Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Бухучет и аудит arrow ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Посмотреть оригинал

Нетрадиционные методы

Методы линейного программирования

Линейное программирование представляет собой методы решения определенного класса задач по нахождению крайних значений (шах или min). Они основаны на решении системы линейных уравнений, когда зависимость строго функциональна. В модели линейного программирования выделяются три составные части: целевая (максимизируемая или минимизируемая) функция, система ограничений и условие неотрицательности переменных. Математический аппарат линейного программирования используется при решении задач экономических, технических, военных и др.

В экономических задачах оптимального планирования решение целевой функции сводится к нахождению максимума, например, прибыли, объема производства, производительности труда или минимума текущих затрат, капиталовложений, времени выполнения работ и т.п.

В тоже время надо отметить, что не каждая задача оптимального планирования может быть сформулирована и разрешена в рамках линейного программирования. Для этого необходимо соблюсти четыре основных условия.

  • 1. В задаче должен быть четко сформулирован и количественно определен критерий оптимальности, что не так легко сделать на практике. О работе предприятия чаще всего судят по ряду показателей: объему производства, ассортименту и качеству выпускаемой продукции, рентабельности производства и др. Выбор одного критерия может оказаться далеко не лучшим с точки зрения другого и наоборот.
  • 2. Важной составной частью задачи линейного программирования являются ограничения, связанные с наличными ресурсами, потребностями или другими факторами. В реальной экономике не всегда можно учесть взаимодействие слишком большого количества факторов, поэтому составляется упрощенная модель, которая бы более близко отражала действительный характер.
  • 3. Линейное программирование предполагает выбор вариантов и оно применимо только тогда, когда конкретные условия экономической задачи обусловливают эту свободу выбора.
  • 4. Модель должна содержать только линейные уравнения или неравенства, т.е. все переменные задачи должны быть в первой степени. Реальные экономические зависимости не всегда носят линейный характер.

Учитывая соответствующие условия и приближая экономическую ситуацию для решения задач линейного программирования, необходимо также учитывать, что наложение на переменные величины слишком жестких ограничений может привести к противоречивости всей системы исходных условий задачи.

По характеру решаемых задач методы линейного программирования можно разбить на две группы.

  • 1. Универсальные методы. С их помощью могут решаться любые задачи линейного программирования. Самым распространенным из них является симплексный метод, предложенный Дж. Данцигом, метод раз- решаюших множителей, разработанный академиком Л. В. Канторовичем в 1939 г., примерно за 10 лет до его появления за рубежом.
  • 2. Специальные методы. Эти методы проще универсальных, но применимы не для всех задач. К ним относятся распределительный метод для решения транспортной задачи, метод разрешающих слагаемых А. Л. Лурье, метод дифференциальных рент А. Л. Брудно, венгерский метод.

К особой группе методов линейного программирования относятся приближенные методы, отличающие от остальных тем, что не гарантируют строго оптимального решения задачи, но они просты и хорошо приспособлены к ручным вычислениям. К ним относятся индексный метод, метод аппроксимации Фогеля и др.

Симплексный метод. Чтобы лучше понять идею симплексного метода, рассмотрим решение задачи оптимизации использования ресурсов с целью достижения максимальной прибыли.

Пример 2.21

Имеется вспомогательное производство, которое использует остающиеся от основного производства материалы. На данном производстве налажен выпуск дверей различного ассортимента: с использованием стекла (ассортимент ЛВС) и без него (ассортимент ДВ). Сбыт данной продукции обеспечен, т.е. продукция может производиться в любых соотношениях, но есть ограничение по количеству рабочих мест в цехе и ресурсам основных материалов. Задача состоит в том, чтобы запланировать цеху ежемесячный выпуск продукции, обеспечивающий наибольшую возможную сумму прибыли.

