العظمى القيمة تحديد في يبحث الذي العلم بأنها تعرف الرياضية البرمجة
((Objective function.
البالستيك صناعة .٢ .الكيميائية المفاعالت تصميم .1: الرياضية تطبيقات البرمجة
.واإلنتاج النقل مسائل .٥والجسور المباني تصميم . 4الطائرات اتكمحر تصميم. 3
(الخطية غير العادية التفاضلية المعادالت) العددي التحليل في الرياضية للبرمجة استخدامات وهناك
: programming mathematical forThe general formula
Minimization or Maximization
function Objective)......., x( f =ZMax oMin 21 nxxr
Subject to (s. t.)
Constraint
.
.,,
).......,x (g
.
.
).......,x (g
).......,x (g
2
1
21n
212
211
nn
n
n
b
b
b
xx
xx
xx
Types of Mathematical Programming:
(1) Linear programming
(2) nonlinear programming
nonlinear programming) : ( Example
1
3:subject to
function Objective x=zMin
2
21
2
2
1
x
xx
x
٢
(LP) Linear Programming
Introduction
من األساليب األساسية والمهمة التي تساعد وهي ,تعتبر البرمجة الخطية من أكبر إنجازات منتصف القرن العشرين
وتعد مسائل البرمجة البرمجة الرياضية أساليباحد متخذي القرار على اتخاذ قرارات صحيحة وبطريقة علمية، وهي
؛ ثم إن ( Non-linear) خطيةغيرالمنها و Linear) ( طيةالخطية جزءاً من مسائل البرمجة الرياضية التي تشمل الخ
التي تتعلق جميعها بمسائل التنظيم شمولية، يسمى ببحوث العمليات، البرمجة الرياضية هي بدورها جزء من موضوع أكثر
.واإلدارة ومسائل النقل والزراعة والصناعة
هدف تعظيم الربح وذلك ب، ةالمثل في استخدام الموارد المتاحرياضي يساعد في التخطيط واتخاذ القرار ا كما أنها أسلوب
وفرت الماليين من األموال ومن ساعات قدو،وهي من النماذج المؤكدة وليست من النماذج االحتمالية .او خفض التكلفة
العمـل للعديد من الشركات والمنشآت اإلنتاجية
إلى وضع المشكلة بصيغة رياضية او نموذج رياضي وحلها ترادف في معناها كلمة تخطيط كما تشير :وكلمة برمجة
.باالعتماد على العالقات الخطية
First : Definition of a Linear Program
A function ),....,( 21 nXXXf of ( nXXX ,...., 21 ) is a linear function if
and only if for some set of constants ( nCCC ,...., 21 )
),....,( 21 nXXXf = nn XCXCXC ,....2211
:Optimization problem Second :
It is a mathematical technique for optimum allocation of Limited or scarce
resources, such as labor, material, machine, money energy ….etc
To achieve a specific objective ( maximize or minimize value of the objective
function)
Third: Steps linear programming:
(A) Identify the problem
(B) Construction of mathematical model
(C) Find a solution
Fourth: The general formula for linear programming model:
Linear Programming is concerned with solving just one mathematical
problem, namely maximizing or minimizing a linear function of n variables
(called the objective function) subject to m linear constraints, that is
:(Objective function)(1)
Maximize or Minimize
Max or Min nnxcxcxcxcz 332211
(x1 , x2 , x3 , ……………. , xn) decision variables)
(2) Constraint:
3
Subject to
mnnmmmm
nn
nn
nn
bxaxaxaxa
bxaxaxaxa
bxaxaxaxa
bxaxaxaxa
),,(
).....,,(.......................................................
),,(
) ,,(
) ,,(
,33,22,11,
3,333,322,311,3
2,233,222,211,2
1,133,122,111,1
(3) Nonnegative:
X1 , X2 , X3 , …………………. , Xn ≥ 0
In matrix terms a linear programming model is:-
MinimizeorMaximize xcz T Subject to
bxA
, 0x
Where A is an nm matrix
nmmm
n
n
n
aaa
aaa
aaa
aaa
A
,2,1,
,32,31,3
,22,21,2
,12,111
mb
b
b
b
b
3
2
1
,
nx
x
x
x
x
3
2
1
and
nc
c
c
c
c
3
2
1
Where:
Z: represents the value of the objective function.
C: the objective function coefficients (profit or cost.).
X: the decision variables.
a: the needs of each and every one unit of resources, whether raw materials,
n: number of variables.
m: the number of restrictions.
b: the resources available .
4
:ProblemMaximization (1)
Max Z = c1X1 + c2X2 + c3X3 + ………+ cnXn
(2) Restrictions
Subject to
mnnmmmm
nn
nn
nn
bxaxaxaxa
bxaxaxaxa
bxaxaxaxa
bxaxaxaxa
)..........(..................................................
