DamiRocK

Все базисные допустимые решения системы из трёх ограничений: три вершины из десяти базисов

Для системы 2x₁+5x₂+x₃=8, x₁−6x₂+x₄=15, −x₁+2x₂+x₅=11 перебираем все десять базисов. Допустимы три базисных решения — вершины треугольника, а два ограничения оказываются лишними.

Условие

Рассмотрим систему ограничений в канонической форме:

2x1 + 5x2 + x3 = 8,
x1 − 6x2 + x4 = 15,
−x1 + 2x2 + x5 = 11,
x1, x2, x3, x4, x5 ≥ 0.

а) Найдите хотя бы одно базисное допустимое решение системы.

б) Найдите все базисные допустимые решения системы.

Решение источника

а) x = (0, 0, 8, 15, 11).

б) В источнике пункт не решён.

Редакционное объяснение

Пункт «а». Переменные x3, x4, x5 входят каждая в своё уравнение с коэффициентом 1, а правые части неотрицательны. Поэтому их можно сделать базисными, положив x1 = x2 = 0: получаем решение источника (0, 0, 8, 15, 11). Это стандартная стартовая точка симплекс-метода.

Пункт «б»: перебор базисов. Уравнений три, переменных пять, так что базис состоит из трёх переменных, а две остальные равны нулю. Всего C(5, 3) = 10 кандидатов, и все десять подсистем здесь невырождены:

базис базисное решение допустимое?
x1, x2, x3 (−24, −13/2, 177/2, 0, 0) нет
x1, x2, x4 (−13/3, 10/3, 0, 118/3, 0) нет
x1, x2, x5 (123/17, −22/17, 0, 0, 354/17) нет
x1, x3, x4 (−11, 0, 30, 26, 0) нет
x1, x3, x5 (15, 0, −22, 0, 26) нет
x1, x4, x5 (4, 0, 0, 11, 15) да
x2, x3, x4 (0, 11/2, −39/2, 48, 0) нет
x2, x3, x5 (0, −5/2, 41/2, 0, 16) нет
x2, x4, x5 (0, 8/5, 0, 123/5, 39/5) да
x3, x4, x5 (0, 0, 8, 15, 11) да

Ответ на пункт «б»: базисных допустимых решений ровно три: (0, 0, 8, 15, 11), (4, 0, 0, 11, 15) и (0, 8/5, 0, 123/5, 39/5).

Как прийти к ответу без полного перебора. Переменные x3, x4, x5 — остатки неравенств 2x1 + 5x2 ≤ 8, x1 − 6x2 ≤ 15, −x1 + 2x2 ≤ 11 на плоскости (x1, x2). Из первого неравенства и неотрицательности следует x1 ≤ 4 и x2 ≤ 8/5. Тогда x1 − 6x2 ≤ 4 < 15 и −x1 + 2x2 ≤ 16/5 < 11, то есть второе и третье ограничения выполняются автоматически и никогда не обращаются в равенство. Допустимое множество — треугольник с вершинами (0; 0), (4; 0), (0; 8/5), и каждая вершина даёт одно базисное допустимое решение; в нём x4 и x5 всегда положительны и потому всегда базисные.

Проверка. Для (0, 8/5, 0, 123/5, 39/5): 5·8/5 = 8; −6·8/5 + 123/5 = 75/5 = 15; 2·8/5 + 39/5 = 55/5 = 11. Для (4, 0, 0, 11, 15): 8 = 8; 4 + 11 = 15; −4 + 15 = 11. Весь перебор десяти базисов выполнен в точной рациональной арифметике.

Типичная ошибка. При переборе забывать проверять знаки всех трёх базисных переменных: например, базис x1, x3, x5 даёт положительные x1 = 15 и x5 = 26, но x3 = −22.

Что не следует из ответа

Из того, что в системе три ограничения, не следует, что все они формируют допустимое множество: здесь два из них избыточны. Число базисов C(5, 3) = 10 — лишь верхняя граница для числа вершин; фактических вершин может быть гораздо меньше. Сравните с соседней задачей, где в первом уравнении стоит −x3: там множество становится неограниченным, а вершин — четыре.

Борис Демешев · «Задачки по методам оптимальных решений», задача 3.3 «Базисные допустимые решения в канонической форме» · Исходное задание и решение · CC0 1.0. Адаптация: формулы переписаны без LaTeX; пункт «б», не решённый в источнике, решён редакцией полным перебором базисов и геометрически.

Reading preferences

Appearance
Contrast
More options

Saved only in this browser. Your device’s reduced-motion setting is always respected. Browser zoom works throughout the site.