Вид продукции

Нормы затрат на единицу продукции

Прибыль с единицы продукции, тыс. руб

Рабочее время, чел.-ч

Древесина,

м[1]

Стекло, м2

дв

9,2

0,3

3

ДВС

4,0

0,6

2,0

2

Имеющийся объем ресурсов (в месяц)

520

24

40

В задаче не ставится условия обязательного использования всего объема ресурсов. Необходимо, чтобы расход рабочего времени был не больше заданных пределов.

Рассмотрим программу 1, которая предполагает выпуск только дверей ассортимента ДВ, нс используя при этом стекло для их производства.

Если выпускать только ДВ, используя при этом все имеющиеся ресурсы, то их хватит для выпуска:

  • — по рабочему времени: 520/9,2 = 56 (шт.);
  • — древесине: 24/0,3 = 80 (шт.).

Следовательно, всех ресурсов достаточно для выпуска только 56 дверей.

Прибыль при данном выпуске составит 168 000 руб. (56 • 3000).

Программа 2 предполагает выпуск только дверей ассортимента ЛВС. В данном случае ресурсов хватит для выпуска:

  • — но рабочему времени: 520/4 = 130 (шт.);
  • — древесине: 24/0,6 = 40 (шт.);
  • — стеклу: 40/2 = 20 (шт.).

Оптимально возможен выпуск только 20 дверей ЛВС, что ограничивается наличием стекла. При этом уйдет 12 м[1] древесины, из оставшейся части возможен еще выпуск 40 шт. дверей ассортимента ДВ. На производство 20 шт. ДВС и 40 шт. ДВ будет потрачено 448 чел.-ч.

Прибыль составит 160 тыс. руб. (20 -2 + 40-3). Значит первая программа предпочтительней. Существуют и другие варианты.

Ограничения данной задачи таковы:

На графике проведем прямую Lu соответствующую первому неравенству: Второму неравенству соответствует прямая Ь2:

Третьему неравенству на графике соответствует прямая, параллельная оси абсцисс L3:

Поскольку план выпуска должен строиться исходя из всех пяти ограничений задачи, то областью допустимых решений в данном случае будет закрашенный многоугольник.

Максимальное значение целевой функции, найденное в предыдущих расчетах, будет соответствовать точкам прямой:

Многоугольник ограничивает область допустимых решений задачи. Из массы решений нужно выбрать такое, где значение прибыли максимально. В нашем случае эго будет точка пересечения прямых L{ и 12. Далее решается система линейных уравнений:

Решая систему, получаем: отсюда прибыль равна:

Если прямая, отвечающая целевой функции (в графическом методе) проходит через вершину многоугольника, то задача имеет единственный оптимальный вариант. Если совпадает со стороной многоугольника, то задача имеет множество решений.

Оптимальное решение должно проходить либо через вершину, либо через сторону многоугольника. Поэтому одна из вершин отвечает оптимальному решению, но неизвестно вначале какая.

Графический метод прост и нагляден, но применение его ограничено.

При трех переменных пришлось бы строить многогранник в многомерной системе координат. При четырех и более переменных графическое изображение невозможно. Но можно представить многомерное пространство абстрактно. Если условие задачи непротиворечиво, то область допустимых значений (ОДЗ) образует выпуклый многоугольник в и-мерном пространстве.

При этом оптимальное решение, если оно существует, обязательно достигается в некоторой вершине многогранника (возможно и более чем в одной).

Таким образом, чтобы найти решение задачи линейного программирования достаточно перебрать варианты, соответствующие вершинам многогранника. Они называются опорными планами. Однако в сложных задачах их может оказаться чрезмерно много и определение опорных планов потребует огромного объема вычислений.

Симплексный метод позволяет осуществить упорядоченный перебор вершин многогранника.

Последовательность расчетов по симплексному методу рассмотрим на примере.

Пример 2.23

Предприятие располагает тремя группами оборудования (I, II, III), па котором изготавливается четыре вида продукции (А, Б, В, Г). Все изделия имеют неограниченный сбыт и, следовательно, предприятие может планировать ассортиментную программу в пределах данной номенклатуры.