,33,22,11,
3,333,322,311,3
2,233,222,211,2
1,133,122,111,1
X1 , X2 , X3 , …………………. , Xn ≥ 0
Minimization Problem :(2)
Note :
maximum Z = minimum (- Z), the objective function becomes
Min Z = c1X1 + c2X2 + c3X3 + ………+ cnXn
S.t
mnmmmm
nn
nn
nn
bxaxaxaxa
bxaxaxaxa
bxaxaxaxa
bxaxaxaxa
..........................................................
,33,22,11,
3,333,322,311,3
2,233,222,211,2
1,133,122,111,1
X1 , X2 , X3 , …………………. , Xn ≥ 0
Fifth: Examples on the formulation of a linear programming problem:
No. 1Example
The company Othazqo manufactures (chairs and tables), the price of the chair $
10, and needs to be one working hour in the Publishing Section, and one
working hour in the collection Section, the price of the table $ 40, and you need
to hours worked in the Publishing Section, and five hours of work in collection
Section, the market accommodates both producers, the time available to work
100 hours in the publishing Section, and 150 hours of work in the collection
Section, Director of the company needs to determine a production mix of chairs
and tables, whose company achieves the maximizing profit.
٥
Solution
The objective here is Maximizing profit Objective First
number of chairs is X1
number of tables is X2
Codes Secondly
The table shows data problem:
Available Time tables X2 chairs X1 Resources
100 2 1 Publishing Section
150 5 1 Collection Section
40 10 price
Put the data in the table above in the form of inequalities, as follows:
Max Z=$10X1+$40X2 Objective function
1X1+2X2 ≤100
1X1+5X2 ≤ 150 Constraints
X1≥ 0,X2 ≥ 0 Non negative
2:No.Example
The company general industrial production of two types of notebooks school
(writing, drawing), the time available(24 hours of the machine, 16 hours of
work), you need each unit produced books( write to 2 of the machine, and 2 of
the work) , while the needs of each unit of the books of (the drawing to 3 hours
of the machine and 1 hour of work). The price of each unit of writing books, $
12, and books drawing $ 14, note that the company could sell only 7 units from
writing books and 6 units of drawing. . Director of the company wants to
determine the quantity of production of two types that achieve the company's
the maximizing profit.
Solution
The objective here is Maximizing profit Objective First
number of writing books is X1
number of drawing books is X2
Codes Secondly
6
The table shows data problem:
Available drawing X2 writing X1 Resources
24 3 2 machine
16 1 2 work
7 - 1 1 market
6 1 - 1 market
14 12 price
Put the data in the table above in the form of inequalities, as follows:
:3No.Example
Wants Dean of the Faculty of Administrative Sciences at the University of
Salman bin Abdul Aziz, develop a plan for number of materials for the next
course. Where the number of materials Section morning and evening section
must be at least 60 articles, and the number of products that must be provided to
the students of the Department Morning at least 30 articles, while the evening
materials section at least 20 articles. Dean also wants to reduce costs to a
minimum. If you know that the cost of material per Section Morning SR 1000
. And the cost of material per Section 800 rails evening. What is the number of
materials Section morning and evening section that you must put Dean in order
to be at a minimum cost?
Solution
The objective here is Minimize costs Objective First
number of materials for morning department is X1
number of materials for the evening department X2
Codes Secondly
: So the mathematical model will be as follows
Max Z =$12 x1+$14 x2
Subject to:
2 x1 +3 x2 ≤ 24
2 x1+ 1 x2 ≤ 16
x1 ≤ 7
x2 ≤6
x1≥ 0 x2≥ 0
7
Min (Z)= 1000 X1 + 800 X2
Subject to:
X1+ X2 ≥ 60
X1 ≥ 30
X2 ≥ 20
X1 , X2 ≥ 0 Non-negative
:Exercises
(1) Industrial company wants to determine the quantities that should be
produced from 3 different products and then limited resources (in the
following table) to maximize profit:
Available 3 Product 3 Product 2 Product 1 Resources
240 4 2 5 Workers
400 3 6 4 Raw materials
2 5 3 Profit
(2) Company produces electric tools three products A, B, and C, and the
company estimated profit for each unit are as follows 150, 120, 90,
respectively., And pass products in three steps a manufacturing, collection and
testing of quality, the following table shows the number of hours needed to
produce one unit of these products, Put the previous problem in the general
form of the linear programming?
quality collection manufacturing Produces
1 3 2 A
0.75 2 3 B
0.75 2 4 C
200 370 450 Time available
8
2:No. Example: Canonical Form Sixth
Optimal solution))قبل البدء باستخدام أي طريقة من طرق الحل للوصول إلى الحل األمثل
:ياسي و سوف نبدأ بالشكل القانوني كاآلتيفان المشكلة يجب أن تكون بأحد الشكلين القانوني أو الق
( (≤ ) جميع القيود من نوع اصغر أو يساوي ( Maxدالة الهدف من نوع -1
( ( ≤)جميع القيود من نوع اصغر أو يساوي ( Minنوع دالة الهدف من -٢
( Xj ≥ 0 ) جميع متغيرات القرار موجبة -3
Standard form Seventh :
تعتبر هذه الصيغة أفضل من السابقة ألنها تستخدم في الطريقة العامة المعتمدة في تحليل البرامج
:غةو أهم خصائص هذه الصي (simplex method)الخطية
Minاو Maxدالة الهدف من نوع -1
bi ≥ 0الجانب األيمن للقيود كمية موجبة -٢
.جميع القيود يعبر عنها بمعادالت ما عدا قيود عدم السالبية -3
Xj ≥ 0جميع المتغيرات تكون موجبة -4
في هذا الشكل يجب تغير جميع القيود التي تكون على شكل متباينات إلى شكل معادالت مساواة و ذلك
:جمع أو طرح متغير غير سالب من الجهة اليسرى لجميع القيود و كما يليطريق عن
اصغر أو يساوي فيتم إضافة المتغير الموجب إلى الجانب األيسر ( ≤ ) إذا كان القيد من نوع - أ
و هو يمثل النقص في الجانب األيسر للقيد Slake Variableمن القيد و يسمى بالمتغير الراكد
.ما هو متوفر للجانب األيمن مقارنة ب
112121111212111 bsxaxabxaxa
اكبر او يساوي يتم طرح المتغير الموجب من الجانب االيسر و ( ≥ ) اذا كان القيد من نوع - ب
و هي تمثل الزيادة في الجانب االيسر على Surplus Variableتسمى بالمتغيرات الفائضة
.الجانب االيمن
112121111212111 bsxaxabxaxa
Eighth: The solution to the linear programming problems:
: First: Some terminology solving linear programming problems
(1) Feasible Solution (permissible): X=(X1,X2….Xn )
تحقق كافة القيود الواردة في المسألة
(2) Basic feasible solution (B.F.S):
.يسمى الحل المقبول حل أساسي مقبول إذا كان عدد المتغيرات الموجبة فيه ال يتجاوز عدد القيود
9
(3) Non degenerate B.F.S:
.من المتغيرات الموجبة mيكون الحل األساسي المقبول حال غير مجزاء إذا احتوت بالضبط على
(4) Optimal Solution:
إضافة إلى ذلك يجعل قيمة دالة الهدف في نهايتها العظمي أو ( يحقق كافة القيود أي الذي)هو الحل
.نهايتها الصغرى
Secondly ::Methods to solve a linear programming problem:
Graphical Method (1)
Simplex Method (2)
(3) The Dual Method
GRAPHIC SOLUTION OF LP PROPLEMS
ionIntroduct
تعتبر طريقة الرسم البياني طريقة سهلة وبسيطة وواضحة في معالجة مشاكل البرمجة الخطية خاصة
تلك المشاكل التي ال يزيد فيها عدد المتغيرات عن اثنين والتي تحتوي على عدد بسيط من القيود كما
مشاكل البرمجة تفيد طريقة الرسم البياني كمقدمة لدراسة طرق وأساليب أخرى أكثر تعقيدا في حل
الخطية مثل السمبلكس
And when you follow the graph method, you must follow these steps:
1.Draw the X-axis and Y (the positive part of each)
1.Specify two points for each straight (equation)
2. Drawing lines expressing the equations
3. Determine the feasible ( possibilities) available
x2
the positive part of each
The point of origin
x1 =0=1س x2 =0=2س
x1 x1
11
1.
4.Set point within the area of the feasible available that give the optimal
results (the maximization or minimization)
(1) Example
Find the optimal solution for the following LP model by using graphical:
Objective function Max z=$10X1+$40X
S.t 1X1+2X2 ≤100
1X1+5X2 ≤ 150
Non negative X1≥ 0,X2 ≥ 0
Solution:
(1) Transfer restrictions to equal as follows
The straight first x1+2x2=100
The straight second x1+5x2=150
- determine of two points for each straight :
Straight 1
X1 X2
0 50
100 0
Straight 2
X1 X2
0 30
150 0
11
Can be drawn straight first and the straight second)
(0=x2 ,150 =X1)
(30= x2, 0=x1)
30
20
10
(0,0) 50 100 150
Feasible
region
(0,0)
The point of origin
50
100
(0=x2 ,100 =X1)
Straight 1
100 = 2X2+x1
(50= x2, 0=x1)
x1
x2
50
25
Feasible
region
1٢
The joint solution, an area ( A B C D ) shaded
The objective function is tested at these points, ( A B C D )
: (Extreme Points)
Points (C)
Point to the representation of the intersection of the straight 1 and the straight 2.