Имеются следующие ограничения:

  • — наличие основного оборудования;
  • — нормы времени на обработку каждого вида изделий на оборудовании каждой группы;
  • — величина прибыли, полученная предприятием за единицу конкретного вида изделий.

Требуется получить максимальную прибыль.

Группа оборудования

Время на единицу изделия, мин

Месячный фонд времени, мин

А

Б

В

Г

I

1

2

4

8

24 000

II

3

5

1

0

12 000

III

6

0

3

1

30 000

Прибыль с единицы продукции, руб.

од

0,2

0,5

0,8

Искомый выпуск: х{ изд. А; х2 изд. Б; х3 изд. В; х4 изд. Г.

Максимальная прибыль:

Ограничения:

Для решения задачи симплексным методом все неравенства превращаем в равенства. Для этого вводим в задачу три дополнительные неотрицательные переменные величины: х5, х6, х7 и прибавляем их к левой части неравенства:

По своему экономическому смыслу дополнительные переменные есть ни что иное, как неиспользованное время работы конкретного оборудования. Для решения задач симплекс методом составляются специальные симплекс таблицы.

В самой верхней строке записаны коэффициенты целевой функции. Дополнительным переменным соответствуют нулевые коэффициенты. Неиспользованное оборудование не приносит прибыль. Те же нулевые показатели — в столбце С против каждой дополнительной переменной.

В заполнении строки Zj - Cj имеются свои особенности. Рассматривается Zj для каждого столбца. Она получается как сумма произведений величин столбца С на соответствующие коэффициенты столбца j. Поскольку в первоначальном варианте в столбце С находятся 0, то величина Zj для всех столбцов равна 0, а величина Zj - Cj = -Cj. Поэтому в начальном варианте здесь поставлены коэффициенты целевой функции с обратным знаком. Все основные переменные приравнены к 0 и не входят в базис нашей задачи. Дополнительные переменные равны предельным значениям в соответствии с исходными уравнениями. Это означает, что ничего не производится, ресурсы не используются и значение целевой функции равно 0 (прибыль отсутствует).

Решение задачи заключается в последовательном введении в план основных переменных, пока не будет получено оптимальное решение. При этом на каждом этапе расчета можно ввести лишь одну переменную. При этом другая переменная выводится из базы, так как при трех ограничениях в базисе не может быть больше трех переменных.

Поскольку задача решается на max прибыли, начинать надо с наиболее прибыльного изделия. В нашем случае это изд. Г. В базис вводится х4. Определим, каким может быть предусмотрен выпуск изд. Г. Это зависит от объема ресурсов и нормативов затрат. На оборудовании группы I можно обработать 3000 изд. (24 000/8), группа II в изготовлении Г не участвует, а группа III может быть использована на обработку 30 000 изд. Принимаем наименьшее из значений (3000 изд.), в таблице в колонку «базис» х4 ставится на место х5 (оборудование группы I равняется нулю, так как использовано полностью). Число 8 на пересечении хА и х5 называется направляющим элементом или генеральным, ключевым, разрешающим.

Строка х4 в новой таблице получается путем деления строки выводящей переменной х5 предыдущей таблицы на направляющий элемент. В столбце С проставляется 0,8 — величина прибыли с единицы изд. Г. После этого пересчитывается столбец «план». На оборудовании группы II изд. Г не обрабатывается и в новом варианте фонд его времени остается без изменений (12 000 мин).

Фонд времени оборудования группы III уменьшится на 3000 мин (1 мин х х 3000 шт.), следовательно остаются неиспользованными 27 000 мин. Следующее число столбца «план» — 2400 руб. (0,8 • 3000) — прибыль при данном варианте. После столбца «план» пересчитываются все остальные столбцы симплексной таблицы, кроме строки вводимой переменной. При этом, следует иметь в виду, что в столбцах всех переменных, входящих в базис, на пересечении одноименных строк и столбцов всегда находится единица, а остальные элементы столбца равны нулю.

Поэтому сразу можно заполнить столбцы х4, х6 и х7. Пересчет целесообразно производить по «правилу треугольника». Для того, чтобы рассчитать в новом варианте какой-либо коэффициент, нужно в симплексной таблице найти три числа: число, стоящее на месте этого коэффициента в предыдущем варианте;

  • — число, стоящее в той же строке предыдущего варианта, но в столбце вводимой переменной;
  • — число, находящееся в новом варианте в одном столбце с искомым коэффициентом, но в строке вновь введенной переменной (элементы этой строки ранее уже были рассчитаны).

Указанные три числа в таблице образуют прямоугольный треугольник. Для определения искомого коэффициента из числа, находящегося в вершине прямого угла необходимо вычесть произведение двух других углов.

Например, для столбца .гр

Производим вычисление:

для коэффициента по строке

для коэффициента строки х7:

Показатель для строки Zj - Cj можно рассчитать двумя способами:

а) по формуле

б) по правилу «треугольника»:

Аналогично производим расчеты и для других столбцов нового варианта симплексной таблицы.

Теперь необходимо выяснить, является ли второй вариант оптимальным или он может быть улучшен. Для этого просматривается строка Zj - Cj. Если она содержит отрицательные числа, то вариант может быть улучшен.

На 0,3 руб. в расчете на каждую вводимую единицу изделий увеличится прибыль при введении в базис числах! (изд. А) и на 0,1 руб. при введении числах3 (изд. В). Эти цифры могут показаться противоречащими исходным данным: согласно которым изд. А приносит 0,4 руб. прибыли, В — 0,5 руб. Но дело в том, что на данном этапе задачи введение в план этих изделий вытеснит известное количество ранее введенных изд. Г, чтобы для их производства высвободить оборудование группы I.

На следующем этане целесообразнее ввести х{ (изд. А), гак как ему соответствует наибольшее по абсолютной величине отрицательное число. Аналогично предыдущему варианту установим сколько едении изд. А может быть включено в план с учетом того, что он уже содержит выпуск изд. Г. Для этого числа из столбца «план» делим на соответствующие (только положительные) коэффициенты из столбца вводимой переменной х{ и из полученных частных выбираем наименьшее:

Отсюда следует, что в новый вариант расчета может быть введено не более 4000 изд. А, гак лимитирующим фактором является оборудование группы II. Следовательно, переменная х{ заменит в базисе переменную хв.

На пересечении столбца хх и строки х6 находим и подчеркиваем направляющий элемент — 3. Далее рассчитываем строку введенной переменной путем деления элементов строки х6 предыдущего варианта на направляющий элемент. Затем рассчитываем столбец «план»:

Прибыль при новом варианте составит:

По описанному правилу заполняем следующие столбцы. Просматривая строку Zj - Cj видим, что в ней содержатся только нули и положительные элементы, что означает, что вариант 3 является оптимальным решением и не может быть улучшен. В него входят лишь два вида изделий из четырех. Переменная х3 соответствует в последней строке 0. Это означает, что введение в план на последующем шаге х3 не увеличит прибыль, но и не уменьшит ее и полученный результат также будет оптимальным. Разделив числа столбца «план» на коэффициенты столбца х3 и выбрав из полученных минимальное, определяем, что данная переменная должна вводиться в базис на место переменной^. В результате последующих преобразований получаем новый оптимальный план, в котором предусматривается выпуск 2182 изд. А {) и 5455 изд. В (.г3). Найдем еще несколько оптимальных вариантов решения нашей задачи. Вариант /: 50% из первой программы и 50% из второй программы:

Вариант II: 80% из первой программы и 20% из второй программы:

Эти варианты также обеспечивают прибыль в размере 3600 руб.

Наличие нескольких практически равных эффективных планов позволяет определить ряд промежуточных вариантов, что в экономических задачах дает дополнительные возможности для анализа и качественного отбора наиболее приемлемых из них.

При решении задач симплекс методом могут встретиться случаи «вырождения». При т ограничениях невырожденный план всегда содержит т положительных переменных, а остальные п - т переменных задачи в базис не входят и равняются нулю. Однако возможно равенство нулю и одной или нескольких переменных из входящих в базис, т.е. наличие одного или несколько нулей в столбце «план» симплексной таблицы. Такой план и называется вырожденным. При вырожденном плане наличие отрицательных чисел в строке Zj - Cj не означает, что следующий вариант обеспечит увеличение значения целевой функции. Оно может остаться неизмененным, причем на протяжении не только одного, но и нескольких последовательных шагов. Так происходит зацикливание, которое препятствует дальнейшим расчетам и может быть преодолено лишь с помощью специальных приемов.

В настоящее время при решении задач оптимизации широко применяются персональные компьютеры. При этом используется система электронных таблиц «Microsoft Excel».

Для решения задач оптимизации в MS Excel используют надстройку Поиск решения, которая вызывается из пункта главного меню «Сервис».

Если в версии Excel, установленной на вашем компьютере, отсутствует данный подпункт меню «Сервис», необходимо вызвать пункт меню «Надстройки» и в предложенном списке дополнительных модулей выбрать «Поиск решения».

Рассмотрим на примере использование данной надстройки, решив с ее помощью задачу производственного планирования.

Пример 2.24

Предприятие выпускает продукты А, В, С, D из трех типов ресурсов. Математическая модель имеет следующий вид: шах/(Х) = 7,5я*1 +3х2 + 6дг3 + 12.г4 (целевая функция — суммарная стоимость выпуска).

Ограничения по запасам ресурсов и неотрицательности переменных таковы:

Составим шаблон в редакторе Excel.

Теперь занесем в данную задачу числовую информацию.

В выделенные пустые ячейки (значения целевой функции и левых частей неравенств) необходимо занести формулы, отображающие связи и отношения между числами на рабочем столе.

Ячейки С4 - Fa называются в Excel изменяемыми (в нашей модели это неизвестные переменные). Поиск решения при их изменении будет находить оптимальное значение целевой функции. Значения, которые первоначально вводят в эти ячейки, обычно нули (незаполненные клетки трактуются по умолчанию как содержащие нулевые значения).

Теперь необходимо ввести формулы. В нашей математической модели целевая функция представляет собой произведение вектора коэффициентов на вектор неизвестных. Действительно, выражение можно рассматривать

как произведение вектора (7, 5, 3, б, 12) на вектор (.г,, х2, я-*, хА).

В Excel существует функция СУММПРОИЗВ, которая позволяет найти скалярное произведение векторов. Данную функцию необходимо вызвать в ячейку #5, а в качестве перемножаемых векторов задать адреса ячеек, содержащих коэффициенты уравнений (в данном случае, это С5 : F5), и ячеек, в которые в результате решения будут помещены значения хи х2, х3, х4 (ячейки СА : FA).

Каждая левая часть ограничения тоже представляет собой произведение двух векторов: соответствующей строки матрицы затрат и вектора неизвестных. Выражение х + х2 + 0Дг3 + л (для первого ограничения 2х, + х2 + 0,5х3 + 4 х4 < 2400) будем рассматривать как произведение вектора коэффициентов (2,1,0,5,4) и вектора переменных и х2, х3, х4).

В ячейке, отведенной для формулы левой части первого ограничения ((79), вызовем функцию СУММПРОИЗВ. В качестве адресов перемножаемых векторов занесем адрес строки коэффициентов С9 : /0 и адрес значений переменных С4 : FA.

д j J

В четыре оставшиеся ячейки графы «Левая часть» вводим аналогичные формулы, используя соответствующую строку матрицы затрат. Фрагмент экрана с введенными формулами выглядит следующим образом.

К моменту вызова сервиса «Поиск решения» на рабочий стол с задачей должны быть занесены формулы для левых частей ограничений и формула для значения целевой функции.

В меню «Сервис» выбираем «Поиск решения». В появившемся окне задаем следующую информацию:

  • а) в качестве целевой ячейки устанавливаем адрес ячейки для значения целевой функции #5;
  • б) «флажок» устанавливаем на вариант «максимальному значению», так как в данном случае целевая функция дохода подлежит максимизации;
  • в) в качестве изменяемых ячеек заносится адрес строки значений переменных С4 : F4;
  • г) справа от окна, предназначенного для занесения ограничений, нажимаем кнопку «Добавить», появится форма для занесения ограничения;

д) в левой части формы «Ссылка на ячейку» заносится адрес формулы для левой части первого ограничения G9, выбирается требуемый знак неравенства (в нашем случае, <), в поле «Ограничение» заносится ссылка на правую часть ограничения /9;

е) аналогично заносятся все ограничения задачи, после чего нажимается кнопка «ОК».

Окно «Поиск решения» с занесенной информацией выглядит следующим образом.

Далее необходимо нажать кнопку «Параметры», установить «флажки» «Линейная модель» и «Неотрицательные значения», поскольку в данном случае задача относится к линейному программированию, а ограничение требует неотрицательности значений.

Затем следует нажать «ОК», «Выполнить», после чего появляется окно результата решения.

Если в результате всех действий получено окно с сообщением «Решение найдено», то вам предоставляется возможность получения трех типов отчета, которые полезны при анализе модели на чувствительность. В данном примере достаточно сохранить найденное решение, нажав «ОК». В результате получено решение задачи.

Если же в результате решения задачи выдано окно с сообщением о невозможности нахождения решения, это означает, что при оформлении задачи была допущена ошибка (не заполнены формулы для ограничений, неправильно установлен «флажок», максимизации (минимизации) и т.д.).

В окне «Поиск решения» имеется кнопка «Параметры».

Установим флажок «Показывать результаты итераций», нажмем «ОК».

Затем нажмем кнопку «Выполнить».

Ms Excel выдаст следующее окно.

На рабочем листе будут показаны результаты первой итерации.

После этого нажимаем кнопку «Продолжить», на рабочем листе отображаются результаты второй итерации.

Снова нажимаем кнопку «Продолжить», на рабочем листе отображаются результаты третьей итерации.

При следующем нажатии кнопки «Продолжить», программа выдает окно «Результаты поиска решения», где необходимо сохранить найденное решение и выбрать тип отчета.

В данном разделе рассмотрен общий формат решения задач оптимизации в Excel. В зависимости от экономических моделей, выполняют его соответствующие модификации.

Отчеты выглядят следующим образом.

1. Отчет по результатам.

2. Отчет по устойчивости.

3. Отчет по пределам.

Теперь рассмотрим пример, в котором математическая модель имеет тот же вид, но ограничения имеют разные знаки.

Пример 2.25

Л. Допустим, математическая модель такова: Она имеет следующие ограничения:

Отчет по устойчивости.

Б. Теперь предположим, что математическая модель имеет другие ограничения:

при

В данном случае имеем следующие результаты по отчетам.

Отчет по устойчивости.

  • [1] Воспользуемся для решения этой же задачи одним из методов линейного программирования — графическим. Пример 2.22 Введем обозначения: х{ — искомое количество дверей ДВ, х2 — искомое количество дверей ДВС.
  • [2] Воспользуемся для решения этой же задачи одним из методов линейного программирования — графическим. Пример 2.22 Введем обозначения: х{ — искомое количество дверей ДВ, х2 — искомое количество дверей ДВС.
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Популярные страницы