x1+2x2=100
x1+5x2=150
Previous solving equations using any method (deletion of compensation,
matrices, determinants, etc. or using a calculator)
using a calculator:
x1=200\3=66.67 x2=50\3=16.67
The result ($ Z=$10 x1+$40 x2 X2 X1 Point
1000 10 ×100 +40 ×0 0 100 B
1335 10 ×66.7 +40 ×16.7 16.7 66.7 C
1200 10 ×0 +40 ×30 30 0 D
straight first 100=2X2+X1
X2
X1
C
D
10
150
B
100
1
66.6 50 A
16.6
50
straight second 150=5X2+X1
30
(0 , 0)
13
Example 2
Find the optimal solution for Example (2) (school books and booklets draw)
way the graph
Max Z =$12 x1+$14 x2 Subject to:
2 x1 +3 x2 ≤ 24
2 x1+ 1 x2 ≤ 16
x1 ≤ 7
x2 ≤6
x1≥ 0 x2≥ 0
Solution:
The same steps as in the first example:
The joint solution, an area (Y2 Y3 Y4) shaded
Extreme Points (Y2 Y3 Y4 ) : Find
Straight 2 2x1+x2=16
Straight 3 X1=7
Straight 4
X2=6
Straight 1 2x1+3x2=24
X1 12
8 7 6 4 2 Y0
4
6
8
Y1 Y2
Y3
Y4
16
Y5
Straight 1
12 0
0 تاغعععععععععععععععععع ععععععع
8
X1 X2
24=3X2 +2X1
7
__
X1
X1=7
Straight 3
3لمستقيم
8 0
0 16
X1
X2
16 =X2 +2X1
Straight 2
Straight 4
4لمستقيم
__
6
X2
X2=6
X2
14
Point (Y4) represents the intersection of 2 straight and the 3 straight:
7 x1= 16 2x1+x2=
٢= x2 -14 16 = x2 16 = 2(7) +x2
Point (Y2 ) represents the intersection of 2 straight and the 4straight:
24 2x1+3x2=
x2=6
Use a calculator x1 =3 x2 = 6
Point (Y3) represents the intersection of 1 straight and the 2straight
24 2 x1+ 3x2 =
2 x1+ x2= 16
=4 2 =6 x 1 xUse a calculator
So Max z = $12X1 + $14X2
The result $ Z=$12x1+$14x2 X2 X1 Point
120 12 ×3 +14×6 6 3 Y2
128 12 ×6 +14×4 4 6 Y3
112 12 ×7 +14×2 2 7 Y4
highest return at the point Y3, must produce ( 6 writing books, 4 draw) to
achieve a return of $ 128
Example 2
Find the optimal solution
MMiinn ZZ == 55XX ++ 22YY
0011 >> YY++ 55 XX22 ss..tt..
1122 >> YY -- XX44
44 >> YY++ XX
00 >> YY,, XX Solution:
The same steps as in the first example:
1٥
Extreme Points (Y2 Y3 Y4 ) : Find
Point B
,, 44XX -- YY == 1122 XX++ YY == 44
== 44//55 YY== 1166//55 XXUse a calculator
The result $ Z= 55XX ++ 22YY XX Y Point
30 12 ×3 +14×6 6 0 A
1177..66 mmiinn 55((1166//55)) ++ 22((44//55)) 44//55 1166//55 B
The objective function ZZ == 55XX ++ 22YY == 55((1166//55)) ++ 22((44//55)) == 8888//55== 1177..66
We find that the optimal solution is:
XX == 1166//55 YY == 44//55 ZZ == 8888//55
Straight 1
5 0
0 ععععععععععععععععععععع
عععع
2
XX YY
22XX ++ 55YY==1100
3 0
0 -12
XX YY 12 = YY - 4 XX
Straight 2
4 0
0 4
XX YY
XX ++ YY == 44
Straight 3
12 > Y - X4 4 > Y+ X
1100 > Y+ 5 X2
55
44
33
22
11
Y
X
The
solutions
11 22 33 44 55 66
16
:xerciseE
(1) Find a solution following a linear programming problem using the graph
method:
Maximize
Z = 3x + 2y
subject to: 2x + y ≤ 18
2x + 3y ≤ 42
3x + y ≤ 24
x ≥ 0 , y ≥ 0
SX4RERE Coordinates (x,y) Objective value(Z)
C (0,14) 28
G (3,12) 33
H (6,6) 30
F (8,0) 24
(2) Find a solution following a linear programming problem using the graph
method: